公路工程機械用柴油機的特點及發展趨勢

近年來,隨著電子、激光和計算機技術的迅速發展和應用,公路工程機械用柴油機在結構與性能等諸方面也有了新的發展。 1　公路工程機械用柴油機的特點 1.1　柴油機的結構型式 　　公路工程機械幾乎是100%的利用柴油機為其動力裝置,其中水冷四沖程型占絕大多數,只有少數的公路工程機械,如振動壓路機采用風冷或二沖程柴油機。盡管風冷式柴油機具有對環境溫度的適應性強、適合缺水地區使用等優點;二沖程柴油機具有運轉平穩、結構簡單、維修簡便等優點;但比較起來,水冷四沖程柴油機的冷卻效果好、使用可靠、工藝性好等優點,使其在公路工程機械應用中占絕對優勢。從燃燒室結構形式來看,柴油機常用的燃燒室有五六種之多。由于直接噴射式燃燒室具有形狀簡單、結構緊湊、散熱面積小、熱效率高、燃料經濟性好、起動容易等優點,因此它已成為公路工程機械用柴油機燃燒室的主要形式。特別是小缸徑、小功率的柴油機更是如此。 1.2 柴油機的功率與功率儲備 　　公路工程機械用柴油機的功率范圍在不斷擴大,目前的功率范圍是11~600kW。其中應用較多的集中在45~300kW之間。考慮到公路工程機械的工作條件復雜、惡劣、負荷變化大,因此裝用的柴油機的額定功率均有適當的功率儲備,通常為10%左右。 1.3 柴油機的轉速與適應性系數 　　鑒于公路工程機械作業時的工作阻力大、運行速度低的特點,宜采用扭矩大、轉速低的柴油機。目前公路工程機械用柴油機的額定轉速一般在 1500~2000 r/min,適應性系數為1.30~1.70之間。 1.4 柴油機的扭矩與儲備系數 　　鑒于上述原因,目前常用的公路工程機械用柴油機的扭矩較大,就常用的功率范圍而言,其扭矩值為294~2940N·m,其扭矩儲備系數為1.15~1.25,少數的為1.30。 1.5 柴油機的可靠性與耐久性 　　公路工程機械都是在野外作業,使用條件十分惡劣,作業對象常是堅硬的土石方,作業環境多半是塵土飛揚,氣溫變化大,機械的維護條件差等。因此,對公路工程機械用柴油機的可靠性和耐久性提出了嚴格的要求。目前各生產廠家通過優化設計,精心選擇合理的結構與零件的材質;采用新工藝提高產品的加工質量與裝配質量;通過可靠性試驗等手段,使柴油機的機械負荷與熱負荷留有適當的儲備,耐久性指標達到10000h,個別的可達20000~25000h。 1.6 對使用條件的適應性 　　就地理區域來說,公路工程機械用柴油機的使用范圍廣,海拔位置相差5000m,氣溫相差80℃,沿海與高原、沙漠的濕度相差很大。針對如此多變的公路工程機械作業環境,各生產廠家在柴油機上采用了進氣系統與燃燒室預熱裝置、冷卻液加熱與恒溫調節器、冬季用蓄電池、廢氣渦輪增壓等措施,提高公路工程機械用柴油機對使用條件的適應性。 2 國外公路工程機械用柴油機的發展趨勢 2.1 老產品不斷改進,新產品大量涌現 　　近些年來,國外公路工程機械用柴油機的生產廠家在采用新技術、新結構,改進老產品方面做了大量工作,如英國潑金斯(Perkins)公司對3.152型柴油機進行改造,提高了功率,降低了油耗和排放;德國道依茨(Doutz)公司將F3L913型風冷柴油機改為直噴式和風扇自動調速,使油耗降低20%;美國康明斯(Cummins)公司采用兩級渦輪增壓,將NTTA型柴油機的功率由原來的294kW提高到331 kW;美國卡特匹勒(Caterpillar)公司將3306型柴油機改為直噴式,使油耗降低了8%左右。隨后又采用自動噴油定時、改進增壓匹配,使油耗進一步降低。日本三菱公司將渦流室式的SE系列柴油機改為直噴式,使扭矩增加了12%、功率提高了12.5%。為滿足公路工程機械作業特點及技術性能不斷提高的要求,國外公路工程機械用柴油機的主要生產廠家不斷推出柴油機的新產品。例如,美國Caterpillar公司開發了排量分別為35.4L、51.8L、69.0L(功率分別為588kW、883kW、1177kW)的3500系列柴油機;美國的Cummins公司在生產B系列柴油機的基礎上,生產了C系列柴油機。該系列為直列六缸水冷四沖程直噴非增壓、增壓和增壓中冷機型,功率從116~172kW;日本小松公司近些年來相繼投產了125系列、140系列、170系列柴油機。 　　新產品的主要特點是:采用直噴式燃燒室,增壓或中冷增壓,擴大功率范圍,燃料的經濟性、動力性指標(升功率、比質量等)達到新的水平。 2.2 實現“兩低一高”目標 　　“兩低一高”——低油耗、低排放和高可靠性已是當今公路工程機械用柴油機的研制目標。新設計的額定功率的燃油消耗率低于204g/kW·h的柴油機有美國Cummins公司的L-10型柴油機、瑞典斯堪尼亞公司的DS1-14型柴油機,低于197g/kW·h的有日本小松公司的SA6D125-1和SA6D140-1型柴油機。對如何降低老產品的油耗也予以同樣的重視,如美國Cummins公司對其生產的3306DITA型柴油機進行技術改造,使油耗由原來的217.5g/kW·h降低到208g/kW·h,日本三菱公司將S4F-T型柴油機的耗油率從244.7g/kW·h降低到217.5g/kW·h。在噪聲、排放和煙度方面,各生產廠家不僅滿足了現行法規的要求,還考慮到今后的發展。如美國Cummins公司生產的B系列增壓型柴油機噪聲低于96dB(A),LT10-250C型柴油機的煙度為0.3波許單位。日本小松公司的6D125系列柴油機額定功率的煙度為0.5波許單位,噪聲為98.8~100dB(A),排放達到了NO X+HC<13.6g/kW·h。各生產廠家通過科學試驗,努力提高公路工程機械用柴油機的可靠性和耐久性。如美國Cutterpillar公司在開發3500系列柴油機時進行了20000h的使用試驗。日本小松公司在研制125系列柴油機時,在對其零部件進行臺架強化試驗的基礎上,用30臺柴油機進行了25000h的裝機使用試驗。日本三菱公司在改造SE系列柴油機時進行了超速超負荷試驗、循環運轉耐久試驗、功率輸出循環試驗。美國Cummins公司在開發B系列柴油機時,進行了累計時間為87000h的零件疲勞試驗、整機強化試驗、整機振動試驗、整機臺架耐久試驗等。 2.3 新技術、新材料、新結構開發與應用 　　(1)采用電控系統。隨著對公路工程機械的施工質量與生產率的要求不斷提高,傳統的機械式傳動以及機械棗液力式調節方式已不能滿足公路工程機械用柴油機的要求。因此,電子控制噴油量、噴射時間的控制裝置和能夠高壓噴射的組合蓄壓式噴射裝置等已在公路工程機械用柴油機上使用。電控系統的優越性就在于它能實現多功能的自動調節,并改善柴油機的低速、低負荷時的燃料經濟性,減少故障,提高可靠性。 　　(2)陶瓷材料的應用。從70年代起,日本的小松、三菱、日野等公司競相開展對陶瓷發動機和陶瓷渦輪轉子增壓器的研究,所用材料目前多集中在氮化硅、氧化鋯等幾種,將其覆蓋在活塞頂、氣缸壁、氣缸蓋、渦輪轉子等工作表面上,可以使柴油機的熱效率達54%、油耗率降低到152g/kW·h。 　　(3)軸承新材料的開發與應用。公路工程機械用柴油機強化程度的不斷提高,使軸承的脈動負載增大,要求軸承材料有更好的抗疲勞性、承載能力和耐磨性。著名的奧地利MIBA公司研制的以鋁錫合金為基體的AlSn4.5Mg減磨層,既有高耐磨性,又有良好的熱穩定性,從而提高了高溫工作時的抗疲勞性。該公司還采用陰極真空鍍膜法在軸承工作表面鍍上AlSn20的新工藝,使軸承兼有磨合性好、耐磨性好和抗疲勞性好的優點。試驗結果表明,其可靠性和壽命均得到大幅度的提高。 2.4　提高柴油機使用性能 　　美國Cummins、Caterpillar及日本小松等公司生產的公路工程機械用柴油機的新產品,均能在-9~-12℃時不加其他措施便可順利起動;海拔3000m的高原增壓機仍可連續運轉;定期保養間隔時間超過250h;柴油機前后左右傾斜45°時能正常運轉;對柴油機進行保養、修理時,拆卸與裝配均不需要特殊工具。