1 引言

    与同类水冷柴油机相比，小型风冷柴油机具有易于实现轻量化、工作可靠、适应性强、制造维修 方便的优势，但存在着热负荷高、充量系数低，以 致相应的平均有效压力低5%左右的缺陷;与同类型汽油机相比，具有燃油消耗率低、工作可靠、耐久和维修次数少的特点，但其外型尺寸与净质量又大1/3左右，这又是广大用户所不欢迎的。为了使小型单缸风冷柴油机在性能方面能与强化的水冷柴油机相抗衡，在轻量化方面又能与汽油机相媲美[1~3]，作者在研制高强化、轻巧型、高性能155F、SC165F、BHI70F等单缸风冷柴油机的过程中，开发了高强化轻巧型单缸风冷柴油机的若干先进技术。

2 轻巧化
　　
首先是从创新的观念出发，在总体结构与零部件设计时，进行多学科综合分析，在设计上作到结构最简单、运动最合理、零件数目最少，材料选择恰到好处。如优化后的空气滤清器具有零件数目少、质量轻、流阻小与噪声低的特点，零件数目从原来的11个减少到4个;同时将金属材料改成工程塑料，净质量降低70%[4]。

二是采用短行程、短连杆、短活塞、短气缸结构。短行程、短连杆结构可减小曲轴回转半径，缩短机体高度;短活塞、短气缸(在下止点时活塞裙部露出气缸16mm左右)结构，可缩短整机高度;二者均可减轻柴油机的净质量。

三是应用现代设计理论与设计方法，优化零部件结构设计，以获得质量最轻、成本最低与承载能力最大的最佳设计方案。

四是努力提高制造水平，控制机体等铸造件的壁厚尺寸，甩油圈、齿轮室盖、导风罩、冷却风扇与空气滤清器等零部件采用工程塑料，使柴油机形体更加轻巧精致。

采用上述技术措施开发的轻型高性能SC165F、BHl70F型柴油机的净质量，分别从原产品165F、170F型柴油机的43k9、41kg减轻到30kg与28kg[5~6]。

3 高机械效率
　　
要获得高性能(高功率、低油耗、低振动、低噪声、低排放、易起动与高寿命)柴油机，首先要有高的充量系数和机械效率，才能为实现柴油机完全燃烧与将热能尽可能地转换成机械功打下坚实的基础。

众所周知，柴油机的功率、扭矩、升功率与机械效率成正比，燃油消耗率与机械效率成反比。同时，柴油机运动件的摩擦损失又将转变为热能，导致相应零件热负荷的增大。因此，通过优化结构设计，提高制造质量，实现全油膜润滑，减少驱动附件的功率消耗等措施，将从活塞顶到功率输出轴端的功率传递过程中的一系列机械损失减少到最低限度，以获得尽可能高的机械效率，是提高内燃机整机性能的重要研究课题。

为了清楚地了解小型单缸风冷柴油机机械损失各组成部分的大小、影响因素及其影响程度。作者利用直流电力测功器拖动法对165F型柴油机(缸径×行程为65x70mm，2.2kW/2600r/min)各项机械损失功率进行了测试。在试验过程中，在气缸与气缸盖散热片流道间安装外套瓷管的电阻丝加热;同时利用喷灯喷出的高温火焰通过稳压箱输入气缸;油底壳采用可调电炉加热等措施，使试验状况接近柴油机实际工作情况。监控测试表明，不仅将曲轴箱内润滑油温度控制在90土1℃记范围内，而且保持了柴油机气缸、气缸盖与轴承座壁面温度与实际工作时的温度场测试结果基本一致，确保了测试结果的真实性。试验结果示于图1，可见，活塞、活塞环的摩擦损失以及驱动冷却风扇的功率消耗所占的比例较大。

柴油机的机械效率与活塞平均速度成反比。将165F柴油机的活塞行程从70mm减小到60mm，虽然转速从2600提高到3000（r/min），但活塞平均速度还略有降低。同时采用短气缸、短活塞及低摩擦活塞裙部结构，优化冷却风扇(冷却风扇所消耗的功率从原来5.06%降低到2.96%，提高制造装配质量与全油膜润滑相结合等技术措施，使165F柴油机的机械效率从0.64提高到0.75。

　　4 高充量系数
　　
优化配气机构设计，设法将迸、排气系统各个元件的流动损失降低到最低限度，并恰到好处地利用进排气过程中气流的波动效应与燃烧室扫气作用，获得高的充量系数。

发动机配气凸轮的优劣直接影响其动力性、经济性、可靠性以及振动、噪声与排放特性的好坏。随着中小型发动机不断向轻巧化、高速化、高性能与高寿命方向发展，对配气凸轮设计理论与制造技术的要求也越来越高。配气凸轮的丰满系数越大，则进气量越多，发动机的动力性能与经济性能越好，排气烟度与热负荷越低。凸轮型线的圆滑性越好，发动机的振动与噪声越小。第一作者提出的n阶导数连续、运转平稳、丰满系数大、自变量为内燃机主要结构参数与运转参数、计算简便的变型双曲函数配气凸轮型线如下:

h=A(e^χa+e^-χa)+B(e^χb+e^-χb)+Cχ²+Dχ⁴

式中:h为挺柱升程;χ为发动机气缸直径、活塞行程S(ψ)、连杆比λ、压缩比ε、转速等参数的函数，S(ψ)又是曲轴转角的ψ函数;A、B、C、D是由初始条件，即挺柱缓冲段升程h0、挺柱工作段最大升程hmax与挺柱升程曲线的一阶导数h’、二阶导数h’’确定的系数;a、b为常数。

变型双曲函数配气凸轮的主要性能参数指标与其它型线方程的内燃机配气凸轮的对比情况示于表1，可见，它具有丰满系数大、动力性好，冲击、振动与噪声小的优点，是实现发动机高速化、高性能的关键技术[8、9]。　

表1不同凸轮形线的参数值比

　　另外，如前所述，将空气滤清器由纵向进气改为切向进气，不仅减少了零件数目，而且缩短了气流行程，降低了气流阻力与迸气噪声，使柴油机燃油消耗率降低了5g/kWh，排气温度下降10℃以上。