一拖（洛阳）柴油机有限公司 河南洛阳 471000
摘要：2015年非道路柴油机面临全面排放升级，在2014年，国家环保部正式发布《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段）》。该标准规定自2015年10月1日起，所有制造和销售的非道路移动机械用柴油机，其排气污染物排放必须符合本标准要求。因此，需要对目前非道路国二阶段的柴油机进行排放升级，满足国家排放法规的要求。
关键词：非道路柴油机；国三电控系统；结构改进；性能提升
目前农机市场正在逐步向大马力发展，对于120马力至160马力的四缸柴油机，多家主机厂提出了配套要求。为此，在国二平台基础上开发国三电控柴油机。该产品采用了电控冷却EGR技术、电控单体泵技术等一系列先进技术，有效降低发动机NOx的排放，同时改善发动机的燃油经济性，采用增压中冷的进气方式，保证合理的空燃比，使燃烧充分，减少污染物的排放。
依据产品市场反馈情况，以及其他新产品开发过程中发现的问题等。经过共同讨论分析，该项目实施起来存在以下难点：①技术路线确认确认，排放及经济性要求；②电控单体泵燃油系统的开发设计，提升起动性；③燃油系统结构设计，满足起动性能需求；④针对发动机的性能曲线优化设计的解决方案；⑤针对供油速率MAP精细标定，有效提高加速性能的解决方案；⑥如何凸轮轴丢信号问题；⑦多态开关功能开发应用；⑧飞轮取曲轴传感器结构设计；⑨新结构防火装置结构设计；⑩减震皮带轮结构设计。
针对以上问题存在的主要因素，我们项目参与人员通过多次分析论证，分别制定了以下方案。
1、针对如何确定符合国三排放技术路线的解决方案
同行业对标，采用电控单体泵+外部冷却EGR+增压的技术路线，通过基于外部EGR的增压技术路线方案开发设计：主要核心零部件有EGR阀，EGR冷却器，增压器；增压器采用小涡轮流通能力增压器方案，通过MAP比以及计算减小涡轮机端尺寸，减小了增压器涡端流量,以得到较高的涡前压力，与压后压力形成大的压力差开启EGR阀，使废气更多的进入发动机，抑制氮氧的生成；EGR阀系统采用水冷冷却结构，对EGR废气在与富氧空气混合之前进行强制水冷冷却，降低进入燃烧室气体的温度。
2、电控单体泵燃油系统的开发设计
控制单元（ECU）脚为48针。硬件针对农用恶劣的环境进行独特设计，防水、防尘、抗震，适应农业机械等非道路机械的使用工况。通过电控单元ECU的精准控制标定，实现喷油器的定量喷射，发动机可以-10°以下无预热启动。
3、低压油路结构优化设计
燃油系统进回油路采用独特的密封设计结构，可以有效防止空气进入油路导致整机下线启动困难或隔夜启动困难。
a).将喷油器回油管回油位置由回油至柴滤更改为回油至油箱，避免空气在低压油路中循环；
b).单向阀结构改进，避免单向阀卡死等导致进气失效；
c).将喷油器回油管琵琶接头厚度由16mm更改为14mm，保证密封性；
d).工艺固化柴油机试验台架排气流程，不允许松动低压管路密封接头；
e).输油泵活塞腔结构进行改进，改进密封性能；
f).更改喷油器回油管回油结构，使喷油器回油管连接单向阀处留有存油区，提升密封性；
4、发动机性能优化设计
4.1发动机出厂功率提升
对标竞品及国二首配机型性能功率，确定出厂标定功率：标定功率=铭牌功率*95%+风扇耗功+底盘耗功(铭牌功率*3%)+消声器耗功（铭牌功率*3%）=铭牌功率*1.02+风扇耗功。
4.2分析研究收割机工况，确定适应收割机工况的性能特性曲线，提升产品的动力性
发动机在额定转速2000-2100转采用3%~7%功率储备设计，提高工作效率；整机在75%-50%额定转速区间，设计为恒扭矩曲线，低转速下的高扭矩值可以保证农业机械进行PTO作业时或带重负荷机具作业时，具有良好的平稳的加速性能;高扭矩储备：拥有高达30%扭矩储备，提高整机越坎能力。
4.3、优化燃烧性能，降低燃油消耗，提升整机经济性
通过优化燃烧室结构形式及压缩比，并通过重新匹配增压器、优化供油提前角等措施，工作点燃油消耗率由230g/kwh降低至220g/kwh，大大降低燃油消耗。
为达到国三排放要求，采用经济性和排放性兼顾方案。针对八工况点采用排放喷油正时、EGR开度，满足排放要求；针对非八工况点，通过加大喷油正时、减小EGR开度，降低燃油消耗，提升经济性。优化后排放性能如下：
5、MAP精细化标定
5.1供油速率MAP精细标定
对照机械泵的部分油门供油速率，对单体泵的部分油门油量供油速率进行精标，提高发动机的加速能力。
5.2发动机调速率优化
降低国三机型部分油门调速率，特别是50%油门以下调速率提升加速性能。
6.凸轮轴容错能力提升
衡阳凸轮轴丢信号原理：①接触不良造成，凸轮轴信号无法采集；②因信号干扰造成，凸轮轴信号采集异常
当曲轴传感器出现故障时，切换至凸轮轴信号；喷油持续期丢信号会出现间隙卡顿现象；非喷油持续期无缝对接。
7.多态开关功能开发应用
为满足市场对多功率输出需求，根据生产现状对ECU功能提出多功率输出作业模式的开发。通过对“0”“1”“2”档位下的发动机外特性数据和不同档位下的不同油门空转，可见不同档位由于油量限制不同，所以功率也不同，实际中可根据不同工况选择合适档位，提高燃油经济性。且不同档位空转也相同，不影响车速。
8.飞轮取曲轴传感器结构设计
曲轴传感器为磁电式曲轴位置传感器，原则上曲轴盘号盘直径不得小于200mm，但关键应满足发动机转速为100RPM时原始信号幅值大于700mv（电气评审时要求测试，以便保证发动机低温起动时ECU可靠识别转速信号）。飞轮直径大于信号盘直径，便于信号采集。
9.新结构防火装置结构设计
对标竞争对手结构设计，在国二防护装置结构进行优化提升，解决了防护罩在安装的过程中出现封堵不严，开口，脱落等问题，保证防护罩的安装可靠、美观，提升防护罩可靠性，有效防止农机作业时，秸秆等杂物堆积在排气管和增压器附近而引起火灾。
10.减震皮带轮结构设计
为了降低发动机噪音，减轻发动机震动，提升发动机可靠性，针对此机型研发6RTF.040003JZ扭转减震器，并在实验室进行皮带轮减震器噪声震动试验对比，效果明显，有效降低噪声和震动。
五、实施效果经济效益：
通过以上电控EGR系统、电控燃油喷射系统、废弃再循环技术等措施的实施，活塞强度得到大幅提升，燃油燃烧更充分，实现了技术上由机械电调泵到电控单体泵的改进提升，同时也使得尾气排放顺利达到国三排放标准；配套机型柴油机顺利完成1398小时可靠性试验，通过国家国三排放标准，并已推广应用在洛阳福格森150-160马力玉米、洛阳中收150-160马力小麦玉米等机型上，顺利打开了国三柴油机市场。
结束语
综上所述该产品集成应用了ECU电控单体泵燃油喷射系统和EGR系统，燃油系统进回油路采用独特的密封设计结构，有效解决了启动困难的问题；通过对燃油系统、进排气系统集成开发，具备了良好的装配与试验工艺性、维修保养便捷性，能适应收割机、工程机械、发电机组等不同主机的配套需求。
参考文献
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