单缸风冷柴油机实现国三标准的技术研究和应用

魏长生,

(1.国家内燃机质量监督检验中心，上海 200438； 2. 上汽集团商用车技术中心，上海 200438)

0 前言

2014年5月环保部发布了GB 20891-2014《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(中国第三、四阶段)》(以下简称“G3”)用以替代GB 20891-2007旧标准(以下简称“G2”)。标准要求所有进行排气污染物排放型式核准的非道路移动机械用柴油机今后都必须符合标准第三阶段要求[1]。

对单缸柴油机来说，非道路G3标准没有跟G2标准一样细分功率区间，对于功率小于37 kW的排放限值只存在1个限值标准；与G2相比，G3排气污染物限值更加严格，尤其是对于18 kW以下功率段的单缸柴油机，排放限制更加收紧[2]。因此本文针对功率在19 kW以下的发动机，进行较大的技术升级和改进。

1 实现单缸柴油机G3标准的试验研究

本文以一款传统单缸风冷柴油机的升级方案为例，通过采用机内净化措施，优化样机的零部件、进排气系统和燃烧系统，实现升级G3的目标。

1.1 发动机原机型与目标机型的基本参数

表1为原机型与目标机型参数表，两者的结构形式和主要零部件一脉相承，不同之处在于目标机型需要达到国三排放标准，因此需对原机型进行升级改进，以满足新的性能和排放要求。

1.2 优化改进及试验验证

发动机目标机型在原机型的基础上主要优化了部分零部件设计、进排气机构、燃油供给及燃烧系统。

表1 原机型与目标机型参数表

1.2.1优化机体设计

图1 发动机目标机型与原机型机体散热结构图

图1为发动机目标机型与原机型机体散热结构图。改进后的机体左侧引风板为整体铸造，在增加散热片宽度的同时，还使得左侧的支撑强度和刚度得到了有效提升，与右侧的推杆孔支撑结构形成对称布置，减小缸套变形量，有利于降低机油耗，减少颗粒物排放。

1.2.2优化曲轴、平衡轴设计

通过更改齿轮、在两端主轴颈部位增加凸肩结构、提高曲轴重叠度进行优化设计。另外提高了曲轴安全系数，将安全系数由原机型的1.987提高为2.434。通过重新设计机体内腔，将曲轴扇形块加大，改善了平衡轴的可靠性[3]。

由于行程增加，原机型的平衡结构需重新设计，通过加厚扇形块厚度增加不平衡力矩来达到期望值。不平衡力矩加大后，两端支撑轴颈直径增加了3 mm。

通过平衡轴和曲轴的重新设计，目标机型的一阶往复惯性力平衡率由原机型的82%提升到了94%，目标机型的振动情况明显改善，对实现整机的可靠性十分有利。

1.2.3优化活塞、活塞环设计

优化后的活塞除燃烧室由普通缩口改为六角“ω”之外，还在活塞群部喷涂了石墨涂层，以此降低摩擦阻力，减小配缸间隙，可有效降低机油耗。另外，目标机型采用钢环活塞环和表面渗陶，减小了摩擦、改善了贴合并降低了机油耗[4]。

1.2.4优化冷却系统设计

单缸风冷柴油机气缸与气缸盖大都采用铝合金压铸成型，普遍存在的问题主要有各部位温度分布不均匀、温差大，导致高负荷工作时易产生变形现象。通过优化机体结构，按照最佳热流面积布置散热片等措施，降低气缸与气缸盖各部位之间的温差，减少柴油机的热负荷与热应力，为优化燃烧并降低污染物排放提供了基础保障[5]。表2为原机型与目标机型冷却系统对比表。改进后的冷却结构散热片由原机型的8片增加到了9片，散热面积增加了10%；通过增加油池强制冷却的方式可将标定工况机油温度降低超过10 ℃，得到的冷却效果明显。

表2 原机型与目标机型冷却系统对比表

1.2.5优化进气系统

(1)采用多折数、大面积滤芯结构：与原机型相同，采用的都是干式纸质空滤，其滤芯的外形尺寸相近，但改进后的滤芯滤纸折数超过原机型，其过滤面积增大、进气阻力减小，有助于提高进气效率。试验结果表明，进气结构优化后充气效率提升了3%～4% ，样机外特性油耗、烟度在低速时有明显改善，最大扭矩工况油耗下降了2%，排气烟度下降了22%。

(2)采用废气再循环：通过创新设计，在缸盖进、排气道之间设计1个小通孔(直径约为4 mm)，部分排气道的废气在进气过程中随新鲜空气进入气缸，起到部分废气再循环(EGR)的作用，能有效降低氮氧化物(NOx)排放。试验结果表明，采用了EGR措施后的NOx排放量普遍降低了30%～40%，降幅非常明显。但在降低NOx的同时颗粒物排放量有所增加，这需要控制好EGR率，不同的机型在使用EGR降低NOx时需要考虑NOx和颗粒物(PM)排放的平衡问题。

(3)优化配气机构：表3为目标机型与原机型进排气参数表。通过加大气门升程、提高进气流量系数(0.439)、增加进气门开启时间等手段，使进气总量得到提升，提高充气效率。

表3 原机型与目标机型进排气参数表

1.2.6优化供油系统

与原机相比，主要进行了以下5个方面的改进工作：(1)提高供油速率，原机型柱塞直径由7 mm增大至目标机型的7.5 mm、凸轮升程由6 mm提升至7 mm、优化凸轮型线优(凸弧改为凹弧)使泵端压力比原机型提高了40%，有效提高供油速率，为减小供油提前角降低NOx排放提供了条件；(2)提高喷雾质量，增加喷孔数(4孔改为5孔)、减小喷孔直径(0.21 mm改为0.18 mm)，使燃油雾化质量更好；(3)采用等压出油阀，采用等压出油阀可有效防止二次喷射，控制PM排放量；(4)减小高压油管内径，原机型2.0 mm内径油管换成1.6 mm内径，增加系统液力刚性；(5)减小供油提前角，供油提前角由19 °CA减小至12～14 °CA ，大幅降低了NOx排放量，最大降幅达到50.3% 。

1.2.7优化燃烧系统优化燃烧室

图2所示为目标机型燃烧室结构图。该燃烧室的轴向和径向截面积都是连续变化的，因此涡流旋转时会产生速度差，形成不规则的紊流，有利于油雾混合和燃烧室壁面油膜的剥离。

图2 目标机燃烧室结构图

2 整机试验结果

通过上述机体结构、进气系统、供油及燃烧系统的一系列优化改进，样机的油耗、烟度和气体排放有了大幅度的改善。表4为优化后样机的排放试验结果。

试验结果表明：与原机型相比，标定工况比油耗由275 g/(kW·h)下降至267 g/(kW·h)，烟度由2.6 FSN下降至1.8 FSN，CO比排放量下降了20%， HC+NOx比排放量下降了35%，PM比排放量下降了51%，满足了G3排放标准限值要求。

表4 目标机排放试验结果

3 结语

本研究中单缸风冷柴油机成功升级至G3标准的案例表明，采取优化结构设计、进排气系统、燃油供油系统和燃烧系统等机内净化措施，是可以开发出满足G3标准的非道路移动用单缸风冷柴油机，符合当前对单缸柴油机低成本、高质量和节能环保的要求。后续工作将继续跟踪当前单缸柴油机的技术发展，完善和改进试验验证过程，持续为企业提供技术支持和全过程质量分析、诊断及改进工作，从而贯彻落实节能减排、可持续发展的国家及行业发展政策。