田進(jìn)富 高振銳
(山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 山東臨沂 276017)
EX170系列小型通用汽油機(jī)是通過(guò)引進(jìn)日本先進(jìn)的頂置凸輪軸、正時(shí)鏈條傳動(dòng)、單凸輪控制進(jìn)排氣門(mén)技術(shù),由本公司開(kāi)發(fā)的一款小型通用汽油機(jī)。通過(guò)技術(shù)引進(jìn),優(yōu)化了進(jìn)氣系統(tǒng)的配氣正時(shí),提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率;無(wú)需增加排氣后處理裝置,排放大幅降低;減少了配氣機(jī)構(gòu)零部件的數(shù)量;改善了關(guān)鍵零部件的工藝條件,延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命,降低了油耗和排放指標(biāo)。該機(jī)代表了國(guó)際非道路用四沖程汽油機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)水平。
該產(chǎn)品的研制,主要對(duì)燃燒室、進(jìn)排氣道、配氣機(jī)構(gòu)、氣門(mén)室、潤(rùn)滑系統(tǒng)、配氣相位進(jìn)行了分析和優(yōu)化,提高了汽油機(jī)使用壽命,優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、燃油經(jīng)濟(jì)性和各項(xiàng)排放指標(biāo),同時(shí)通過(guò)該產(chǎn)品的合作研發(fā),有效地培養(yǎng)和鍛煉了一批技術(shù)人才隊(duì)伍,為以后企業(yè)不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新提供技術(shù)和人才保障。
EX170汽油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 EX170汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
續(xù)表1
EX170汽油機(jī)采用單缸、四沖程、強(qiáng)制風(fēng)冷、前傾25°型式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊,美觀大方,詳見(jiàn)圖1。
氣缸蓋材料選用壓鑄鋁合金(YL113),結(jié)構(gòu)緊湊,將燃燒室、氣門(mén)室、空濾器、消音器有機(jī)地組合在一起。
1)燃燒室
燃燒室采用蓬頂燃燒室結(jié)構(gòu)[1],進(jìn)氣阻力小、散熱損失小,結(jié)構(gòu)緊湊,氣流流動(dòng)損失少,霧化氣容易混合,提升了整機(jī)的啟動(dòng)性能。燃燒室結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 燃燒室結(jié)構(gòu)
2) 進(jìn)排氣道
為保證混合氣均質(zhì)化,進(jìn)一步降低排放,在進(jìn)氣道中增加擾流擋板(如圖3所示),保證了燃油和空氣的充分混合,使燃燒更充分,排放污染物進(jìn)一步降低,該結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。
圖3 隔熱板形狀
進(jìn)排氣道成90°分布,配合蓬頂型燃燒室,在氣缸內(nèi)形成滾流,提高了進(jìn)氣效率;同時(shí)優(yōu)化氣道的圓滑連接和進(jìn)氣道的長(zhǎng)度,利用進(jìn)氣諧振波[2],進(jìn)一步提高了汽油機(jī)的吸氣量,強(qiáng)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)。進(jìn)排氣道形狀如圖4所示。
研究人員逐步揭示環(huán)偶極子產(chǎn)生機(jī)理,指出環(huán)偶極子是由電極子及磁極子之間相互作用破壞近場(chǎng)電環(huán)境平衡而產(chǎn)生的,非對(duì)稱(chēng)電流能增強(qiáng)環(huán)偶極子強(qiáng)度,是產(chǎn)生高Q值的原因[25,28]??梢罁?jù)單元結(jié)構(gòu)建立基于耦合LC電路的物理模型進(jìn)行定量分析。為了定量分析環(huán)偶極矩強(qiáng)度,根據(jù)體積電流密度分布,利用多極散射理論得到多極子的散射強(qiáng)度,如電偶極矩、磁偶極矩和環(huán)偶極矩。該方法已成功應(yīng)用于微波、太赫茲和光學(xué)波段環(huán)偶極矩的計(jì)算,計(jì)算公式為:
圖4 進(jìn)排氣道形狀
配氣機(jī)構(gòu)為單凸輪型線控制進(jìn)排氣門(mén)結(jié)構(gòu),鏈條導(dǎo)板保證了鏈條使用的可靠性,提高了整機(jī)的壽命。根據(jù)鏈條松緊情況,鏈條漲緊器自動(dòng)調(diào)節(jié)漲緊力度,保證了配氣正時(shí),提高了整機(jī)的性能指標(biāo)。凸輪型線經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),滿(mǎn)足了配氣正時(shí)和進(jìn)氣充量的要求,適時(shí)適量地實(shí)現(xiàn)新鮮氣體和廢氣的交換。凸輪型線檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。
缸蓋罩與氣缸蓋組合形成氣門(mén)室。缸蓋罩由兩層構(gòu)成,中間為冷卻室,曲軸箱呼出的油霧由單向閥控制進(jìn)出冷卻室,最大程度地將進(jìn)入的油霧冷卻,形成液滴,用來(lái)潤(rùn)滑氣門(mén)搖臂、凸輪、鏈條、氣門(mén)等運(yùn)動(dòng)部件。同時(shí)阻止油霧進(jìn)入燃燒室燃燒,進(jìn)一步降低了排放,保護(hù)了環(huán)境。
圖5 凸輪型線檢測(cè)結(jié)果
作為發(fā)動(dòng)機(jī)的支架,機(jī)體材料采用壓鑄鋁合金(YL113),加強(qiáng)筋合理分布,提高了整機(jī)的強(qiáng)度,用以承受相關(guān)零部件的安裝。缸套采用硼鑄鐵,缸套外壁加工成螺紋結(jié)構(gòu),一方面增強(qiáng)了與壓鑄鋁的結(jié)合強(qiáng)度,提高機(jī)體的散熱效率;另一方面提高缸套外壁的表面質(zhì)量,減少了廢品率,該結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利。缸套內(nèi)壁設(shè)計(jì)成平臺(tái)網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)[3],網(wǎng)紋斜角25°~30°,提高了密封性、潤(rùn)滑性能。
EX170汽油機(jī)采用飛濺潤(rùn)滑和重力潤(rùn)滑相結(jié)合的方式,同時(shí)通過(guò)曲軸箱負(fù)壓,實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油霧泵油,進(jìn)一步潤(rùn)滑氣門(mén)及凸輪軸。該潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、使用可靠。
飛濺潤(rùn)滑主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)的連桿大頭油勺實(shí)現(xiàn)(該結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利),如圖6所示。高速旋轉(zhuǎn)的油勺將機(jī)油從曲軸箱內(nèi)濺起,部分油滴飛濺到連桿、活塞銷(xiāo)、氣缸壁等部位,對(duì)這些部位進(jìn)行潤(rùn)滑。同時(shí)形成的油霧,通過(guò)曲軸箱的交變壓力,泵送到氣門(mén)室內(nèi),潤(rùn)滑進(jìn)排氣門(mén)。在重力的作用下,機(jī)油回流至凸輪軸,加強(qiáng)了凸輪軸的潤(rùn)滑。
圖6 連桿結(jié)構(gòu)圖
為了提高充氣效率,獲得最大功率與最大扭矩的最優(yōu)配氣相位,同時(shí)兼顧低速和高速工況的性能。經(jīng)過(guò)優(yōu)化試驗(yàn),最終確定進(jìn)氣提前角為20°CA,進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)角度為64°CA;排氣門(mén)早開(kāi)角度為64°CA,排氣門(mén)晚關(guān)角20°CA;氣門(mén)重疊角為40°CA。凸輪升程圖如圖7所示,配氣相位如圖8所示。
圖7 EX170凸輪升程表
圖8 配氣相位圖
通過(guò)和日本公司合作本企業(yè)完善了零部件的評(píng)價(jià)試驗(yàn),科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的零部件評(píng)估,為產(chǎn)品研發(fā)提高了效率、降低了成本。
EX170汽油機(jī)按照J(rèn)B/T 5135的各項(xiàng)規(guī)定,已經(jīng)通過(guò)企業(yè)產(chǎn)品定型檢驗(yàn),各項(xiàng)指標(biāo)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
表2 EX170性能測(cè)試數(shù)據(jù)
EX170汽油機(jī)按照GB26133-2010《非道路移動(dòng)機(jī)械用小型點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物排放限值與測(cè)量方法》進(jìn)行排放測(cè)試,各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足國(guó)Ⅱ規(guī)定。在不加任何催化裝置的情況下達(dá)到CARBⅢ階段要求。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3和表4。
表3 EX170排放測(cè)試數(shù)據(jù)(0h)
續(xù)表3
表4 EX170排放測(cè)試數(shù)據(jù)(250h)
為了更充分驗(yàn)證機(jī)器的各項(xiàng)指標(biāo),本企業(yè)結(jié)合日本的相關(guān)評(píng)價(jià)方法,完善了振動(dòng)試驗(yàn)、冷卻試驗(yàn)、灑水試驗(yàn)、冒煙試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、潤(rùn)滑試驗(yàn)、放炮試驗(yàn)、加減速試驗(yàn),停止試驗(yàn),噪聲試驗(yàn)等。以上試驗(yàn)確認(rèn)強(qiáng)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)考核,為加快產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化提供了試驗(yàn)依據(jù),使得產(chǎn)品更成熟,更可靠,同時(shí)為其他類(lèi)似產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了試驗(yàn)依據(jù)。
1)通過(guò)國(guó)際科技合作研制的新一代單缸四沖程汽油機(jī)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,通過(guò)對(duì)燃燒室、配氣相位的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高了動(dòng)力性、降低了油耗。
2)通過(guò)對(duì)缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)、機(jī)體、氣門(mén)室及潤(rùn)滑系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。
3)通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道、配氣相位、氣門(mén)室的優(yōu)化設(shè)計(jì),降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。
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