| 康明斯M11系列发动机的结构特点 |
为适应国内车用重型柴油机市场的需要，重庆康明斯发动机有限公司于1995年10月合资并引进了美国康明斯发动机公司的M11系列柴油机整机技术。M11系列是康明斯公司于90年代通过对L10系列发动机改型设计的新系列产品，通过近几年的不断开发，目前M11系列已经形成了覆盖多种用途、可匹配PT喷油系统或电控喷油系统、具有不同增压方式、功率标定范围宽广的完整系列产，其独特而优秀的设计使其在全球车用重型柴油机市场上成为主力机型之一，特别是其采用的专利技术—双脉冲控制的低压开启电控喷油更是康明斯设计理念的一项成功之作。 2主要设计思想与技术性能参数 M11系列发动机的设计遵循了以车用为主，同时覆盖工程机械、发电、船舶等多种用途的原则，结构上力求高强化、高可靠性、长寿命、外形紧凑及轻量化。曲轴、连杆均为高强度合金钢整体锻造，采用了大主轴颈、大连杆颈、短连杆结构；活塞为钢顶铝裙铰接式，平均速度较低。外部结构件大量使用铝合金铸造件，以减小发动机质量，如齿轮室、飞轮壳等受力部件也用铝合金制造。不断提高燃油喷射系统的喷射压力，提高燃油经济性和排放性能，其最新的HPI电控泵喷咀喷油压力达到200Mpa。 该系列机在保持发动机主体结构件（或主体结构件毛坯）不变的前提下，以车用机型为主，以不同的附件结构、附件种类、安装方式和性能标定特性形成不同用途的系列；而以不同的增压方式、增压度、不同的燃油喷射系统形成不同功率的系列。因此，该系列机的缸体、缸盖、曲轴、连杆、活塞组件、配气机构、前端齿轮传动系及齿轮室等主体结构件在任一个机型上都是通用的，这样就实现了以最低的制造成本覆盖最宽的应用范围的目的。在激烈的市场竞争中，更容易形成经济批量生产规模，实现成本优势。 表1 M11系列发动机主要技术性能参数 参数 技术指标 结构形式 直列6缸水冷四冲程、增压、中冷 外形尺寸（长×宽×高） mm 1324×835.7×1183.6 排量 L 10.8 缸径×行程 mm 125×147 整机质量 kg 980 发动机最大倾斜度 前/后/侧倾斜45° 进气方式 增压空（水）--空中冷 压缩比 16：1 发火次序 1-5-3-6-2-4 曲轴旋转方向 面对飞轮逆时针 功率范围 kw 168~373 扭矩范围 Nm 1031~2100 标定转速范围 r/min 2100~1500 峰值扭矩转速 r/min 1300 怠速转速 r/min 675 最高怠速转速 r/min 2450 最低燃油消耗率 g/kw.h 182 排放性能 符合欧Ⅰ欧Ⅱ、欧Ⅲ标准 冷却系统容积 L 12.9(水--空中冷) 9.7（空—空中冷） 润滑系统容积 L 33~39 该机的大多数附件采用齿轮传动，增强了可靠性。所有附件传动系统均设计在发动机前端。风扇、发电机传动皮带可选用自动张紧机构，防止长时间运转后皮带松动现象。 选用件结构是康明斯发动机的一大特色，发动机的各个附件系统都设计有各种各样的结构型式和安装方式，每一种结构型式就称为一个附件系统的一个选用件，如飞轮壳系统、风扇驱动系、增压系统、进排气管系统等，可视每个具体用途的机型来确定一套选用件，形成一台完整的发动机，以灵活适应发动机系列化和多用途的需要。 发动机主要技术性能参数见表1。 3主要零件结构特点 3．1缸体与气缸套 气缸体的设计具有康明斯独特的设计风格，采用高强度合金铸铁铸造，机体为龙门式结构，裙部内外侧分布有纵横交叉的加强筋，增强机体刚度，降低振动应力和噪声。凸轮轴孔为缸体顶置式，以缩短配气和喷油传动链长度，提高刚度，并且使机体外形显得紧凑、美观。气缸套为湿式，并采用中置定位，减少缸套颤震，防止缸套穴蚀。 缸体侧面铸有一内凹槽，与一外盖板结合形成了缸体的分水管和缸盖回水的集水管，冷却水由缸体进入缸盖循环水道后又返回缸体上的集水管，由集水管流出发动机本体，这种设计消除了缸盖上的出水管，使整体结构紧凑。缸体内侧设有蓄油槽，以降低发动机工作时机油盘内的液面高度，减少曲轴对机油的搅动功。 3．2缸盖与配气机构 采用6缸1盖的整体式缸盖，每缸4气门，喷油咀垂直布置在气缸中心，进排气道位于发动机同侧，以压缩发动机高度，进气口位于缸盖顶面，与摇臂室外侧面内凹槽组成外进气道。采用变螺距弹簧，无导管丁字压板，质量小、制造成本低。摇臂的摩擦部位全部镶装耐磨合金镶块，提高耐磨性。喷油咀孔可兼容安装PT泵喷咀和电控泵喷咀，采用大直径凸轮轴、高钢度喷油挺杆和高燃油喷射压力，提高了燃油经济性和排放性能。 3．3曲轴 采用有限元软件进行强度分析后设计的曲轴，具有质量小、结构强度好的优点。采用高强度合金钢整体锻造成形，具有很高的刚度，生产过程全部进行磁力探伤，曲轴主轴颈和连杆轴颈表面及圆角采用高频淬火，增强耐磨性和疲劳强度，以配合该系列机高强化的要求，减少曲轴扭振。曲拐夹角120°，等宽主轴颈，分布于1、3、4、6缸的8块平衡块，完全消除主轴颈惯性离心负荷。曲轴前后端均为法兰动力输出连接，前端动力输出可达250hp(187kw),可适应灵活的应用需要。 3．4连杆 连杆同曲轴一样，在发动机中同属高负荷运动件，因此其设计同样要采用有限元软件进行强度分析，具有质量小、结构强度好的优点。采用高强度合金钢整体锻造成形，具有很高的刚度，生产过程全部进行磁力探伤。采用短连杆结构，减少整机高度和宽度，并使连杆具有很高的刚度。连杆盖采用平切口，盖与杆身的定位用定位销，定位精确，重复精度高。 3．5活塞组件 采用钢顶铝裙铰接式活塞。钢顶铝裙活塞与全铝活塞相比具有耐高温、耐高压的特点，具活塞的寿命比后者延长30%。在发动机标定转速较低的情况下，其惯性力也可得到控制，更能适应高增压高热强度的要求，且具有更高的可靠性，活塞顶环岸高度更小，有利于降低排放。位于活塞正中的浅ω型燃烧室配合高压喷油和涡流进气道，可获得极佳的燃油经济性和排放性能。活塞销为空心结构，可减弱活塞惯性力。 活塞环组为两气环一油环结构。第一环为球墨铸铁镀铬桶形环，抗结焦、咬合，润滑性能好；第二环为球墨铸铁镀铬正锥面环，提高刮油性能；油环表面也进行镀铬，增强耐磨性。 3．6发动机的增压系统 采用霍尔塞特（HOLSET）HX55系列涡轮增压器，其流量范围宽，压比高，综合效率高。对车用发动机，可增加机械式废气排气门，电控式4级废气排气门，提高发动机的功率标定范围，提高发动机变工况特性。 根据不同的使用条件及其对标定功率的要求，可匹配成增压、增压水—空中冷、增压空—空中冷形式的增压系统。 3．7燃油喷射系统 可采用传统的康明斯独有的PT泵喷咀系统，也可采用康明斯专利的电控式泵喷咀系统，PT系统采用燃油的输油压力来调节和控制燃油喷射量，优点是结构简单，制造成本低，喷油压力高，喷油特性可调节范围宽，可使发动机具有很高的扭矩储备。 电控式泵喷咀可使发动机排放达到欧Ⅲ标准，并为满足欧Ⅳ标准提供了技术平台。同时，由于对发动机的燃油喷射可随发动机工况变化对喷射量、喷油提前角进行无级优化调节控制，特别是对发动机的瞬态工况的喷油控制，可使发动机在燃油经济性获得很大提高的同时，提高发动机的标定功率。 4市场前景 M11系列发动机比功率大，功率范围宽，结构紧凑，质量小，是全球最先进的重型车用发动机系列之一。在同级别的6缸机机型中具有很强的竞争力，对同级别的V型重型柴油机则具有取代作用。康明斯发动机一向以高可靠性、长寿命、燃油经济性好而立足于世界发动机制造业，该系列发动机也必将成为我国车用重型发动机市场的主力机型之一，为我国的社会主义市场经济的建设和汽车工业的发展贡献力量。其应用范围主要是12m级的高速客车、总质量26t以上的重型货车、重型专用车、牵引车等，对各种装备先进的军用车辆也很适用。在此基础上，同时覆盖发电、船舶、工业、工程机械等应用领域。 5结束语 发动机设计千变万化，没有统一的模式，技术的创新和发展也永无止境。本文仅对我公司引进的康明斯M11系列发动机作了一个概略的介绍。笔者认为，随着当今市场全球化、市场竞争格局的加剧，发动机产品的系列化、零部件的通用化、产品的多用途、同时配合产品技术的先进性是一个发动机产品能否成功的关键所在。对于我们则要加强学习国外的先进技术，掌握和灵活运用引进的先进技术，创造一条适合我国情况的发展道路。 |
