魏長生,

(1.國家內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，上海 200438； 2. 上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

2014年5月環(huán)保部發(fā)布了GB 20891-2014《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》(以下簡稱“G3”)用以替代GB 20891-2007舊標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“G2”)。標(biāo)準(zhǔn)要求所有進(jìn)行排氣污染物排放型式核準(zhǔn)的非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)今后都必須符合標(biāo)準(zhǔn)第三階段要求[1]。

對單缸柴油機(jī)來說，非道路G3標(biāo)準(zhǔn)沒有跟G2標(biāo)準(zhǔn)一樣細(xì)分功率區(qū)間，對于功率小于37 kW的排放限值只存在1個限值標(biāo)準(zhǔn)；與G2相比，G3排氣污染物限值更加嚴(yán)格，尤其是對于18 kW以下功率段的單缸柴油機(jī)，排放限制更加收緊[2]。因此本文針對功率在19 kW以下的發(fā)動機(jī)，進(jìn)行較大的技術(shù)升級和改進(jìn)。

1 實(shí)現(xiàn)單缸柴油機(jī)G3標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)研究

本文以一款傳統(tǒng)單缸風(fēng)冷柴油機(jī)的升級方案為例，通過采用機(jī)內(nèi)凈化措施，優(yōu)化樣機(jī)的零部件、進(jìn)排氣系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)升級G3的目標(biāo)。

1.1 發(fā)動機(jī)原機(jī)型與目標(biāo)機(jī)型的基本參數(shù)

表1為原機(jī)型與目標(biāo)機(jī)型參數(shù)表，兩者的結(jié)構(gòu)形式和主要零部件一脈相承，不同之處在于目標(biāo)機(jī)型需要達(dá)到國三排放標(biāo)準(zhǔn)，因此需對原機(jī)型進(jìn)行升級改進(jìn)，以滿足新的性能和排放要求。

1.2 優(yōu)化改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)動機(jī)目標(biāo)機(jī)型在原機(jī)型的基礎(chǔ)上主要優(yōu)化了部分零部件設(shè)計(jì)、進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)、燃油供給及燃燒系統(tǒng)。

表1 原機(jī)型與目標(biāo)機(jī)型參數(shù)表

1.2.1優(yōu)化機(jī)體設(shè)計(jì)

圖1 發(fā)動機(jī)目標(biāo)機(jī)型與原機(jī)型機(jī)體散熱結(jié)構(gòu)圖

圖1為發(fā)動機(jī)目標(biāo)機(jī)型與原機(jī)型機(jī)體散熱結(jié)構(gòu)圖。改進(jìn)后的機(jī)體左側(cè)引風(fēng)板為整體鑄造，在增加散熱片寬度的同時，還使得左側(cè)的支撐強(qiáng)度和剛度得到了有效提升，與右側(cè)的推桿孔支撐結(jié)構(gòu)形成對稱布置，減小缸套變形量，有利于降低機(jī)油耗，減少顆粒物排放。

1.2.2優(yōu)化曲軸、平衡軸設(shè)計(jì)

通過更改齒輪、在兩端主軸頸部位增加凸肩結(jié)構(gòu)、提高曲軸重疊度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外提高了曲軸安全系數(shù)，將安全系數(shù)由原機(jī)型的1.987提高為2.434。通過重新設(shè)計(jì)機(jī)體內(nèi)腔，將曲軸扇形塊加大，改善了平衡軸的可靠性[3]。

由于行程增加，原機(jī)型的平衡結(jié)構(gòu)需重新設(shè)計(jì)，通過加厚扇形塊厚度增加不平衡力矩來達(dá)到期望值。不平衡力矩加大后，兩端支撐軸頸直徑增加了3 mm。

通過平衡軸和曲軸的重新設(shè)計(jì)，目標(biāo)機(jī)型的一階往復(fù)慣性力平衡率由原機(jī)型的82%提升到了94%，目標(biāo)機(jī)型的振動情況明顯改善，對實(shí)現(xiàn)整機(jī)的可靠性十分有利。

1.2.3優(yōu)化活塞、活塞環(huán)設(shè)計(jì)

優(yōu)化后的活塞除燃燒室由普通縮口改為六角“ω”之外，還在活塞群部噴涂了石墨涂層，以此降低摩擦阻力，減小配缸間隙，可有效降低機(jī)油耗。另外，目標(biāo)機(jī)型采用鋼環(huán)活塞環(huán)和表面滲陶，減小了摩擦、改善了貼合并降低了機(jī)油耗[4]。

1.2.4優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單缸風(fēng)冷柴油機(jī)氣缸與氣缸蓋大都采用鋁合金壓鑄成型，普遍存在的問題主要有各部位溫度分布不均勻、溫差大，導(dǎo)致高負(fù)荷工作時易產(chǎn)生變形現(xiàn)象。通過優(yōu)化機(jī)體結(jié)構(gòu)，按照最佳熱流面積布置散熱片等措施，降低氣缸與氣缸蓋各部位之間的溫差，減少柴油機(jī)的熱負(fù)荷與熱應(yīng)力，為優(yōu)化燃燒并降低污染物排放提供了基礎(chǔ)保障[5]。表2為原機(jī)型與目標(biāo)機(jī)型冷卻系統(tǒng)對比表。改進(jìn)后的冷卻結(jié)構(gòu)散熱片由原機(jī)型的8片增加到了9片，散熱面積增加了10%；通過增加油池強(qiáng)制冷卻的方式可將標(biāo)定工況機(jī)油溫度降低超過10 ℃，得到的冷卻效果明顯。

表2 原機(jī)型與目標(biāo)機(jī)型冷卻系統(tǒng)對比表

1.2.5優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)

(1)采用多折數(shù)、大面積濾芯結(jié)構(gòu)：與原機(jī)型相同，采用的都是干式紙質(zhì)空濾，其濾芯的外形尺寸相近，但改進(jìn)后的濾芯濾紙折數(shù)超過原機(jī)型，其過濾面積增大、進(jìn)氣阻力減小，有助于提高進(jìn)氣效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化后充氣效率提升了3%～4% ，樣機(jī)外特性油耗、煙度在低速時有明顯改善，最大扭矩工況油耗下降了2%，排氣煙度下降了22%。

(2)采用廢氣再循環(huán)：通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在缸蓋進(jìn)、排氣道之間設(shè)計(jì)1個小通孔(直徑約為4 mm)，部分排氣道的廢氣在進(jìn)氣過程中隨新鮮空氣進(jìn)入氣缸，起到部分廢氣再循環(huán)(EGR)的作用，能有效降低氮氧化物(NOx)排放。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用了EGR措施后的NOx排放量普遍降低了30%～40%，降幅非常明顯。但在降低NOx的同時顆粒物排放量有所增加，這需要控制好EGR率，不同的機(jī)型在使用EGR降低NOx時需要考慮NOx和顆粒物(PM)排放的平衡問題。

(3)優(yōu)化配氣機(jī)構(gòu)：表3為目標(biāo)機(jī)型與原機(jī)型進(jìn)排氣參數(shù)表。通過加大氣門升程、提高進(jìn)氣流量系數(shù)(0.439)、增加進(jìn)氣門開啟時間等手段，使進(jìn)氣總量得到提升，提高充氣效率。

表3 原機(jī)型與目標(biāo)機(jī)型進(jìn)排氣參數(shù)表

1.2.6優(yōu)化供油系統(tǒng)

與原機(jī)相比，主要進(jìn)行了以下5個方面的改進(jìn)工作：(1)提高供油速率，原機(jī)型柱塞直徑由7 mm增大至目標(biāo)機(jī)型的7.5 mm、凸輪升程由6 mm提升至7 mm、優(yōu)化凸輪型線優(yōu)(凸弧改為凹弧)使泵端壓力比原機(jī)型提高了40%，有效提高供油速率，為減小供油提前角降低NOx排放提供了條件；(2)提高噴霧質(zhì)量，增加噴孔數(shù)(4孔改為5孔)、減小噴孔直徑(0.21 mm改為0.18 mm)，使燃油霧化質(zhì)量更好；(3)采用等壓出油閥，采用等壓出油閥可有效防止二次噴射，控制PM排放量；(4)減小高壓油管內(nèi)徑，原機(jī)型2.0 mm內(nèi)徑油管換成1.6 mm內(nèi)徑，增加系統(tǒng)液力剛性；(5)減小供油提前角，供油提前角由19 °CA減小至12～14 °CA ，大幅降低了NOx排放量，最大降幅達(dá)到50.3% 。

1.2.7優(yōu)化燃燒系統(tǒng)優(yōu)化燃燒室

圖2所示為目標(biāo)機(jī)型燃燒室結(jié)構(gòu)圖。該燃燒室的軸向和徑向截面積都是連續(xù)變化的，因此渦流旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生速度差，形成不規(guī)則的紊流，有利于油霧混合和燃燒室壁面油膜的剝離。

圖2 目標(biāo)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)圖

2 整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

通過上述機(jī)體結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣系統(tǒng)、供油及燃燒系統(tǒng)的一系列優(yōu)化改進(jìn)，樣機(jī)的油耗、煙度和氣體排放有了大幅度的改善。表4為優(yōu)化后樣機(jī)的排放試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果表明：與原機(jī)型相比，標(biāo)定工況比油耗由275 g/(kW·h)下降至267 g/(kW·h)，煙度由2.6 FSN下降至1.8 FSN，CO比排放量下降了20%， HC+NOx比排放量下降了35%，PM比排放量下降了51%，滿足了G3排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

表4 目標(biāo)機(jī)排放試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

本研究中單缸風(fēng)冷柴油機(jī)成功升級至G3標(biāo)準(zhǔn)的案例表明，采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃油供油系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)等機(jī)內(nèi)凈化措施，是可以開發(fā)出滿足G3標(biāo)準(zhǔn)的非道路移動用單缸風(fēng)冷柴油機(jī)，符合當(dāng)前對單缸柴油機(jī)低成本、高質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保的要求。后續(xù)工作將繼續(xù)跟蹤當(dāng)前單缸柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展，完善和改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證過程，持續(xù)為企業(yè)提供技術(shù)支持和全過程質(zhì)量分析、診斷及改進(jìn)工作，從而貫徹落實(shí)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的國家及行業(yè)發(fā)展政策。