高功重比单缸柴油机的技术优化探析_朱道庆.pdf

内燃机与配件 高功重比单缸柴油机的技术优化探析朱道庆，王树勇，王殿双，刘晓庆，陈军（浙江派尼尔科技股份有限公司，浙江 金华 ）摘要：本文首先对我国所应用的单缸柴油机进行了简单的论述，并开展了国内外单缸柴油机技术性能比较以及发展态势的研究分析，在此基础上，围绕开发一款结构紧凑新颖、重量轻、起动性能好、环境适应性强的卧式柴油单缸发动机，并作出以下几个方面的研究分析，以供参考。关键词：特殊环境；高功重比；单杠柴油机；研制中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：朱道庆（），男，汉族，黑龙江省佳木斯人，高级工程师，本科，研究方向：发动机、机械、液压马达。我国单缸柴油机以卧式与水冷为主，立式与风冷为辅，缸径范围 ，大多数为每隔 为一档。功率范围 ，转速范围 ，少数风冷机型达到 。主要作为手扶拖拉机、小四轮拖拉机、四轮车、农业用排灌、小型船舶、小型工程机械、小型发电机组及农副业加工机械的配套动力。国 内外单缸柴油机 技术性 能 比 较和 技术发展 技术性能比较转速和强化程度：国外单缸柴油机转速一般为 ，而国内机型 以下转速大多数为 ，以上转速大多数为 和 。因此在强化程度上，国内外机器差距是明显的。功重比：国柴油机的最大特点就是单位质量功率大，功重比一般在 ；而我国的单缸柴油机功重比在 。低污染：国外这方面很严，产品要符合 和 标准。可靠性：国外机在最初使用的 不需作任何修理与维护。技术发展趋势随着内燃机技术的发展，轻量化、低油耗、低振动、低排污、低成本、易起动和高寿命是小型风冷柴油机发展的必然趋势。轻量化的主要措施是采用高转速、短行程、短连杆、三环或二环活塞结构。整机结构紧凑，新材料应用使净质量轻。通过提高笔笔循环热效率与机械效率来实现低油耗，最主要的一方面就是改进燃烧过程，实现燃烧室空间形状和几何尺寸、气缸内空气涡流运动特性与燃油喷射和雾化特性的合理匹配，以提高燃烧效率。采用经济性好直接喷射式燃烧室取代分隔式燃烧室，有利于改善柴油机的经济性。提高机械效率主要是从优化结构参数，合理设计活塞结构，选择最佳配合间隙与摩擦副的配对材料，保证零件的制造精度与改善表面质量，减少驱动附件的功率消耗等方面来实现。采用双轴平衡结构来平衡柴油机的一阶与二阶往复运动惯性力，是减轻振动的有效措施，适当加大曲轴平衡块质量，将往复惯性力转换为不平衡力矩或部分转移到水平方向的方法也有利于减小振动，也可以采取减小连杆活塞组往复运动件的质量，以减小往复惯性力引起的振动。在燃烧室增加加热装置，保证给起动时所需合适混合比的空间成分创造最适温度条件，使用匹配良好的燃油喷射系统，选择合理增速比等措施均有利于改善柴油机的冷起动性能。随着铸造技术的更新与制造精度的提高，应用电控技术，使整机低油耗、低排放。采用新结构、新材料、新工艺，降低摩擦、磨损，以保证零件的高寿命。采用油量限制器限制最大循环供油量，防止柴油要超荷运行也是提高柴油机使用寿命的一种途径。现有单缸柴油机的主要缺陷功率重量比、功率体积比小；水冷机虽功重比相对较大，但整机体积较大，占用空间大，不适用空间限制场合。风冷机体积重量虽小，但功率较小，同时不适用高温环境，可靠性差。特殊环境适应性不强，主要表现在耐高、低温性能差；在 高温环境温度下，柴油机散热能力不足，易导致高温损坏。其中，风冷发动机耐高温性差尤为严重；在 以下难以起动，且水冷柴油机冷却液易结冰，严重影响低温环境的使用。抗电磁干扰性能差；目前用户对油耗、排放、调速性、运转稳定性等性能要求越来越DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.025 年第期高，为保证单缸柴油机各个性能指标满足使用要求，越来越多单缸柴油机采用电控技术。电控技术可以实现运行参数的精确控制，从而达到低油耗、低排放、调速性好等技术指标。但该方案弊端也明显，除了成本高以外，因电子控制技术的应用，在军用等强电磁干扰环境中易出现控制失效情况，使整机运行不稳定甚至无法使用。另外，电子技术的应用需要可靠电源，在缺少或者损坏电源情况下，整机无法运行。不具备翻转保护功能；为保证活塞下行过程中曲轴箱压力波动平稳，进而使整机运行平稳，目前四冲程单缸柴油机均有曲轴箱呼吸系统。在遇到单缸柴油机翻转意外情况时，机油会顺着呼吸的呼吸管留到外界，甚至经过进气系统流入燃烧室，使机油流失，同时严重影响柴油机缸内燃烧。进而导致柴油机短时间无法继续使用。单缸柴油机开发内容项目主要围绕开发一款结构紧凑新颖、重量轻、起动性能好、环境适应性强的卧式柴油单缸发动机，在以下几个方面进行研究 用凸轮轴的结构改进目前单缸凸轮轴一般仅具有驱动气门或增加起动泄压机构。本机型采用的凸轮轴改进结构，新增驱动初级油泵、驱动高压油泵、手起动传动结构。将常用驱动初级油泵、驱动高压油泵、手起动传动等需要较多齿轮、轴等零部件省掉，并集中在一根凸轮轴组件中。使紧凑新颖、重量轻，且轻松具备手电双启动功能。轴箱呼吸器结构优化一般四冲程柴油机在翻转意外情况下，机油会在重力作用下，由呼吸器外漏，严重时会经过进气系统进入燃烧室。严重影响柴油机的继续使用。在此基础上，优化设计呼吸器结构。发动机环境适应性由于项目产品的特殊用途，根据主要用户的研制需求，项目产品要满足 军用装备实验室环境试验方法 的要求，涉及的环境适应性试验有：高温试验、低温试验、温热试验、振动试验、冲击试验、电磁干扰试验等。在结构和功能设计上有针对性的进行了进一步优化设计。单缸柴油机技术创新 用凸轮轴的结构改进的单缸柴油机自主研发了一种能同时驱动气门、初级油泵、高压油泵，自带起动泄压机构、手起动功能的凸轮轴。具体结构由凸轮轴本体、起动转销、起动泄压机构、凸轮轴驱动齿轮等零件组成，其中凸轮轴本体包含输油泵偏心轴径、高压油泵凸轮、进气凸轮、排气凸轮等结构。其中，起动转销与凸轮轴本体过盈配合，手摇起动时，摇把与起动转销配合，将动力由起动转销通过凸轮本体，再通过凸轮轴驱动齿轮传递给曲轴齿轮，进而带动曲轴转动实现手摇起动。起动过程同时，当起动泄压机构离心块未达到离心动作转速时，离心块凸起部位将排气门提前打开，使压缩压力在规定曲轴相位角时泄压，即可防止起动反弹，亦可保证起动省力的作用。结合进气系统的进气预热塞可以实现超低温起动性能。输油泵通过输油泵偏心轴径驱动，高压油泵通过高压油泵凸轮驱动，气门通过气门凸轮驱动，保证柴油机正常运行。该凸轮轴总成集五种功能于一体，保证整机结构紧凑、体积小、重量轻，为图所示。图凸轮轴总成结构示意图 用整体式飞轮风扇结构改进的单缸柴油机该飞轮风扇叶片的设计经过严格的 计算。叶片的布置采用不等径、数列式规律排列，可将其分为五组，每组长短间隔不一，和非对称风扇的布置类似。可以使每组叶片的自振频率不同，从而减小振动和噪音。如图 所示。整体式飞轮叶片的特殊设计，具有减小空气紊流、降低噪音和提高风扇效率等特点，对提升柴油机整体性能，特别是整机耐高温环境可靠性提供有力技术支持。同时，飞轮整体式结构，零部件少，维护保养方便。这种结构可以减少气流在叶道进口前的预旋，可以保证在各种情况下的气流冲击损失最小。进风口采用斜锥形结构，对吸进来的空气起到一定的加速作用，同时长的叶片把大量的空气导入风道，经过短的叶片分流使进来的空气进行再加速。经过二次加速的空气风量及风量成倍增加，从而达到足够的风量。图飞轮风扇叶片示意图 用呼吸器结构优化改进的单缸柴油机自主开发了具有防整机翻转导致机油外漏的曲轴箱呼吸器。曲轴箱呼吸器部件由呼吸器本体、限位销、塑料珠、溢流阀球、溢流阀球限位片组成。在曲轴箱呼吸器部件密封面下面垫密封垫，并通过螺纹结构与柴油机曲轴箱联接如图。柴油机工作时，活塞上下运动时，曲轴箱内形成一定压力废气，通过呼吸器废气入口顶开塑料珠，经过呼吸器废气出口进入进气管与混合气一起进入柴油机燃烧室燃烧，进而稳定曲轴箱压力波动；柴油机不工作时，呼吸器内部的塑料珠由于重力作用，与呼吸器本体的锥孔形成线密封，保证无水、异物等进入曲轴箱；柴油机因意外翻转时，溢流阀球由于重力作用，与呼吸器本体的溢流口锥面形成密封，防止翻转导致机油流失，同时防止机油经进气系统 流 入 燃 烧 室，进 而 保 证 柴 油 机 能 够 继 续 可 靠运行。内燃机与配件 图曲轴箱呼吸器示意图 用机械调速器结构优化改进的单缸柴油机该单缸柴油机采用机械式供油系统，同时配合采用优化的机械调速器。主要性能部件的全机械式结构，保证该柴油机具有优良的耐强电磁干涉性能。如图所示。机械调速机构包括离心调速器、调速器移动销、供油调整杆、偏心轴、调速拉杆、油量调节杆、扇形板、推杆、叉形轴等零部件。离心调速器上安装有飞锤、怠速弹簧、中速弹簧、高速弹簧等零部件组成。离心调速器安装在曲轴上，当曲轴以不同转速工作时，飞锤在离心力作用下向外张开或回收，并推动调速器移动销前后移动。怠速弹簧、中速弹簧及高速簧在相应曲轴转速时控制飞锤张开程度，从而控制调速器移动销的移动距离。油量调节杆与高压油泵连接，油量调节杆的摆动使高压油泵的柱塞行程做相应的变化，从而使高压油泵在不同的负荷下供给合适的油量。叉形轴安装在油量调节杆上，供油调节杆上的销与叉形轴连接，供油调速杆在不同的位置时，带动油量调节杆，从使供油量发生变化。扇形板安装在机体上，扇形面与油量调节杆的斜面接触，小端通过扇形板连杆与调速拉杆连接。调速器移动销穿过供油调整杆的过孔，与调速拉杆上的调节螺钉接触，调节螺钉在调速拉杆上可以前后调整并在合适位置用螺母紧固。调速拉杆、供油调速杆安装在偏心轴上，调速拉杆与供油调整杆之间装有调速拉簧。当发动机处于某一转速时，离心调速器飞锤的张开和收合使调速器移动销前后移动并通过推杆使调速拉杆摆动。调速拉杆通过调速弹簧、扇形板、及供油调整杆的共同相互作用，从而使油量调节杆精确调整高压油泵的供油量，使柴油机在某一转速时的偏差在允许的范围内。图机械调速器结构示意图结束语本项目的实施能带动单缸柴油机发动机配套产业的发展，促进本地区关联产业的提档升级。项目的实施能增加公司就业岗位，促进本地劳动力就业。项目产品采用最新技术，能促进传统产业的转型升级。产品能广泛运用于手扶拖拉机、农业用排灌、小型船舶、小型工程机械、农副业加工机械的配套动力等常用领域。在房车、压路机以及坦克等特种车辆的辅助发电、应急抽水等场合，由于内部空间狭小、重量严格限制，以及散热环境差、意外翻转等使用环境都具有十分看好的市场前景。由于本项目的产品定位为高端产品，在市场上具有一定的独占性，产业化前景十分看好。参考文献：王建，陈沛，王斌，刘胜吉，尹必峰，邵汉祥 低排放单缸风冷柴油机的优化设计与匹配 内燃机学报，（）：徐广斌 柴油机单缸排温异常故障分析与排除 中国水运（下半月），（）：张华兵，李丽婷，苗伟驰，焦亚飞，梁刚，乔信起单缸柴油机排气管疲劳开裂的仿真分析机械强度，（）：黄燊大功率长冲程单缸柴油机的研制内燃机，（）：孙鸿单缸柴油机常见故障判断方法吉林农业，（）：邵仁恩 单缸柴油机存在的价值 农机市场，（）：付悦，郑培 高寒地区单缸柴油机燃用生物柴油的排放研究小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术，（）：