機車用D180-16 型柴油機的研制

張 健，姜昭禹，譚博文

（大連中車柴油機有限公司， 遼寧大連 116021）

隨著近年來我國鐵路運輸速度的不斷提升，內燃機車或動車組的軸重已逐漸成為限制其發展的主要因素。作為內燃機車動力裝置，發動機自身體積和質量的降低也變得愈發重要。目前，國內內燃機車動力產品均為中速機［1-3］，受軸重限制，在機車上很難實現為滿足更嚴苛的排放標準如EPA Tier4 或歐IIIB 而加裝尾氣后處理裝置的需求，而國際上采用大功率高速柴油機加尾氣后處理裝置如SCR 解決方案來滿足最新排放法規的內燃機車正成為趨勢，這類機車裝備的都是高速柴油機，如卡特彼勒的C175 系列、Cummins 的QSK95 系列等柴油機［4］。因此，開發和研制一款體積適中、功率密度更高、節能環保的大功率高速柴油機，不僅可以滿足國內鐵路運輸的需求，還可以打破國外公司在大功率高速柴油機市場的壟斷地位。

大連中車柴油機有限公司長期從事柴油機的開 發 和 制 造，擁 有240 系 列、265 系 列、RK 270 系 列柴油機等產品，廣泛應用于鐵路、船舶及發電等領域。從2012 年起，歷時7 年，與奧地利AVL 公司合作，設計開發了一種全新的大功率D180-16 型高速柴油機［5］。文中介紹了D180-16 型柴油機（以下簡稱D180 柴油機）模塊化的設計概念、總體結構和主要零部件等。

1 D180 柴油機的設計理念

1.1 基本需求與挑戰

現代內燃機車用發動機的基本需求如下：①緊湊的結構布置；②高功率質量比；③滿足當前和未來的排放法規；④較好的經濟性；⑤高可靠性設計；⑥簡便的維護保養；⑦更長的大修期。

現代內燃機車的發展所面臨諸多挑戰。日益嚴苛的排放法規要求是最重要的挑戰之一。顯而易見，內燃機車的尾氣污染物排放來自于機車的心臟—發動機。發動機的開發需要盡可能的優化機內燃燒技術，提高發動機熱效率的同時，有效控制尾氣污染物的排放；平衡氮氧化物和燃油消耗率的關系，采用合適的技術有效降低顆粒物和碳氫化合物的排放；采用適合的尾氣后處理系統滿足不同排放法規的要求；采用合理的機內排放控制技術與尾氣后處理技術相結合，在滿足同等可靠性的前提下，實現更低的全壽命運用成本。為了獲得更高的熱效率而不斷提高的燃燒壓力指標，對發動機及零部件的可靠性設計提出了更高的要求。在發動機的概念和技術設計階段，投入更多的努力和費用，用于更詳細的模擬計算和分析工作，可以有效降低發動機在試驗驗證和運用考核階段的開發成本。顯然，在設計開發階段花費較小的代價就可以解決的問題，若放在整機試驗驗證階段甚至批量制造階段進行解決，所花費的代價要巨大得多。進氣的冷卻問題也是一項重要的挑戰。一般來說，內燃機車的進氣溫度在-40 ℃～40 ℃之間。但是，2 輛或多輛內燃機車進行重聯牽引時，這種情況下前置牽引機車的排氣會被后置機車吸入，導致進氣溫度升高。特別是在隧道環境運行時，進氣情況會更惡劣。

針對上述需求和挑戰，D180 柴油機在概念設計階段，首先制定了主要性能指標以及采用的主要技術如圖1 所示。此外，考慮到不同排放法規的差異，預留了加裝顆粒捕捉器（DPF）和柴油氧化催化裝置（DOC）的方案。

圖1 D180 柴油機主要性能指標及技術

1.2 設計目標

D180-16 型柴油機的性能、排放的設計目標見表1、表2。

表1 D180 柴油機性能設計目標

表2 D180 柴油機排放設計目標

1.3 熱力學設計

在明確了整機性能和排放設計目標后，通過應用一維熱力學分析軟件進行了多輪的優化模擬計算，最終確定了如下技術路線：

為達到NOx排放和燃油消耗率的目標，需采取以下措施：

（1）強米勒循環。

（2）兩級增壓系統，總壓比達到6 以上。

（3）靈活的噴油正時策略，滿足不同排放目標要求的同時獲得最佳的經濟性。

（4）高壓縮比。

（5）熱力學計算用最高燃燒壓力為230 bar。

為達到顆粒（PM）排放目標，需采取以下措施：

（1）高壓共軌燃油噴射系統，最高噴射壓力可以達到2 200 bar。

（2）高效的燃燒系統。

（3）最小的過量空氣系數：滿足歐IIIA 排放需達到1.9，滿足歐IIIB 排放標準需達到1.7。

（4）降低機油消耗。

1.4 燃燒室和噴油系統設計

為達到柴油機的設計目標，需要有相適應的燃燒系統，其中對于活塞頂的燃燒室形狀以及噴油器噴嘴的設計尤為重要，需要考慮以下幾個方面：

（1）降低缸內噴油過度的趨勢。

（2）針對不同的應用和排放等級，采用不同壓縮比的能力。

（3）應用相適的活塞頂部輪廓。

（4）為保證冷卻效果，避免活塞冷卻腔壁面過厚。

（5）在保證活塞冷卻效果的前提下，簡化活塞冷卻腔設計。

（6）降低缸內噴油貫穿距對于噴油正時的影響。

（7）同時兼顧顆粒和NOx的排放。

（8）同時兼顧燃油消耗率與NOx的排放平衡。

為了確定最合適的系統，將靜態燃燒室和渦流型燃燒室2 種形狀的活塞頂燃燒室形狀進行了對比分析，見表3。

表3 柴油燃燒系統的選擇

通過以上比較可以看出，前一種活塞頂形狀具備更好的適用性。其對于不同用途的柴油機，以及不同的排放等級要求、噴油正時和壓縮比的柴油機，都具備良好的適用性。

對于噴射系統，通過優化噴嘴的噴孔尺寸及形狀，實現了所需的較小的油束發散角以及理想的噴射貫穿距。

1.5 渦輪增壓系統

增壓系統采用的是帶有兩級冷卻的兩級渦輪增壓系統。一級冷卻器位于低壓壓氣機和高壓壓氣機之間，二級冷卻器位于高壓壓氣機后，如圖2所示。為了更好的優化內燃機車散熱器的設計，兩級冷卻器都采用了高低溫水共同冷卻的結構。

圖2 二級渦輪增壓系統

D180 柴油機通過采用兩級增壓系統，保證了在采用米勒循環的前提下為發動機提供足夠的空氣，從而實現功率目標的要求，同時預留了在一定高海拔地區運用的裕度。

由于受到機車上空間的限制，柴油機的外形尺寸被嚴格要求。因此，增壓器和空氣冷卻器被緊湊地布置在機體上方V 型夾角中間位置，在緊湊的管路布置前提下，合理優化了空氣流動，并盡可能的降低安裝重心，如圖3 所示。

圖3 兩級增壓系統的布置

考慮到空間布置以及瞬態響應的問題，D180柴油機沒有選擇大流量的增壓器作為低壓增壓器，而是使用2 臺低壓增壓器。通過在高低壓增壓器之間加裝1 個高壓廢氣旁通閥，以實現不同應用環境下對空氣流量進行調節的目的。

1.6 后處理系統

在沒有后處理系統的情況下，D180 柴油機已經滿足歐IIIA 排放要求。但要達到歐IIIB 的排放要求，還需要加裝后處理系統，進一步降低氮氧化物（NOx）的排放。因此，在性能開發試驗過程中，首先采用了只加裝SCR 后處理系統的方案，根據每一個運行工況所需的NOx轉化率，對于SCR 的噴射率進行了全面校準，試驗證明，只安裝SCR 后處理系統的方案就可以滿足歐IIIB 排放法規的要求。而為了應對未來更高排放要求或者特定應用的不同要求，DOC+DPF 后處理模塊也可以選擇加入到后處理系統中，以實現更低的污染物排放。

1.7 控制系統應用軟件的開發

控制系統的應用軟件是基于一款成熟可靠、模塊化、可擴展的控制器硬件和底層軟件基礎上，利用商業軟件Matlab Simulink 完成開發的。該應用軟件實現了對D180 柴油機的智能化監控。該軟件的開發，充分地考慮了柴油機控制所需傳感器和執行器的信號傳輸、通信線束的設計以及與機車控制器的通信等，并采用模型在環（軟件虛擬仿真）、硬件在環（半實物仿真和預標定）和發動機臺架標定等比較先進的發動機軟件開發理念，加速了軟件開發的過程，同時縮短了發動機在臺架進行性能優化標定的試驗時間。

2 發動機設計

2.1 發動機的主要結構

D180 柴油機的兩排氣缸采用90°V 形夾角排列，兩級增壓器和兩級冷卻器的布置在V 型夾角的中間，如圖4 所示，較好地平衡了柴油機寬度和高度尺寸，同時也充分考慮了氣缸蓋和活塞連桿組的拆裝空間需求。為了提高空間利用率得到理想的布局，進氣管被布置在V 形機體的兩側，單根凸輪軸安裝在機體內V 形夾角的中間—主機油道的正上方。考慮到柴油機總體長度上的限制，首先對于氣缸間距進行了優化，并以此為前提，在保證滿足最大軸瓦承載的基礎上，合理地選擇了曲軸的主軸頸和連桿頸的尺寸。此外，緊湊的輸出端設計，在縮短柴油機整體長度的同時，也更利于扭矩的輸出。為了便于與外部輔助設備及管路的連接，將機油濾清器、離心精濾器、機油和冷卻水的溫控閥、PTO 軸以及所有的泵（高、低溫水水泵，機油泵，高壓燃油泵等）集中布置在柴油機的自由端，并且考慮到不同的應用領域，預留了第2 個高壓燃油泵和海水泵的安裝位置。

圖4 D180 柴油機主要結構

2.2 氣缸蓋

氣缸蓋的設計采用了四氣門結構，可以承受250 bar 的氣缸燃燒壓力。使用4 根M30 的螺柱將氣缸蓋固定在機體上，合理的結構剛度確保了氣缸蓋墊片的受力均勻分布。氣缸蓋的冷卻采用了AVL 公司由上至下的專利設計，其設計理念是讓冷卻水從氣缸蓋的上部水腔往下流入下部水腔，提高承受高負荷的氣缸蓋火力面區域的冷卻水流速，從而提高冷卻效果，如圖5 所示。通過CFD 計算優化的冷卻水腔，可以確保大負荷下火力面的進氣和排氣閥橋區域的溫度相對均衡，在閥橋等關鍵區域產生的較高的冷卻水流速，可以確保進排氣閥間的閥橋以及2 個排氣閥間的閥橋的溫差均不超過25 ℃，排氣閥座的溫度也可以保持在較低的水平。與傳統的氣缸蓋冷卻系統相比，該系統可以使排氣閥間的閥橋溫度降低15～20 ℃。

圖5 氣缸蓋冷卻方式

氣缸蓋的材質為蠕墨鑄鐵，通過FEA 進行結構優化，有效降低了氣缸蓋在氣缸燃燒壓力作用下的變形量，從而降低了氣閥導管和閥座磨損的風險，在機械熱負荷的作用下，具有良好的高周和低周疲勞壽命。

2.3 活塞連桿組

活塞為全鋼結構，活塞頂和活塞裙通過高溫擴散焊接連接在一起。空心結構活塞銷滿足剛度的同時降低了往復慣性質量。優化后的活塞冷卻油腔配以1 個高效的活塞冷卻噴嘴（機油噴入效率80%以上），實現了對活塞頂、燃燒室頂部圓角和第一道氣環的有效冷卻［3］。活塞環組件由2 道氣環和1 道油環組成，2 道氣環均采用經過物理氣化沉積法（PVD）鍍膜的滲氮鋼，增強了耐磨性。活塞連桿組如圖6 所示。

圖6 活塞連桿組

合金鋼閉合模鍛成形的連桿，大端采用四螺釘斜切口結構，方便通過曲軸箱觀察孔拆裝連桿蓋。經過優化設計的連桿小端襯套集油溝槽，可以確保小端襯套通過收集活塞和連桿大端飛濺的機油得到充分的潤滑，并不需要在連桿上加工供油孔，這既降低了連桿的加工難度和成本，又提高了連桿大端軸瓦的承載面積。

2.4 配氣機構

配氣機構中的進排氣搖臂具有很好的剛度，與凸輪及凸輪隨動件一起配合，經過閥系動力學的優化設計，提供滿足米勒循環所需的精確的氣閥升程曲線［1］。平行式的進排氣閥布局結構配合對稱設計的氣缸蓋，確保了均衡的應力及冷卻水流分布，提供了滿足靜態燃燒系統所需的零渦流燃燒室，如圖7 所示。經過優化的配氣機構也適用于將來不同機型（氣體機、雙燃料等）和應用的氣缸蓋方案變化的需求。

圖7 配氣機構

2.5 機體

整體鑄造成形的機體采用的是球墨鑄鐵材質。鑄造沙芯的設計充分考慮了將來的8、12 和20缸柴油機的通用性，機體自由端和輸出端鑄造沙芯以及機體內置的冷卻水進水和回水總管沙芯都可以作為通用件，用于不同缸數的柴油機。

冷卻水進水總管布置在機體外側相對氣缸套較低的位置，而回水總管布置在V 型夾角內側相對較高的位置，這樣的布置可以提高對于氣缸蓋和氣缸套上部區域的冷卻效果。同時，機體內置進回水總管，可以顯著減少外部冷卻水管的數量。氣缸套采用頂部法蘭定位方式，有利于降低氣缸套的變形并進而降低機油消耗。

經過FEA 優化設計的機體，滿足高氣缸燃燒壓力所需的結構強度和剛度的同時，較好地控制了自身質量，為實現整機質量目標奠定了基礎。

2.6 齒輪傳動系統

受限于機車嚴格的安裝空間要求，柴油機的長度需要進行最小化的設計。D180 柴油機通過將驅動凸輪軸和輔助設備（如機油泵、水泵、燃油泵等）的齒輪集中布置在柴油機的自由端，實現了將所有輔助設備集中布置在柴油機自由端的箱體上，便于機車上的輔助管路的安裝布置。同時這種設計方案使柴油機無需增加閥系驅動用的齒輪傳動系統（通常會布置在輸出端），具備更加緊湊的結構布局，如圖8 所示。該齒輪傳動系統具有通用性，可用于D180 系列不同缸數的柴油機。同時為了適應船舶及發電等不同應用，該齒輪傳動系統具有一定的擴展能力，預留了驅動其他輔助設備（如第二高壓燃油泵、海水泵）的安裝位置。

圖8 齒輪系

3 樣機試驗

D180 柴油機先后完成了內部的性能開發試驗和耐久試驗，累計運行近5 000 h，拆檢結果表明，主要部件狀態非常好，甚至軸瓦的跑合層都未見明顯磨損。通過試驗確認了整機性能及可靠性均達到設計目標，裸機狀態下排放滿足歐IIIA 排放標準，只加裝SCR 后處理系統后可滿足歐IIIB 排放標準，在3 280 kW 額定工況下的實測燃油消耗率小于195 g/（kW?h）（包含機帶輔助設備）。2019 年5 月至6 月，在中鐵檢驗認證（大連）機車檢驗站有限公司的主持和監督下，D180 柴油機順利通過了型式認證試驗。

4 結 語

經過精心設計、制造和試驗，D180 柴油機的各項指標已經達到領先水平。在保證可靠性、耐久性和大功率的同時，只加裝SCR 后處理系統就可完全保證排放水平達到歐IIIB 排放標準。