一款扩行程柴油机设计开发

毛明华

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

一款扩行程柴油机设计开发

毛明华

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

介绍了一款扩行程柴油机的设计开发，其中重点介绍了缸盖垫片密封、曲柄连杆机构、冷却系统、润滑系统的改进设计。开发过程中采用CAE分析及试验手段验证了设计开发是合理的、可靠的。

柴油机扩行程改进设计

1 前言

近年来，经济的快速发展和电力资源紧张，导致对电站柴油机的需求增加。为满足市场需求，各柴油机公司竞相开发大功率柴油机，以抢占电站柴油机市场。然而，一款全新柴油机从开发到成熟均需要经历3至5年的周期。为尽快补充柴油机功率空缺，在现有柴油机的基础上进行提升功率是一种周期短、风险小、见效快的途径。

原柴油机是20世纪90年代自主开发的柴油机。该柴油机推出市场已经十几年，反映良好，尤其在低端电站柴油机市场上表现突出，占有不小的市场份额。基于现状，对该柴油机通过扩行程开发提升功率，并对结构进行优化设计，同时提高柴油机的整体可靠性。

2 开发目标

扩行程后柴油机沿用原湿式缸套、增压、空空中冷技术路线。采用机体高度不变，减小活塞压缩高度，增加曲轴旋转半径方案实现柴油机行程增加。鉴于柴油机行程增加后排量增加10%，而功率提高20%，强化程度提高，需对气缸盖垫片密封、曲柄连杆机构、冷却系统、润滑系统、紧固件连接等方面进行结构优化设计。柴油机扩行程前后参数的对比如表1所示。

3 主要结构设计

3.1 气缸盖垫片密封设计

扩行程前该柴油机采用非金属垫片，扩行程后柴油机的爆发压力有所升高。为保证机体与缸盖间密封的可靠性，采用6缸一体式的多层金属垫片，同时在以下3方面进行优化设计。

1）缸套突出量的控制。根据缸盖垫片的密封设计要求控制柴油机缸套突出量在0.04～0.12 mm，相邻两缸缸套突出量差0.03 mm。通过控制缸套及机体零件的公差，满足缸套突出量的控制要求。

在无法提高机体加工设备精度来满足要求的情况下，可以采用选配缸套调整垫片的方式满足对缸套突出量控制的要求。根据机体止口深度（肩胛至顶面距离）数据按表2选用合适的气缸套调整垫片。

2）气缸盖螺栓预紧力控制。根据多层金属缸盖垫片的密封设计要求，气缸盖螺栓预紧力的控制包括增大气缸盖螺栓的轴向力及控制气缸盖螺栓预紧力的装配一致性。

表1 柴油机扩行程前后参数对比

表2 调整垫片和缸套凸出量

扩行程前该柴油机气缸盖螺栓的拧紧采用扭矩法。如简单采用增大扭矩的方法增加预紧力，预紧力的增加非常有限，而零件的可靠性将面临非常大的风险。因此，在不改变机体、缸盖螺栓布置及螺栓直径的前提下，增大气缸盖螺栓的轴向力，并控制轴向力的装配一致性。扩行程后的柴油机改进设计了气缸盖螺栓，并采用转角法，使得拧紧后的紧固件应力处于过屈服状态。这种方法不仅可以最大限度地利用螺栓强度的潜力，而且更为重要的是，与扭矩法比较可以更有效控制缸盖螺栓预紧力的一致性。气缸盖螺栓的改进设计主要集中在控制螺栓强度及表面摩擦系数上。

3）调整机体、缸盖设计，保证气缸盖垫片密封带宽度大于3 mm。机体与缸盖结合面涉及缸孔、螺栓孔、水孔、油孔、挺住孔等众多密封要素。有些密封部位属于加工成形，有些密封部位属于铸造成形，应充分考虑机加工及毛坯偏差及缸盖垫片本身的制造偏差，严格保证密封带宽度，才能实现可靠密封。

3.2 曲柄机构扩行程设计

扩行程前柴油机活塞的压缩高度为95 mm，该活塞压缩高度相对较大。扩行程后活塞压缩高度降低到86.3 mm。这样可以在保证机体高度不变的前提下实现行程的增加，同时可以减小活塞的质量及惯性力。另外，由于扩行程后曲轴旋转半径的增加，活塞裙部高度需要适当减小，以避免二者干涉。

此外，根据原活塞的实际使用情况，扩行程后新活塞部分结构形式进行了改进设计：（1）原活塞积碳槽的存在容易导致头部积碳带来缸套的过度磨损，新活塞取消头部积碳槽；（2）原活塞销孔与活塞销采用过渡配合，装配时需要采用热套方式，能耗很大，扩行程后新活塞采用全浮式活塞销，销孔与活塞销采用间隙配合。

扩行程后重新设计曲轴。除了增加旋转半径以实现行程的增加外，为适应爆压的提高，曲轴材料采用了非调制钢S38MnSiⅤ，对所有主轴颈、连杆轴颈及其过渡圆角采用感应淬硬表面强化处理。

3.3 冷却系统改进设计

扩行程后柴油机功率大幅提高，柴油机的热负荷增加，必须增加柴油机冷却系统的工作能力以保证柴油机的工作可靠性。改进后，重新设计水泵，增加了水泵流量，同时提高了水泵扬程。另一方面，根据系统CFD计算结果及冷却系统试验，通过对水泵的进、出水管、机油冷却器的进水管、缸盖出水总管、节温器等零部件的结构设计改进，优化了冷却系统阻力。改进前后柴油机标定工况下冷却系统压力分布对比见表3。

表3 标定工况冷却系统关键参数的对比

改进后的冷却系统，通过合理选择散热器，柴油机水泵进口与柴油机出水口的冷却水温差可以维持在5℃左右，柴油机出水温度维持在95℃左右，可以保证柴油机各零部件的工作可靠性。

3.4 润滑系统改进设计

扩行程后柴油机功率提高，热负荷增加，机油带走的热量增加。改进后的润滑系统增加了机油泵流量，同时也增加了机油冷却器散热面积，使机油可以在合适的温度下工作，以保证柴油机润滑部位油膜的正常建立，防止扩行程后柴油机机械负荷增加所带来的异常磨损。

此外，从柴油机耐久性考虑，机油泵流量的增加，可以在柴油机发生一定磨损后润滑系统仍然保证足够的机油压力，使机油顺利到达润滑部位。另外，机油冷却器散热面积的增加还可以防止热负荷增加导致的机油老化过快，保证换油期。

改进前后柴油机标定工况下润滑系统机油压力的分布对比见表4。

表4 标定工况润滑系统关键参数对比

3.5 紧固件连接改进设计

柴油机各连接部位紧固件的连接可靠性对于柴油机的密封和零件的可靠工作至关重要，需对柴油机所有紧固件规定明确的拧紧力矩及力矩公差。

扩行程后柴油机关键紧固件除气缸盖螺栓的改进设计外，还改进设计了连杆螺钉，并采用转角法拧紧保证预紧力的一致性。另外，柴油机扩行程后功率提升了20%，输出扭矩同步增加。为保证输出扭矩的可靠传递，飞轮螺栓进行了改进设计，同时也采用了转角法拧紧方式。为保证紧固件连接可靠性，采用转角法拧紧的气缸盖螺栓、连杆螺栓及飞轮螺栓明确拧紧使用次数。关键紧固件的拧紧力矩见表5。

表5 关键紧固件拧紧力矩

扩行程后柴油机其他零部件结构的改进设计，如进气系统零部件由于进气量和进气压力的增加而进行相应的改进设计；如根据缸盖的热机耦合强度计算结果对缸盖进行局部改进设计，提高安全系数；如燃油系统增加滤清器工作能力、高压油管改进设计，实现高压油管可靠的固定及拆装方便；其他零部件改进设计在此不再细述。

4 性能开发

扩行程后的柴油机基于柴油机爆发压力限制、冷起动要求限制、燃油经济性及动力性要求，根据柴油机性能对比试验选定了缸盖涡流比、活塞压缩比、高压油管内径和长度、配气相位、中冷器大小及结构形式、及合适的喷油泵、喷油器和增压器。开发后1 500 r/min的负荷特性试验数据见图1。试验时的环境温度25℃、环境压力101 kPa、环境湿

图4 1500 r/min负荷特性

度40%，控制柴油机出水温度约90℃、排气背压约6 kPa。

由图1可见，扩行程后的柴油机经济性、动力性满足开发要求，且各运行参数对零部件设计无特殊要求，成本可控。

性能定型后的柴油机进行冷起动、振动及噪声试验。试验结果表明不带冷起动辅助装置柴油机能在-10℃下顺利起动，噪声及振动均满足国家标准要求。

5 结论

该扩行程柴油机的开发，基于先进的柴油机开发流程，零部件及各系统开发采用CAE计算和完善的试验验证其功能及可靠性。整机开发经过了概念设计、样机试制、性能开发、机械开发、最终OTS样机试制及各阶段耐久试验及用户试验，验证了该扩行程柴油机结构设计合理，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.

diesel engine,extended stroke,optimization

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.003

来稿日期：2013-10-29

毛明华（1979-），女，工程师，主要研究方向为船机电站柴油机开发。