1、卡特匹勒 3500B 系列柴油机的开发1 概述卡特匹勒 3500B 系列柴油机的开发四方制造厂产品开发部译文杨兴清校对张胜利1980 年年中,卡特匹勒公司就已开始生产3500 系列柴油机.1989 年,为了保持 3500 系列柴油机家族在日现繁荣的重载柴油机技术方面的前沿地位,卡特匹勒公司推出了一项意义深远的提升 3500 系列柴油机多个系统的计划.这个计划的思想就是将 3500 系列柴油机发展成为低排放,低油耗,高可靠性方面的领先产品,同时,提高其额定输出功率.1995 年 7 月,这些改进开始投入生产,这就是 3500B 系列柴油机,代表了自 1985 年以来整个 3500 系列的第一次重
2、大产品改进.这些改进包括:更高的喷射压力,电子燃油喷射,强化的缸内燃烧,改进的空气系统管理以及柴油机电子保护和监控.本文将概述重要的设计改进,以及为了满足降低燃油消耗率,增加功率输出,无烟运行和更低排放目标而需要进行的开发计划.本文还将阐述该系列柴油机如何既能通过电子编程优化低 NOx(氮氧化合物)排放和无烟运行,或以低燃油消耗,无烟运行.文章还将回顾其他一些改善可靠性和可维护性方面的改进事项.2 背景卡特匹勒公司于 1980 年开始生产直接喷射,涡轮增压,单缸功率为 74.6kW(100hp)的 3500 系列柴油机.这种缸径为 170mm,冲程为 190mm 的系列柴油机家族由 V8,V1
3、2 和 V16 三种气缸配置的机型组成.1985 年,曾进行了一些重要的设计改进,提高功率输出 25,降低油耗 5,这是 3500 系列柴油机第一次现代化工作的一部分.以后还有过其他一些较小规模的改进项目,但其每一项改进均局限于一个狭窄的技术目标或特殊用途.3500B 系列柴油机升级换代项目是自 1985 年以来第一个整机现代化项目.到 1995 为止,已制造了 30,000 余台柴油机,用于发电,工业建设和矿山机械,船舶牵引,船舶辅机及机车动力.3 改进目标3500B 系列柴油机升级换代计划共有四个主要目标:1)改进的燃烧系统2)增加比功率输出3)改进瞬载接受能力4)开发一种电子柴油机控制平
4、台第一个目标是改善燃烧系统以降低 NOx 和颗粒(无烟 )排放 .然后,这种燃烧能力用来优化两种性能,即:或在低 NOx 排放下运行,或在最低燃油消耗率(BSFC)下运行 .更明确地说,是要发展一种柴油机,这种柴油机在具有与现机型相同的燃油消耗率的情况下,具有低于 5.0gm/bhphr 的 NOx 排放水平,或者,只通过改变软件设置,使燃油耗降低 1O.第二个目标是根据不同用途增加柴油机功率输出 52O(见表 1).第三个目标是改善用于发电动力时的负载接受能力和瞬态响应能力.最后一个目标是要开发一种电子柴油机系统控制平台,这一系统控制平台应能提供对柴油机的精确控制,并具有在不同运转条件下进3
5、3行性能优化的弹性.这四个性能目标必须得到满足,与此同时,要验证柴油机改进了的可靠性,耐久性和可维修性.表 1 典型的标定功率增加情况增加用途 35123512B()固定发电机组动力一 5OHz1020ekW/1500rpm1200ekW17.61250 备用发电机组动力一 6OHz1500ekW20ekW/1800rpm船舶一 D 类标定功率 1750bhp/1800rpm21oObhp/l880rpm20船舶一 A 类标定功率 128Obhp/l600rpm1500bhp/l600rpm17.243500B 柴油机的方案随着各柴油机制造厂商致力于开发更清洁燃烧发动机和降低 NOx 与颗粒排
6、放,大家越来越深刻地认识到,任何低排放发动机项目必须包括向燃烧室更快的供油能力,较迟的喷油正时这一基本原则.考虑到燃空混合所造成的着火延迟,更快的喷油速率必须允许在活塞仍处在膨胀冲程有效范围内时有足够的时间进行充分燃烧.在膨胀冲程的后期,燃烧温度较低,此时,较快的燃油喷射以及迅速的放热率允许进行完全清洁的燃烧,可产生较少的 NOx.因此,清洁燃烧要求在压缩冲程后期时的快速喷油,高的燃烧室涡流和高的燃烧放热率.通过提前喷油正时,燃烧系统的这些改进措施也能用于改善燃油消耗率(BSFC).5 主要改进自生产第一台柴油机时起,3500 柴油机就装用了由机械凸轮驱动的泵喷嘴装置.虽然这一系统直到现在还代
7、表着柴油机燃油喷射能力和良好性能的技术发展水平,但其原有喷油速率和喷油压力不能满足低排放环境的要求.为了达到3500B 项目所确定的目标,有必要对柴油机下述主要系统和部件进行改进.5.1 凸轮轴为适应喷油凸轮升程型面更陡的需要,凸轮轴主轴承直径由 85.9mm 加大到了 91.9mm.为改善凸轮轴扭转刚度,使单体式泵喷嘴供油时的34扭振振幅最小,凸轮基圆以及非加工部分的直径增大到了其最大可能的尺寸.图 1 说明了 3500B系列柴油机喷油凸轮轮廓与 3500 系列柴油机喷油凸轮轮廓的比较情况.图 2 说明了为适应更大更陡的凸轮轴所带来的更高的负荷,柴油机机体所做的改进设计情况.TDCfirin
8、g图 1 凸轮轴比较5.2 气阀机构气阀机构的目标是要实现更高的喷油速率,更高的喷油压力并加大气阀升程(从 15.5mm 加大到了 18.5ram).在喷油凸轮宽度增加的同时,气阀凸轮的宽度予以减小,这样,所有凸轮和挺柱的接触应力更趋均衡.为适应更高的机构载荷,所有的挺柱都采用了大直径滚轮,压力润滑,桶形滚轮轴结构.摇臂和挺柱间的几何关系也进行了改进,使推杆和挺柱的中心线保持在同一直线上.为使其更靠近挺柱的滚轮,加长了推杆的长度(图 3).所有的这些改进,改善了推杆和挺柱间力的传递,在使传动机构效率更高的同时,使挺柱所受的侧向力最小.图 2 机体的改进气缸盖凸轮轴3500 气阀机构 3500B
9、 气阀机构图 3 气阀机构的比较为确保喷油和气阀开启负荷增大后的抗疲劳安全系数能令人满意,气阀机构的所有零件都进行了三维有限元分析(FEA).分析揭示了排气摇臂确实存在一处设计缺陷.借助于三维有限元模型,这一缺陷很容易地得到了修正.为提供足够的刚度和承载能力,对摇臂轴径和摇臂轴安装螺栓也进行了改进设计(图 4).对铸铝的摇臂轴箱进行了重新设计,摇臂轴的把紧处采用了套铸钢管支撑结构.摇臂轴箱上还为泵喷嘴的电气接头和推杆辅助弹簧提供了安装把紧位置.由于气阀机构零部件的重量增加了,为保证气阀机构在超速情况下平稳运转,需要安装泵喷嘴辅助弹簧.图 4 摇臂轴箱设计进气阀和排气阀升程曲线(图 5)是根据柴
10、油机和凸轮轴动态仿真分析,气缸盖吹风试验以及活塞与气阀间几何关系分析定出的.为获取所需35.83350oB跚】I_f:,3,0o.进 I:-:_.1l:,?j 一1I.I_jjjl:_35o.B活塞j:.曲轴转角(度)图 5 气阀升程曲线比较要的超转速能力,气阀落座速度,气阀弹簧稳定性以及柴油机性能目标,在多缸机的开发中,使机构在四个工作循环中象“一整块钢铁 “一样不发生脱开.工作循环象“一整块钢铁 “一样不发生脱开,对于防止超速时因气阀弹簧颤震而不能使气阀保持准确运动轨迹是必要的.5.3 燃油系统由卡特匹勒公司自行设计制造的泵喷嘴的开35.20)气伐升程发目标是将喷油压力从 125Mpa 提
11、高到 152Mpa,同时,缩短喷油持续期.更高的喷油压力为液体状态的燃油在喷射时的雾化提供更大的能量,促进油气的更好混合.通过提高几何燃油喷油率和减少泵喷嘴内的压力损失达到了这个目标.为了使喷油的开始和结束干脆利落,进行了提高出油阀开闭压力的相关改进,强化燃烧过程(表 2).表 2 泵喷嘴性能比较特性 35003500B喷油持续期(曲轴转角,度)4232喷射压力(Mpa)l25l52出油阀开启压力(Mpa)24.831.7出油阀关闭压力(Mpa)l6.523.4燃油从泵喷嘴柱塞处到喷嘴端部油囊处的内部油道的流动过程中产生很大的压降(图 6).运用计算流体力学模型和液力瞬态仿真技术优化了燃350
12、0图 6 泵喷嘴的比较油流道的设计.模型计算与仿真结果与实际情况十分接近.为提高开启压力,对出油伐机构进行了改进,针伐导管远离气缸盖火力面 19mm.这样就减少了表面阻力,降低了出油伐温度.这些改进不仅可消除燃气上窜,还改善了燃油喷射和雾化特性.5.4 活塞36为实现预期的柴油机性能及排放目标,人们认识到有必要对燃烧室进行改进.3500B 燃油喷射系统所提供的增加了的能量允许采用能发挥深型燃烧室形状优点的活塞设计(图 7).深型燃烧室,结合提高第一道活塞环的位置,减小活塞与缸套间的间隙,改善了缸内挤压特性,提高了缸内空气涡流,强化了油气混合.除了这种深盆形设计,人们认识到还需将压缩比为 13:
13、1 的电子束焊接铝活塞改变为更高压缩比,铰接式的活塞设计.锻钢铰接式活塞顶和铸铝(Fe/A)活塞裙组合式活塞使得更高的顶环位置(比原来高了 12mm)成为可能.这种活塞还改善了结构上承受 15.2Mpa 持续工况气缸压力的能力.锻铝活塞浅盆形燃烧室钢顶铝裙铰揍式活塞深盆形燃烧室图 7 活塞的比较早期从单缸机上获得的性能参数确定了改进燃烧室几何形状及减小活塞与气缸盖间间隙的方向.为优化燃烧性能,根据试验结果,选择了 14:1的压缩比,盆形燃烧室盆口直径与缸径的比值为72%.最初的原型活塞是运用 2 维有限元分析法设计的,但由于产生了疲劳裂纹,这种活塞没有能够通过液压脉动验证试验.另外,因为活塞顶
14、环环槽温度过高引起结碳,在柴油机超负荷试验时也发生了顶环擦伤现象.为更好的理解活塞结构上的不均匀性和活塞上的温度分布,创出了详细的 3 维有限元分析模型.活塞结构安全系数和活塞销套的负荷由解析法和经验法两种方式确定,以保证模型的相关性.除结构上的改进外.顶道气环背面油道几何尺寸的改进使顶环环槽温度降低了 50.C(图 8).设计上的这些改进使活塞成功的完成了所有的结构确认试验,机油消耗确认试验和活塞环抗擦伤确认试验.336298260图 8 二维活塞温度图深盆形钢顶铝裙组合式结构设计使得新活塞比原活塞重,因此需进行机体弯曲挠度和柴油机平衡分析.所做的分析指出,原机体足够承受少量增加的机体弯曲挠
15、度,但需对 3508B 的曲轴平衡重和平衡齿轮进行微小的修改.对连杆也进行了分析,并对在承受高惯性负载下的情况进行了再验证.4.5 独立循环中冷水系统为使柴油机 Nox 排放达到很好的水平,只要运用条件允许,均采用独立循环中冷水系统.独立循环中冷水系统可降低增压空气的温度,从而降低燃烧温度,使 Nox 排放最低.更高的空气密度也提高了空燃比.这些好处对柴油机无烟运用状态下的低 Nox 排放非常重要.本文后面将提到,当独立循环中冷水系统进水温度为 30时,3500B 的燃烧系统能使柴油机达到非常低的 Nox排放和低的燃油消耗率.在不能使用较低温度的冷却水时,中冷系统则使用柴油机高温系统冷却水(JWAC),此时 ,Nox 排放水平将稍稍变差.4.6 进,排气系统进气系统重新设计的目标集中在减小系统阻力,增加空气流量,改善瞬态响应上.对可维修性也给予了关注.每对增压器设计有一个单独的出气管,该出气管使增压空气在进中冷器芯前均匀扩散分配.
