本實用新型涉及內(nèi)燃機技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種非道路用四缸柴油發(fā)動機。

背景技術(shù)：

隨著我國逐漸重視控制非道路機械的廢氣排放和提高動力性和燃油經(jīng)濟性，非道路GB20891第三階段排放法規(guī)開始于2015年10月1日起實施，國內(nèi)非道路機械行業(yè)缺少技術(shù)先進、升功率和升扭矩大、比質(zhì)量小、噪聲低、燃油經(jīng)濟性優(yōu)良、能滿足Tier3以及更嚴格排放法規(guī)的新一代非道路機械用柴油發(fā)動機。因此，需要提供一種技術(shù)先進的新一代非道路機械用柴油發(fā)動機。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供了一種技術(shù)先進、升功率和升扭矩大、比質(zhì)量小、噪聲低、燃油經(jīng)濟性優(yōu)良的非道路用四缸柴油發(fā)動機。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種非道路用四缸柴油發(fā)動機，包括發(fā)動機主體、高壓共軌系統(tǒng)、增壓中冷系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)以及電控單元；所述發(fā)動機主體包括氣缸體和氣缸蓋；氣缸體上部有直噴燃燒室和電熱塞；氣缸體內(nèi)設(shè)置噴油器和燃燒室；所述發(fā)動機主體采用正時驅(qū)動；活塞內(nèi)置冷卻油道；曲軸由高強度球墨鑄鐵制成，其上設(shè)置有八塊平衡塊；所述高壓共軌系統(tǒng)包括高壓油泵和共軌管，高壓油泵通過高壓油管與共軌管連接，共軌管通過高壓油管分別與發(fā)動機主體上的四個噴油器連接，高壓油泵上有進油計量閥，噴油器為磁電噴油器；所述進油計量閥、共軌管、磁電噴油器分別與電控單元連接。

優(yōu)選的是，所述增壓中冷系統(tǒng)包括增壓器、中冷器、進氣接管和進氣總管，增壓器為廢氣渦輪增壓器，其渦輪機與排氣管連接，其壓氣機出氣口與增壓器出氣管連接，增壓器出氣管與中冷器連接，中冷器與進氣接管連接，進氣接管與進氣總管連接。

優(yōu)選的是，所述配氣系統(tǒng)為四氣門雙頂置凸輪軸系統(tǒng)，包括安裝在氣缸蓋上的進氣凸輪軸和排氣凸輪軸，以及與進氣凸輪軸和排氣凸輪軸連接的滾子搖臂；進氣凸輪軸和排氣凸輪軸驅(qū)動滾子搖臂并帶動安裝在氣缸蓋上的氣門運動。

優(yōu)選的是，所述正時驅(qū)動采用直齒正時皮帶傳動，通過自動張緊器張緊正時皮帶。

優(yōu)選的是，所述發(fā)動機主體的缸徑為92 mm、沖程為105 mm。

優(yōu)選的是，所述氣缸體采用無缸套結(jié)構(gòu)的整體式氣缸體，氣缸蓋采用鋁合金材料制成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點：

本實用新型的非道路用四缸柴油發(fā)動機將電控高壓共軌技術(shù)與機內(nèi)凈化相結(jié)合，優(yōu)化了柴油發(fā)動機的燃燒和排放控制。電控高壓共軌技術(shù)的原理是將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開，先由高壓油泵持續(xù)不斷地將燃油輸送到共軌管儲存起來，通過電控單元來控制共軌管內(nèi)的軌壓，并且借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關(guān)閥的啟閉，精確控制噴油器的噴油量和噴油正時，從而提高了柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能。因為噴射壓力的大小與發(fā)動機轉(zhuǎn)速沒有直接關(guān)聯(lián)，所有可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的程度，而且高壓油泵本身不需要提供較大的輸油壓力，只是持續(xù)供油給共軌管，由共軌管來蓄壓，故高壓油泵的可靠性較好。另外，通過優(yōu)化活塞、活塞環(huán)降低機油消耗率，進一步降低了PM2.5排放；采用增壓，一方面有效提升了柴油機的動力性和經(jīng)濟性，同時也導致增壓后的進氣溫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進入進氣總管的進氣溫度，從而有效降低氮氧化合物排放，并且還進一步提升了柴油機的動力性和經(jīng)濟性。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型中發(fā)動機主體的剖視圖。

圖3為本實用新型中發(fā)動機主體另一放向的剖視圖。

圖4為本實用新型中發(fā)動機主體的主視圖。

圖5為圖4的右視圖。

圖6為圖4的左視圖。

圖7為圖4的后視圖。

圖8為本實用新型中凸輪軸傳動的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本實用新型中正時傳動和齒輪室內(nèi)部齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1氣缸體，2增壓器進油管，3增壓器回油管，4增壓器，5排氣管，6氣缸蓋，7滾子搖臂，8排氣凸輪軸，9噴油器，10進氣凸輪軸，11共軌管，12進氣總管，13進氣接管，14機油濾清器，15起動機，16活塞，17連桿部件，18曲軸，19機油泵吸油管，20水泵，21水泵進水管，22發(fā)電機，23水泵出水管，24液壓泵，25高壓油泵，26中冷器，27增壓器出氣管，28電控單元，29進氣凸輪軸驅(qū)動齒輪，30排氣凸輪軸齒輪，31液壓挺柱，32曲軸齒輪，33惰齒輪，34高壓油泵齒輪，35直齒輪，36正時皮帶，37進氣凸輪軸直齒輪，38自動張緊器。

具體實施方式

下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

非道路機械是指用于非道路上的機械，即：（1）自驅(qū)動或具有雙重功能( 既能自驅(qū)動又能進行其它功能操作) 的機械；（2）不能自驅(qū)動，但被設(shè)計成能夠從一個地方移動或被移動到另一個地方的機械。例如：工業(yè)鉆探設(shè)備；工程機械（包括裝載機、推土機、壓路機、瀝青攤鋪機、非公路用卡車、挖掘機等）；農(nóng)業(yè)機械（包括拖拉機、聯(lián)合收割機等）；林業(yè)機械；材料裝卸機械；叉車；雪犁裝備；機場地勤設(shè)備，等等。

圖1-9所示的非道路用四缸柴油發(fā)動機，包括發(fā)動機主體、高壓共軌系統(tǒng)、增壓中冷系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)以及電控單元28；所述發(fā)動機主體包括氣缸體1和氣缸蓋6；氣缸體1上部有直噴燃燒室和電熱塞；氣缸體1內(nèi)設(shè)置噴油器9和燃燒室；所述發(fā)動機主體采用正時驅(qū)動；活塞內(nèi)置冷卻油道；曲軸由高強度球墨鑄鐵制成，其上設(shè)置有八塊平衡塊；所述高壓共軌系統(tǒng)包括高壓油泵25和共軌管11，高壓油泵25通過高壓油管與共軌管11連接，共軌管11通過高壓油管分別與發(fā)動機主體上的四個噴油器9連接，高壓油泵25上有進油計量閥，噴油器9為磁電噴油器；所述進油計量閥、共軌管11、磁電噴油器9分別與電控單元28連接。

電控單元（Electronic Control Unit）和普通的單片機一樣，由微處理器（CPU）、存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）以及整形、驅(qū)動等大規(guī)模集成電路組成；電控單元對各種傳感器輸入的信息進行運算、處理、判斷，然后輸出指令，比如，通過控制高壓油泵上的進油計量閥來調(diào)節(jié)高壓油泵的油壓，向磁電噴油器提供磁電信號來精確控制噴油量和噴油正時，并通過水溫傳感器實時監(jiān)控水溫狀況，若水溫過高影響發(fā)動機的可靠性，電控單元就會發(fā)出指令減小噴油量來降低輸出功率和扭矩來保護發(fā)動機，若水溫很低會導致冷起動困難，此時電控單元會延長預熱時間來提高起動性能，另外通過凸輪相位傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器采集到的相位情況來判斷各缸處于何種工作狀態(tài)，從而協(xié)調(diào)和控制整個柴油發(fā)動機的正常工作。

其中，所述增壓中冷系統(tǒng)包括增壓器4、中冷器26、進氣接管13和進氣總管12，增壓器4為廢氣渦輪增壓器，其渦輪機與排氣管5連接，其壓氣機出氣口與增壓器出氣管27連接，增壓器出氣管27與中冷器26連接，中冷器26與進氣接管13連接，進氣接管13與進氣總管12連接。廢氣渦輪增壓器利用柴油機從排氣管5排出的高溫廢氣，驅(qū)動渦輪機中的渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪軸帶動壓氣機中的葉輪高速離心旋轉(zhuǎn)來壓縮空氣，提高發(fā)動機的進氣密度到 2.5～3個大氣壓，并經(jīng)中冷器26冷卻過熱的壓縮空氣，從而使更多的空氣量進入到氣缸中，此時就可以控制噴入更多的燃油，因而增大了發(fā)動機的功率。

其中，所述配氣系統(tǒng)為四氣門雙頂置凸輪軸系統(tǒng)，包括安裝在氣缸蓋6上的進氣凸輪軸10和排氣凸輪軸8，以及與進氣凸輪軸10和排氣凸輪軸8連接的滾子搖臂7；進氣凸輪軸10和排氣凸輪軸8驅(qū)動滾子搖臂7并帶動安裝在氣缸蓋6上的氣門運動。具體為滾子搖臂7通過其上的滾輪與進氣凸輪軸10和排氣凸輪軸8連接，滾子搖臂7一邊與液壓挺柱31連接、一邊與氣門連接，進氣凸輪軸10驅(qū)動滾子搖臂7并帶動安裝在氣缸蓋上的進氣門運動，排氣凸輪軸8驅(qū)動滾子搖臂7并帶動安裝在氣缸蓋上的排氣門運動。發(fā)動機每缸有4個氣門共16個氣門，這種設(shè)計方案能增大進氣量、減少泵氣損失，其充氣效率比傳統(tǒng)的單缸2氣門的機構(gòu)要大得多，四氣門布置形式是一個中央噴嘴周圍有兩個進氣門和兩個排氣門，噴油器9布置在氣缸中央垂直位置，因此噴油器噴出的各個油束是等長的且流量均勻，活塞燃燒室居中布置在活塞頂部，噴油器噴出的燃油會均勻地進入燃燒室，進氣道是采用每缸一個螺旋進氣道和一個切向進氣道的組合，能形成較低的渦流比和較高的流量系數(shù)，使吸入的空氣在ω形的活塞燃燒室內(nèi)形成渦流，保證燃油與空氣能充分混合，燃燒更充分，從而既提高了動力性又減少了尾氣排放。另外，頂置式凸輪軸是安裝在氣缸蓋上部位置，凸輪軸下方為滾子搖臂7，滾子搖臂7直接與進排氣門接觸，與傳統(tǒng)的挺桿式氣門機構(gòu)相比，因為省略了氣門挺桿，簡化了凸輪軸到氣門之間的傳動機構(gòu)，使發(fā)動機的傳動更緊湊，傳動效率更高，驅(qū)動力更小，因而能有效減小摩擦功和降低燃油耗，而且因為采用了液壓挺柱31和低摩擦力的滾子搖臂7，所以既無須調(diào)節(jié)氣門間隙又能有效降低傳動噪聲。

其中，所述正時驅(qū)動采用直齒正時皮帶36傳動，通過自動張緊器38張緊正時皮帶。齒輪室內(nèi)設(shè)有作為主動齒輪的曲軸齒輪32，通過惰齒輪33傳動高壓油泵齒輪34，由高壓油泵齒輪34帶動前端的直齒輪35，再由直齒輪35帶動直齒正時皮帶36并驅(qū)動進氣凸輪軸直齒輪37。因為采用皮帶作為正時傳動，所以傳動噪聲很低。

其中，所述發(fā)動機主體的缸徑為92 mm、沖程為105 mm。較長的沖程使發(fā)動機在中低速的動力性能更優(yōu)越?；钊?6中置ω型的縮口燃燒室，有利于形成進氣渦流和壓縮渦流，使噴油器9噴出的燃油霧化效果更好；活塞16裙部噴涂石墨，大大提高了耐蝕性和初期磨合性能；活塞16壓縮高度為56.9 mm，總高為82.9 mm；活塞16內(nèi)置冷卻油道，通過冷卻噴嘴噴入機油能有效降低燃燒產(chǎn)生的熱負荷，而且一環(huán)槽鑲嵌鑄鐵耐磨圈，提高了導熱性能和可靠性；采用薄型活塞環(huán)并優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝性能，活塞第一氣環(huán)槽的軸向?qū)挾葹? mm、徑向間隙為1.5 mm，第二氣環(huán)槽的軸向?qū)挾葹?.5 mm、徑向間隙為1.5 mm，油環(huán)槽的軸向?qū)挾葹? mm、徑向間隙為1.7 mm，通過優(yōu)化與活塞配合的側(cè)隙和背隙，優(yōu)化活塞型線和配缸間隙以進一步降低機油消耗率達到≤0.1 g/kw.h的先進水平；活塞銷與活塞銷孔和連桿小頭襯套孔的配合采用全浮式，使磨損更均勻。連桿部件17采用先進工藝加工方式的漲斷式連桿，定位精準，能減小摩擦力并提高可靠性，連桿大頭孔徑為63 mm，連桿小頭孔徑為37 mm，連桿大小頭孔中心距為155.5 mm。曲軸18材料為高強度球墨鑄鐵，其軸頸采用圓角滾壓工藝，使可靠性更高；曲軸為全支承結(jié)構(gòu)，有效減輕了主軸承載荷，磨損較??；曲軸18的主軸徑為70 mm，連桿軸徑為59 mm，曲軸18帶有八塊平衡塊，使運轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，能有效減小軸瓦的磨損和降低整機噪聲。

其中，所述氣缸體1采用無缸套結(jié)構(gòu)的整體式氣缸體1，氣缸蓋6采用鋁合金材料制成；氣缸體1采用合金鑄鐵，干式無缸套結(jié)構(gòu)，龍門式結(jié)構(gòu)，裙部為曲面，剛度和強度都很好，能滿足1800 bar較高爆發(fā)壓力的使用要求，氣缸為直線排列，缸徑為92 mm，缸心距為109 mm，氣缸體1總高為327.5 mm；氣缸體1和氣缸蓋6等關(guān)鍵零部件采用有限元分析，保證了強度，又采用輕量化設(shè)計的理念，比如氣缸蓋6采用鋁合金材料，質(zhì)量較輕，大大降低了整機質(zhì)量；氣缸蓋6上的進氣道是采用每缸一個螺旋進氣道和一個切向進氣道的組合，能形成較低的渦流比和較高的流量系數(shù)。

本實用新型的非道路用四缸柴油發(fā)動機將電控高壓共軌技術(shù)與機內(nèi)凈化相結(jié)合，并優(yōu)化了柴油發(fā)動機的燃燒和排放控制。電控高壓共軌技術(shù)的原理是將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開，先由高壓油泵持續(xù)不斷地將燃油輸送到共軌管儲存起來，通過電控單元來控制共軌管內(nèi)的軌壓，并且借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關(guān)閥的啟閉，精確控制噴油器的噴油量和噴油正時，從而提高了柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能。而且，本實用新型的非道路用四缸柴油發(fā)動機采用了技術(shù)先進的中置噴油器9、四氣門雙頂置凸輪軸和滾子搖臂7及液壓挺柱31的配氣系統(tǒng)，以及優(yōu)化的螺旋和切向進氣道相組合的進氣道。四氣門雙頂置凸輪軸配氣系統(tǒng)保證了高效的充氣效率，滾子搖臂和液壓挺柱有效降低了傳動噪聲和進一步減小了摩擦功，螺旋和切向進氣道的優(yōu)化組合獲得高效的流量系數(shù)，中置噴油器噴出的燃油更均勻，因此燃油和空氣的混合、霧化效果更理想，燃燒更充分。另外，通過優(yōu)化活塞、活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)和工藝，通過優(yōu)化側(cè)隙和背隙，優(yōu)化活塞型線和配缸間隙以進一步降低機油消耗率達到≤0.1 g/kw.h的先進水平，從而進一步降低了PM2.5排放。此外，采用高效的廢氣渦輪增壓器，在提升了動力性和經(jīng)濟性的同時，也提高了進氣溫度使得氮氧化合物排放增加，因此采用中冷器降低進氣溫度，從而有效降低了氮氧化合物排放和進一步提升了經(jīng)濟性能，而且因為中冷后增加了進氣量，故又進一步提升了柴油機的動力性。本實用新型的非道路用四缸柴油發(fā)動機通過優(yōu)化燃燒和排放控制標定，最終獲得了最優(yōu)的動力性、經(jīng)濟性和排放性能。

針對發(fā)動機的排放性能，發(fā)動機功率范圍在75 kw～130 kw的非道路移動機械用柴油機Tier3 排放標準限值是：碳氫和氮氧化物（HC+NOx）為4.0 g/kw.h；一氧化碳（CO）為5.0 g/kw.h；微粒（PM）為0.3 g/kw.h；發(fā)動機功率范圍在37 kw～75 kw的非道路移動機械用柴油機Tier3 排放標準限值是：碳氫和氮氧化物（HC+NOx）為4.7 g/kw.h；一氧化碳（CO）為5.0 g/kw.h；微粒（PM）為0.4 g/kw.h。本實用新型的非道路用柴油發(fā)動機的排放滿足Tier3排放標準并具有Tier4排放限值的潛力。對于額定凈功率為81 kw/2600 r/min（額定功率為85 kw /2600 r/min）的源機而言，本實用新型的非道路用柴油發(fā)動機的污染物排放量實測為HC+NOx=3.42 g/kw.h，CO= 0.997 g/kw.h，PM =0.177 g/kw.h。對于額定凈功率為74.8 kw/2600 r/min（額定功率為78 kw/2600 r/min）的源機而言，本實用新型的非道路用柴油發(fā)動機的污染物排放量實測為HC+NOx=3.34 g/kw.h，CO= 0.97 g/kw.h，PM =0.17 g/kw.h。因此，本實用新型的總體排放水平滿足非道路移動機械用柴油機Tier3排放標準，其中有部分排放指標如CO和HC+NOx的排放已經(jīng)達到了Tier4排放標準。

總之，本實用新型的非道路用四缸柴油發(fā)動機通過采用上述先進技術(shù)，其排放滿足Tier3排放標準并具有Tier4排放限值的潛力，升功率和升扭矩大、比質(zhì)量小、噪聲低、燃油經(jīng)濟性優(yōu)良，升功率達到30.44 kw/L，升扭矩達到150.43 N.m/L，比質(zhì)量為2.93 kg/kw，噪聲為99.8 dB(A)、外特性最低燃油消耗率為199 g/kw.h。因此本實用新型的非道路用四缸柴油發(fā)動機是新一代匹配非道路機械的理想配套動力。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。