公路工程机械用柴油机的特点及发展趋势
1 公路工程机械用柴油机的特点
1.1 柴油机的结构型式
公路工程机械几乎是100%的利用柴油机为其动力装置,其中水冷四冲程型占绝大多数,只有少数的公路工程机械,如振动压路机采用风冷或二冲程柴油机。尽管风冷式柴油机具有对环境温度的适应性强、适合缺水地区使用等优点;二冲程柴油机具有运转平稳、结构简单、维修简便等优点;但比较起来,水冷四冲程柴油机的冷却效果好、使用可靠、工艺性好等优点,使其在公路工程机械应用中占绝对优势。从燃烧室结构形式来看,柴油机常用的燃烧室有五六种之多。由于直接喷射式燃烧室具有形状简单、结构紧凑、散热面积小、热效率高、燃料经济性好、起动容易等优点,因此它已成为公路工程机械用柴油机燃烧室的主要形式。特别是小缸径、小功率的柴油机更是如此。
1.2 柴油机的功率与功率储备
公路工程机械用柴油机的功率范围在不断扩大,目前的功率范围是11~600kW。其中应用较多的集中在45~300kW之间。考虑到公路工程机械的工作条件复杂、恶劣、负荷变化大,因此装用的柴油机的额定功率均有适当的功率储备,通常为10%左右。
1.3 柴油机的转速与适应性系数
鉴于公路工程机械作业时的工作阻力大、运行速度低的特点,宜采用扭矩大、转速低的柴油机。目前公路工程机械用柴油机的额定转速一般在 1500~2000 r/min,适应性系数为1.30~1.70之间。
1.4 柴油机的扭矩与储备系数
鉴于上述原因,目前常用的公路工程机械用柴油机的扭矩较大,就常用的功率范围而言,其扭矩值为294~2940N·m,其扭矩储备系数为1.15~1.25,少数的为1.30。
1.5 柴油机的可靠性与耐久性
公路工程机械都是在野外作业,使用条件十分恶劣,作业对象常是坚硬的土石方,作业环境多半是尘土飞扬,气温变化大,机械的维护条件差等。因此,对公路工程机械用柴油机的可靠性和耐久性提出了严格的要求。目前各生产厂家通过优化设计,精心选择合理的结构与零件的材质;采用新工艺提高产品的加工质量与装配质量;通过可靠性试验等手段,使柴油机的机械负荷与热负荷留有适当的储备,耐久性指标达到10000h,个别的可达20000~25000h。
1.6 对使用条件的适应性
就地理区域来说,公路工程机械用柴油机的使用范围广,海拔位置相差5000m,气温相差80℃,沿海与高原、沙漠的湿度相差很大。针对如此多变的公路工程机械作业环境,各生产厂家在柴油机上采用了进气系统与燃烧室预热装置、冷却液加热与恒温调节器、冬季用蓄电池、废气涡轮增压等措施,提高公路工程机械用柴油机对使用条件的适应性。
2 国外公路工程机械用柴油机的发展趋势
2.1 老产品不断改进,新产品大量涌现
近些年来,国外公路工程机械用柴油机的生产厂家在采用新技术、新结构,改进老产品方面做了大量工作,如英国泼金斯(Perkins)公司对3.152型柴油机进行改造,提高了功率,降低了油耗和排放;德国道依茨(Doutz)公司将F3L913型风冷柴油机改为直喷式和风扇自动调速,使油耗降低20%;美国康明斯(Cummins)公司采用两级涡轮增压,将NTTA型柴油机的功率由原来的294kW提高到331 kW;美国卡特匹勒(Caterpillar)公司将3306型柴油机改为直喷式,使油耗降低了8%左右。随后又采用自动喷油定时、改进增压匹配,使油耗进一步降低。日本三菱公司将涡流室式的SE系列柴油机改为直喷式,使扭矩增加了12%、功率提高了12.5%。为满足公路工程机械作业特点及技术性能不断提高的要求,国外公路工程机械用柴油机的主要生产厂家不断推出柴油机的新产品。例如,美国Caterpillar公司开发了排量分别为35.4L、51.8L、69.0L(功率分别为588kW、883kW、1177kW)的3500系列柴油机;美国的Cummins公司在生产B系列柴油机的基础上,生产了C系列柴油机。该系列为直列六缸水冷四冲程直喷非增压、增压和增压中冷机型,功率从116~172kW;日本小松公司近些年来相继投产了125系列、140系列、170系列柴油机。
新产品的主要特点是:采用直喷式燃烧室,增压或中冷增压,扩大功率范围,燃料的经济性、动力性指标(升功率、比质量等)达到新的水平。
2.2 实现“两低一高”目标
“两低一高”——低油耗、低排放和高可靠性已是当今公路工程机械用柴油机的研制目标。新设计的额定功率的燃油消耗率低于204g/kW·h的柴油机有美国Cummins公司的L-10型柴油机、瑞典斯堪尼亚公司的DS1-14型柴油机,低于197g/kW·h的有日本小松公司的SA6D125-1和SA6D140-1型柴油机。对如何降低老产品的油耗也予以同样的重视,如美国Cummins公司对其生产的3306DITA型柴油机进行技术改造,使油耗由原来的217.5g/kW·h降低到208g/kW·h,日本三菱公司将S4F-T型柴油机的耗油率从244.7g/kW·h降低到217.5g/kW·h。在噪声、排放和烟度方面,各生产厂家不仅满足了现行法规的要求,还考虑到今后的发展。如美国Cummins公司生产的B系列增压型柴油机噪声低于96dB(A),LT10-250C型柴油机的烟度为0.3波许单位。日本小松公司的6D125系列柴油机额定功率的烟度为0.5波许单位,噪声为98.8~100dB(A),排放达到了NO X+HC<13.6g/kW·h。各生产厂家通过科学试验,努力提高公路工程机械用柴油机的可靠性和耐久性。如美国Cutterpillar公司在开发3500系列柴油机时进行了20000h的使用试验。日本小松公司在研制125系列柴油机时,在对其零部件进行台架强化试验的基础上,用30台柴油机进行了25000h的装机使用试验。日本三菱公司在改造SE系列柴油机时进行了超速超负荷试验、循环运转耐久试验、功率输出循环试验。美国Cummins公司在开发B系列柴油机时,进行了累计时间为87000h的零件疲劳试验、整机强化试验、整机振动试验、整机台架耐久试验等。
2.3 新技术、新材料、新结构开发与应用
(1)采用电控系统。随着对公路工程机械的施工质量与生产率的要求不断提高,传统的机械式传动以及机械棗液力式调节方式已不能满足公路工程机械用柴油机的要求。因此,电子控制喷油量、喷射时间的控制装置和能够高压喷射的组合蓄压式喷射装置等已在公路工程机械用柴油机上使用。电控系统的优越性就在于它能实现多功能的自动调节,并改善柴油机的低速、低负荷时的燃料经济性,减少故障,提高可靠性。
(2)陶瓷材料的应用。从70年代起,日本的小松、三菱、日野等公司竞相开展对陶瓷发动机和陶瓷涡轮转子增压器的研究,所用材料目前多集中在氮化硅、氧化锆等几种,将其覆盖在活塞顶、气缸壁、气缸盖、涡轮转子等工作表面上,可以使柴油机的热效率达54%、油耗率降低到152g/kW·h。
(3)轴承新材料的开发与应用。公路工程机械用柴油机强化程度的不断提高,使轴承的脉动负载增大,要求轴承材料有更好的抗疲劳性、承载能力和耐磨性。著名的奥地利MIBA公司研制的以铝锡合金为基体的AlSn4.5Mg减磨层,既有高耐磨性,又有良好的热稳定性,从而提高了高温工作时的抗疲劳性。该公司还采用阴极真空镀膜法在轴承工作表面镀上AlSn20的新工艺,使轴承兼有磨合性好、耐磨性好和抗疲劳性好的优点。试验结果表明,其可靠性和寿命均得到大幅度的提高。
2.4 提高柴油机使用性能
美国Cummins、Caterpillar及日本小松等公司生产的公路工程机械用柴油机的新产品,均能在-9~-12℃时不加其他措施便可顺利起动;海拔3000m的高原增压机仍可连续运转;定期保养间隔时间超过250h;柴油机前后左右倾斜45°时能正常运转;对柴油机进行保养、修理时,拆卸与装配均不需要特殊工具。
