孟 浩,殷玉龍

(中國(guó)北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司 柴油機(jī)開(kāi)發(fā)部,遼寧大連116022)

大連機(jī)車車輛有限公司(以下稱公司)自主研發(fā)的12V 280ZJ柴油機(jī)性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求,但是在某些方面還存在一些問(wèn)題,例如在溫度場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)排氣溫度和排氣門溫度偏高;供油凸輪相位不甚合理,以至于供油提前角大于20°時(shí),由于供油率偏低,供油提前角的變化對(duì)爆發(fā)壓力影響不明顯,反而造成在同一工況下,供油持續(xù)期隨供油提前角的增加而加長(zhǎng)。為此,對(duì)12V 280ZJ柴油機(jī)的配氣凸輪型線和供油凸輪相位進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

1 12V280ZJ柴油機(jī)凸輪改進(jìn)

1.1 配氣凸輪改進(jìn)

法國(guó) PA 6柴油機(jī)原采用脈沖增壓系統(tǒng),在研制MPC增壓系統(tǒng)開(kāi)始時(shí),由于仍采用原脈沖增壓系統(tǒng)用的配氣凸輪,因此一度出現(xiàn)各氣缸排氣溫度不均(最高和最低相差約80℃)和排氣門溫度偏高等問(wèn)題。后通過(guò)測(cè)量進(jìn)排氣低壓波進(jìn)行分析,找到了原因。改進(jìn)了進(jìn)排氣凸輪型線:使進(jìn)排氣重疊前期進(jìn)氣門開(kāi)度減小,以減小氣缸之間排氣壓力波的相互干擾;延長(zhǎng)排氣門的關(guān)閉段,加強(qiáng)進(jìn)排氣重疊后期的掃氣,以增強(qiáng)對(duì)排氣門的冷卻,如圖1所示。由此,問(wèn)題得到了解決。

圖1 PA6柴油機(jī)進(jìn)排氣凸輪升程及相位曲線

分析12V 280ZJ型柴油機(jī)前3臺(tái)樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),也存在類似PA 6柴油機(jī)的上述情況。參照PA 6柴油機(jī)的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn),解決12V 280ZJ柴油機(jī)排氣溫度偏高和不均,以及排氣門溫度偏高的主要措施是在進(jìn)排氣重疊前期,進(jìn)氣門開(kāi)度不提前和不加大的前提下,延長(zhǎng)排氣門關(guān)閉段,并加大關(guān)閉段后期的開(kāi)度,以加長(zhǎng)進(jìn)排氣重疊期,增強(qiáng)對(duì)氣缸和排氣門的掃氣。另外,為不影響柴油機(jī)性能和其他零部件的結(jié)構(gòu),進(jìn)排氣凸輪的改進(jìn)還應(yīng)滿足下列要求:

①氣門最大升程保持不變;

②氣門開(kāi)啟的時(shí)面值不小于原設(shè)計(jì)值;

③氣門與活塞的最小間隙保持基本不變,以便仍采用無(wú)避閥穴活塞頂;

④滾輪的最大正、負(fù)加速度不超過(guò)原設(shè)計(jì)值,以保持氣門彈簧不變。

經(jīng)多方案計(jì)算比較,最終確定的改進(jìn)方案其進(jìn)排氣凸輪的上述參數(shù)見(jiàn)表1,表中同時(shí)列出了原設(shè)計(jì)的相應(yīng)參數(shù)。

表1 進(jìn)排氣凸輪改進(jìn)前后的凸輪參數(shù)

進(jìn)、排氣凸輪的具體改進(jìn)情況說(shuō)明如下:

(1)進(jìn)氣凸輪

對(duì)原進(jìn)氣凸輪型線僅作微小調(diào)整:

①上升段與下降段仍為對(duì)稱,其作用角均仍為83°,凸輪總作用角仍為180°;

②為減小對(duì)系統(tǒng)的沖擊,基圓過(guò)渡段中的等加速段改為正弦加速段,以使其兩端點(diǎn)處的加速度為0(與前后連續(xù));同時(shí),為控制該段最高加速度與原設(shè)計(jì)基本相等,將該段的長(zhǎng)度由原來(lái)的4°增加到6°。

(2)排氣凸輪

排氣凸輪的改進(jìn)主要是延長(zhǎng)關(guān)閉段,并加大關(guān)閉段后期的升程。改進(jìn)的排氣凸輪特點(diǎn)如下:

①具有不對(duì)稱的上升段和下降段:上升段作用角仍為 83°,下降段作用角由原來(lái)的 83°加長(zhǎng)到 98°,凸輪的總作用角由原來(lái)的185.5°加長(zhǎng)到 195.5°;

②與進(jìn)氣凸輪相同,將基圓過(guò)渡段中的等加速函數(shù)段都改為正弦加速函數(shù)段,長(zhǎng)度由原來(lái)的4°增加到6°。

(3)進(jìn)、排氣凸輪相位

改進(jìn)前后的進(jìn)、排氣凸輪升程始點(diǎn)相對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角位置不變。按主作用段始點(diǎn)計(jì)的進(jìn)排氣門開(kāi)啟和關(guān)閉相位如表2所示。

表2 進(jìn)排氣門開(kāi)啟和關(guān)閉相位 (°)

由表2可知,進(jìn)、排氣門開(kāi)啟重疊角由原來(lái)的100°增加到124°。

進(jìn)、排氣凸輪改進(jìn)前后,氣門與活塞最小間隙及進(jìn)、排氣門開(kāi)啟重疊情況如圖2所示。

圖2 進(jìn)排氣凸輪改進(jìn)前后氣門與活塞最小間隙及掃氣情況

1.2 供油凸輪改進(jìn)

12V 280ZJ柴油機(jī)供油凸輪的設(shè)計(jì)相位:凸輪升程始點(diǎn)在壓縮沖程上止點(diǎn)前42.56°曲軸轉(zhuǎn)角(21.28°凸輪轉(zhuǎn)角)。標(biāo)定工況的設(shè)計(jì)供油始點(diǎn)在壓縮沖程上止點(diǎn)前12.24°曲軸轉(zhuǎn)角(6.12°凸輪轉(zhuǎn)角),即位于 15.16°凸輪轉(zhuǎn)角處,如圖3所示。按設(shè)計(jì)狀況來(lái)說(shuō),標(biāo)定工況時(shí),不僅有高的噴油泵柱塞速度,并有高的初始供油速率,而且在整個(gè)供油期內(nèi)都有高的供油速率。因而可得到好的噴油特性,有利于組織好氣缸內(nèi)的燃燒,獲得好的柴油機(jī)性能(包括燃油消耗率、排溫以及柴油機(jī)最大功率的發(fā)揮等);同時(shí),也有利于柴油機(jī)的排放。按原供油凸輪的設(shè)計(jì)相位,該設(shè)計(jì)點(diǎn)正好落在供油凸輪滾輪的最高速度點(diǎn)處。由供油凸輪型線可知:從該點(diǎn)到凸輪小半徑區(qū)的距離為19°凸輪轉(zhuǎn)角,即在這19°凸輪轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),供油凸輪滾輪均有高的上升速度,因而均可給出高的噴油泵供油速率;而在該點(diǎn)之前,供油凸輪滾輪上升速度急劇下降,因而,噴油泵供油速率也隨之急劇下降。對(duì)機(jī)車柴油機(jī)來(lái)說(shuō),為使其按牽引曲線運(yùn)行時(shí)有好的性能,在部分工況時(shí)的供油提前角,通常都比標(biāo)定工況時(shí)大,以充分利用、提高部分工況的爆發(fā)壓力,來(lái)改善柴油機(jī)部分工況下的性能。由此可知,12V 280ZJ柴油機(jī)原供油凸輪的設(shè)計(jì)相位,決定了部分工況時(shí)噴油泵供油速率的急劇降低,影響柴油機(jī)性能的改善,供油持續(xù)期也必然會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)。這一點(diǎn)在3號(hào)樣機(jī)負(fù)荷特性優(yōu)化試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

圖3 原設(shè)計(jì)供油凸輪相位標(biāo)定和常用工況供油始點(diǎn)位置

3號(hào)12V 280ZJ柴油機(jī)在常用工況850 r/m in到960 r/m in范圍內(nèi)的供油提前角為24°～26°,均遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)。從圖3可以清楚地看出,這些工況點(diǎn)(包括低工況點(diǎn))的供油區(qū)段均落在供油凸輪的低速率區(qū),偏離供油凸輪的最佳工作區(qū)段太遠(yuǎn)。因而這些工況下的噴油泵供油速率都很低,不可能得到好的柴油機(jī)性能?；蛘哒f(shuō),如果將這些工況點(diǎn)的供油區(qū)段移到供油凸輪最佳區(qū)段,柴油機(jī)在這些工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能(燃油消耗率、排溫等)將會(huì)有明顯改善。

由上述分析,考慮將供油凸輪相對(duì)于曲軸向前轉(zhuǎn)4°曲軸轉(zhuǎn)角(2°凸輪轉(zhuǎn)角),曲軸上止點(diǎn)落在23.28°凸輪轉(zhuǎn)角,如圖4所示。

供油凸輪相位改進(jìn)后,預(yù)計(jì)要達(dá)到效果如下:

(1)標(biāo)定工況點(diǎn)(供油提前角為14°曲軸轉(zhuǎn)角)時(shí),噴油泵柱塞初始速度由原來(lái)的0.889 7 mm/(°)提高到0.97mm/(°),約提高9%。噴油泵供油期間柱塞平均速度也略有提高。柴油機(jī)標(biāo)定工況的性能也將有所改善。

(2)常用工況點(diǎn)(供油提前角為24°曲軸轉(zhuǎn)角)時(shí),噴油泵柱塞初始速度由原來(lái)的0.537 9 mm/(°)提高到0.741 4mm/(°),提高37.8%。供油期的柱塞平均速度也將有明顯提高。預(yù)計(jì)柴油機(jī)常用工況時(shí)的性能(燃油消耗率、排溫等)會(huì)有明顯改善。

圖4 供油凸輪相位改進(jìn)后標(biāo)定和常用的工作區(qū)段

圖5 氣缸排氣溫度結(jié)果對(duì)比

圖6 燃油消耗率結(jié)果對(duì)比

2 改進(jìn)后的凸輪軸對(duì)比試驗(yàn)

2.1 供試驗(yàn)凸輪軸

為檢驗(yàn)上述改進(jìn)的正確性和可行性,根據(jù)12V 280ZJ柴油機(jī)樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),在12V 280ZJ單缸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。為此,制作3種方案試驗(yàn)用凸輪軸。

(1)供油凸輪相位改進(jìn)的凸輪軸

該凸輪軸僅將供油凸輪向前轉(zhuǎn)2°凸輪轉(zhuǎn)角,供油凸輪型線參數(shù)不變。該凸輪軸可參照原技術(shù)文件制造,凸輪升程始點(diǎn)角度由20.72°改為18.72°,其余如供油凸輪型線參數(shù)、進(jìn)排氣凸輪相位和型線參數(shù)等均不變;

(2)進(jìn)排氣凸輪型線改進(jìn)的凸輪軸

該凸輪軸僅改變進(jìn)排氣凸輪型線參數(shù)。該凸輪軸可參照原技術(shù)文件制造。進(jìn)氣凸輪升程始點(diǎn)角度13°7′23″和總作用角 180°保持不變 ;排氣凸輪升程始點(diǎn)角度 12°37′23″保持 不變,總作用角由 185.5°改為195.5°;

(3)供油凸輪相位和進(jìn)排氣凸輪型線都改進(jìn)的凸輪軸

該凸輪軸將供油凸輪相位和進(jìn)排氣凸輪型線都按(1)、(2)改進(jìn)制造。

2.2 280單缸柴油機(jī)凸輪軸試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

對(duì)3種改進(jìn)凸輪軸的凸輪型線及其相位進(jìn)行計(jì)量,確定其是否符合設(shè)計(jì)要求。

(2)280單缸柴油機(jī)凸輪軸試驗(yàn)

整個(gè)試驗(yàn)工況、控制參數(shù)是根據(jù)12V 280ZJ柴油機(jī)性能試驗(yàn)設(shè)定,試驗(yàn)工況如表3。

表3 280單缸柴油機(jī)凸輪軸試驗(yàn)工況表

由于整個(gè)試驗(yàn)是在280單缸柴油機(jī)上進(jìn)行,氣缸進(jìn)氣溫度、壓力和排氣背壓對(duì)性能參數(shù)影響十分明顯,所有整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)上述參數(shù)控制十分嚴(yán)格,允差1%左右,同時(shí)嚴(yán)格控制柴油機(jī)油水溫度、壓力。

(3)改進(jìn)凸輪軸的試驗(yàn)

按表3規(guī)定的工況,按原始方案和改進(jìn)方案(1)、(2)、(3)的順序進(jìn)行試驗(yàn),記錄全部性能參數(shù)。

(4)復(fù)核試驗(yàn)

按表3規(guī)定的工況,采用原凸輪軸進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn),記錄全部性能參數(shù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

(1)氣缸排氣溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比(圖5);

(2)燃油消耗率試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比(圖6)。

3 結(jié)束語(yǔ)

此次對(duì)280柴油機(jī)進(jìn)排氣凸輪和供油凸輪改進(jìn)主要目標(biāo)是降低氣缸排溫和改善柴油機(jī)在部分負(fù)荷工況燃油消耗率,從氣缸排氣溫度(圖5)結(jié)果對(duì)比和燃油消耗率(圖6)結(jié)果對(duì)比中可以看出已經(jīng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在部分負(fù)荷工況時(shí)氣缸排溫降低了20℃～30℃,燃油消耗率降低了5～10 g/(kW?h),效果還是很明顯的。但是,柴油機(jī)在900～1 000 r/m in工況時(shí),3種改進(jìn)凸輪軸方案與原方案結(jié)果對(duì)比幾乎一樣,氣缸排溫有所降低,但是幅度很小,燃油消耗率幾乎沒(méi)有變化,主要原因是280柴油機(jī)增壓配套和電子噴射系統(tǒng)優(yōu)化主要是針對(duì)標(biāo)定工況點(diǎn),達(dá)到最佳空燃比,在該工況點(diǎn)附近柴油機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)如燃油消耗率、氣缸排溫、爆發(fā)壓力以及燃?xì)馀欧诺染_(dá)到最佳值所致。

[1]周龍保主編.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[2]北方交通大學(xué)主編.機(jī)車柴油機(jī)原理[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1981.