机车用D180-16 型柴油机的研制

2021-11-19姜昭禹谭博文

铁道机车车辆 2021年5期

张健，姜昭禹，谭博文

（大连中车柴油机有限公司，辽宁大连 116021）

随着近年来我国铁路运输速度的不断提升，内燃机车或动车组的轴重已逐渐成为限制其发展的主要因素。作为内燃机车动力装置，发动机自身体积和质量的降低也变得愈发重要。目前，国内内燃机车动力产品均为中速机［1-3］，受轴重限制，在机车上很难实现为满足更严苛的排放标准如EPA Tier4 或欧IIIB 而加装尾气后处理装置的需求，而国际上采用大功率高速柴油机加尾气后处理装置如SCR 解决方案来满足最新排放法规的内燃机车正成为趋势，这类机车装备的都是高速柴油机，如卡特彼勒的C175 系列、Cummins 的QSK95 系列等柴油机［4］。因此，开发和研制一款体积适中、功率密度更高、节能环保的大功率高速柴油机，不仅可以满足国内铁路运输的需求，还可以打破国外公司在大功率高速柴油机市场的垄断地位。

大连中车柴油机有限公司长期从事柴油机的开发和制造，拥有240 系列、265 系列、RK 270 系列柴油机等产品，广泛应用于铁路、船舶及发电等领域。从2012 年起，历时7 年，与奥地利AVL 公司合作，设计开发了一种全新的大功率D180-16 型高速柴油机［5］。文中介绍了D180-16 型柴油机（以下简称D180 柴油机）模块化的设计概念、总体结构和主要零部件等。

1 D180 柴油机的设计理念

1.1 基本需求与挑战

现代内燃机车用发动机的基本需求如下：①紧凑的结构布置；②高功率质量比；③满足当前和未来的排放法规；④较好的经济性；⑤高可靠性设计；⑥简便的维护保养；⑦更长的大修期。

现代内燃机车的发展所面临诸多挑战。日益严苛的排放法规要求是最重要的挑战之一。显而易见，内燃机车的尾气污染物排放来自于机车的心脏—发动机。发动机的开发需要尽可能的优化机内燃烧技术，提高发动机热效率的同时，有效控制尾气污染物的排放；平衡氮氧化物和燃油消耗率的关系，采用合适的技术有效降低颗粒物和碳氢化合物的排放；采用适合的尾气后处理系统满足不同排放法规的要求；采用合理的机内排放控制技术与尾气后处理技术相结合，在满足同等可靠性的前提下，实现更低的全寿命运用成本。为了获得更高的热效率而不断提高的燃烧压力指标，对发动机及零部件的可靠性设计提出了更高的要求。在发动机的概念和技术设计阶段，投入更多的努力和费用，用于更详细的模拟计算和分析工作，可以有效降低发动机在试验验证和运用考核阶段的开发成本。显然，在设计开发阶段花费较小的代价就可以解决的问题，若放在整机试验验证阶段甚至批量制造阶段进行解决，所花费的代价要巨大得多。进气的冷却问题也是一项重要的挑战。一般来说，内燃机车的进气温度在-40 ℃～40 ℃之间。但是，2 辆或多辆内燃机车进行重联牵引时，这种情况下前置牵引机车的排气会被后置机车吸入，导致进气温度升高。特别是在隧道环境运行时，进气情况会更恶劣。

针对上述需求和挑战，D180 柴油机在概念设计阶段，首先制定了主要性能指标以及采用的主要技术如图1 所示。此外，考虑到不同排放法规的差异，预留了加装颗粒捕捉器（DPF）和柴油氧化催化装置（DOC）的方案。

图1 D180 柴油机主要性能指标及技术

1.2 设计目标

D180-16 型柴油机的性能、排放的设计目标见表1、表2。

表1 D180 柴油机性能设计目标

表2 D180 柴油机排放设计目标

1.3 热力学设计

在明确了整机性能和排放设计目标后，通过应用一维热力学分析软件进行了多轮的优化模拟计算，最终确定了如下技术路线：

为达到NOx排放和燃油消耗率的目标，需采取以下措施：

（1）强米勒循环。

（2）两级增压系统，总压比达到6 以上。

（3）灵活的喷油正时策略，满足不同排放目标要求的同时获得最佳的经济性。

（4）高压缩比。

（5）热力学计算用最高燃烧压力为230 bar。

为达到颗粒（PM）排放目标，需采取以下措施：

（1）高压共轨燃油喷射系统，最高喷射压力可以达到2 200 bar。

（2）高效的燃烧系统。

（3）最小的过量空气系数：满足欧IIIA 排放需达到1.9，满足欧IIIB 排放标准需达到1.7。

（4）降低机油消耗。

1.4 燃烧室和喷油系统设计

为达到柴油机的设计目标，需要有相适应的燃烧系统，其中对于活塞顶的燃烧室形状以及喷油器喷嘴的设计尤为重要，需要考虑以下几个方面：

（1）降低缸内喷油过度的趋势。

（2）针对不同的应用和排放等级，采用不同压缩比的能力。

（3）应用相适的活塞顶部轮廓。

（4）为保证冷却效果，避免活塞冷却腔壁面过厚。

（5）在保证活塞冷却效果的前提下，简化活塞冷却腔设计。

（6）降低缸内喷油贯穿距对于喷油正时的影响。

（7）同时兼顾颗粒和NOx的排放。

（8）同时兼顾燃油消耗率与NOx的排放平衡。

为了确定最合适的系统，将静态燃烧室和涡流型燃烧室2 种形状的活塞顶燃烧室形状进行了对比分析，见表3。

表3 柴油燃烧系统的选择

通过以上比较可以看出，前一种活塞顶形状具备更好的适用性。其对于不同用途的柴油机，以及不同的排放等级要求、喷油正时和压缩比的柴油机，都具备良好的适用性。

对于喷射系统，通过优化喷嘴的喷孔尺寸及形状，实现了所需的较小的油束发散角以及理想的喷射贯穿距。

1.5 涡轮增压系统

增压系统采用的是带有两级冷却的两级涡轮增压系统。一级冷却器位于低压压气机和高压压气机之间，二级冷却器位于高压压气机后，如图2所示。为了更好的优化内燃机车散热器的设计，两级冷却器都采用了高低温水共同冷却的结构。

图2 二级涡轮增压系统

D180 柴油机通过采用两级增压系统，保证了在采用米勒循环的前提下为发动机提供足够的空气，从而实现功率目标的要求，同时预留了在一定高海拔地区运用的裕度。

由于受到机车上空间的限制，柴油机的外形尺寸被严格要求。因此，增压器和空气冷却器被紧凑地布置在机体上方V 型夹角中间位置，在紧凑的管路布置前提下，合理优化了空气流动，并尽可能的降低安装重心，如图3 所示。

图3 两级增压系统的布置

考虑到空间布置以及瞬态响应的问题，D180柴油机没有选择大流量的增压器作为低压增压器，而是使用2 台低压增压器。通过在高低压增压器之间加装1 个高压废气旁通阀，以实现不同应用环境下对空气流量进行调节的目的。

1.6 后处理系统

在没有后处理系统的情况下，D180 柴油机已经满足欧IIIA 排放要求。但要达到欧IIIB 的排放要求，还需要加装后处理系统，进一步降低氮氧化物（NOx）的排放。因此，在性能开发试验过程中，首先采用了只加装SCR 后处理系统的方案，根据每一个运行工况所需的NOx转化率，对于SCR 的喷射率进行了全面校准，试验证明，只安装SCR 后处理系统的方案就可以满足欧IIIB 排放法规的要求。而为了应对未来更高排放要求或者特定应用的不同要求，DOC+DPF 后处理模块也可以选择加入到后处理系统中，以实现更低的污染物排放。

1.7 控制系统应用软件的开发

控制系统的应用软件是基于一款成熟可靠、模块化、可扩展的控制器硬件和底层软件基础上，利用商业软件Matlab Simulink 完成开发的。该应用软件实现了对D180 柴油机的智能化监控。该软件的开发，充分地考虑了柴油机控制所需传感器和执行器的信号传输、通信线束的设计以及与机车控制器的通信等，并采用模型在环（软件虚拟仿真）、硬件在环（半实物仿真和预标定）和发动机台架标定等比较先进的发动机软件开发理念，加速了软件开发的过程，同时缩短了发动机在台架进行性能优化标定的试验时间。

2 发动机设计

2.1 发动机的主要结构

D180 柴油机的两排气缸采用90°V 形夹角排列，两级增压器和两级冷却器的布置在V 型夹角的中间，如图4 所示，较好地平衡了柴油机宽度和高度尺寸，同时也充分考虑了气缸盖和活塞连杆组的拆装空间需求。为了提高空间利用率得到理想的布局，进气管被布置在V 形机体的两侧，单根凸轮轴安装在机体内V 形夹角的中间—主机油道的正上方。考虑到柴油机总体长度上的限制，首先对于气缸间距进行了优化，并以此为前提，在保证满足最大轴瓦承载的基础上，合理地选择了曲轴的主轴颈和连杆颈的尺寸。此外，紧凑的输出端设计，在缩短柴油机整体长度的同时，也更利于扭矩的输出。为了便于与外部辅助设备及管路的连接，将机油滤清器、离心精滤器、机油和冷却水的温控阀、PTO 轴以及所有的泵（高、低温水水泵，机油泵，高压燃油泵等）集中布置在柴油机的自由端，并且考虑到不同的应用领域，预留了第2 个高压燃油泵和海水泵的安装位置。

图4 D180 柴油机主要结构

2.2 气缸盖

气缸盖的设计采用了四气门结构，可以承受250 bar 的气缸燃烧压力。使用4 根M30 的螺柱将气缸盖固定在机体上，合理的结构刚度确保了气缸盖垫片的受力均匀分布。气缸盖的冷却采用了AVL 公司由上至下的专利设计，其设计理念是让冷却水从气缸盖的上部水腔往下流入下部水腔，提高承受高负荷的气缸盖火力面区域的冷却水流速，从而提高冷却效果，如图5 所示。通过CFD 计算优化的冷却水腔，可以确保大负荷下火力面的进气和排气阀桥区域的温度相对均衡，在阀桥等关键区域产生的较高的冷却水流速，可以确保进排气阀间的阀桥以及2 个排气阀间的阀桥的温差均不超过25 ℃，排气阀座的温度也可以保持在较低的水平。与传统的气缸盖冷却系统相比，该系统可以使排气阀间的阀桥温度降低15～20 ℃。

图5 气缸盖冷却方式

气缸盖的材质为蠕墨铸铁，通过FEA 进行结构优化，有效降低了气缸盖在气缸燃烧压力作用下的变形量，从而降低了气阀导管和阀座磨损的风险，在机械热负荷的作用下，具有良好的高周和低周疲劳寿命。

2.3 活塞连杆组

活塞为全钢结构，活塞顶和活塞裙通过高温扩散焊接连接在一起。空心结构活塞销满足刚度的同时降低了往复惯性质量。优化后的活塞冷却油腔配以1 个高效的活塞冷却喷嘴（机油喷入效率80%以上），实现了对活塞顶、燃烧室顶部圆角和第一道气环的有效冷却［3］。活塞环组件由2 道气环和1 道油环组成，2 道气环均采用经过物理气化沉积法（PVD）镀膜的渗氮钢，增强了耐磨性。活塞连杆组如图6 所示。

图6 活塞连杆组

合金钢闭合模锻成形的连杆，大端采用四螺钉斜切口结构，方便通过曲轴箱观察孔拆装连杆盖。经过优化设计的连杆小端衬套集油沟槽，可以确保小端衬套通过收集活塞和连杆大端飞溅的机油得到充分的润滑，并不需要在连杆上加工供油孔，这既降低了连杆的加工难度和成本，又提高了连杆大端轴瓦的承载面积。

2.4 配气机构

配气机构中的进排气摇臂具有很好的刚度，与凸轮及凸轮随动件一起配合，经过阀系动力学的优化设计，提供满足米勒循环所需的精确的气阀升程曲线［1］。平行式的进排气阀布局结构配合对称设计的气缸盖，确保了均衡的应力及冷却水流分布，提供了满足静态燃烧系统所需的零涡流燃烧室，如图7 所示。经过优化的配气机构也适用于将来不同机型（气体机、双燃料等）和应用的气缸盖方案变化的需求。

图7 配气机构

2.5 机体

整体铸造成形的机体采用的是球墨铸铁材质。铸造沙芯的设计充分考虑了将来的8、12 和20缸柴油机的通用性，机体自由端和输出端铸造沙芯以及机体内置的冷却水进水和回水总管沙芯都可以作为通用件，用于不同缸数的柴油机。

冷却水进水总管布置在机体外侧相对气缸套较低的位置，而回水总管布置在V 型夹角内侧相对较高的位置，这样的布置可以提高对于气缸盖和气缸套上部区域的冷却效果。同时，机体内置进回水总管，可以显著减少外部冷却水管的数量。气缸套采用顶部法兰定位方式，有利于降低气缸套的变形并进而降低机油消耗。

经过FEA 优化设计的机体，满足高气缸燃烧压力所需的结构强度和刚度的同时，较好地控制了自身质量，为实现整机质量目标奠定了基础。

2.6 齿轮传动系统

受限于机车严格的安装空间要求，柴油机的长度需要进行最小化的设计。D180 柴油机通过将驱动凸轮轴和辅助设备（如机油泵、水泵、燃油泵等）的齿轮集中布置在柴油机的自由端，实现了将所有辅助设备集中布置在柴油机自由端的箱体上，便于机车上的辅助管路的安装布置。同时这种设计方案使柴油机无需增加阀系驱动用的齿轮传动系统（通常会布置在输出端），具备更加紧凑的结构布局，如图8 所示。该齿轮传动系统具有通用性，可用于D180 系列不同缸数的柴油机。同时为了适应船舶及发电等不同应用，该齿轮传动系统具有一定的扩展能力，预留了驱动其他辅助设备（如第二高压燃油泵、海水泵）的安装位置。

图8 齿轮系

3 样机试验

D180 柴油机先后完成了内部的性能开发试验和耐久试验，累计运行近5 000 h，拆检结果表明，主要部件状态非常好，甚至轴瓦的跑合层都未见明显磨损。通过试验确认了整机性能及可靠性均达到设计目标，裸机状态下排放满足欧IIIA 排放标准，只加装SCR 后处理系统后可满足欧IIIB 排放标准，在3 280 kW 额定工况下的实测燃油消耗率小于195 g/（kW⋅h）（包含机带辅助设备）。2019 年5 月至6 月，在中铁检验认证（大连）机车检验站有限公司的主持和监督下，D180 柴油机顺利通过了型式认证试验。