AVL公司开发的小型化柴油机

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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、排气门与喷油器之间的最高热负荷区域，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℃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。

利用计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 mm（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 mm。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（NOx）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-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NOx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NOx收集器系统作为降低NOx的后处理装置。

试验表明，该款1.05 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。