毛明華

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

一款擴(kuò)行程柴油機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)

毛明華

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

介紹了一款擴(kuò)行程柴油機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)，其中重點(diǎn)介紹了缸蓋墊片密封、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。開發(fā)過程中采用CAE分析及試驗(yàn)手段驗(yàn)證了設(shè)計(jì)開發(fā)是合理的、可靠的。

柴油機(jī)擴(kuò)行程改進(jìn)設(shè)計(jì)

1 前言

近年來，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力資源緊張，導(dǎo)致對電站柴油機(jī)的需求增加。為滿足市場需求，各柴油機(jī)公司競相開發(fā)大功率柴油機(jī)，以搶占電站柴油機(jī)市場。然而，一款全新柴油機(jī)從開發(fā)到成熟均需要經(jīng)歷3至5年的周期。為盡快補(bǔ)充柴油機(jī)功率空缺，在現(xiàn)有柴油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行提升功率是一種周期短、風(fēng)險小、見效快的途徑。

原柴油機(jī)是20世紀(jì)90年代自主開發(fā)的柴油機(jī)。該柴油機(jī)推出市場已經(jīng)十幾年，反映良好，尤其在低端電站柴油機(jī)市場上表現(xiàn)突出，占有不小的市場份額。基于現(xiàn)狀，對該柴油機(jī)通過擴(kuò)行程開發(fā)提升功率，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時提高柴油機(jī)的整體可靠性。

2 開發(fā)目標(biāo)

擴(kuò)行程后柴油機(jī)沿用原濕式缸套、增壓、空空中冷技術(shù)路線。采用機(jī)體高度不變，減小活塞壓縮高度，增加曲軸旋轉(zhuǎn)半徑方案實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)行程增加。鑒于柴油機(jī)行程增加后排量增加10%，而功率提高20%，強(qiáng)化程度提高，需對氣缸蓋墊片密封、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、緊固件連接等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。柴油機(jī)擴(kuò)行程前后參數(shù)的對比如表1所示。

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 氣缸蓋墊片密封設(shè)計(jì)

擴(kuò)行程前該柴油機(jī)采用非金屬墊片，擴(kuò)行程后柴油機(jī)的爆發(fā)壓力有所升高。為保證機(jī)體與缸蓋間密封的可靠性，采用6缸一體式的多層金屬墊片，同時在以下3方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）缸套突出量的控制。根據(jù)缸蓋墊片的密封設(shè)計(jì)要求控制柴油機(jī)缸套突出量在0.04～0.12 mm，相鄰兩缸缸套突出量差0.03 mm。通過控制缸套及機(jī)體零件的公差，滿足缸套突出量的控制要求。

在無法提高機(jī)體加工設(shè)備精度來滿足要求的情況下，可以采用選配缸套調(diào)整墊片的方式滿足對缸套突出量控制的要求。根據(jù)機(jī)體止口深度（肩胛至頂面距離）數(shù)據(jù)按表2選用合適的氣缸套調(diào)整墊片。

2）氣缸蓋螺栓預(yù)緊力控制。根據(jù)多層金屬缸蓋墊片的密封設(shè)計(jì)要求，氣缸蓋螺栓預(yù)緊力的控制包括增大氣缸蓋螺栓的軸向力及控制氣缸蓋螺栓預(yù)緊力的裝配一致性。

表1 柴油機(jī)擴(kuò)行程前后參數(shù)對比

表2 調(diào)整墊片和缸套凸出量

擴(kuò)行程前該柴油機(jī)氣缸蓋螺栓的擰緊采用扭矩法。如簡單采用增大扭矩的方法增加預(yù)緊力，預(yù)緊力的增加非常有限，而零件的可靠性將面臨非常大的風(fēng)險。因此，在不改變機(jī)體、缸蓋螺栓布置及螺栓直徑的前提下，增大氣缸蓋螺栓的軸向力，并控制軸向力的裝配一致性。擴(kuò)行程后的柴油機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)了氣缸蓋螺栓，并采用轉(zhuǎn)角法，使得擰緊后的緊固件應(yīng)力處于過屈服狀態(tài)。這種方法不僅可以最大限度地利用螺栓強(qiáng)度的潛力，而且更為重要的是，與扭矩法比較可以更有效控制缸蓋螺栓預(yù)緊力的一致性。氣缸蓋螺栓的改進(jìn)設(shè)計(jì)主要集中在控制螺栓強(qiáng)度及表面摩擦系數(shù)上。

3）調(diào)整機(jī)體、缸蓋設(shè)計(jì)，保證氣缸蓋墊片密封帶寬度大于3 mm。機(jī)體與缸蓋結(jié)合面涉及缸孔、螺栓孔、水孔、油孔、挺住孔等眾多密封要素。有些密封部位屬于加工成形，有些密封部位屬于鑄造成形，應(yīng)充分考慮機(jī)加工及毛坯偏差及缸蓋墊片本身的制造偏差，嚴(yán)格保證密封帶寬度，才能實(shí)現(xiàn)可靠密封。

3.2 曲柄機(jī)構(gòu)擴(kuò)行程設(shè)計(jì)

擴(kuò)行程前柴油機(jī)活塞的壓縮高度為95 mm，該活塞壓縮高度相對較大。擴(kuò)行程后活塞壓縮高度降低到86.3 mm。這樣可以在保證機(jī)體高度不變的前提下實(shí)現(xiàn)行程的增加，同時可以減小活塞的質(zhì)量及慣性力。另外，由于擴(kuò)行程后曲軸旋轉(zhuǎn)半徑的增加，活塞裙部高度需要適當(dāng)減小，以避免二者干涉。

此外，根據(jù)原活塞的實(shí)際使用情況，擴(kuò)行程后新活塞部分結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)：（1）原活塞積碳槽的存在容易導(dǎo)致頭部積碳帶來缸套的過度磨損，新活塞取消頭部積碳槽；（2）原活塞銷孔與活塞銷采用過渡配合，裝配時需要采用熱套方式，能耗很大，擴(kuò)行程后新活塞采用全浮式活塞銷，銷孔與活塞銷采用間隙配合。

擴(kuò)行程后重新設(shè)計(jì)曲軸。除了增加旋轉(zhuǎn)半徑以實(shí)現(xiàn)行程的增加外，為適應(yīng)爆壓的提高，曲軸材料采用了非調(diào)制鋼S38MnSiⅤ，對所有主軸頸、連桿軸頸及其過渡圓角采用感應(yīng)淬硬表面強(qiáng)化處理。

3.3 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

擴(kuò)行程后柴油機(jī)功率大幅提高，柴油機(jī)的熱負(fù)荷增加，必須增加柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的工作能力以保證柴油機(jī)的工作可靠性。改進(jìn)后，重新設(shè)計(jì)水泵，增加了水泵流量，同時提高了水泵揚(yáng)程。另一方面，根據(jù)系統(tǒng)CFD計(jì)算結(jié)果及冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)，通過對水泵的進(jìn)、出水管、機(jī)油冷卻器的進(jìn)水管、缸蓋出水總管、節(jié)溫器等零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)阻力。改進(jìn)前后柴油機(jī)標(biāo)定工況下冷卻系統(tǒng)壓力分布對比見表3。

表3 標(biāo)定工況冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的對比

改進(jìn)后的冷卻系統(tǒng)，通過合理選擇散熱器，柴油機(jī)水泵進(jìn)口與柴油機(jī)出水口的冷卻水溫差可以維持在5℃左右，柴油機(jī)出水溫度維持在95℃左右，可以保證柴油機(jī)各零部件的工作可靠性。

3.4 潤滑系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

擴(kuò)行程后柴油機(jī)功率提高，熱負(fù)荷增加，機(jī)油帶走的熱量增加。改進(jìn)后的潤滑系統(tǒng)增加了機(jī)油泵流量，同時也增加了機(jī)油冷卻器散熱面積，使機(jī)油可以在合適的溫度下工作，以保證柴油機(jī)潤滑部位油膜的正常建立，防止擴(kuò)行程后柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷增加所帶來的異常磨損。

此外，從柴油機(jī)耐久性考慮，機(jī)油泵流量的增加，可以在柴油機(jī)發(fā)生一定磨損后潤滑系統(tǒng)仍然保證足夠的機(jī)油壓力，使機(jī)油順利到達(dá)潤滑部位。另外，機(jī)油冷卻器散熱面積的增加還可以防止熱負(fù)荷增加導(dǎo)致的機(jī)油老化過快，保證換油期。

改進(jìn)前后柴油機(jī)標(biāo)定工況下潤滑系統(tǒng)機(jī)油壓力的分布對比見表4。

表4 標(biāo)定工況潤滑系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對比

3.5 緊固件連接改進(jìn)設(shè)計(jì)

柴油機(jī)各連接部位緊固件的連接可靠性對于柴油機(jī)的密封和零件的可靠工作至關(guān)重要，需對柴油機(jī)所有緊固件規(guī)定明確的擰緊力矩及力矩公差。

擴(kuò)行程后柴油機(jī)關(guān)鍵緊固件除氣缸蓋螺栓的改進(jìn)設(shè)計(jì)外，還改進(jìn)設(shè)計(jì)了連桿螺釘，并采用轉(zhuǎn)角法擰緊保證預(yù)緊力的一致性。另外，柴油機(jī)擴(kuò)行程后功率提升了20%，輸出扭矩同步增加。為保證輸出扭矩的可靠傳遞，飛輪螺栓進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，同時也采用了轉(zhuǎn)角法擰緊方式。為保證緊固件連接可靠性，采用轉(zhuǎn)角法擰緊的氣缸蓋螺栓、連桿螺栓及飛輪螺栓明確擰緊使用次數(shù)。關(guān)鍵緊固件的擰緊力矩見表5。

表5 關(guān)鍵緊固件擰緊力矩

擴(kuò)行程后柴油機(jī)其他零部件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，如進(jìn)氣系統(tǒng)零部件由于進(jìn)氣量和進(jìn)氣壓力的增加而進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)；如根據(jù)缸蓋的熱機(jī)耦合強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對缸蓋進(jìn)行局部改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高安全系數(shù)；如燃油系統(tǒng)增加濾清器工作能力、高壓油管改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高壓油管可靠的固定及拆裝方便；其他零部件改進(jìn)設(shè)計(jì)在此不再細(xì)述。

4 性能開發(fā)

擴(kuò)行程后的柴油機(jī)基于柴油機(jī)爆發(fā)壓力限制、冷起動要求限制、燃油經(jīng)濟(jì)性及動力性要求，根據(jù)柴油機(jī)性能對比試驗(yàn)選定了缸蓋渦流比、活塞壓縮比、高壓油管內(nèi)徑和長度、配氣相位、中冷器大小及結(jié)構(gòu)形式、及合適的噴油泵、噴油器和增壓器。開發(fā)后1 500 r/min的負(fù)荷特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖1。試驗(yàn)時的環(huán)境溫度25℃、環(huán)境壓力101 kPa、環(huán)境濕

圖4 1500 r/min負(fù)荷特性

度40%，控制柴油機(jī)出水溫度約90℃、排氣背壓約6 kPa。

由圖1可見，擴(kuò)行程后的柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動力性滿足開發(fā)要求，且各運(yùn)行參數(shù)對零部件設(shè)計(jì)無特殊要求，成本可控。

性能定型后的柴油機(jī)進(jìn)行冷起動、振動及噪聲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明不帶冷起動輔助裝置柴油機(jī)能在-10℃下順利起動，噪聲及振動均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

該擴(kuò)行程柴油機(jī)的開發(fā)，基于先進(jìn)的柴油機(jī)開發(fā)流程，零部件及各系統(tǒng)開發(fā)采用CAE計(jì)算和完善的試驗(yàn)驗(yàn)證其功能及可靠性。整機(jī)開發(fā)經(jīng)過了概念設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、性能開發(fā)、機(jī)械開發(fā)、最終OTS樣機(jī)試制及各階段耐久試驗(yàn)及用戶試驗(yàn)，驗(yàn)證了該擴(kuò)行程柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工作可靠。

Optimization of Extended Stroke Engine

Mao Minghua
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

Optimization of an engine of extended stroke is introduced,including improvements of sealing performance of cylinder-head gasket,crank train,cooling system,lubricating system,etc.CAE analysis and bench test are conducted to verify the improvements.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.003

來稿日期：2013-10-29

毛明華（1979-），女，工程師，主要研究方向?yàn)榇瑱C(jī)電站柴油機(jī)開發(fā)。