柴油机整机布置设计及应用研究_张志斌.pdf

年第期柴油机整机布置设计及应用研究张志斌，江晓丽，赵婧婧，（内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 ；潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 ）摘要：柴油机技术日新月异，柴油机在未来很长时间内仍大有可为，为保产品竞争力，应对柴油机整机布置设计不断优化和改进。本文论述了柴油机主要结构构成、柴油机整机布置设计原则、主要关注点，含功能性、模块化、工艺性、维修和装配方便性等；另以搅拌车市场、拖拉机市场为例，介绍了市场特点、发动机整机布置设计主要关注点，阐述了细分市场对整机布置设计应用的影响。关键词：柴油机；整机布置；细分市场中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；作者简介：张志斌（），男，工程师，工学学士。主要研究方向为内燃机应用开发。引言柴油机是社会发展过程中在动力方面重要的发明之一。从柴油机问世以来，经过多年的蓬勃发展，柴油机在节能减排技术方面不断取得突破，是商用汽车、工程机械、农业装备、船舶、军用车辆等领域的主要动力源，占据着市场的主流地位。近年来，新能源技术的高速发展给柴油机行业带来了巨大的压力，但新能源受自身技术发展限制，在未来很长一段时间仍无法实现对柴油机的全面替代。柴油机技术日新月异，如何提升柴油机产品的竞争力，保持柴油机产品结构的先进性，各院校机构、各企业从未停止研究，下面主要对柴油机整机布置设计及其应用进行了探讨。柴油机概述 柴油机的四个冲程图柴油机以柴油为燃料，将柴油燃烧的热能转化为机械能，四冲程柴油机工作循环如图所示，由进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程组成一个工作循环。柴油机的结构组成各种类型柴油机的构造及其布置各有差异，但是总的来说大致相同。主要包括以下主要结构：二大机构（曲柄连杆机构、配气机构）、四大系统（燃油系统、冷却系统、润滑系统、起动系统、进排气系统），加上机体组、缸盖组、各种附件，就组成了通常意义上的柴油机。整机布置设计的概念和基本思路柴油机结构具备着系统的属性，对环境表现出整体性。柴油机各系统有机的匹配整合，所具备的功能大于组成它的各子系统功能纯粹的、简单的总和。整机布置设计在英文的意思是“”，有布置和规划的含义，工作贯穿整个柴油机开发过程，包括前期策划（参与）、概念布置详细设计、试制试验、验证后的改进设计、后的改进设计等。在柴油机产品开发设计过程中，一般根据柴油机总体设计目标，明确各种要求的主次关系，统一协调，形成柴油机设计方案的总体设计。总体设计是柴油机设计中极其重要的设计环节，不仅贯穿整个设计过程，而且需要为各系统、各总成零部件设计构建框架。整机布置设计质量的高低对柴油机产品的设计质量、使用性能、先进性和产品生命力起着决定性的作用。由于整机布置设计的牵涉面广，设计中涉及的变数多，因此开发新平台产品不DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.023内燃机与配件 仅对设计师的实际经验和专业水平要求较高而且还要具有较高的基础理论水平，在开发过程中还要熟练运用某些先进技术和手段来辅助综合决策，优选参数和优化设计。柴油机整机布置设计的基本思路，首先需要从使用要求、技术先进性和生产合理性要求出发，正确选择性能指标、主要结构尺寸参数，完成总体方案设计，为各系统设计提供依据和设计要求。其次需要对各系统进行合理概念设计和运动校核，协调好整机与各系统之间的匹配关系，配合完成布置设计，使整机的结构、性能达到设计要求。整机布置设计原则柴油机企业通常按发动机排量对机型进行了平台划分，柴油机平台产品开发分为基本型产品开发、变型产品开发。整机布置设计应基于市场需求，对整车作业特点、使用工况和环境进行分析，并结合迭代产品历史故障、竞品对标分析，确定设计思路和要求。依据整车结构确定发动机在底盘上的定位基准；依据动力舱长度和水箱散热器、整车变速箱和传动桥位置，确定发动机包括冷却风扇在内的发动机自由端到输出端长度；依据整车两侧边界确定发动机及其附件宽度限值，确定发动机总体宽度；依据动力舱和离地间隙要求，确定发动机总体高度。整车布置设计应满足功能性、模块化设计理念、工业设计理念、装配及维修便利性、法规符合性等。功能性柴油机整机布置设计应以实现各系统功能为基础，提升发动机整体性能指标为追求。燃料高效燃烧、动力有效传输，满足排放、动力性、经济型、热平衡、等指标。首先依据整车结构确定发动机在底盘上的定位基准；依据动力舱长度和水箱散热器、整车变速箱和传动桥位置，确定发动机包括冷却风扇在内的发动机自由端到输出端长度；依据整车两侧边界确定发动机及其附件宽度限值，确定发动机总体宽度；依据动力舱和离地间隙要求，确定发动机总体高度。其次，各系统概念方案设计要识别整车作业特点、工况和环境对发动机系统的要求，方案着眼于满足整机性能和整车接口要求。模块化设计柴油机产品整机布置设计开发，应注重适配性提升，即模块化设计。模块化设计是以扩大销售和降低成本得以同时实现为目的，用有限的状态满足各车型、各主机厂的应用配套需求，见图。模块化的产品结构对企业产品研发、提高效率、降低成本和改进企业管理等方面贡献极大。图 工业设计产品的实用性、美和环境是工业设计研究的主要内容。工业设计强调技术和艺术的结合，它是现代科学技术与现代文化艺术融合的产物。工业设计不仅研究产品的形态美学问题，而且研究产品的实用性能和产品所引起的环境效应，使它们得到协调和统一，更好的发挥其效用。柴油机整机布置设计应结合工业设计理念同步进行。管线、支架、壳体类零部件，冷却、燃油润滑、进排气系统等协同设计开发，提升工业设计水平。工业设计理念的落地，最终体现在较少的零部件数量、较低的开发成本、更好的人机交互、更好的视觉享受。装配及维修便利性柴油机整机布置设计时应关注产品装配便利性，节省生产节拍，关注维修便利性，以便高效的进行售后服务。好的产品设计，均注重装配和维修便利性，以便减少客户抱怨，同时赢得口碑。针对细分市场的整机布置设计柴油机应用场景广泛，涵盖商用汽车、工程机械、农业装备、船舶、军用车辆等领域。不同的细分市场，柴油机运行环境、工况特点存在较大差异。柴油机整机布置设计应基于细分市场，开发可靠性高、动力强劲、经济性好、性能优异的产品。下面以搅拌车、拖拉机为例，阐述不同细分市场下整机布置设计特点。搅拌车市场整机布置设计特点搅拌车基础为载货车底盘，基于此加装混凝土搅拌装置，见图，搅拌装置通过发动机齿轮室获取动力。开发指标关注度：可靠性动力性经济性，个人车辆关注经济性。图 动力输出装置图 年第期关注后取力位置，受整车底盘布置限制，部分车辆离合器助力缸布置于变速箱右上侧，为便于连接上装液压泵，后取力位置常规要求正 点钟方向。后取力油封应具备防尘结构。发动机后取力装置示意，见图。冷却系统推荐整车厂风扇为高置风扇，避免过水坑时因风扇高度低将泥浆搅到发动机前端或散热器上，影响前端转动附件可靠性及整车热平衡。蒸发孔布置应避免泥浆进入，因搅拌车进出工地需要过水坑清洗，由于泥浆会沿着蒸发孔进入水封和轴承的间隙，随着水封渗漏的水进入轴承内部导致卡死。运动件增加后取力后，齿轮强度、油膜厚度、中间齿轮连接可靠性需重新评估。对于中间齿轮轴负荷较大的可在衬套上增加泄油槽，降低衬套温度。电器件、配附件电控单元高置，最低不能低于曲轴中心。和线束接插件至少满足 要求。起动机至少满足 要求。发电机至少满足 要求，轴承与滑环室需要有外部密封防护。惰轮、涨紧轮应增加防尘盖，提高防尘能力，如图。图 拖拉机市场整机布置设计特点拖拉机是用于牵引和驱动各种配套机具，完成农业田间作业、运输作业和固定作业等的主要动力机械。按结构分类：无架式拖拉机、半架式拖拉机。无架式拖拉机发动机和传动系各壳体用螺栓连接起来充当车架的作用，国内拖拉机大都为无架式，为提高发动机可靠性，大拖一般会增加辅梁，见图。开发指标关注度：可靠性经济性动力性维护保养成本购买成本。图 润滑系统风扇建议使用换向风扇，要求作业过程中能反向吹风，将散热器上的秸秆、碎屑等吹走。油底壳为铸铁材料，要起到大梁作用，强度高。图 进排气系统增压器要内收、高置设计，靠近发动机。通常增压器前的排气歧管较长。导致模态和热机耦合的效果较差，需重点关注对排气歧管的优化设计。高温部件布置设计时需考虑防火以及安全性要求，包裹隔热材料，以防止引起火灾或烫伤。电器及配附件起动机和发电机接线柱处加防护套，防止起火；旋转部件处加防护罩，避免农作物缠绕。电器件含线束应避免布置在油泵、油管下方，防止起火。整机布置至少两个液压泵，用于转向提升。结束语柴油机整机布置设计在产品开发中是极其重要的环节，起着关键作用。整机布置设计涉及的范围和内容很广，本文以柴油机开发过程中需重点关注的原则和事项为阐述对象，进行了论述。在柴油机整机布置开发设计中，需以满足功能性、模块化设计理念、工业设计理念、维修和装配便利性等为原则，同时应结合细分市场特点进行适应性设计开发，分析开发指标关注度，制定指标优先等级，以满足特定场景和工况需求。通过对整车作业特点、使用工况、作业环境和整车结构进行分析，明确整机布置设计要求的充分性，同时通过历史故障、竞品对标分析，确定整机设计参数和要求的适宜性和合理性。参考文献：蔡宇内燃机的原理以及柴油机运行分析中国石油和化工标准质量 ，（）：刘玉新新一代重型卡车的总体布置设计方法研究 吉林省：吉林大学，三木拓，市川一尋，村上茂樹，等 五十铃小型商用车用柴油机的开发汽车与新动力 ，（）：沙迪，赵强，汪继斌，等关于搅拌车底盘适应开发的技术探讨 重型汽车 ，（）：祁亚卓我国拖拉机动力结构变化趋势分析农机科技推广 ，（）：