單缸風冷柴油機實現國三標準的技術研究和應用

魏長生,

(1.國家內燃機質量監督檢驗中心，上海 200438； 2. 上汽集團商用車技術中心，上海 200438)

0 前言

2014年5月環保部發布了GB 20891-2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》(以下簡稱“G3”)用以替代GB 20891-2007舊標準(以下簡稱“G2”)。標準要求所有進行排氣污染物排放型式核準的非道路移動機械用柴油機今后都必須符合標準第三階段要求[1]。

對單缸柴油機來說，非道路G3標準沒有跟G2標準一樣細分功率區間，對于功率小于37 kW的排放限值只存在1個限值標準；與G2相比，G3排氣污染物限值更加嚴格，尤其是對于18 kW以下功率段的單缸柴油機，排放限制更加收緊[2]。因此本文針對功率在19 kW以下的發動機，進行較大的技術升級和改進。

1 實現單缸柴油機G3標準的試驗研究

本文以一款傳統單缸風冷柴油機的升級方案為例，通過采用機內凈化措施，優化樣機的零部件、進排氣系統和燃燒系統，實現升級G3的目標。

1.1 發動機原機型與目標機型的基本參數

表1為原機型與目標機型參數表，兩者的結構形式和主要零部件一脈相承，不同之處在于目標機型需要達到國三排放標準，因此需對原機型進行升級改進，以滿足新的性能和排放要求。

1.2 優化改進及試驗驗證

發動機目標機型在原機型的基礎上主要優化了部分零部件設計、進排氣機構、燃油供給及燃燒系統。

表1 原機型與目標機型參數表

1.2.1優化機體設計

圖1 發動機目標機型與原機型機體散熱結構圖

圖1為發動機目標機型與原機型機體散熱結構圖。改進后的機體左側引風板為整體鑄造，在增加散熱片寬度的同時，還使得左側的支撐強度和剛度得到了有效提升，與右側的推桿孔支撐結構形成對稱布置，減小缸套變形量，有利于降低機油耗，減少顆粒物排放。

1.2.2優化曲軸、平衡軸設計

通過更改齒輪、在兩端主軸頸部位增加凸肩結構、提高曲軸重疊度進行優化設計。另外提高了曲軸安全系數，將安全系數由原機型的1.987提高為2.434。通過重新設計機體內腔，將曲軸扇形塊加大，改善了平衡軸的可靠性[3]。

由于行程增加，原機型的平衡結構需重新設計，通過加厚扇形塊厚度增加不平衡力矩來達到期望值。不平衡力矩加大后，兩端支撐軸頸直徑增加了3 mm。

通過平衡軸和曲軸的重新設計，目標機型的一階往復慣性力平衡率由原機型的82%提升到了94%，目標機型的振動情況明顯改善，對實現整機的可靠性十分有利。

1.2.3優化活塞、活塞環設計

優化后的活塞除燃燒室由普通縮口改為六角“ω”之外，還在活塞群部噴涂了石墨涂層，以此降低摩擦阻力，減小配缸間隙，可有效降低機油耗。另外，目標機型采用鋼環活塞環和表面滲陶，減小了摩擦、改善了貼合并降低了機油耗[4]。

1.2.4優化冷卻系統設計

單缸風冷柴油機氣缸與氣缸蓋大都采用鋁合金壓鑄成型，普遍存在的問題主要有各部位溫度分布不均勻、溫差大，導致高負荷工作時易產生變形現象。通過優化機體結構，按照最佳熱流面積布置散熱片等措施，降低氣缸與氣缸蓋各部位之間的溫差，減少柴油機的熱負荷與熱應力，為優化燃燒并降低污染物排放提供了基礎保障[5]。表2為原機型與目標機型冷卻系統對比表。改進后的冷卻結構散熱片由原機型的8片增加到了9片，散熱面積增加了10%；通過增加油池強制冷卻的方式可將標定工況機油溫度降低超過10 ℃，得到的冷卻效果明顯。

表2 原機型與目標機型冷卻系統對比表

1.2.5優化進氣系統

(1)采用多折數、大面積濾芯結構：與原機型相同，采用的都是干式紙質空濾，其濾芯的外形尺寸相近，但改進后的濾芯濾紙折數超過原機型，其過濾面積增大、進氣阻力減小，有助于提高進氣效率。試驗結果表明，進氣結構優化后充氣效率提升了3%～4% ，樣機外特性油耗、煙度在低速時有明顯改善，最大扭矩工況油耗下降了2%，排氣煙度下降了22%。

(2)采用廢氣再循環：通過創新設計，在缸蓋進、排氣道之間設計1個小通孔(直徑約為4 mm)，部分排氣道的廢氣在進氣過程中隨新鮮空氣進入氣缸，起到部分廢氣再循環(EGR)的作用，能有效降低氮氧化物(NOx)排放。試驗結果表明，采用了EGR措施后的NOx排放量普遍降低了30%～40%，降幅非常明顯。但在降低NOx的同時顆粒物排放量有所增加，這需要控制好EGR率，不同的機型在使用EGR降低NOx時需要考慮NOx和顆粒物(PM)排放的平衡問題。

(3)優化配氣機構：表3為目標機型與原機型進排氣參數表。通過加大氣門升程、提高進氣流量系數(0.439)、增加進氣門開啟時間等手段，使進氣總量得到提升，提高充氣效率。

表3 原機型與目標機型進排氣參數表

1.2.6優化供油系統

與原機相比，主要進行了以下5個方面的改進工作：(1)提高供油速率，原機型柱塞直徑由7 mm增大至目標機型的7.5 mm、凸輪升程由6 mm提升至7 mm、優化凸輪型線優(凸弧改為凹弧)使泵端壓力比原機型提高了40%，有效提高供油速率，為減小供油提前角降低NOx排放提供了條件；(2)提高噴霧質量，增加噴孔數(4孔改為5孔)、減小噴孔直徑(0.21 mm改為0.18 mm)，使燃油霧化質量更好；(3)采用等壓出油閥，采用等壓出油閥可有效防止二次噴射，控制PM排放量；(4)減小高壓油管內徑，原機型2.0 mm內徑油管換成1.6 mm內徑，增加系統液力剛性；(5)減小供油提前角，供油提前角由19 °CA減小至12～14 °CA ，大幅降低了NOx排放量，最大降幅達到50.3% 。

1.2.7優化燃燒系統優化燃燒室

圖2所示為目標機型燃燒室結構圖。該燃燒室的軸向和徑向截面積都是連續變化的，因此渦流旋轉時會產生速度差，形成不規則的紊流，有利于油霧混合和燃燒室壁面油膜的剝離。

圖2 目標機燃燒室結構圖

2 整機試驗結果

通過上述機體結構、進氣系統、供油及燃燒系統的一系列優化改進，樣機的油耗、煙度和氣體排放有了大幅度的改善。表4為優化后樣機的排放試驗結果。

試驗結果表明：與原機型相比，標定工況比油耗由275 g/(kW·h)下降至267 g/(kW·h)，煙度由2.6 FSN下降至1.8 FSN，CO比排放量下降了20%， HC+NOx比排放量下降了35%，PM比排放量下降了51%，滿足了G3排放標準限值要求。

表4 目標機排放試驗結果

3 結語

本研究中單缸風冷柴油機成功升級至G3標準的案例表明，采取優化結構設計、進排氣系統、燃油供油系統和燃燒系統等機內凈化措施，是可以開發出滿足G3標準的非道路移動用單缸風冷柴油機，符合當前對單缸柴油機低成本、高質量和節能環保的要求。后續工作將繼續跟蹤當前單缸柴油機的技術發展，完善和改進試驗驗證過程，持續為企業提供技術支持和全過程質量分析、診斷及改進工作，從而貫徹落實節能減排、可持續發展的國家及行業發展政策。