AVL公司开发的小型化柴油机

一 58 一 国 外 内 燃 机 2012年第 3期 简 讯 AVL公司开发的小型化柴油机 【奥】 AVL List GmbH 摘要：要使排量 1．05 L的 3缸柴油机输 出功率达到 80 kW ，是 AVL公 司小型化柴油机开发的下 一 目标。为了降低二氧化碳(CO )排放并达到欧 6排放标准，新开发机型要满足 的关键准则是符合 用户对动力和驾驶性能的期望 ，并使 3缸柴油机结构的噪声一振动一平顺性性能接近 4缸柴油机 的水 平。其结构 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 以 19 MPa的最高燃烧压力限值 为依据 ，并按高比功率来确定冷却 系统。为了满足 用户进一步降低 C0 排放法规的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，一些小型化动力装置 已被成功地引入市场。例如，Renault公 司研发 了用于驱动 1 460 kg中级车型的 1．5 L 80 kW 柴油机。扫气容积约为 1 L的 3缸柴油机正是 小型化 策略 的体现 。 关键词 ：小型化柴油机 欧 6排放标准 动力性能 结构设计 1 柴油机小型化方案 这款 3缸 1．05 L柴油机的机体结构是 AVL公 司致力于小型化柴油机方 案的核心，其开发 目标是 要达到现有 Renault K9K 1_5 L 4缸柴油机相 同的 功率和扭矩 。 该小 型化柴 油机 的缸径 为 76．0 mm，行 程为 77．5 mm，缸心距为 85．0 mm。这与 K9K柴油机的 尺寸相同，因此能完全利用现有制造设备，这一点显 得尤为重要。 采用每缸 2气门结构可以在原机水平上降低成 本及减少摩擦损失 。为了实现良好的冷却性能和耐 久性能，研发人员要确保这种能够承受高负荷的 2 气 门气缸盖的结构布置达到最佳状态 。包括采用摩 擦力较小的滚轮式指状从动件气门传动机构、液压 间隙调节器 ，以及耐磨损 的免维护系统。凸轮轴 由 位于柴油机后端的链轮驱动。 短裙机体以主轴承盖为分型面 ，由高强度球墨 铸铁压制而成 。为了要在 19 MPa最高燃烧压力下 达到耐久性要求，并在考虑到总摩擦水平的情况下 使轴承直径最小，对锻钢曲轴的几何形状进行了 优化 。 2 气缸盖和气门传动机构的设计 小型化柴油机的气缸盖以其螺栓衬套的高度为 界分成上、下 2部分。气缸盖下半部分包括气道、冷 却水套和铸造的气流通道和低压机油返回机体的通 道，以及安装液压间隙调节器零件的空腔。 气缸盖的上半部分被设计成包括凸轮轴支座在 内的座架结构。凸轮轴预先装在支座架中，然后，再 将该总成安装到气缸盖上。由于需要达到一定的机 械性能和热力学性能，气缸盖下半部分采用热处 理 的基本合金由重力浇铸而成，支座架则由高压压铸 而成。这种分成上、下 2部分的设计 既降低 了材料 成本 ，又简化 了加工过程 。 采用滚轮式指状从动件的气 门传动机构和液压 间隙调节器是为了减小摩擦，并使之成为耐磨损的 免维护系统 。单顶置凸轮轴是一种采用粉末冶金钢 凸轮的装配式组件 。凸轮轴仅有 3个支承。 该机型的气道布置为横流式结构 ，每缸 2气 门。 喷油器倾斜 15。，气门倾斜 2。，因而可以在气 门尺寸 与喷油器偏心度之间找到良好的折衷，同时还能满 足气门鼻梁处的耐久性要求。 在设计高负荷柴油机气缸盖时 ，要周 密考虑底 部和顶部区域需要承受气体压力负荷的高循环疲 劳，以及底部区域需要承受温度循环引起 的热机械 疲劳。鉴于所选择的方案，连同所选用 的 2气 门方 案都要经受很高的比功率和气缸压力，因此，这对开 发工作带来一定的困难 。 对于 4气门气缸盖方案而言，气缸盖总体结构 的对称性是刚性箱式结构的理想条件，因而可使气 缸盖底部耐受气体压力负荷。相反，采用偏置单顶 置凸轮轴的 2气 门结构则是非对称的。这时进气道 布置就显得特别 重要 ，因为它要从气缸盖一侧 的进 气法兰面延伸 到气缸 中心线对面一侧 的气 门位置。 这容易在气体压力负荷作用下引起弯曲变形。 此外 ，2气门气缸盖位于进 、排气 门与喷油器之 2012年第 3期 国 外 内 燃 机 问的最高热负荷区域，其冷却能力特别差，因而容易 导致高温。与 4气 门结构相 比，2气 门结构对热机械 疲劳故障的敏感性较低 ，这是 由于 2气 门结构对热 膨胀约束较少 的缘故。气门座磨损和喷油器上形成 积炭则与较高的温度密切相关。 针对小型化柴油机 ，开发 了一种 能确 保火力面 温度低于 260 oC的气缸盖冷却方案 ，它是通过在排气 门和喷油器喷嘴之间布置 1个钻孔冷却通道来进行 冷却 的。 水套由 2个型腔构成 ：1个紧凑的下型腔布置在 气道下方的排气侧 ，另一个较大的上型腔布置在排 气道上方，并一 直延伸 到气缸盖进气侧 。利用简单 的型芯形状和简化的型芯装配过程来弥补型芯数量 的增加。通过对气缸盖和机体水套中冷却液流动的 状况进行计算流体力学分析 ，并对 型腔形状进行了 优化 ，以确保传热系数均匀分布。 利用针算的传热系数对气缸盖结构进行了有限 元分析 ，以预测气缸盖的温度分布情况 ，包括泡核沸 腾的影响。分析结果表明，温度场分布非常均匀，喷 油器与排气门之间的最高温度为 257℃。 根据额定功率和怠速工况下的计算温度场 ，计 算了气缸盖火力面每个节点的热 冲击试验循环的温 度范围。这是评估热机械疲劳寿命(开始出现裂纹 的循环次数)的基础。该小型化柴油机热 机械疲 劳 寿命最低的部位是进气 门与喷油器孔之 间的区域 ， 它能满足 3 000次循环的 目标要求。 借助于有限元模拟(包括温度、装配和气体压力 负荷)，评估了气缸盖的高循环疲 劳强度。安全系数 最小 的部位是气道与火力面之间的过渡 区域 ，这是 由于在气体压力和热负荷共同作用下引起 的火力 面 弯曲。 3 曲轴系统 曲轴系统结构布置的主要 目标是要 在 19 MPa 的最高燃烧压 力下使 曲轴 系统达到足够 的耐久性 ， 并使曲轴系统轴承引起的总摩擦降至最小。 锻钢 曲轴 (C38改进版 )采用滚压圆角 ，其 主轴 颈直径为 48 ram(出于生产制造方面考虑 ，该尺寸与 K9K柴油机 的相 同)，而 曲柄销直 径只有 45 mm。 曲轴质量仅为 10．8 kg。连杆采用烧结锻造 ，小头呈 锥形 。 与基准数据相 比，该 曲轴的主轴颈直径和 曲柄 销直径在燃烧压力≥18 MPa的柴油机 中属于偏小 的。考虑到3缸结构，尽管要承受很高的燃烧压力， 该柴油机曲轴的摩擦尚处于颇具竞争力 的水平。 活塞为铝制件，其压缩高度为 44．75 mm。由于 是 2气 门结构，燃烧室凹坑相对于活塞 中心线偏置 3 mrrl。这样的偏置度易导致活塞热负荷不均匀 。为 使这种燃烧室凹坑偏置的活塞和活塞环得到 良好 的 冷却，采用了一种两段式的冷却油道。 发动机采用双质量飞轮及具有皮带轮隔振效果 的扭振减振器。采用曲轴系统的三维立体模型模拟 确定系统的负荷 ，利用有 限元分析确定高循 环疲劳 的安全系数 。为了确保在制造过程 中达到滚压圆角 的强度，事先进行 了确保制造品质的曲轴疲劳试验 模拟。 4 进、排气系统和废气再循环系统 为 了获得 良好 的驱动性能 ，这一小型化柴油机 采用两级进气系统来提高增压压力 ：低压级为 1台 涡轮增 压器 ，高压级为带 中冷器 和进气冷却器 的罗 兹容积式压气机。这 2个冷却器都由各 自的低温冷 却液回路进行液体冷却。由于采用了冷却的低压废 气再循环、柴油颗粒捕集器和氮氧化物 (NO )后处 理技术 ，使该柴油机达到欧 6排放标准成为可能。 容积式压气机安装在机 体上，由曲轴通过齿形 皮带驱动，带两级齿轮箱和废气再循环阀。 进气冷却由带低温冷却液回路的水一气热交换 器来完成 。主进气冷却器 由安装在 1个壳体 内的 3 个热交换器芯组成 ，无外部管子 ，直接将空气从压气 机出口引至进气歧 管。在排气侧 ，废气涡轮通过 1 个紧凑的铸造排气歧 管安装 到气 缸盖 的排气 法兰 上。排气后处理装置与涡轮 出口法兰紧耦 合连接， 基于该小型化柴油机的输出功率较大，因此，仅靠发 动机机内措施无法使 NO 排放达到欧 6排放限值。 根据车型参数 (整车质量和滚 动阻力 )不 同，可 以考 虑采用选择性催 化还原系统或者稀燃 NO 收集器 系统作为降低 No 的后处理装置。 试验表明，该款 1．O5 L小型化柴油机能够在不 采用混合动力电机的情况下达到与 1．5 L K9K型柴 油机相同的性能。 章海峰 译 自 Engine Technology January 2011 朱炳全 校 虞 展 编辑 (收稿 日期 ：2011-04—29)