风冷双缸柴油机组合式缸体设计与实验研究

杨建西，张 健

（台州职业技术学院，浙江 台州 318000）

0 引言

曲柄连杆结构的四冲程及两冲程发动机技术诞生到如今已有100多年的历史。在经历了多次机械工业技术革命，进一步发展到如今的过程中，发动机技术不断在提升。现如今新型结构型发动机技术的不断涌现，如：喷气发动机、涡扇发动机、转子发动机、氢燃料发动机等等，但曲柄连杆结构型内燃机始终在人类文明进步过程中承担着重要的角色。而如今，人类对自然能源逐渐匮乏和大气污染的担忧，要求工作在该技术领域的人们要不断改进技术为减少能源浪费和改善生态环境尽到责任。

近年来，内燃机行业专家及研发人员做了大量研发工作，但我国与国外工业技术发达的国家相比还存在比较大的差距。针对在10kW～30kW区间的柴油发动机技术发展趋势，势必向升功率高、重量轻、转速高、体积小型化、低燃油消耗、低排放、多工况使用范围等方向发展。主要技术改进可通过主要结构部件采用新型材料、结构改进、介入涡轮增压和机械增压技术、改进燃油供给系统及电子智能化控制方面寻求突破。本发动机技术是属于非移动式定转速风冷直立增压柴油发动机，该机型主要为机械设备、电器设备、船舶挂浆、发电机组、空气压缩机、各种泵体机械、农机设备等提供动力源。风冷两缸柴油发动机技术在西方发达国家较为成熟。我国内燃机领域对10kW～30kW功率区间的发动机涉及较少，且一直停留在单缸机和水冷两缸机的基础上。2014年国家出台政策性文件，为实现节能减排目的要逐渐淘汰单缸内燃机，集中技术力量发展风冷两缸内燃机。风冷柴油机的设计指导思想和开发策略如下：

1 发动机方案的设计

1.1 材料的选择

通常情况下，发动机工作时的气缸内的最高燃烧温度高达2000℃以上，其排出的废气，温度也高达400℃～700℃。高温燃气，导致活塞、缸体、缸盖等做功的部件的温度会急剧升高。这时，需要及时将产生的热量带走，否则会造成发动机中的机油焦化变质和油膜的破坏，进而导致运动件的正常间隙消失，零件机械强度下降，承受不了正常的负荷而造成机件卡死现象，对风冷发动机尤其重要。

因此，为了保证发动机正常工作，对这些内部高温条件下工作的机件加以适当的冷却或提高整体结构部件的散热性能，促使在合适的温度下正常工作。当然，过度冷却的发动机很可能会使发动机造成可燃混合气形成不良，燃烧不完全，效率下降，进而造成散热损失增加其他等一系列问题，因此我们拟选择（铝合金材料）替代（铸铁材料）主要考虑是不同材料的热传导和热辐射速度的不同，再就是两种材料的质量（重量）不同，选择（铝合金材料）可以实现提高散热效率和轻质化的需求。

研究是将原机型的“整体式铸铁材料”的缸体结构改变为“组合式铝合金材料”结构的缸体。目前，选用轻质以及散热性能更好的铝合金材料被内燃机领域重点推广。

1.2 分体式铝合金材料缸体主要结构件设计

采用组合式（分体）结构曲轴箱（缸体）的设计，实现加工简单，装配容易。由箱体、前端盖、底盖构成，而箱体分为上、下箱体。其中，上箱体和下箱体的右端各设有输出端半圆曲轴轴承孔，左端（曲轴飞轮端）各设有曲轴轴承半圆安装孔，上箱体的顶部设有两个汽缸安装孔和四个气门顶杆孔具体见图1。

图1 结构示意图Fig.1 Schematic diagram

2 实验研究

实验前课题组重新对实验台架进行了改装，组建了实验用测控系统。为了研究不同转速的负荷特性和调速特性，并用实验进行了性能验证。

2.1 实验用发动机

本实验选用的是ZJ292F型直立式风冷双缸柴油机，其主要技术参数如表1所示。

表1 柴油机的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of diesel engine

2.2 测功机的选择

测功机选择，主要考虑机组运行要安全，既要能吸收发动机输出的全部机械能，又要工作时在误差较小的部位。实际使用中，为了保证安全，被测发动机的最高功率、最大扭矩及最高转速都要小于上限值，一般最高功率通常为测功机最大功率的75%～80%，最大扭矩不差过测功机最大扭矩的70%。

2.3 整机性能

样机经3000r/min负荷特性、调速特性和用户试用，产品的性能基本达到了预期的要求。其主要技术参数，测试性能指标如表2所示。

表2 3000r/min负荷特性Tab.2 3000r/min load characteristics

表3 调速特性Tab.3 Speed regulation characteristics

图2 万有特性曲线Fig.2 Universal characteristic curve

图3 调速特性曲线Fig.3 Speed regulation characteristic curve

该发动机的万有特性曲线和调速特性曲线参见图2和图3。同时，该柴油机排放性能也满足 《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅰ、Ⅱ阶段）》排放法规中的限值要求并达到设计指标的限值要求，其排放结果参见表5。该柴油机高转速，排量小，行程短，导致燃烧过程的组织困难。但通过油气的良好匹配及优化燃烧过程，获得了预期的综合性能。

表5 排放结果Tab.5 Emission results

3 结论

通过对风冷发动机制造企业实地考察并测试了各相关数据，笔者根据存在的问题提出了一套满足技术指标条件的可行性方案。在小型风冷发动机上采用增压技术，国内外尚无先例。研制的系列风冷增压柴油机填补了这一空白。由于有优良的冷却系统，才使得增压技术在ZJ292F型系列风冷增压柴油机得以成功实施。因此，提高了动力性能和经济性能，更进一步拓宽了该发动机的应用范围。

（1）与现有技术比较，所设计的“分体式铝合金材料缸体”在传统整体式曲轴箱体的基础上，将箱体改为了组合式分体结构，有效地简化箱体的加工工艺，方便曲轴、凸轮轴等结构部件的装配，也有效提高了整机的散热效率，同时降低劳动强度和制造成本。

（2）研制的两款发动机实现转速高、大功率，转速达到了3800r/min，最高瞬间功率可达21kW，最高稳定功率及转速为18kW/3200r/min，属于真正意义上的小型高转速柴油发动机。

（3）直立式风冷发动机没有冷却水泵和铜质散热器，又大量采用了高强度铝合金材料和集成化零部件设计结构，与其它同排量的V型发动机相比有造型美观、结构简单紧凑、体积小、重量轻（仅为85kg和95kg）、震动小、喋音低、移动方便、省油、安全系数高、使用保养简单等特点。设计采取了风扇与飞轮一体化的集成设计模式，配合精确设计的叶轮风道及导风系统，使其在国家权威检测机构，国家内燃机质量监督检验中心和西安佳中电子技术有限公司（一家专业生产移动电站的军工企业）的检验中，噪音为103dB低于国家标准（≤1124dB）的规定。

（4）目前风冷双缸柴油机设计方法的研究已经取得了相当大的进展，但这些理论和方法还需进一步完善。

[1]杨建华，唐维新，杨又新，等.风冷柴油机冷却系统的试验研究[J].拖拉机与农用运输车，1992，5.

[2]唐维新，杨建华.小型风冷柴油机研制中的几项关键技术[J].内燃机工程，2003，2.

[3]王海江，陆鹏，张荣山，等.曲轴箱油雾探测器研制过程中几个关键问题的分析[J].柴油机，2009，4.

[4]马仪.双通道涡流室式风冷柴油机涡流特性的研究 [D].邵阳学院，2015.

[5]Marinho D A，Reis V M，Vilas-Boas J P，et al.Design of a Three-Dimensional Hand/Forearm Model to Apply Computational Fluid Dynamics[J].Brazilian Archives of Biology&Technology，2010，2.

[6]周龙保，刘選俊，高宗英．内燃机学[M]．北京：机械工业出版社，1999．

[7]蒋德明．内燃机中的气体流动[M]．北京：机械 工业出版社，1986．

[8]魏长生，金天柱．HS400单缸风冷柴油机的开发[J].柴油机设计与制造，2012，1.