摘要
摘要 小排量柴油机污染物排放控制对非道路机械满足国家油耗法规至关重要，近年来，浙江新柴股份有限公司和宁波里尔汽车技术有限公司合作开展了面向非道路国四的小排量三缸柴油机的相关研究开发。 本文详细介绍了某三缸非道路国四柴油机在燃烧系统开发、燃油系统匹配、优化冷却系统设计等措施降低排放污染物，在满足动力性需求的前提下，改善发动机排放。污染物排放主要通过台架排放试验进行评价，通过相关验证证明开发的发动机能够达成2020年12月28日发布的《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》第四阶段法规要求。 主题词 非道路国四；三缸柴油机；设计开发 前言 随着非道路排放法规的日益严格，中国政府将于2020年实行第四阶段排放法规，柴油机需满足NRTC瞬态循环排放测试要求。为满足上述法规要求，并在此基础上全新开发一款满足市场需要的25马力功率柴油发动机，浙江新柴和宁波里尔汽车技术有限公司合作开发了某三缸直喷式自然吸气柴油发动机。 本文结合浙江新柴股份有限公司3B11发动机开发项目，阐述了全新直喷满足非道路国四排放法规要求的1.1升柴油机设计开发过程。 1.3B11发动机基本参数 表1介绍了浙江新柴股份有限公司生产的3B11X40-1.1升柴油机和某国际竞品机型的参数对比 表1 发动机基本参数 项目 3B11X40-1.1L 国际竞品 发动机型式 直列3缸、水冷、 直喷式 直列3缸、水冷、涡流室 排量 (cc) 1123 ← 缸径X行程 (mm) Φ78×78.4 ← 压缩比 18:1 24:1 燃油 柴油 ← 额定功率[kW/rpm] 18.7/3000 18.5/3000 最大扭矩[Nm/rpm] 72/2200 70/2200 外特性最低燃油消耗率[g/kW.h] 235 250 排放水平 非道路国四 非道路国三 2.燃烧系统设计开发 2.1气缸盖设计 2.1.1进气道设计 进气道入口等效面积设计值1157mm²，相比同类机型提升21%。通过CFD计算优化进气道局部形状，改进局部流动的不均匀性。 由于加大进气道的入口直径并对螺旋部位进行了优化，使进气道涡流比相比同类机型提升5.1%，增强缸内混合气运动，加快燃烧速度，改善燃烧。同时进气流量系数提高了3.6%，提高进气量有利于提高发动机的动力性。 图3 进气道流量系数对比 图4 进气道涡流比对比 2.1.2排气道设计 优化排气道局部流动、加大排气门盘头直径，使排气道流量系数提高2.5%,加强排气能力，降低了残余废气增加了进气量，有利于提高发动机动力性。 图5 排气道流量系数试验结果对比 2.1.3 气缸盖水套CFD分析 利用CFD手段对发动机水套内流动进行稳态模拟分析，分析结果显示缸盖冷却液流速及换热系数满足设计要求。 图6气缸盖水套CFD分析结果对比 2.1.4 气缸盖有限元分析 结构有限元的分析结果显示缸盖温度场满足材料要求，高周疲劳强度系数满足设计要求。 图7 缸盖火力面温度场分析结果 图8 缸盖分疲劳强度析结果 2.2 活塞燃烧室设计 通过缸内的CFD分析，优化活塞形状，采用涡流燃烧室结构设计，改善缸内的气体流动和油气混合，进而提升燃烧质量。 图9 缸内流动及燃油混合示意 2.4气门升程及型线优化设计 通过热力学分析优化了进、排气门升程和相位，而阀系的运动学和动力学分析则进一步优化了凸轮型线。 图11 气门升程设计对比 3.发动机设计优化 3.1 增加缸筒壁厚改善变形 缸筒壁厚增加至5mm，改善了装配气缸盖后的缸筒变形。可以匹配低张力活塞环降低摩擦功，进而达到降低燃油耗的目的.同时也改善了活塞漏气量。 图12缸筒变形（装配缸盖状态）试验结果对比 3.2 气缸体水套优化设计 水套高度减短、宽度减窄，原机水套高度103mm改为98mm，水套宽度11mm更改为9mm，使得缸体水套内的冷却液流速比原机提高，水套入口上移，消除了入口附近的低流速区，同时改善了缸体两侧的冷却均匀性，缸体冷却能力提高，目的是快速暖机达到降低燃油耗、改善排放的效果。 3.3 气缸体水套CFD分析 3B11发动机优化后的缸体水套优化后的流动阻尼相对改进前降低了15%，这对水泵及冷却系统的改善是有利的，满足设计开发要求. 图13 缸体水套CFD分析结果对比 3.5 气缸体有限元分析 缸体的温度场和高周疲劳系数满足设计限值要求。 图14 气缸体温度场分析结果 图15 气缸体疲劳强度分析结果 3.6 轴系不平衡设计优化整机NVH 在曲轴两端的皮带轮和飞轮上分别斜置一个平衡重mj,用来完全平衡一阶往复惯性力，布置方式如下图16所示。可以有效提高轴系平衡率，提升整机NVH表现。 图16 三缸发动机不平衡设计布置方案 表2 平衡优化结果 转速3000rpm 坚直平面/峰值(Nm) 水平平面/峰值(Nm) 力矩 (Nm) 一阶往复 0 420.985 所有力矩叠加后 392.069 28.916 平衡率 - 93.13% 4. 3B11X40发动机台架试验结果 3B11X40发动机经过台架性能开发和电控标定试验，性能指标达到了设计目标。试验结果见图17、18、19 图17 3B11X40发动机外特性试验结果 图18 3B11X40发动机万有特性试验结果 表3 NRSC六工况排放结果排放试验 成份 排放量(g/km) （新鲜触媒） 排放量(g/km) （老化触媒） 非道路国Ⅳ排放限值(g/km) PM g/kWh 0.3632 0.381 0.6 CO g/kWh 1.45 1.885 5.5 NOX+HC g/kWh 5.096 5.95 7.5
出版日期
2021年08月12日（中国期刊网平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
