T整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)說明書

1、內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化課程設(shè)計(jì)說明書學(xué)院求是學(xué)部專業(yè)熱能與動(dòng)力工程年級(jí) 2010級(jí)姓名徐露學(xué)號(hào) 30102181542014年 3 月 25 日2100T柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化摘要：為了研究柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)整機(jī)性能的影響，用發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程仿真軟件GT-power對(duì)2100T柴油機(jī)進(jìn)行了建模和模擬計(jì)算。改變壓縮比、噴油提前角及配氣相位等參數(shù)，比較了不同參數(shù)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率、油耗、缸內(nèi)燃?xì)庾罡邏毫Φ刃阅軈?shù)，選定了最優(yōu)化的參數(shù)組合。利用優(yōu)化后的參數(shù)再次進(jìn)行工作過程仿真，通過對(duì)比其整機(jī)性能參數(shù)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性均有所提高。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)性能；優(yōu)化設(shè)計(jì)；GT-power；壓

2、縮比；配氣相位、噴油提前角1. 2100T柴油機(jī)簡介2100T柴油機(jī)為我國70年代左右的產(chǎn)品。該柴油機(jī)是100系列的柴油機(jī)之一，為立式水冷四沖程柴油機(jī)。具有工作可靠性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低，壽命長，使用方便等特點(diǎn)。移動(dòng)式，可做拖拉機(jī)動(dòng)力。其主要技術(shù)參數(shù)如下：缸徑100mm ；沖程 120mm；壓縮比16 ；額定功率18.4kw ；額定轉(zhuǎn)速2000r/min ；比油耗 <=252g/；1）外形布置特點(diǎn)2100T型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，外廓尺寸不大。其外形布置的特別之處主要在于進(jìn)排氣門的兩側(cè)布置和供油系統(tǒng)和電啟動(dòng)系統(tǒng)的分開布置。2100T型柴油機(jī)為頂置式氣門機(jī)構(gòu)。與側(cè)置式相比，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零

3、件數(shù)目較多，在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，使震動(dòng)和噪聲增加，可靠性降低。但在高壓縮比的柴油機(jī)中，側(cè)置式氣門布置在結(jié)構(gòu)上難以實(shí)現(xiàn)，必須采用頂置式。2）主要零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)a) 活塞連桿組活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿螺栓、軸瓦等組成。i. 2100T柴油機(jī)活塞頂部有一浴盆形深坑，活塞頭部加工有安裝活塞環(huán)的活塞環(huán)槽，活塞裙部較長和受側(cè)向里，活塞呈橢圓形。ii. 活塞環(huán)包括三道氣環(huán)及一道油環(huán)。第一道氣環(huán)內(nèi)側(cè)有挖槽，安裝時(shí)有挖槽的一面必須朝上；第二、三道氣環(huán)外側(cè)有挖槽。采用合金鑄鐵制造氣環(huán)，第一道氣環(huán)表面鍍高性能覆蓋層，其余氣環(huán)表面一般鍍錫或進(jìn)行磷化、硫化處理，使環(huán)表面更易于氣缸磨合。iii. 2100T型

4、柴油機(jī)采用圓柱形中空活塞銷，利于減少離心慣性力的影響。一般采用優(yōu)質(zhì)低碳鋼或低碳合金淬火。iv. 連桿的材料采用40或45號(hào)鋼，優(yōu)質(zhì)中碳鋼，主坯用模鍛處理或滾壓成形，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。l 連桿小頭為短圓管形，小頭與桿身之間則采用半徑較大的圓弧圓滑過渡，以減少過渡處得應(yīng)力集中。l 桿身采用工字形斷面，這種形狀可以在重量較輕的情況下獲得足夠的強(qiáng)度和剛度。l 連桿大頭采用斜切口，便于裝拆是將大頭從氣缸中抽出。v. 在2100T型柴油機(jī)的軸瓦上鉆有小孔或銑出環(huán)形油槽以便主軸承向連桿軸承輸送潤滑油，或由連桿小頭襯套送油。b) 曲軸飛輪組曲軸飛輪組是由曲軸、飛輪、齒圈、曲軸正時(shí)齒輪、三角皮帶輪組成。曲軸主軸頸與

5、連桿軸頸之間有潤滑油孔相通。2100T型柴油機(jī)的飛輪直徑為440毫米，飛輪齒圈的倒角的一面向外裝配到飛輪上面。飛輪內(nèi)壁鉆有小孔，這樣可以使飛輪外的部分潤滑油通過小孔回到油底殼，以保證飛輪面與離合器更好的摩擦傳動(dòng)。主軸頸直徑粗而短，空心。曲柄銷是棗核型空腔。主軸瓦、連桿軸瓦和止推片的材料均為軋制的耐磨合金。c) 配氣正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)配氣機(jī)構(gòu)包括氣缸蓋總成中的氣門和氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還包括齒輪軸、正時(shí)齒輪、空氣濾清器、進(jìn)排氣管及消音器。i. 凸輪軸凸輪軸上的凸輪通過氣門挺柱、氣門推桿和搖臂驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣門，控制進(jìn)、排氣門得開閉時(shí)間。ii. 正時(shí)齒輪凸輪軸和噴油泵均由曲軸前端的正時(shí)齒輪經(jīng)過中間惰輪驅(qū)動(dòng)。機(jī)油泵

6、則由曲軸正時(shí)齒輪通過其下過機(jī)油泵上的中間齒輪驅(qū)動(dòng)。iii. 氣門進(jìn)氣門工作溫度低，一般采用合金鋼。排氣門則用耐熱合金鋼如4CrSi2等。d) 齒輪傳動(dòng)系齒輪傳動(dòng)系有曲軸驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪，通過惰輪帶動(dòng)齒輪軸正時(shí)齒輪和機(jī)油泵齒輪，以控制配氣定時(shí)和供油。正時(shí)齒輪要求加工精度高，一般用45鋼制造。e) 機(jī)體組機(jī)體內(nèi)嵌有高磷鑄鐵制成的濕式汽缸套，其上部的缸套凸緣的下端面邊緣在機(jī)體缸孔的肩胛上，下部以兩只橡膠做的防水圈密封。在機(jī)體右側(cè)面有檢查窗口，為拆裝活塞連桿和檢視曲軸連桿機(jī)構(gòu)及軸承。機(jī)體上平面除了氣缸孔和氣門推桿孔外，還有一個(gè)通向氣缸搖臂軸的潤滑油孔及以下與氣缸蓋相同的冷卻水孔。機(jī)體的前端有正時(shí)齒輪室，齒輪

7、室內(nèi)裝傳動(dòng)齒輪，后端為飛輪蓋和蓋板，左側(cè)中間裝有配氣凸輪軸。機(jī)體的拱門上有主軸承座，軸承蓋同螺栓緊固在軸承座上，曲軸后部有甩油盤，飛輪殼。機(jī)體與氣缸蓋用雙頭螺栓固緊，各缸套凸肩高出機(jī)體平面的高度應(yīng)一致，高低相差控制在毫米以內(nèi)。油底用鑄鐵制成，側(cè)面插有油標(biāo)尺，便于檢查油面的高度。氣缸蓋裝于氣缸體上部，用于密封，材料為灰鑄鐵。氣缸蓋上裝有噴油器，進(jìn)排氣管，搖臂軸總成等，氣缸蓋內(nèi)部還有進(jìn)排氣道，冷卻水道，機(jī)油道。3）主要系統(tǒng)分析a) 燃燒系統(tǒng)2100T型柴油機(jī)燃燒室是深坑形燃燒室，這樣燃燒室是不與冷卻水直接接觸的，可以減少散熱損失，燃燒室布置時(shí)本要求與噴油嘴以及氣缸在同一中心線上，這樣對(duì)稱布置使熱氣

8、流都均勻，為使氣缸蓋中冷卻水道易于布置，噴油嘴傾斜150250。這樣，利于組織進(jìn)氣渦流，形成擠流，對(duì)噴霧質(zhì)量的要求不會(huì)太高，利于混合氣形成和燃燒。深坑形燃燒室對(duì)燃油系統(tǒng)要求降低，并且，由于利用進(jìn)氣渦流加強(qiáng)混合氣形成，使空氣利用率大大提高，此外，還可以保持燃油率低及起動(dòng)容易的優(yōu)點(diǎn)。b) 燃料供應(yīng)系統(tǒng)柴油機(jī)燃料供應(yīng)系統(tǒng)包括油泵、柴油濾清器、輸油泵、柴油細(xì)濾器、噴油泵和燃燒室等。柴油由油泵首先進(jìn)入沉流杯，柴油中的水及其基本機(jī)械雜質(zhì)沉積于杯中，較清潔的柴油經(jīng)管道流向柴油濾清器。同時(shí)設(shè)有兩級(jí)濾清器，分別濾除大小顆粒不同的雜質(zhì)。經(jīng)過濾清的柴油由輸油泵壓入噴油泵內(nèi)。輸油泵的作用是提高泵油的壓力，以克服流動(dòng)阻

9、力，定時(shí)定量的向噴油泵供油，輸油泵裝在噴油泵上，利用噴油泵凸輪軸上的偏心推動(dòng)壓油。柴油進(jìn)入油泵后，一部分通過柱塞的壓縮使油壓提高，高壓油按各缸工作次序流向各缸噴油器，然后噴入燃燒室進(jìn)行燃燒，多余的柴油則經(jīng)回油管流回柴油濾清器。c) 潤滑系統(tǒng)2100T型柴油機(jī)的潤滑系統(tǒng)為濕式曲軸箱，壓力循環(huán)與飛濺復(fù)合供油式。油底殼內(nèi)的機(jī)油經(jīng)過吸濾器的濾網(wǎng)被機(jī)油泵吸入，再壓送至機(jī)油濾清器，經(jīng)過濾清的機(jī)油被送入機(jī)體內(nèi)的主油道。機(jī)油由此分為兩路：一路通至各主軸承，并經(jīng)過曲軸內(nèi)側(cè)的油孔到達(dá)曲柄銷，主軸承上還有油孔與各凸輪軸軸承孔向通。凸輪軸后軸承并有一經(jīng)過機(jī)體與氣缸蓋到達(dá)搖臂軸內(nèi)的油孔，另一路經(jīng)過惰輪軸和惰輪軸輻板流出

10、，潤滑惰輪軸及傳動(dòng)齒輪。即曲軸、連桿大頭、凸輪軸、搖臂等軸承與傳動(dòng)齒輪均為壓力潤滑；而氣缸套與活塞、連桿襯套及活塞銷、凸輪表面等處則為飛濺潤滑。噴油泵與減速器單獨(dú)成一系統(tǒng)，另外加油潤滑。機(jī)體側(cè)蓋板上備有加油口及油游標(biāo)尺，供加油及測量油量用。潤滑系統(tǒng)主要由機(jī)油泵、機(jī)油濾清器及機(jī)油吸濾器等組成。機(jī)油濾清器為全流壓力繞線式濾芯，而機(jī)油吸濾器為網(wǎng)式粗濾器，安裝在油底殼內(nèi)。d) 冷卻系統(tǒng)2100T型柴油機(jī)的冷卻介質(zhì)是水，即水冷系統(tǒng)且為強(qiáng)制冷卻。水冷系統(tǒng)是由散熱器、空氣-蒸汽閥、風(fēng)扇、水泵等部件組成。利用裝在水流通路內(nèi)的水泵，向內(nèi)燃機(jī)壓力供水，強(qiáng)制冷卻。水在內(nèi)燃機(jī)中循環(huán)流動(dòng)，具有一定壓力的冷卻水由水泵的出

11、水口通過分水管進(jìn)入氣缸體內(nèi)水套，冷卻了高溫零件后的熱水經(jīng)過節(jié)溫器和回水管流入上水箱，熱水在流經(jīng)散熱器時(shí)，它的熱量散入空氣，溫度降低，低溫的水進(jìn)入下水箱后，在水泵的作用下再去冷卻內(nèi)燃機(jī)的高溫零件。風(fēng)扇用來增加流經(jīng)散熱器芯部空氣的流量，以提高散熱器的散熱效率。利用裝在散熱器水管中的節(jié)溫器調(diào)節(jié)流經(jīng)散熱器芯部的熱水量，以調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度，氣缸體中的分水管用來使多缸內(nèi)燃機(jī)多個(gè)氣缸散熱均勻的冷卻，在分水管縱向位置開有大小不同的出水口，離水泵越近，出口面積越大，多個(gè)氣缸的冷卻強(qiáng)度就越均勻。此外，為控制冷卻水強(qiáng)度，在出水處裝有計(jì)溫計(jì)。1. 2100T柴油機(jī)GT-power建模其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表氣缸數(shù)2沖程數(shù)4活

12、塞行程120mm進(jìn)氣門直徑44mm壓縮比16缸徑100mm連桿長度200mm排氣門直徑40mm根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)建模圖如下2. 參數(shù)優(yōu)化計(jì)算及分析對(duì)上述柴油機(jī)模型，額定轉(zhuǎn)速2000r/min。設(shè)定23個(gè)case，轉(zhuǎn)速由600r/min以100r/min的幅度增加至2800/min。對(duì)該工作過程進(jìn)行模擬計(jì)算，研究一些重要參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能影響的變化規(guī)律，繪出速度特性曲線圖，并對(duì)結(jié)果做了相應(yīng)的分析。1）壓縮比對(duì)柴油機(jī)性能的影響壓縮比=12,14,15,16,17,18,19,20得到柴油機(jī)的速度特性曲線有效燃油消耗率vs轉(zhuǎn)速有效轉(zhuǎn)矩vs轉(zhuǎn)速有效功率vs轉(zhuǎn)速有效熱效率vs轉(zhuǎn)速缸內(nèi)最大壓力vs轉(zhuǎn)速n=2000

13、r/min，不同壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響壓縮比1214151617181920比油耗/g/()有效轉(zhuǎn)矩/()有效功率/kw有效熱效率/%最大缸壓力/bar結(jié)果分析：壓縮比增大，壓縮終點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)壓力和溫度升高，縮短了滯燃期，改善了燃燒過程。換氣過程的完善性直接影響著柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性，壓縮比適當(dāng)增大，壓縮余隙減小，充氣效率提高，殘余廢氣系數(shù)較小，換氣質(zhì)量好，有利于燃燒。但壓縮比過大,則不僅使柴油機(jī)工作粗暴、出功減少、經(jīng)濟(jì)性下降外,還使活塞連桿組、曲軸等機(jī)件受力劇增。綜合考慮=15，柴油機(jī)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性最好。2）噴油提前角對(duì)柴油機(jī)性能的影響噴油提前角= -5,-10,-13,-15,-17

14、,-20比油耗vs轉(zhuǎn)速有效轉(zhuǎn)矩vs轉(zhuǎn)速有效功率vs轉(zhuǎn)速有效熱效率vs轉(zhuǎn)速最大缸壓力vs轉(zhuǎn)速n=2000r/min，不同噴油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響噴油提前角/°-5-10-13-15-17-20比油耗/g/()有效轉(zhuǎn)矩/()有效功率/kw有效熱效率/%最大缸壓力/bar結(jié)果分析：點(diǎn)火提前角過大或過小都會(huì)影響柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性。噴油提前角過大，噴油提前，導(dǎo)致燃燒過早地發(fā)生在上止點(diǎn)之前，使缸內(nèi)壓力急劇上升，增加壓縮負(fù)功及功率的消耗。噴油提前角過小，則使燃燒發(fā)生在下行期，柴油機(jī)的后燃嚴(yán)重油耗增加。綜合考慮，噴油提前角= -15°，柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性最好。3）排氣門配氣相位對(duì)

15、柴油機(jī)性能的影響排氣門配氣相位角=122°,124°,126°,128°,130°比油耗vs轉(zhuǎn)速有效轉(zhuǎn)矩vs轉(zhuǎn)速有效功率vs轉(zhuǎn)速有效熱效率vs轉(zhuǎn)速最大缸壓力vs轉(zhuǎn)速n=2000r/min，不同排氣門配氣相位角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)氣門配氣相位角/°122124126128130比油耗/g/()271.47269.02267.915267.92268.77有效轉(zhuǎn)矩/()84.4285.1985.54385.54185.27有效功率/kw17.6817.8417.91517.91617.86有效熱效率/%30.8431.1231.2531.

16、2531.15最大缸壓力/bar108.523108.932109.17109.26109.27結(jié)果分析：排氣門早開始為了使排氣沖程開始時(shí)，氣門已有較大的開啟角度，便于廢氣排出，并降低排氣消耗功能，但開起過早，氣體尚未完全膨脹即被排除氣缸，將使膨脹功能減小而降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率。但其門開啟過晚，導(dǎo)致排氣不充分缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增加，排氣功增加，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性。綜合考慮排氣門配氣相位角=128°,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性最好。3. 2100T柴油機(jī)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比油耗vs轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩vs轉(zhuǎn)速功率vs轉(zhuǎn)速有效熱效率vs轉(zhuǎn)速優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比優(yōu)化前優(yōu)化后提升比油耗/g/()267.925.75%有效轉(zhuǎn)矩/()85.546.10%有效功率/kw17.926.08%有效熱效率/%6.11%由上圖可以看出，選擇優(yōu)化參數(shù)組合壓縮比15、噴油提前角