浅议工程机械柴油机的技术发展趋势

【摘 要】文章简要分析了工程机械柴油机结构及材料技术特点，从先进控制技术、进气流改善控制技术、冷却控制技术等方面阐述了工程机械柴油机的技术发展方向，仅供参考。

【关健词】工程机械；柴油机；控制技术；发展趋势

柴油发动机是工程机械的基本动力装置，其性能优劣直接影响整机性能的发挥。现代柴油机技术以卡特、小松等国外公司产品为代表，对其技术发展进行分析综述，有利于推动我国柴油机技术的进一步发展。

1 结构及材料技术特点

（1）汽缸体采用紧凑设计，灰铸铁整体式结构；增加壁厚和筋板，提高汽缸体结构强度；增加重型轴承座壁板刚度与强度，并获得较大的压缩比；

（2）汽缸盖采用新型错流（cross-f low）设计技术，并在每个气缸上面设计四个进排气口；改进进排气口几何形状，使其具有光滑的过度表面和较小的气流阻力；进排气阀经硬化处理，阀座使用硬质合金钢；采用可更换气门镶座与气门导管设计，并设计高质量钢制层压汽缸垫；

（3）湿式汽缸套具有中部支承结构，便于拆卸维修；应用两步珩磨工艺加工深槽以减少油液泄漏；

（4）单体式活塞（Monotherm）裙部与活塞销座及活塞顶部形成一体，这种设计具有极高的结构稳定性。这种活塞的优点在于：将活塞裙部与销座连成一体，使承载面积增大，进而可以承受较大的气缸爆发压力，最高负荷压力可达250×105 Pa ；由于活塞销无需再支撑活塞裙，因此活塞可以做得更短，例如，在条件有利的情况下，可以实现压缩高度仅为气缸直径的一半，结果使结构更加紧凑；具有强热稳定性的钢制活塞裙部减少了摩擦；配缸间隙的减小促成了更佳的活塞导向作用；极佳的导向性能，尤其在活塞环区域，使得产品油耗和窜气量达到最低水准；Monotherm 活塞结构具有大刚度及长寿命；由于减少了零件数量使装配更加简化；活塞采用磷酸盐喷涂的销膛替代衬套；优化形式的短销结构使其在重量上可以与铝制活塞相媲美。这种活塞适用重型柴油机，图1 是具有Monotherm 活塞的Cat C27 型柴油机横剖面图；

（5）分体式活塞结构设计由上下两部分铰接而成。活塞上部结构由锻钢制成，较铝材具有更高的强度，活塞环位置设置更加灵活；活塞下部是绝热铝制活塞裙部。

（6）铸铁嵌入式铝制活塞结构提高了活塞耐高压性和坚固性；

（7）锻钢曲轴提高了强度和寿命，其特点是具有感应硬化处理轴颈和圆角，材料为热处理渗碳钢，具有极好的耐久性；曲轴轴承具有铜防护层；

（8）两个单程顶置凸轮由发动机飞轮端齿轮传动装置驱动。在飞轮端设置凸轮传动装置大大降低了噪声和振动。为了减小磨损，在凸轮轴前面安装了两个摆式减震器。这两个特点提高了发动机寿命和坚固性；

（9）在气缸中安装电热塞有利于寒冷天气条件下的启动，采用嵌入式温度开关保证了可靠性；

（10）采用高效长冲程设计使燃油燃烧更加充分，效率更高。大排量低转速（34.5l/1750rpm）设计延长了大修周期，降低了使用成本；

（11）涡轮增压器采用钛合金叶轮设计，能够更好的抵抗高速运转所产生的应力和磨损；

（12）发动机安装采用橡胶支承，以减小发动机振动向机架和驾驶室的传播，降低操作人员的振动、噪声水平和疲劳。

2 先进控制技术

2.1 供油系统控制技术

ACERT ™ 控制技术是卡特设计的柴油机系列革新技术，该技术通过先进的电子控制，精确的供油量和进气量控制，使发动机获得最佳的性能、较低的排放、高可靠性和较长的寿命。ACERT 的核心概念是“先进燃烧系统”，其核心模块是ADEM 控制器。ADEM 控制器系列是一种先进柴油发动机控制系统，其中包含发动机控制软件，是发动机的大脑部分。控制器从发动机内置传感器获取数据信息，并对临界参数进行调节，以保持最佳的发动机输出性能。这种控制调节同样对燃油经济性进行优化，并且满足排放要求。系统所有传感器均为远距离安装，并与主控模块相连接。这一系统可对发动机供油量、空气量和其它功能进行同时控制调节。

控制器对嵌入式液压驱动电控喷油器（HEUI）进行控制并在发动机压缩行程实施多重微爆流喷射。液压驱动电控喷油系统是卡特的独有技术。HEUI 已进行精细化设计，与传统的一次性喷射不同，在多重喷射条件下，燃油以众多可控微爆流的形式进入燃烧室，实现了燃烧过程的精确调节，并获得最佳的燃烧形成过程。对HEUI 的改进设计进一步改善了燃烧和供油过程。由此所获得的附加好处是同时改善了发动机噪声和振动控制水平。与机械式供油系统相比较，HEUI 具有较少的运动零件，几乎无需调整，因此可靠性高，维护成本低，适应性强；高喷射压力不受发动机转速影响，降低了排烟和排放，改善了喷油响应速度。

此外，HEUI 供油系统无需外部高压燃油管路，可提供有效、精确和准时的供油。每个喷油器单元可独立进行维护而无需拆卸整个供油系统。

以ADEM A4 型控制器为例，其特点在于能够对发动机进行最先进的32 位电子控制，具有更快的处理速度和更大的存储量；控制器有多种供油方式，以便优化喷油燃烧过程，获得更好的发动机性能和效率；控制调节供油装置以获得单位油耗的最佳性能；具有灵活的供油方式，从而使发动机对各种变化负荷工况需求能够做出快速响应；随时跟踪发动机与整机的工况条件，保持发动机在最高效率工况下运转。

此外，ADEM 系统还具有海拔高度自动减额补偿功能；可对空滤器工况进行指示监控；当油压力未达到规定值前将会阻止发动机启动，起到了冷启动保护和预作用，避免了曲轴轴承因不当所产生的磨损。

2.2 自动功率控制系统

图2 是发动机自动功率控制（APC）系统框图。该系统可自动选择发动机的最佳输出扭矩和供油量，使之与作业类型或当前作业工况相匹配，从而保证发动机功率始终保持在最佳输出状态。具有这种控制系统的发动机广泛适用于挖掘机等现代工程机械。此外，恒定的净功率输出控制功能保证了操作人员的高效率快速操作性能，允许其随时选用冷却风扇等具有寄生载荷性质的辅助装置。发动机可通过自动调节维持功率输出，相反，当负荷需求减小时则会自动降低功率输出。这种转换在低温气候条件下可节省燃油。

1.发动机 2. APC控制阀 3.液压泵 4. APC与加速器备用开关

5.压力传感器 6.A P C控制器 7.加速器应急电路

8.A P C应急电路 9.加速器调节刻度盘 10.电子控制单元（ECU）

11.综合监视器 12.操纵杆 13.大功率开关 14.快速加速开关

图2 APC系统框图

小松WA450 装载机用柴油机设置了两种发动机功率控制模式，即常态工作模式与动力工作模式。操作人员通过简单的旋转工作模式转换开关（图3）即可转换工作模式，从而使发动机性能与装载机作业工况相匹配。常态模式对大多数常态负荷工况提供最高燃油效率；动力模式对坚硬材料铲掘工况或爬坡工况提供最大功率输出。

3 进气流改善控制技术

进气状况的改善主要从涡轮增压冷却和空滤器结构以及进气道改进等方面进行。

3.1 利用ATAAC（空对空后冷却）系统可获得更低的颗粒物、氮氧化物排放和噪声水平

ATAAC 是一种分离式冷却系统，系统引导来自涡轮增压器的热压缩空气，并通过单程空对空铝制换热器对其进行冷却，然后将被冷却的压缩空气送入进气管。由于冷却压缩空气的进入，大大减少了废气排放，满足了环保标准对发动机的排放要求。

3.2 涡轮增压器与后冷却器（二次冷却器）的良好匹配提高了发动机功率

废气涡轮增压器使更多的空气进入气缸，而空对空二次冷却器使涡轮增压器的压缩气流进一步冷却，结果增加了进气密度。由于进气量的增加提高了发动机功率，改善了燃烧过程，减少了发动机排放。通过涡轮增压器精巧的废气门设计还可对增压压力进行精确控制。

3.3 统一的冷却装置和进气流的显著改善

在卡特系列发动机中，发动机冷却器、液压油和传动系油液冷却器与二次冷却器形成统一的冷却装置单元。二次冷却除保持较低的进气温度外同时伴随燃烧室组件的紧密配合、最大的燃烧效率和最少的排放。进气流的显著改善来自于水冷式涡轮增压器、独特的横流（错流）式汽缸盖和单程顶置凸轮设计。此外，二次冷却技术还可减小热应力，避免活塞、活塞环和汽缸套的早期磨损。

3.4 卡特干式径向密封空滤器具有主、次级过滤元件和粗滤装置（图4）

在此空滤器中设计有所谓预过滤装置。预过滤装置由进排气流驱动的二级涡轮机构完成，其原理为：进气流由叶轮推动形成旋转气流，气流中杂物沿外壁分层，然后被排出进入外界空气；剩余的污物集结后由二级清理系统清除，最后经预清洁的气流再次进入发动机空滤器进行进一步过滤。由于空气经过精密过滤降低了发动机磨损和污染。

4 冷却控制技术

4.1 先进模块化冷却系统（AMOCS）

该系统采用独特的双程平行水流（图5），大大增加了冷却面积，提高了冷却效率。其特点如下：

（1）采用双程纵向冷却水流方式，保证了高效的热交换。冷却液由发动机流入底部集水箱的风扇侧，向上流经各个散热子模块的风扇侧，然后越过顶部向下流经散热子模块的发动机一侧，再流入底部集水箱的发动机一侧，之后流回发动机。这种改进的流动模式使冷却液两次流经散热器从而提高了散热效率；

（2）散热器由独立的模块化散热元件组成，并与分段式底部油箱连接，省去了顶部水箱。标准散热片分布为每英寸9 片，也可选择6 片（适用垃圾场作业机械）；

（3）在散热模块元件中设置有铜管道结构以提高可靠性。为了防止冷却液的泄漏，使铜管与大而厚的盖板焊接在一起，以增加焊接强度；

（4）散热模块元件可独立拆装，维修时只需拆卸故障模块而无需拆卸整个散热器，大大方便了水箱维护工作；

（5）散热器模块水箱与独立的二次冷却回路相连接，可获得低温进气流，结果提高了进气密度，改善了发动机排放；

（6）为了延长散热器使用寿命采用喷砂处理工艺。此外，分离式冷却系统通过防护罩使系统和冷却风扇与发动机部件相隔离，从而保证散热器通过侧面和顶部通风管吸入外部周围空气，这一空气温度比发动机部件周围空气温度低得多。此项技术提高了发动机系统效率，减小了散热器尺寸，允许发动机后罩呈斜面形状，增加了驾驶后部视野。由于提高了冷却效率而降低了风扇转速，结果减小了系统噪声。

4.2 变转速冷却风扇

电控变速风扇通过传感器监控发动机冷却液温度、变速箱油温、液压系统油温和进气管温度，依据所测各种数据将风扇转速控制在所需要的数值以保持正常的系统温度。风扇转速的电子控制改善了燃油效率，降低了系统噪声，减少了散热器堵塞。

液压驱动冷却风扇可根据预先设定的时间间隔自动进行反向旋转，以便清除散热器和传动部件中的泥土杂物。风扇由发动机电控模块控制，驾驶员可随时进行反转清理操作。

5 结语

柴油发动机由于其较高的压缩比、较低的油耗和有害物排放等基本优势，获得了快速的发展，并在工程机械和重型运输车辆中占据着主导地位。综上分析，柴油发动机的基本技术发展方向为高效电控供油系统，进气系统控制与改进，冷却系统控制与完善，发动机系统状态监控，本体结构及材料改进等方面。此外，发动机性能与底盘及工作装置工作特性间的动态匹配技术也是重要的发展方向。