通用小型汽油機合作研發(fā)

田進富 高振銳

(山東華盛中天機械集團股份有限公司 山東臨沂 276017)

引言

EX170系列小型通用汽油機是通過引進日本先進的頂置凸輪軸、正時鏈條傳動、單凸輪控制進排氣門技術(shù)，由本公司開發(fā)的一款小型通用汽油機。通過技術(shù)引進，優(yōu)化了進氣系統(tǒng)的配氣正時，提升了發(fā)動機的升功率;無需增加排氣后處理裝置，排放大幅降低;減少了配氣機構(gòu)零部件的數(shù)量;改善了關(guān)鍵零部件的工藝條件，延長了發(fā)動機使用壽命，降低了油耗和排放指標(biāo)。該機代表了國際非道路用四沖程汽油機領(lǐng)域的先進水平。

該產(chǎn)品的研制，主要對燃燒室、進排氣道、配氣機構(gòu)、氣門室、潤滑系統(tǒng)、配氣相位進行了分析和優(yōu)化，提高了汽油機使用壽命，優(yōu)化了發(fā)動機動力、燃油經(jīng)濟性和各項排放指標(biāo)，同時通過該產(chǎn)品的合作研發(fā)，有效地培養(yǎng)和鍛煉了一批技術(shù)人才隊伍，為以后企業(yè)不斷實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新提供技術(shù)和人才保障。

1 EX170汽油機主要技術(shù)參數(shù)

EX170汽油機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 EX170汽油機主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

2 主要結(jié)構(gòu)

EX170汽油機采用單缸、四沖程、強制風(fēng)冷、前傾25°型式，結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊，美觀大方，詳見圖1。

2．1 氣缸蓋

氣缸蓋材料選用壓鑄鋁合金(YL113)，結(jié)構(gòu)緊湊，將燃燒室、氣門室、空濾器、消音器有機地組合在一起。

1)燃燒室

燃燒室采用蓬頂燃燒室結(jié)構(gòu)［1］，進氣阻力小、散熱損失小，結(jié)構(gòu)緊湊，氣流流動損失少，霧化氣容易混合，提升了整機的啟動性能。燃燒室結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燃燒室結(jié)構(gòu)

2) 進排氣道

為保證混合氣均質(zhì)化，進一步降低排放，在進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，排放污染物進一步降低，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請國家發(fā)明專利。

圖3 隔熱板形狀

進排氣道成90°分布，配合蓬頂型燃燒室，在氣缸內(nèi)形成滾流，提高了進氣效率;同時優(yōu)化氣道的圓滑連接和進氣道的長度，利用進氣諧振波［2］，進一步提高了汽油機的吸氣量，強化了發(fā)動機的性能指標(biāo)。進排氣道形狀如圖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電環(huán)境平衡而產(chǎn)生的，非對稱電流能增強環(huán)偶極子強度，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電路的物理模型進行定量分析。為了定量分析環(huán)偶極矩強度，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)偶極矩的計算，計算公式為：

圖4 進排氣道形狀

2．2 配氣機構(gòu)

配氣機構(gòu)為單凸輪型線控制進排氣門結(jié)構(gòu)，鏈條導(dǎo)板保證了鏈條使用的可靠性，提高了整機的壽命。根據(jù)鏈條松緊情況，鏈條漲緊器自動調(diào)節(jié)漲緊力度，保證了配氣正時，提高了整機的性能指標(biāo)。凸輪型線經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，滿足了配氣正時和進氣充量的要求，適時適量地實現(xiàn)新鮮氣體和廢氣的交換。凸輪型線檢測結(jié)果如圖5所示。

2．3 氣門室

缸蓋罩與氣缸蓋組合形成氣門室。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出冷卻室，最大程度地將進入的油霧冷卻，形成液滴，用來潤滑氣門搖臂、凸輪、鏈條、氣門等運動部件。同時阻止油霧進入燃燒室燃燒，進一步降低了排放，保護了環(huán)境。

2．4 機體

圖5 凸輪型線檢測結(jié)果

作為發(fā)動機的支架，機體材料采用壓鑄鋁合金(YL113)，加強筋合理分布，提高了整機的強度，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)，一方面增強了與壓鑄鋁的結(jié)合強度，提高機體的散熱效率;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)申請國家實用新型專利。缸套內(nèi)壁設(shè)計成平臺網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)［3］，網(wǎng)紋斜角25°～30°，提高了密封性、潤滑性能。

2．5 潤滑系統(tǒng)

EX170汽油機采用飛濺潤滑和重力潤滑相結(jié)合的方式，同時通過曲軸箱負壓，實現(xiàn)潤滑油霧泵油，進一步潤滑氣門及凸輪軸。該潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用可靠。

飛濺潤滑主要通過旋轉(zhuǎn)的連桿大頭油勺實現(xiàn)(該結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請國家實用新型專利)，如圖6所示。高速旋轉(zhuǎn)的油勺將機油從曲軸箱內(nèi)濺起，部分油滴飛濺到連桿、活塞銷、氣缸壁等部位，對這些部位進行潤滑。同時形成的油霧，通過曲軸箱的交變壓力，泵送到氣門室內(nèi)，潤滑進排氣門。在重力的作用下，機油回流至凸輪軸，加強了凸輪軸的潤滑。

圖6 連桿結(jié)構(gòu)圖

2．6 配氣相位

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，同時兼顧低速和高速工況的性能。經(jīng)過優(yōu)化試驗，最終確定進氣提前角為20°CA，進氣門晚關(guān)角度為64°CA;排氣門早開角度為64°CA，排氣門晚關(guān)角20°CA;氣門重疊角為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

3 樣機試驗

3．1 零部件確認試驗

通過和日本公司合作本企業(yè)完善了零部件的評價試驗，科學(xué)、經(jīng)濟、合理的零部件評估，為產(chǎn)品研發(fā)提高了效率、降低了成本。

3．2 臺架性能試驗

EX170汽油機按照JB/T 5135的各項規(guī)定，已經(jīng)通過企業(yè)產(chǎn)品定型檢驗，各項指標(biāo)超出國家標(biāo)準。詳細數(shù)據(jù)見表2。

表2 EX170性能測試數(shù)據(jù)

EX170汽油機按照GB26133－2010《非道路移動機械用小型點燃式發(fā)動機排放污染物排放限值與測量方法》進行排放測試，各項指標(biāo)滿足國Ⅱ規(guī)定。在不加任何催化裝置的情況下達到CARBⅢ階段要求。詳細數(shù)據(jù)見表2、表3和表4。

表3 EX170排放測試數(shù)據(jù)(0h)

續(xù)表3

表4 EX170排放測試數(shù)據(jù)(250h)

3．3 其他模擬試驗

為了更充分驗證機器的各項指標(biāo)，本企業(yè)結(jié)合日本的相關(guān)評價方法，完善了振動試驗、冷卻試驗、灑水試驗、冒煙試驗、超速試驗、潤滑試驗、放炮試驗、加減速試驗，停止試驗，噪聲試驗等。以上試驗確認強化了發(fā)動機的指標(biāo)考核，為加快產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化提供了試驗依據(jù)，使得產(chǎn)品更成熟，更可靠，同時為其他類似產(chǎn)品的開發(fā)提供了試驗依據(jù)。

4 結(jié)論

1)通過國際科技合作研制的新一代單缸四沖程汽油機滿足設(shè)計要求，通過對燃燒室、配氣相位的優(yōu)化設(shè)計、提高了動力性、降低了油耗。

2)通過對缸蓋、配氣機構(gòu)、機體、氣門室及潤滑系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提高了發(fā)動機的使用壽命。

3)通過對進氣道、配氣相位、氣門室的優(yōu)化設(shè)計，降低了發(fā)動機的排放。

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