一种非道路用四缸柴油发动机的制作方法

本实用新型涉及内燃机技术领域，尤其是涉及一种非道路用四缸柴油发动机。

背景技术：

随着我国逐渐重视控制非道路机械的废气排放和提高动力性和燃油经济性，非道路GB20891第三阶段排放法规开始于2015年10月1日起实施，国内非道路机械行业缺少技术先进、升功率和升扭矩大、比质量小、噪声低、燃油经济性优良、能满足Tier3以及更严格排放法规的新一代非道路机械用柴油发动机。因此，需要提供一种技术先进的新一代非道路机械用柴油发动机。

技术实现要素：

本实用新型克服了现有技术中的缺点，提供了一种技术先进、升功率和升扭矩大、比质量小、噪声低、燃油经济性优良的非道路用四缸柴油发动机。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种非道路用四缸柴油发动机，包括发动机主体、高压共轨系统、增压中冷系统、配气系统以及电控单元；所述发动机主体包括气缸体和气缸盖；气缸体上部有直喷燃烧室和电热塞；气缸体内设置喷油器和燃烧室；所述发动机主体采用正时驱动；活塞内置冷却油道；曲轴由高强度球墨铸铁制成，其上设置有八块平衡块；所述高压共轨系统包括高压油泵和共轨管，高压油泵通过高压油管与共轨管连接，共轨管通过高压油管分别与发动机主体上的四个喷油器连接，高压油泵上有进油计量阀，喷油器为磁电喷油器；所述进油计量阀、共轨管、磁电喷油器分别与电控单元连接。

优选的是，所述增压中冷系统包括增压器、中冷器、进气接管和进气总管，增压器为废气涡轮增压器，其涡轮机与排气管连接，其压气机出气口与增压器出气管连接，增压器出气管与中冷器连接，中冷器与进气接管连接，进气接管与进气总管连接。

优选的是，所述配气系统为四气门双顶置凸轮轴系统，包括安装在气缸盖上的进气凸轮轴和排气凸轮轴，以及与进气凸轮轴和排气凸轮轴连接的滚子摇臂；进气凸轮轴和排气凸轮轴驱动滚子摇臂并带动安装在气缸盖上的气门运动。

优选的是，所述正时驱动采用直齿正时皮带传动，通过自动张紧器张紧正时皮带。

优选的是，所述发动机主体的缸径为92 mm、冲程为105 mm。

优选的是，所述气缸体采用无缸套结构的整体式气缸体，气缸盖采用铝合金材料制成。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

本实用新型的非道路用四缸柴油发动机将电控高压共轨技术与机内净化相结合，优化了柴油发动机的燃烧和排放控制。电控高压共轨技术的原理是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，先由高压油泵持续不断地将燃油输送到共轨管储存起来，通过电控单元来控制共轨管内的轨压，并且借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的启闭，精确控制喷油器的喷油量和喷油正时，从而提高了柴油机的动力性、经济性和排放性能。因为喷射压力的大小与发动机转速没有直接关联，所有可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度，而且高压油泵本身不需要提供较大的输油压力，只是持续供油给共轨管，由共轨管来蓄压，故高压油泵的可靠性较好。另外，通过优化活塞、活塞环降低机油消耗率，进一步降低了PM2.5排放；采用增压，一方面有效提升了柴油机的动力性和经济性，同时也导致增压后的进气温度升高使得氮氧化合物排放量也增加，因此采用中冷器可降低进入进气总管的进气温度，从而有效降低氮氧化合物排放，并且还进一步提升了柴油机的动力性和经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中发动机主体的剖视图。

图3为本实用新型中发动机主体另一放向的剖视图。

图4为本实用新型中发动机主体的主视图。

图5为图4的右视图。

图6为图4的左视图。

图7为图4的后视图。

图8为本实用新型中凸轮轴传动的结构示意图。

图9为本实用新型中正时传动和齿轮室内部齿轮的结构示意图。

图中：1气缸体，2增压器进油管，3增压器回油管，4增压器，5排气管，6气缸盖，7滚子摇臂，8排气凸轮轴，9喷油器，10进气凸轮轴，11共轨管，12进气总管，13进气接管，14机油滤清器，15起动机，16活塞，17连杆部件，18曲轴，19机油泵吸油管，20水泵，21水泵进水管，22发电机，23水泵出水管，24液压泵，25高压油泵，26中冷器，27增压器出气管，28电控单元，29进气凸轮轴驱动齿轮，30排气凸轮轴齿轮，31液压挺柱，32曲轴齿轮，33惰齿轮，34高压油泵齿轮，35直齿轮，36正时皮带，37进气凸轮轴直齿轮，38自动张紧器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

非道路机械是指用于非道路上的机械，即：（1）自驱动或具有双重功能( 既能自驱动又能进行其它功能操作) 的机械；（2）不能自驱动，但被设计成能够从一个地方移动或被移动到另一个地方的机械。例如：工业钻探设备；工程机械（包括装载机、推土机、压路机、沥青摊铺机、非公路用卡车、挖掘机等）；农业机械（包括拖拉机、联合收割机等）；林业机械；材料装卸机械；叉车；雪犁装备；机场地勤设备，等等。

图1-9所示的非道路用四缸柴油发动机，包括发动机主体、高压共轨系统、增压中冷系统、配气系统以及电控单元28；所述发动机主体包括气缸体1和气缸盖6；气缸体1上部有直喷燃烧室和电热塞；气缸体1内设置喷油器9和燃烧室；所述发动机主体采用正时驱动；活塞内置冷却油道；曲轴由高强度球墨铸铁制成，其上设置有八块平衡块；所述高压共轨系统包括高压油泵25和共轨管11，高压油泵25通过高压油管与共轨管11连接，共轨管11通过高压油管分别与发动机主体上的四个喷油器9连接，高压油泵25上有进油计量阀，喷油器9为磁电喷油器；所述进油计量阀、共轨管11、磁电喷油器9分别与电控单元28连接。

电控单元（Electronic Control Unit）和普通的单片机一样，由微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成；电控单元对各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，比如，通过控制高压油泵上的进油计量阀来调节高压油泵的油压，向磁电喷油器提供磁电信号来精确控制喷油量和喷油正时，并通过水温传感器实时监控水温状况，若水温过高影响发动机的可靠性，电控单元就会发出指令减小喷油量来降低输出功率和扭矩来保护发动机，若水温很低会导致冷起动困难，此时电控单元会延长预热时间来提高起动性能，另外通过凸轮相位传感器和转速传感器采集到的相位情况来判断各缸处于何种工作状态，从而协调和控制整个柴油发动机的正常工作。

其中，所述增压中冷系统包括增压器4、中冷器26、进气接管13和进气总管12，增压器4为废气涡轮增压器，其涡轮机与排气管5连接，其压气机出气口与增压器出气管27连接，增压器出气管27与中冷器26连接，中冷器26与进气接管13连接，进气接管13与进气总管12连接。废气涡轮增压器利用柴油机从排气管5排出的高温废气，驱动涡轮机中的涡轮旋转，涡轮轴带动压气机中的叶轮高速离心旋转来压缩空气，提高发动机的进气密度到 2.5～3个大气压，并经中冷器26冷却过热的压缩空气，从而使更多的空气量进入到气缸中，此时就可以控制喷入更多的燃油，因而增大了发动机的功率。

其中，所述配气系统为四气门双顶置凸轮轴系统，包括安装在气缸盖6上的进气凸轮轴10和排气凸轮轴8，以及与进气凸轮轴10和排气凸轮轴8连接的滚子摇臂7；进气凸轮轴10和排气凸轮轴8驱动滚子摇臂7并带动安装在气缸盖6上的气门运动。具体为滚子摇臂7通过其上的滚轮与进气凸轮轴10和排气凸轮轴8连接，滚子摇臂7一边与液压挺柱31连接、一边与气门连接，进气凸轮轴10驱动滚子摇臂7并带动安装在气缸盖上的进气门运动，排气凸轮轴8驱动滚子摇臂7并带动安装在气缸盖上的排气门运动。发动机每缸有4个气门共16个气门，这种设计方案能增大进气量、减少泵气损失，其充气效率比传统的单缸2气门的机构要大得多，四气门布置形式是一个中央喷嘴周围有两个进气门和两个排气门，喷油器9布置在气缸中央垂直位置，因此喷油器喷出的各个油束是等长的且流量均匀，活塞燃烧室居中布置在活塞顶部，喷油器喷出的燃油会均匀地进入燃烧室，进气道是采用每缸一个螺旋进气道和一个切向进气道的组合，能形成较低的涡流比和较高的流量系数，使吸入的空气在ω形的活塞燃烧室内形成涡流，保证燃油与空气能充分混合，燃烧更充分，从而既提高了动力性又减少了尾气排放。另外，顶置式凸轮轴是安装在气缸盖上部位置，凸轮轴下方为滚子摇臂7，滚子摇臂7直接与进排气门接触，与传统的挺杆式气门机构相比，因为省略了气门挺杆，简化了凸轮轴到气门之间的传动机构，使发动机的传动更紧凑，传动效率更高，驱动力更小，因而能有效减小摩擦功和降低燃油耗，而且因为采用了液压挺柱31和低摩擦力的滚子摇臂7，所以既无须调节气门间隙又能有效降低传动噪声。

其中，所述正时驱动采用直齿正时皮带36传动，通过自动张紧器38张紧正时皮带。齿轮室内设有作为主动齿轮的曲轴齿轮32，通过惰齿轮33传动高压油泵齿轮34，由高压油泵齿轮34带动前端的直齿轮35，再由直齿轮35带动直齿正时皮带36并驱动进气凸轮轴直齿轮37。因为采用皮带作为正时传动，所以传动噪声很低。

其中，所述发动机主体的缸径为92 mm、冲程为105 mm。较长的冲程使发动机在中低速的动力性能更优越。活塞16中置ω型的缩口燃烧室，有利于形成进气涡流和压缩涡流，使喷油器9喷出的燃油雾化效果更好；活塞16裙部喷涂石墨，大大提高了耐蚀性和初期磨合性能；活塞16压缩高度为56.9 mm，总高为82.9 mm；活塞16内置冷却油道，通过冷却喷嘴喷入机油能有效降低燃烧产生的热负荷，而且一环槽镶嵌铸铁耐磨圈，提高了导热性能和可靠性；采用薄型活塞环并优化结构和工艺性能，活塞第一气环槽的轴向宽度为2 mm、径向间隙为1.5 mm，第二气环槽的轴向宽度为1.5 mm、径向间隙为1.5 mm，油环槽的轴向宽度为3 mm、径向间隙为1.7 mm，通过优化与活塞配合的侧隙和背隙，优化活塞型线和配缸间隙以进一步降低机油消耗率达到≤0.1 g/kw.h的先进水平；活塞销与活塞销孔和连杆小头衬套孔的配合采用全浮式，使磨损更均匀。连杆部件17采用先进工艺加工方式的涨断式连杆，定位精准，能减小摩擦力并提高可靠性，连杆大头孔径为63 mm，连杆小头孔径为37 mm，连杆大小头孔中心距为155.5 mm。曲轴18材料为高强度球墨铸铁，其轴颈采用圆角滚压工艺，使可靠性更高；曲轴为全支承结构，有效减轻了主轴承载荷，磨损较小；曲轴18的主轴径为70 mm，连杆轴径为59 mm，曲轴18带有八块平衡块，使运转更平稳，能有效减小轴瓦的磨损和降低整机噪声。

其中，所述气缸体1采用无缸套结构的整体式气缸体1，气缸盖6采用铝合金材料制成；气缸体1采用合金铸铁，干式无缸套结构，龙门式结构，裙部为曲面，刚度和强度都很好，能满足1800 bar较高爆发压力的使用要求，气缸为直线排列，缸径为92 mm，缸心距为109 mm，气缸体1总高为327.5 mm；气缸体1和气缸盖6等关键零部件采用有限元分析，保证了强度，又采用轻量化设计的理念，比如气缸盖6采用铝合金材料，质量较轻，大大降低了整机质量；气缸盖6上的进气道是采用每缸一个螺旋进气道和一个切向进气道的组合，能形成较低的涡流比和较高的流量系数。

本实用新型的非道路用四缸柴油发动机将电控高压共轨技术与机内净化相结合，并优化了柴油发动机的燃烧和排放控制。电控高压共轨技术的原理是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，先由高压油泵持续不断地将燃油输送到共轨管储存起来，通过电控单元来控制共轨管内的轨压，并且借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的启闭，精确控制喷油器的喷油量和喷油正时，从而提高了柴油机的动力性、经济性和排放性能。而且，本实用新型的非道路用四缸柴油发动机采用了技术先进的中置喷油器9、四气门双顶置凸轮轴和滚子摇臂7及液压挺柱31的配气系统，以及优化的螺旋和切向进气道相组合的进气道。四气门双顶置凸轮轴配气系统保证了高效的充气效率，滚子摇臂和液压挺柱有效降低了传动噪声和进一步减小了摩擦功，螺旋和切向进气道的优化组合获得高效的流量系数，中置喷油器喷出的燃油更均匀，因此燃油和空气的混合、雾化效果更理想，燃烧更充分。另外，通过优化活塞、活塞环的结构和工艺，通过优化侧隙和背隙，优化活塞型线和配缸间隙以进一步降低机油消耗率达到≤0.1 g/kw.h的先进水平，从而进一步降低了PM2.5排放。此外，采用高效的废气涡轮增压器，在提升了动力性和经济性的同时，也提高了进气温度使得氮氧化合物排放增加，因此采用中冷器降低进气温度，从而有效降低了氮氧化合物排放和进一步提升了经济性能，而且因为中冷后增加了进气量，故又进一步提升了柴油机的动力性。本实用新型的非道路用四缸柴油发动机通过优化燃烧和排放控制标定，最终获得了最优的动力性、经济性和排放性能。

针对发动机的排放性能，发动机功率范围在75 kw～130 kw的非道路移动机械用柴油机Tier3 排放标准限值是：碳氢和氮氧化物（HC+NOx）为4.0 g/kw.h；一氧化碳（CO）为5.0 g/kw.h；微粒（PM）为0.3 g/kw.h；发动机功率范围在37 kw～75 kw的非道路移动机械用柴油机Tier3 排放标准限值是：碳氢和氮氧化物（HC+NOx）为4.7 g/kw.h；一氧化碳（CO）为5.0 g/kw.h；微粒（PM）为0.4 g/kw.h。本实用新型的非道路用柴油发动机的排放满足Tier3排放标准并具有Tier4排放限值的潜力。对于额定净功率为81 kw/2600 r/min（额定功率为85 kw /2600 r/min）的源机而言，本实用新型的非道路用柴油发动机的污染物排放量实测为HC+NOx=3.42 g/kw.h，CO= 0.997 g/kw.h，PM =0.177 g/kw.h。对于额定净功率为74.8 kw/2600 r/min（额定功率为78 kw/2600 r/min）的源机而言，本实用新型的非道路用柴油发动机的污染物排放量实测为HC+NOx=3.34 g/kw.h，CO= 0.97 g/kw.h，PM =0.17 g/kw.h。因此，本实用新型的总体排放水平满足非道路移动机械用柴油机Tier3排放标准，其中有部分排放指标如CO和HC+NOx的排放已经达到了Tier4排放标准。

总之，本实用新型的非道路用四缸柴油发动机通过采用上述先进技术，其排放满足Tier3排放标准并具有Tier4排放限值的潜力，升功率和升扭矩大、比质量小、噪声低、燃油经济性优良，升功率达到30.44 kw/L，升扭矩达到150.43 N.m/L，比质量为2.93 kg/kw，噪声为99.8 dB(A)、外特性最低燃油消耗率为199 g/kw.h。因此本实用新型的非道路用四缸柴油发动机是新一代匹配非道路机械的理想配套动力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。