1、 年第 期热力学单缸机典型结构及在大缸径发动机开发中的应用李勋，张培杰，（内燃机可靠性国家重点试验室，山东 潍坊 ；潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 ）摘要：在大缸径发动机研发中，热力学单缸机越来越多的应用于开发过程中，起到很好的节约成本和减少开发时间的作用，本文从主要国内外单缸机结构出发，介绍单缸机各个系统典型的布置结构。同时本文介绍了热力学单缸机在大缸径发动机研发中的应用。关键词：单缸试验机；结构布置；单缸机试验应用中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；作者简介：李勋（），男，潍柴动力股份有限公司中级工程师。引言大缸径四冲程多缸发动机主要应用于船用主机、船用发电、陆用发
2、电、工业动力、大型矿车以及特种用途等，在发动机开发过程中，多缸发动机（如 缸）样件试制数量将是单缸机倍数增加、发动机装配及台架试验周期等工作比单缸发动机周期倍数级增加，以及在试验过程中燃油、机油、冷却液等、传感器等耗材的增加，导致了开发成本的倍数级增加。单缸机作为一种开发工具，在发动机的关键系统开发中（动力单元的开发）及仿真边界条件开发中，越来越是一种比较快速、经济适用的手段，同时，由于单缸机不同于多缸机的增压器、燃油系统驱动、水泵，单缸机的空气系统、燃油系统、冷却系统均是台架设备柔性供给，因此系统开发具有较高的柔性，可以进行各种边界条件的试验和验证。在单缸机的应用中，国外较突出的具备产品级单
3、缸机系统搭建的公司主要有德国的 、奥地利的 和英国的 ，本文将从结构和应用出发，介绍典型单缸机。热力学单缸机典型结构布置简介单缸机作为发动机开发平台和工具，有热力学单缸机和光学单缸机，光学单缸机一般是用光学仪器对发动机的燃烧过程进行高速拍摄，进而分析燃烧情况，一般爆压在 以内，而研究开发用热力学单缸机则进行高强化设计，最大满足 的爆压。本文以某一 缸径平台单缸机结构和实际应用为例，对单缸机典型结构进行介绍和说明。如图所示，单缸机可以主要分为三部分，上部主要有气缸盖及气门结构、进气和排气歧管，此部分的零部件一般是和单缸机对应的多缸机一样，是主机厂开发的目标产品的一部分。中间部分包含缸套外壳、气缸
4、套、凸轮轴等，缸套外壳主要是适配气缸套、凸轮轴，并提供合适的冷却润滑通道。图典型单缸机布置其中凸轮轴一般布置在缸套外壳中（同时也是上机体），不同于多缸机的是结构进行重新设计，适配单缸的机体，同时将进气凸轮和排气凸轮设计为单独可更换的零部件，方便进行不同型线方案的性能试验对比。气缸套的结构一般和多缸机一致，可以在单缸机进行相关耐久和测温试验，替代一部分的多缸机试验。单缸机下部主要布置有和多缸机一致的活塞、连杆及专门设计的单缸机专用曲轴、质量平衡系统，其中质量平衡系统布置在机体最下部，用来平衡活塞连杆一阶和二阶往复惯性力和旋转力。对于单缸系统的不平衡性起到重要作用。一般的，单缸机的飞轮设计为比较大
5、的结构，增大轴DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.040内燃机与配件 图单缸机剖视图系惯性，进一步减小不平衡性。对于单缸机一般不配置机油泵、水泵、增压器，燃油泵也不是由发动机轴系直接驱动，而是由外置电机驱动，机油由台架机油温控系统供给，并配合单缸机上安装的机油各油路分配单元，将机油输送到各个摩擦副；冷却水由台架水温控系统供给，直接输送到动力单元冷却水腔；高压燃油由外置电机驱动燃油泵产生，通过共轨管输送到喷油器。单缸机平台变缸径设计开发用热力学单缸机可以通过变换不同缸径、行程的方式，开发不同平台的单缸机动力单元，从而开发对应的多缸机平台，这对于大缸径发动机
6、开发将具有非常省时省力节省成本的作用。对于单缸机变缸径设计，图所示比较简洁的说明了对于某一 平台单缸机变更缸径平台设计的方法。红色部分为需新设计的零部件，主要包含）缸套外壳（上机体）连接到缸盖的稳压罐及管路 ）质量平衡系统平衡重 ）凸轮轴轴系 ）曲轴系 ）飞 轮、刹 车 及 盘 车 附 件 图变缸径需全新设计的零部件以下以 缸径单缸机平台设计开发矩阵为例，见表，介绍新设计其他缸径的单缸机平台需要新设计零部件明细矩阵。表中代表单缸机基础零部件，代表变缸径设计需新设计的关键零部件。表 单缸机平台变缸径设计零部件动力单元（缸径）质量平衡块曲轴刹车、盘车连接轴附件飞轮缸套外壳凸轮轴连接缸盖稳压罐及管路
7、 单缸机关键零部件及系统设计 单缸机曲轴设计单缸机曲轴一般为机体上挡轴承设计，可以实现较好的曲轴支撑，见图，也有设计为挡轴承的同时在单缸机外部增加中间支撑的设计，见图。图单缸机曲轴图单缸机曲轴（轴承支撑）（轴承支撑）外部中间支撑在曲轴的静态有限元分析中，将计算的安全系数设定在 以上（见图）。图单缸机曲轴设计安全系数在 以上 单缸机凸轮轴设计单缸机凸轮轴一般可以根据开发需求将进气凸轮和图单缸机凸轮轴排气凸轮设计为独 立 零 部件，并在进气凸轮和排气凸轮上设计角度刻线，见图，便于手动调节进排气凸轮相位，在不同相位下的试验数据从而分析最优凸轮角度。进排气凸轮由于可以独立安装，可以加工不同凸轮型线。图
8、单缸机质量平衡轴（阶，和阶，）单缸机质量平衡轴及平衡块单缸机由于其本身的结构导致的质量不平衡和发火不平衡，通过设计一阶二阶平衡轴和平衡块来平衡活塞连杆的旋转力和往复惯性力，如图所示，其驱动由曲轴通过中间齿轮驱动，轴承采用专用滚子轴承，而轴承润滑是在机体中设计专用润滑油道，由机油分配单元直接供油。单缸机体设计图单缸机上机体和下机体应力仿真模型单缸机机体一般为了不同缸径平台的通用性，将机体分体设计为上机体和下机体，不同缸径平台使用不同的上机体，适配不同的缸套及水腔，而占比较大的下机体一般为通用设计，可以兼容此单缸机平台下不同缸径行程的单缸机（见图）。单缸机机体进行高强化设计，可承受最大 的爆压。年
9、第 期单缸机在大缸径发动机开发中的应用 单缸机在仿真计算中的应用（见图）单缸机试验数据作为单缸机仿真和多缸机仿真的输入，指导并优化仿真结果，使仿真结果更加真实可靠。图 单缸机试验数据 单缸机仿真模型 多缸机仿真模型 单缸机在机械开发中的应用 气门机构开发试验）气门机构刚度试验；）静态气门升程曲线；）活塞气门间隙测试；）动态气门升程试验；）气门发作速度测试；）气门结构中力和接触应力测试；）气门机构零部件极限边界条件下的测试。活塞缸孔界面开发）缸套粗糙度试验；）缸盖垫片压力分布测试；）活塞环切向力接触压力测试；）机油消耗测试；）温度测试；）最小活塞间隙测试。）高温抱缸试验 单缸机上的测温试验）活塞
10、测温（见图）；）缸套测温；）缸盖测温；）排气歧管温度测试；）气门测温。图 某活塞测温试验 单缸机动力单元耐久测试）气门及座圈耐久测试；）连杆大头和小头耐久测试；）热冲击测试。单缸机在性能开发中的应用 单缸机和多缸机功率对标以 相等 为 原 则（仿 真 计 算 或 多 缸 机 试 验 测得），在 图中，就是 高 压 循 环 做 功（燃 烧 做 功），就是低压循环做功（换气做功），若通过控制进排气压力比 恒 定，单 缸 机 和 多 缸 机 的 都 应 该 是 相 等 的（见 图）。图 单缸机和多缸机功率对标 喷油器、活塞和凸轮轴型线的选型试验单缸机台架可进行喷油器、活塞和凸轮轴型线的选型试验，替代
11、在多缸机上的试验。图 某单缸机选型试验的试验方案单缸机大缸径产品开发优势 单缸机可以在产品开发中进行仿真研究输入、部分机械开发、性能开发试验，完全替代在多缸机上进行试验，节省产品开发周期（见图）。图 预测某开发项目可节省项目开发时间个月 单缸机在产品开发中具有明显的成本优势，可节省成本 以上（见图）。图 预测某开发项目成本节省预测结束语热力学单缸机作为大缸径发动机的开发工具，尤其是 缸径以上发动机的开发，具有非常明显的技术灵活优势、时间优势和成本优势，而国内大缸径单缸机的应用才刚刚开始，大缸径单缸机对于开发四冲程高强化高升功率气体机、柴油机具有很好的开发引领作用。参考文献：李树生，白书战，李林科，等 基于 和单缸机试验的大功率发动机整机性能开发 内燃机学报，（）：穆大芸，宋炳雨，王飞飞，等 单缸机控制技术研究汽车电器，（），周 龙宝内燃机学北京：机械工业出版社，：