AVL公司開發的小型化柴油機

【奧】 AVL List Gmb H

1 柴油機小型化方案

這款3缸1.05 L柴油機的機體結構是AVL 公司致力于小型化柴油機方案的核心，其開發目標是要達到現有Renault K9K 1.5 L 4缸柴油機相同的功率和扭矩。

該小型化柴油機的缸徑為76.0 mm，行程為77.5 mm，缸心距為85.0 mm。這與K9K 柴油機的尺寸相同，因此能完全利用現有制造設備，這一點顯得尤為重要。

采用每缸2氣門結構可以在原機水平上降低成本及減少摩擦損失。為了實現良好的冷卻性能和耐久性能，研發人員要確保這種能夠承受高負荷的2氣門氣缸蓋的結構布置達到最佳狀態。包括采用摩擦力較小的滾輪式指狀從動件氣門傳動機構、液壓間隙調節器，以及耐磨損的免維護系統。凸輪軸由位于柴油機后端的鏈輪驅動。

短裙機體以主軸承蓋為分型面，由高強度球墨鑄鐵壓制而成。為了要在19 MPa最高燃燒壓力下達到耐久性要求，并在考慮到總摩擦水平的情況下使軸承直徑最小，對鍛鋼曲軸的幾何形狀進行了優化。

2 氣缸蓋和氣門傳動機構的設計

小型化柴油機的氣缸蓋以其螺栓襯套的高度為界分成上、下2部分。氣缸蓋下半部分包括氣道、冷卻水套和鑄造的氣流通道和低壓機油返回機體的通道，以及安裝液壓間隙調節器零件的空腔。

氣缸蓋的上半部分被設計成包括凸輪軸支座在內的座架結構。凸輪軸預先裝在支座架中，然后，再將該總成安裝到氣缸蓋上。由于需要達到一定的機械性能和熱力學性能，氣缸蓋下半部分采用熱處理的基本合金由重力澆鑄而成，支座架則由高壓壓鑄而成。這種分成上、下2部分的設計既降低了材料成本，又簡化了加工過程。

采用滾輪式指狀從動件的氣門傳動機構和液壓間隙調節器是為了減小摩擦，并使之成為耐磨損的免維護系統。單頂置凸輪軸是一種采用粉末冶金鋼凸輪的裝配式組件。凸輪軸僅有3個支承。

該機型的氣道布置為橫流式結構，每缸2氣門。噴油器傾斜15°，氣門傾斜2°，因而可以在氣門尺寸與噴油器偏心度之間找到良好的折衷，同時還能滿足氣門鼻梁處的耐久性要求。

在設計高負荷柴油機氣缸蓋時，要周密考慮底部和頂部區域需要承受氣體壓力負荷的高循環疲勞，以及底部區域需要承受溫度循環引起的熱機械疲勞。鑒于所選擇的方案，連同所選用的2 氣門方案都要經受很高的比功率和氣缸壓力，因此，這對開發工作帶來一定的困難。

對于4氣門氣缸蓋方案而言，氣缸蓋總體結構的對稱性是剛性箱式結構的理想條件，因而可使氣缸蓋底部耐受氣體壓力負荷。相反，采用偏置單頂置凸輪軸的2氣門結構則是非對稱的。這時進氣道布置就顯得特別重要，因為它要從氣缸蓋一側的進氣法蘭面延伸到氣缸中心線對面一側的氣門位置。這容易在氣體壓力負荷作用下引起彎曲變形。

此外，2氣門氣缸蓋位于進、排氣門與噴油器之間的最高熱負荷區域，其冷卻能力特別差，因而容易導致高溫。與4氣門結構相比，2氣門結構對熱機械疲勞故障的敏感性較低，這是由于2氣門結構對熱膨脹約束較少的緣故。氣門座磨損和噴油器上形成積炭則與較高的溫度密切相關。

針對小型化柴油機，開發了一種能確保火力面溫度低于260℃的氣缸蓋冷卻方案，它是通過在排氣門和噴油器噴嘴之間布置1個鉆孔冷卻通道來進行冷卻的。

水套由2個型腔構成：1個緊湊的下型腔布置在氣道下方的排氣側，另一個較大的上型腔布置在排氣道上方，并一直延伸到氣缸蓋進氣側。利用簡單的型芯形狀和簡化的型芯裝配過程來彌補型芯數量的增加。通過對氣缸蓋和機體水套中冷卻液流動的狀況進行計算流體力學分析，并對型腔形狀進行了優化，以確保傳熱系數均勻分布。

利用計算的傳熱系數對氣缸蓋結構進行了有限元分析，以預測氣缸蓋的溫度分布情況，包括泡核沸騰的影響。分析結果表明，溫度場分布非常均勻，噴油器與排氣門之間的最高溫度為257℃。

根據額定功率和怠速工況下的計算溫度場，計算了氣缸蓋火力面每個節點的熱沖擊試驗循環的溫度范圍。這是評估熱機械疲勞壽命（開始出現裂紋的循環次數）的基礎。該小型化柴油機熱機械疲勞壽命最低的部位是進氣門與噴油器孔之間的區域，它能滿足3 000次循環的目標要求。

借助于有限元模擬（包括溫度、裝配和氣體壓力負荷），評估了氣缸蓋的高循環疲勞強度。安全系數最小的部位是氣道與火力面之間的過渡區域，這是由于在氣體壓力和熱負荷共同作用下引起的火力面彎曲。

3 曲軸系統

曲軸系統結構布置的主要目標是要在19 MPa的最高燃燒壓力下使曲軸系統達到足夠的耐久性，并使曲軸系統軸承引起的總摩擦降至最小。

鍛鋼曲軸（C38 改進版）采用滾壓圓角，其主軸頸直徑為48 mm（出于生產制造方面考慮，該尺寸與K9K 柴油機的相同），而曲柄銷直徑只有45 mm。曲軸質量僅為10.8 kg。連桿采用燒結鍛造，小頭呈錐形。

與基準數據相比，該曲軸的主軸頸直徑和曲柄銷直徑在燃燒壓力≥18 MPa的柴油機中屬于偏小的。考慮到3缸結構，盡管要承受很高的燃燒壓力，該柴油機曲軸的摩擦尚處于頗具競爭力的水平。

活塞為鋁制件，其壓縮高度為44.75 mm。由于是2氣門結構，燃燒室凹坑相對于活塞中心線偏置3 mm。這樣的偏置度易導致活塞熱負荷不均勻。為使這種燃燒室凹坑偏置的活塞和活塞環得到良好的冷卻，采用了一種兩段式的冷卻油道。

發動機采用雙質量飛輪及具有皮帶輪隔振效果的扭振減振器。采用曲軸系統的三維立體模型模擬確定系統的負荷，利用有限元分析確定高循環疲勞的安全系數。為了確保在制造過程中達到滾壓圓角的強度，事先進行了確保制造品質的曲軸疲勞試驗模擬。

4 進、排氣系統和廢氣再循環系統

為了獲得良好的驅動性能，這一小型化柴油機采用兩級進氣系統來提高增壓壓力：低壓級為1 臺渦輪增壓器，高壓級為帶中冷器和進氣冷卻器的羅茲容積式壓氣機。這2個冷卻器都由各自的低溫冷卻液回路進行液體冷卻。由于采用了冷卻的低壓廢氣再循環、柴油顆粒捕集器和氮氧化物（NOx）后處理技術，使該柴油機達到歐6排放標準成為可能。

容積式壓氣機安裝在機體上，由曲軸通過齒形皮帶驅動，帶兩級齒輪箱和廢氣再循環閥。

進氣冷卻由帶低溫冷卻液回路的水-氣熱交換器來完成。主進氣冷卻器由安裝在1個殼體內的3個熱交換器芯組成，無外部管子，直接將空氣從壓氣機出口引至進氣歧管。在排氣側，廢氣渦輪通過1個緊湊的鑄造排氣歧管安裝到氣缸蓋的排氣法蘭上。排氣后處理裝置與渦輪出口法蘭緊耦合連接，基于該小型化柴油機的輸出功率較大，因此，僅靠發動機機內措施無法使NOx排放達到歐6排放限值。根據車型參數（整車質量和滾動阻力）不同，可以考慮采用選擇性催化還原系統或者稀燃NOx收集器系統作為降低NOx的后處理裝置。

試驗表明，該款1.05 L 小型化柴油機能夠在不采用混合動力電機的情況下達到與1.5 L K9K 型柴油機相同的性能。