機(jī)車用D180-16 型柴油機(jī)的研制

張 健，姜昭禹，譚博文

（大連中車柴油機(jī)有限公司， 遼寧大連 116021）

隨著近年來我國鐵路運(yùn)輸速度的不斷提升，內(nèi)燃機(jī)車或動(dòng)車組的軸重已逐漸成為限制其發(fā)展的主要因素。作為內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)自身體積和質(zhì)量的降低也變得愈發(fā)重要。目前，國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力產(chǎn)品均為中速機(jī)［1-3］，受軸重限制，在機(jī)車上很難實(shí)現(xiàn)為滿足更嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)如EPA Tier4 或歐IIIB 而加裝尾氣后處理裝置的需求，而國際上采用大功率高速柴油機(jī)加尾氣后處理裝置如SCR 解決方案來滿足最新排放法規(guī)的內(nèi)燃機(jī)車正成為趨勢(shì)，這類機(jī)車裝備的都是高速柴油機(jī)，如卡特彼勒的C175 系列、Cummins 的QSK95 系列等柴油機(jī)［4］。因此，開發(fā)和研制一款體積適中、功率密度更高、節(jié)能環(huán)保的大功率高速柴油機(jī)，不僅可以滿足國內(nèi)鐵路運(yùn)輸?shù)男枨?，還可以打破國外公司在大功率高速柴油機(jī)市場(chǎng)的壟斷地位。

大連中車柴油機(jī)有限公司長(zhǎng)期從事柴油機(jī)的開 發(fā) 和 制 造，擁 有240 系 列、265 系 列、RK 270 系 列柴油機(jī)等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于鐵路、船舶及發(fā)電等領(lǐng)域。從2012 年起，歷時(shí)7 年，與奧地利AVL 公司合作，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種全新的大功率D180-16 型高速柴油機(jī)［5］。文中介紹了D180-16 型柴油機(jī)（以下簡(jiǎn)稱D180 柴油機(jī)）模塊化的設(shè)計(jì)概念、總體結(jié)構(gòu)和主要零部件等。

1 D180 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)理念

1.1 基本需求與挑戰(zhàn)

現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的基本需求如下：①緊湊的結(jié)構(gòu)布置；②高功率質(zhì)量比；③滿足當(dāng)前和未來的排放法規(guī)；④較好的經(jīng)濟(jì)性；⑤高可靠性設(shè)計(jì)；⑥簡(jiǎn)便的維護(hù)保養(yǎng)；⑦更長(zhǎng)的大修期。

現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)車的發(fā)展所面臨諸多挑戰(zhàn)。日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)要求是最重要的挑戰(zhàn)之一。顯而易見，內(nèi)燃機(jī)車的尾氣污染物排放來自于機(jī)車的心臟—發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)需要盡可能的優(yōu)化機(jī)內(nèi)燃燒技術(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的同時(shí)，有效控制尾氣污染物的排放；平衡氮氧化物和燃油消耗率的關(guān)系，采用合適的技術(shù)有效降低顆粒物和碳?xì)浠衔锏呐欧?；采用適合的尾氣后處理系統(tǒng)滿足不同排放法規(guī)的要求；采用合理的機(jī)內(nèi)排放控制技術(shù)與尾氣后處理技術(shù)相結(jié)合，在滿足同等可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)更低的全壽命運(yùn)用成本。為了獲得更高的熱效率而不斷提高的燃燒壓力指標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及零部件的可靠性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在發(fā)動(dòng)機(jī)的概念和技術(shù)設(shè)計(jì)階段，投入更多的努力和費(fèi)用，用于更詳細(xì)的模擬計(jì)算和分析工作，可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)驗(yàn)證和運(yùn)用考核階段的開發(fā)成本。顯然，在設(shè)計(jì)開發(fā)階段花費(fèi)較小的代價(jià)就可以解決的問題，若放在整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證階段甚至批量制造階段進(jìn)行解決，所花費(fèi)的代價(jià)要巨大得多。進(jìn)氣的冷卻問題也是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。一般來說，內(nèi)燃機(jī)車的進(jìn)氣溫度在-40 ℃～40 ℃之間。但是，2 輛或多輛內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行重聯(lián)牽引時(shí)，這種情況下前置牽引機(jī)車的排氣會(huì)被后置機(jī)車吸入，導(dǎo)致進(jìn)氣溫度升高。特別是在隧道環(huán)境運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣情況會(huì)更惡劣。

針對(duì)上述需求和挑戰(zhàn)，D180 柴油機(jī)在概念設(shè)計(jì)階段，首先制定了主要性能指標(biāo)以及采用的主要技術(shù)如圖1 所示。此外，考慮到不同排放法規(guī)的差異，預(yù)留了加裝顆粒捕捉器（DPF）和柴油氧化催化裝置（DOC）的方案。

圖1 D180 柴油機(jī)主要性能指標(biāo)及技術(shù)

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

D180-16 型柴油機(jī)的性能、排放的設(shè)計(jì)目標(biāo)見表1、表2。

表1 D180 柴油機(jī)性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

表2 D180 柴油機(jī)排放設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.3 熱力學(xué)設(shè)計(jì)

在明確了整機(jī)性能和排放設(shè)計(jì)目標(biāo)后，通過應(yīng)用一維熱力學(xué)分析軟件進(jìn)行了多輪的優(yōu)化模擬計(jì)算，最終確定了如下技術(shù)路線：

為達(dá)到NOx排放和燃油消耗率的目標(biāo)，需采取以下措施：

（1）強(qiáng)米勒循環(huán)。

（2）兩級(jí)增壓系統(tǒng)，總壓比達(dá)到6 以上。

（3）靈活的噴油正時(shí)策略，滿足不同排放目標(biāo)要求的同時(shí)獲得最佳的經(jīng)濟(jì)性。

（4）高壓縮比。

（5）熱力學(xué)計(jì)算用最高燃燒壓力為230 bar。

為達(dá)到顆粒（PM）排放目標(biāo)，需采取以下措施：

（1）高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，最高噴射壓力可以達(dá)到2 200 bar。

（2）高效的燃燒系統(tǒng)。

（3）最小的過量空氣系數(shù)：滿足歐IIIA 排放需達(dá)到1.9，滿足歐IIIB 排放標(biāo)準(zhǔn)需達(dá)到1.7。

（4）降低機(jī)油消耗。

1.4 燃燒室和噴油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為達(dá)到柴油機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要有相適應(yīng)的燃燒系統(tǒng)，其中對(duì)于活塞頂?shù)娜紵倚螤钜约皣娪推鲊娮斓脑O(shè)計(jì)尤為重要，需要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）降低缸內(nèi)噴油過度的趨勢(shì)。

（2）針對(duì)不同的應(yīng)用和排放等級(jí)，采用不同壓縮比的能力。

（3）應(yīng)用相適的活塞頂部輪廓。

（4）為保證冷卻效果，避免活塞冷卻腔壁面過厚。

（5）在保證活塞冷卻效果的前提下，簡(jiǎn)化活塞冷卻腔設(shè)計(jì)。

（6）降低缸內(nèi)噴油貫穿距對(duì)于噴油正時(shí)的影響。

（7）同時(shí)兼顧顆粒和NOx的排放。

（8）同時(shí)兼顧燃油消耗率與NOx的排放平衡。

為了確定最合適的系統(tǒng)，將靜態(tài)燃燒室和渦流型燃燒室2 種形狀的活塞頂燃燒室形狀進(jìn)行了對(duì)比分析，見表3。

表3 柴油燃燒系統(tǒng)的選擇

通過以上比較可以看出，前一種活塞頂形狀具備更好的適用性。其對(duì)于不同用途的柴油機(jī)，以及不同的排放等級(jí)要求、噴油正時(shí)和壓縮比的柴油機(jī)，都具備良好的適用性。

對(duì)于噴射系統(tǒng)，通過優(yōu)化噴嘴的噴孔尺寸及形狀，實(shí)現(xiàn)了所需的較小的油束發(fā)散角以及理想的噴射貫穿距。

1.5 渦輪增壓系統(tǒng)

增壓系統(tǒng)采用的是帶有兩級(jí)冷卻的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。一級(jí)冷卻器位于低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)之間，二級(jí)冷卻器位于高壓壓氣機(jī)后，如圖2所示。為了更好的優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)車散熱器的設(shè)計(jì)，兩級(jí)冷卻器都采用了高低溫水共同冷卻的結(jié)構(gòu)。

圖2 二級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)

D180 柴油機(jī)通過采用兩級(jí)增壓系統(tǒng)，保證了在采用米勒循環(huán)的前提下為發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的空氣，從而實(shí)現(xiàn)功率目標(biāo)的要求，同時(shí)預(yù)留了在一定高海拔地區(qū)運(yùn)用的裕度。

由于受到機(jī)車上空間的限制，柴油機(jī)的外形尺寸被嚴(yán)格要求。因此，增壓器和空氣冷卻器被緊湊地布置在機(jī)體上方V 型夾角中間位置，在緊湊的管路布置前提下，合理優(yōu)化了空氣流動(dòng)，并盡可能的降低安裝重心，如圖3 所示。

圖3 兩級(jí)增壓系統(tǒng)的布置

考慮到空間布置以及瞬態(tài)響應(yīng)的問題，D180柴油機(jī)沒有選擇大流量的增壓器作為低壓增壓器，而是使用2 臺(tái)低壓增壓器。通過在高低壓增壓器之間加裝1 個(gè)高壓廢氣旁通閥，以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用環(huán)境下對(duì)空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。

1.6 后處理系統(tǒng)

在沒有后處理系統(tǒng)的情況下，D180 柴油機(jī)已經(jīng)滿足歐IIIA 排放要求。但要達(dá)到歐IIIB 的排放要求，還需要加裝后處理系統(tǒng)，進(jìn)一步降低氮氧化物（NOx）的排放。因此，在性能開發(fā)試驗(yàn)過程中，首先采用了只加裝SCR 后處理系統(tǒng)的方案，根據(jù)每一個(gè)運(yùn)行工況所需的NOx轉(zhuǎn)化率，對(duì)于SCR 的噴射率進(jìn)行了全面校準(zhǔn)，試驗(yàn)證明，只安裝SCR 后處理系統(tǒng)的方案就可以滿足歐IIIB 排放法規(guī)的要求。而為了應(yīng)對(duì)未來更高排放要求或者特定應(yīng)用的不同要求，DOC+DPF 后處理模塊也可以選擇加入到后處理系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)更低的污染物排放。

1.7 控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)

控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是基于一款成熟可靠、模塊化、可擴(kuò)展的控制器硬件和底層軟件基礎(chǔ)上，利用商業(yè)軟件Matlab Simulink 完成開發(fā)的。該應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)D180 柴油機(jī)的智能化監(jiān)控。該軟件的開發(fā)，充分地考慮了柴油機(jī)控制所需傳感器和執(zhí)行器的信號(hào)傳輸、通信線束的設(shè)計(jì)以及與機(jī)車控制器的通信等，并采用模型在環(huán)（軟件虛擬仿真）、硬件在環(huán)（半實(shí)物仿真和預(yù)標(biāo)定）和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定等比較先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)軟件開發(fā)理念，加速了軟件開發(fā)的過程，同時(shí)縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架進(jìn)行性能優(yōu)化標(biāo)定的試驗(yàn)時(shí)間。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

D180 柴油機(jī)的兩排氣缸采用90°V 形夾角排列，兩級(jí)增壓器和兩級(jí)冷卻器的布置在V 型夾角的中間，如圖4 所示，較好地平衡了柴油機(jī)寬度和高度尺寸，同時(shí)也充分考慮了氣缸蓋和活塞連桿組的拆裝空間需求。為了提高空間利用率得到理想的布局，進(jìn)氣管被布置在V 形機(jī)體的兩側(cè)，單根凸輪軸安裝在機(jī)體內(nèi)V 形夾角的中間—主機(jī)油道的正上方。考慮到柴油機(jī)總體長(zhǎng)度上的限制，首先對(duì)于氣缸間距進(jìn)行了優(yōu)化，并以此為前提，在保證滿足最大軸瓦承載的基礎(chǔ)上，合理地選擇了曲軸的主軸頸和連桿頸的尺寸。此外，緊湊的輸出端設(shè)計(jì)，在縮短柴油機(jī)整體長(zhǎng)度的同時(shí)，也更利于扭矩的輸出。為了便于與外部輔助設(shè)備及管路的連接，將機(jī)油濾清器、離心精濾器、機(jī)油和冷卻水的溫控閥、PTO 軸以及所有的泵（高、低溫水水泵，機(jī)油泵，高壓燃油泵等）集中布置在柴油機(jī)的自由端，并且考慮到不同的應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)留了第2 個(gè)高壓燃油泵和海水泵的安裝位置。

圖4 D180 柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)

2.2 氣缸蓋

氣缸蓋的設(shè)計(jì)采用了四氣門結(jié)構(gòu)，可以承受250 bar 的氣缸燃燒壓力。使用4 根M30 的螺柱將氣缸蓋固定在機(jī)體上，合理的結(jié)構(gòu)剛度確保了氣缸蓋墊片的受力均勻分布。氣缸蓋的冷卻采用了AVL 公司由上至下的專利設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)理念是讓冷卻水從氣缸蓋的上部水腔往下流入下部水腔，提高承受高負(fù)荷的氣缸蓋火力面區(qū)域的冷卻水流速，從而提高冷卻效果，如圖5 所示。通過CFD 計(jì)算優(yōu)化的冷卻水腔，可以確保大負(fù)荷下火力面的進(jìn)氣和排氣閥橋區(qū)域的溫度相對(duì)均衡，在閥橋等關(guān)鍵區(qū)域產(chǎn)生的較高的冷卻水流速，可以確保進(jìn)排氣閥間的閥橋以及2 個(gè)排氣閥間的閥橋的溫差均不超過25 ℃，排氣閥座的溫度也可以保持在較低的水平。與傳統(tǒng)的氣缸蓋冷卻系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以使排氣閥間的閥橋溫度降低15～20 ℃。

圖5 氣缸蓋冷卻方式

氣缸蓋的材質(zhì)為蠕墨鑄鐵，通過FEA 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效降低了氣缸蓋在氣缸燃燒壓力作用下的變形量，從而降低了氣閥導(dǎo)管和閥座磨損的風(fēng)險(xiǎn)，在機(jī)械熱負(fù)荷的作用下，具有良好的高周和低周疲勞壽命。

2.3 活塞連桿組

活塞為全鋼結(jié)構(gòu)，活塞頂和活塞裙通過高溫?cái)U(kuò)散焊接連接在一起?？招慕Y(jié)構(gòu)活塞銷滿足剛度的同時(shí)降低了往復(fù)慣性質(zhì)量。優(yōu)化后的活塞冷卻油腔配以1 個(gè)高效的活塞冷卻噴嘴（機(jī)油噴入效率80%以上），實(shí)現(xiàn)了對(duì)活塞頂、燃燒室頂部圓角和第一道氣環(huán)的有效冷卻［3］。活塞環(huán)組件由2 道氣環(huán)和1 道油環(huán)組成，2 道氣環(huán)均采用經(jīng)過物理氣化沉積法（PVD）鍍膜的滲氮鋼，增強(qiáng)了耐磨性。活塞連桿組如圖6 所示。

圖6 活塞連桿組

合金鋼閉合模鍛成形的連桿，大端采用四螺釘斜切口結(jié)構(gòu)，方便通過曲軸箱觀察孔拆裝連桿蓋。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的連桿小端襯套集油溝槽，可以確保小端襯套通過收集活塞和連桿大端飛濺的機(jī)油得到充分的潤(rùn)滑，并不需要在連桿上加工供油孔，這既降低了連桿的加工難度和成本，又提高了連桿大端軸瓦的承載面積。

2.4 配氣機(jī)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)中的進(jìn)排氣搖臂具有很好的剛度，與凸輪及凸輪隨動(dòng)件一起配合，經(jīng)過閥系動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供滿足米勒循環(huán)所需的精確的氣閥升程曲線［1］。平行式的進(jìn)排氣閥布局結(jié)構(gòu)配合對(duì)稱設(shè)計(jì)的氣缸蓋，確保了均衡的應(yīng)力及冷卻水流分布，提供了滿足靜態(tài)燃燒系統(tǒng)所需的零渦流燃燒室，如圖7 所示。經(jīng)過優(yōu)化的配氣機(jī)構(gòu)也適用于將來不同機(jī)型（氣體機(jī)、雙燃料等）和應(yīng)用的氣缸蓋方案變化的需求。

圖7 配氣機(jī)構(gòu)

2.5 機(jī)體

整體鑄造成形的機(jī)體采用的是球墨鑄鐵材質(zhì)。鑄造沙芯的設(shè)計(jì)充分考慮了將來的8、12 和20缸柴油機(jī)的通用性，機(jī)體自由端和輸出端鑄造沙芯以及機(jī)體內(nèi)置的冷卻水進(jìn)水和回水總管沙芯都可以作為通用件，用于不同缸數(shù)的柴油機(jī)。

冷卻水進(jìn)水總管布置在機(jī)體外側(cè)相對(duì)氣缸套較低的位置，而回水總管布置在V 型夾角內(nèi)側(cè)相對(duì)較高的位置，這樣的布置可以提高對(duì)于氣缸蓋和氣缸套上部區(qū)域的冷卻效果。同時(shí)，機(jī)體內(nèi)置進(jìn)回水總管，可以顯著減少外部冷卻水管的數(shù)量。氣缸套采用頂部法蘭定位方式，有利于降低氣缸套的變形并進(jìn)而降低機(jī)油消耗。

經(jīng)過FEA 優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)體，滿足高氣缸燃燒壓力所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，較好地控制了自身質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)整機(jī)質(zhì)量目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

2.6 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)

受限于機(jī)車嚴(yán)格的安裝空間要求，柴油機(jī)的長(zhǎng)度需要進(jìn)行最小化的設(shè)計(jì)。D180 柴油機(jī)通過將驅(qū)動(dòng)凸輪軸和輔助設(shè)備（如機(jī)油泵、水泵、燃油泵等）的齒輪集中布置在柴油機(jī)的自由端，實(shí)現(xiàn)了將所有輔助設(shè)備集中布置在柴油機(jī)自由端的箱體上，便于機(jī)車上的輔助管路的安裝布置。同時(shí)這種設(shè)計(jì)方案使柴油機(jī)無需增加閥系驅(qū)動(dòng)用的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)（通常會(huì)布置在輸出端），具備更加緊湊的結(jié)構(gòu)布局，如圖8 所示。該齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)具有通用性，可用于D180 系列不同缸數(shù)的柴油機(jī)。同時(shí)為了適應(yīng)船舶及發(fā)電等不同應(yīng)用，該齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展能力，預(yù)留了驅(qū)動(dòng)其他輔助設(shè)備（如第二高壓燃油泵、海水泵）的安裝位置。

圖8 齒輪系

3 樣機(jī)試驗(yàn)

D180 柴油機(jī)先后完成了內(nèi)部的性能開發(fā)試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行近5 000 h，拆檢結(jié)果表明，主要部件狀態(tài)非常好，甚至軸瓦的跑合層都未見明顯磨損。通過試驗(yàn)確認(rèn)了整機(jī)性能及可靠性均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，裸機(jī)狀態(tài)下排放滿足歐IIIA 排放標(biāo)準(zhǔn)，只加裝SCR 后處理系統(tǒng)后可滿足歐IIIB 排放標(biāo)準(zhǔn)，在3 280 kW 額定工況下的實(shí)測(cè)燃油消耗率小于195 g/（kW?h）（包含機(jī)帶輔助設(shè)備）。2019 年5 月至6 月，在中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證（大連）機(jī)車檢驗(yàn)站有限公司的主持和監(jiān)督下，D180 柴油機(jī)順利通過了型式認(rèn)證試驗(yàn)。

4 結(jié) 語

經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)，D180 柴油機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到領(lǐng)先水平。在保證可靠性、耐久性和大功率的同時(shí)，只加裝SCR 后處理系統(tǒng)就可完全保證排放水平達(dá)到歐IIIB 排放標(biāo)準(zhǔn)。