公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái),隨著電子、激光和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用,公路工程機(jī)械用柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)與性能等諸方面也有了新的發(fā)展。

1　公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的特點(diǎn)
1.1　柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)型式
　　公路工程機(jī)械幾乎是100%的利用柴油機(jī)為其動(dòng)力裝置,其中水冷四沖程型占絕大多數(shù),只有少數(shù)的公路工程機(jī)械,如振動(dòng)壓路機(jī)采用風(fēng)冷或二沖程柴油機(jī)。盡管風(fēng)冷式柴油機(jī)具有對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性強(qiáng)、適合缺水地區(qū)使用等優(yōu)點(diǎn);二沖程柴油機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn);但比較起來(lái),水冷四沖程柴油機(jī)的冷卻效果好、使用可靠、工藝性好等優(yōu)點(diǎn),使其在公路工程機(jī)械應(yīng)用中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。從燃燒室結(jié)構(gòu)形式來(lái)看,柴油機(jī)常用的燃燒室有五六種之多。由于直接噴射式燃燒室具有形狀簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱面積小、熱效率高、燃料經(jīng)濟(jì)性好、起動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn),因此它已成為公路工程機(jī)械用柴油機(jī)燃燒室的主要形式。特別是小缸徑、小功率的柴油機(jī)更是如此。
1.2 柴油機(jī)的功率與功率儲(chǔ)備
　　公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的功率范圍在不斷擴(kuò)大,目前的功率范圍是11~600kW。其中應(yīng)用較多的集中在45~300kW之間。考慮到公路工程機(jī)械的工作條件復(fù)雜、惡劣、負(fù)荷變化大,因此裝用的柴油機(jī)的額定功率均有適當(dāng)?shù)墓β蕛?chǔ)備,通常為10%左右。
1.3 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速與適應(yīng)性系數(shù)
　　鑒于公路工程機(jī)械作業(yè)時(shí)的工作阻力大、運(yùn)行速度低的特點(diǎn),宜采用扭矩大、轉(zhuǎn)速低的柴油機(jī)。目前公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般在 1500~2000 r/min,適應(yīng)性系數(shù)為1.30~1.70之間。
1.4 柴油機(jī)的扭矩與儲(chǔ)備系數(shù)
　　鑒于上述原因,目前常用的公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的扭矩較大,就常用的功率范圍而言,其扭矩值為294~2940N·m,其扭矩儲(chǔ)備系數(shù)為1.15~1.25,少數(shù)的為1.30。
1.5 柴油機(jī)的可靠性與耐久性
　　公路工程機(jī)械都是在野外作業(yè),使用條件十分惡劣,作業(yè)對(duì)象常是堅(jiān)硬的土石方,作業(yè)環(huán)境多半是塵土飛揚(yáng),氣溫變化大,機(jī)械的維護(hù)條件差等。因此,對(duì)公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的可靠性和耐久性提出了嚴(yán)格的要求。目前各生產(chǎn)廠家通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),精心選擇合理的結(jié)構(gòu)與零件的材質(zhì);采用新工藝提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量與裝配質(zhì)量;通過(guò)可靠性試驗(yàn)等手段,使柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷留有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)備,耐久性指標(biāo)達(dá)到10000h,個(gè)別的可達(dá)20000~25000h。
1.6 對(duì)使用條件的適應(yīng)性
　　就地理區(qū)域來(lái)說(shuō),公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的使用范圍廣,海拔位置相差5000m,氣溫相差80℃,沿海與高原、沙漠的濕度相差很大。針對(duì)如此多變的公路工程機(jī)械作業(yè)環(huán)境,各生產(chǎn)廠家在柴油機(jī)上采用了進(jìn)氣系統(tǒng)與燃燒室預(yù)熱裝置、冷卻液加熱與恒溫調(diào)節(jié)器、冬季用蓄電池、廢氣渦輪增壓等措施,提高公路工程機(jī)械用柴油機(jī)對(duì)使用條件的適應(yīng)性。

2 國(guó)外公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
2.1 老產(chǎn)品不斷改進(jìn),新產(chǎn)品大量涌現(xiàn)
　　近些年來(lái),國(guó)外公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的生產(chǎn)廠家在采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu),改進(jìn)老產(chǎn)品方面做了大量工作,如英國(guó)潑金斯(Perkins)公司對(duì)3.152型柴油機(jī)進(jìn)行改造,提高了功率,降低了油耗和排放;德國(guó)道依茨(Doutz)公司將F3L913型風(fēng)冷柴油機(jī)改為直噴式和風(fēng)扇自動(dòng)調(diào)速,使油耗降低20%;美國(guó)康明斯(Cummins)公司采用兩級(jí)渦輪增壓,將NTTA型柴油機(jī)的功率由原來(lái)的294kW提高到331 kW;美國(guó)卡特匹勒(Caterpillar)公司將3306型柴油機(jī)改為直噴式,使油耗降低了8%左右。隨后又采用自動(dòng)噴油定時(shí)、改進(jìn)增壓匹配,使油耗進(jìn)一步降低。日本三菱公司將渦流室式的SE系列柴油機(jī)改為直噴式,使扭矩增加了12%、功率提高了12.5%。為滿足公路工程機(jī)械作業(yè)特點(diǎn)及技術(shù)性能不斷提高的要求,國(guó)外公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的主要生產(chǎn)廠家不斷推出柴油機(jī)的新產(chǎn)品。例如,美國(guó)Caterpillar公司了排量分別為35.4L、51.8L、69.0L(功率分別為588kW、883kW、1177kW)的3500系列柴油機(jī);美國(guó)的Cummins公司在生產(chǎn)B系列柴油機(jī)的基礎(chǔ)上,生產(chǎn)了C系列柴油機(jī)。該系列為直列六缸水冷四沖程直噴非增壓、增壓和增壓中冷機(jī)型,功率從116~172kW;日本小松公司近些年來(lái)相繼投產(chǎn)了125系列、140系列、170系列柴油機(jī)。
　　新產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是:采用直噴式燃燒室,增壓或中冷增壓,擴(kuò)大功率范圍,燃料的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性指標(biāo)(升功率、比質(zhì)量等)達(dá)到新的水平。
2.2 實(shí)現(xiàn)“兩低一高”目標(biāo)
　　“兩低一高”——低油耗、低排放和高可靠性已是當(dāng)今公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的研制目標(biāo)。新設(shè)計(jì)的額定功率的燃油消耗率低于204g/kW·h的柴油機(jī)有美國(guó)Cummins公司的L-10型柴油機(jī)、瑞典斯堪尼亞公司的DS1-14型柴油機(jī),低于197g/kW·h的有日本小松公司的SA6D125-1和SA6D140-1型柴油機(jī)。對(duì)如何降低老產(chǎn)品的油耗也予以同樣的重視,如美國(guó)Cummins公司對(duì)其生產(chǎn)的3306DITA型柴油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造,使油耗由原來(lái)的217.5g/kW·h降低到208g/kW·h,日本三菱公司將S4F-T型柴油機(jī)的耗油率從244.7g/kW·h降低到217.5g/kW·h。在噪聲、排放和煙度方面,各生產(chǎn)廠家不僅滿足了現(xiàn)行法規(guī)的要求,還考慮到今后的發(fā)展。如美國(guó)Cummins公司生產(chǎn)的B系列增壓型柴油機(jī)噪聲低于96dB(A),LT10-250C型柴油機(jī)的煙度為0.3波許單位。日本小松公司的6D125系列柴油機(jī)額定功率的煙度為0.5波許單位,噪聲為98.8~100dB(A),排放達(dá)到了NO X+HC<13.6g/kW·h。各生產(chǎn)廠家通過(guò)科學(xué)試驗(yàn),努力提高公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的可靠性和耐久性。如美國(guó)Cutterpillar公司在3500系列柴油機(jī)時(shí)進(jìn)行了20000h的使用試驗(yàn)。日本小松公司在研制125系列柴油機(jī)時(shí),在對(duì)其零件進(jìn)行臺(tái)架強(qiáng)化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,用30臺(tái)柴油機(jī)進(jìn)行了25000h的裝機(jī)使用試驗(yàn)。日本三菱公司在改造SE系列柴油機(jī)時(shí)進(jìn)行了超速超負(fù)荷試驗(yàn)、循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)耐久試驗(yàn)、功率輸出循環(huán)試驗(yàn)。美國(guó)Cummins公司在B系列柴油機(jī)時(shí),進(jìn)行了累計(jì)時(shí)間為87000h的零件疲勞試驗(yàn)、整機(jī)強(qiáng)化試驗(yàn)、整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、整機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)等。
2.3 新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)與應(yīng)用
　　(1)采用電控系統(tǒng)。隨著對(duì)公路工程機(jī)械的施工質(zhì)量與生產(chǎn)率的要求不斷提高,傳統(tǒng)的機(jī)械式傳動(dòng)以及機(jī)械棗液力式調(diào)節(jié)方式已不能滿足公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的要求。因此,電子控制噴油量、噴射時(shí)間的控制裝置和能夠高壓噴射的組合蓄壓式噴射裝置等已在公路工程機(jī)械用柴油機(jī)上使用。電控系統(tǒng)的優(yōu)越性就在于它能實(shí)現(xiàn)多功能的自動(dòng)調(diào)節(jié),并改善柴油機(jī)的低速、低負(fù)荷時(shí)的燃料經(jīng)濟(jì)性,減少故障,提高可靠性。
　　(2)陶瓷材料的應(yīng)用。從70年代起,日本的小松、三菱、日野等公司競(jìng)相開(kāi)展對(duì)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)和陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子增壓器的研究,所用材料目前多集中在氮化硅、氧化鋯等幾種,將其覆蓋在活塞頂、氣缸壁、氣缸蓋、渦輪轉(zhuǎn)子等工作表面上,可以使柴油機(jī)的熱效率達(dá)54%、油耗率降低到152g/kW·h。
　　(3)軸承新材料的與應(yīng)用。公路工程機(jī)械用柴油機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高,使軸承的脈動(dòng)負(fù)載增大,要求軸承材料有更好的抗疲勞性、承載能力和耐磨性。著名的奧地利MIBA公司研制的以鋁錫合金為基體的AlSn4.5Mg減磨層,既有高耐磨性,又有良好的熱穩(wěn)定性,從而提高了高溫工作時(shí)的抗疲勞性。該公司還采用陰極真空鍍膜法在軸承工作表面鍍上AlSn20的新工藝,使軸承兼有磨合性好、耐磨性好和抗疲勞性好的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,其可靠性和壽命均得到大幅度的提高。
2.4　提高柴油機(jī)使用性能
　　美國(guó)Cummins、Caterpillar及日本小松等公司生產(chǎn)的公路工程機(jī)械用柴油機(jī)的新產(chǎn)品,均能在-9~-12℃時(shí)不加其他措施便可順利起動(dòng);海拔3000m的高原增壓機(jī)仍可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn);定期保養(yǎng)間隔時(shí)間超過(guò)250h;柴油機(jī)前后左斜45°時(shí)能正常運(yùn)轉(zhuǎn);對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)、修理時(shí),拆卸與裝配均不需要特殊工具。

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