2100T整機優(yōu)化設(shè)計說明書

...wd......wd......wd...內(nèi)燃機設(shè)計與優(yōu)化課程設(shè)計說明書學院求是學部專業(yè)熱能與動力工程年級2010級姓名徐露學號30102181542014年3月25日2100T柴油機主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化摘要：為了研究柴油機構(gòu)造參數(shù)和運行參數(shù)對整機性能的影響，用發(fā)動機工作過程仿真軟件GT-power對2100T柴油機進展了建模和模擬計算。改變壓縮比、噴油提前角及配氣相位等參數(shù)，比擬了不同參數(shù)下發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、功率、油耗、缸內(nèi)燃氣最高壓力等性能參數(shù)，選定了最優(yōu)化的參數(shù)組合。利用優(yōu)化后的參數(shù)再次進展工作過程仿真，通過比照其整機性能參數(shù)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的柴油機動力性、經(jīng)濟性均有所提高。關(guān)鍵詞：柴油機性能；優(yōu)化設(shè)計；GT-power；壓縮比；配氣相位、噴油提前角2100T柴油機簡介2100T柴油機為我國70年代左右的產(chǎn)品。該柴油機是100系列的柴油機之一，為立式水冷四沖程柴油機。具有工作可靠性能好，構(gòu)造緊湊，經(jīng)濟指標低，壽命長，使用方便等特點。移動式，可做拖拉機動力。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/kw.h；1〕外形布置特點2100T型柴油機構(gòu)造緊湊，外廓尺寸不大。其外形布置的特別之處主要在于進排氣門的兩側(cè)布置和供油系統(tǒng)和電啟動系統(tǒng)的分開布置。2100T型柴油機為頂置式氣門機構(gòu)。與側(cè)置式相比，構(gòu)造較為復(fù)雜，零件數(shù)目較多，在高速往復(fù)運動中，使震動和噪聲增加，可靠性降低。但在高壓縮比的柴油機中，側(cè)置式氣門布置在構(gòu)造上難以實現(xiàn)，必須采用頂置式。2〕主要零部件構(gòu)造特點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。2100T柴油機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?；钊h(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)外表鍍高性能覆蓋層，其余氣環(huán)外表一般鍍錫或進展磷化、硫化處理，使環(huán)外表更易于氣缸磨合。2100T型柴油機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。連桿的材料采用40或45號鋼，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。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。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度和剛度。連桿大頭采用斜切口，便于裝拆是將大頭從氣缸中抽出。在2100T型柴油機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。曲軸飛輪組曲軸飛輪組是由曲軸、飛輪、齒圈、曲軸正時齒輪、三角皮帶輪組成。曲軸主軸頸與連桿軸頸之間有潤滑油孔相通。2100T型柴油機的飛輪直徑為Ф440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局部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。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。配氣正時傳動機構(gòu)配氣機構(gòu)包括氣缸蓋總成中的氣門和氣門驅(qū)動機構(gòu)，還包括齒輪軸、正時齒輪、空氣濾清器、進排氣管及消音器。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)動進、排氣門，控制進、排氣門得開閉時間。正時齒輪凸輪軸和噴油泵均由曲軸前端的正時齒輪經(jīng)過中間惰輪驅(qū)動。機油泵則由曲軸正時齒輪通過其下過機油泵上的中間齒輪驅(qū)動。氣門進氣門工作溫度低，一般采用合金鋼。排氣門則用耐熱合金鋼如4CrSi2等。齒輪傳動系齒輪傳動系有曲軸驅(qū)動主動輪，通過惰輪帶動齒輪軸正時齒輪和機油泵齒輪，以控制配氣定時和供油。正時齒輪要求加工精度高，一般用45鋼制造。機體組機體內(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體缸孔的肩胛上，下部以兩只橡膠做的防水圈密封。在機體右側(cè)面有檢查窗口，為拆裝活塞連桿和檢視曲軸連桿機構(gòu)及軸承。機體上平面除了氣缸孔和氣門推桿孔外，還有一個通向氣缸搖臂軸的潤滑油孔及以下與氣缸蓋一樣的冷卻水孔。機體的前端有正時齒輪室，齒輪室內(nèi)裝傳動齒輪，后端為飛輪蓋和蓋板，左側(cè)中間裝有配氣凸輪軸。機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。機體與氣缸蓋用雙頭螺栓固緊，各缸套凸肩高出機體平面的高度應(yīng)一致，上下相差控制在0.05毫米以內(nèi)。油底用鑄鐵制成，側(cè)面插有油標尺，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，進排氣管，搖臂軸總成等，氣缸蓋內(nèi)部還有進排氣道，冷卻水道，機油道。3〕主要系統(tǒng)分析燃燒系統(tǒng)2100T型柴油機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，燃燒室布置時本要求與噴油嘴以及氣缸在同一中心線上，這樣對稱布置使熱氣流都均勻，為使氣缸蓋中冷卻水道易于布置，噴油嘴傾斜150～250。這樣，利于組織進氣渦流，形成擠流，對噴霧質(zhì)量的要求不會太高，利于混合氣形成和燃燒。深坑形燃燒室對燃油系統(tǒng)要求降低，并且，由于利用進氣渦流加強混合氣形成，使空氣利用率大大提高，此外，還可以保持燃油率低及起動容易的優(yōu)點。燃料供給系統(tǒng)柴油機燃料供給系統(tǒng)包括油泵、柴油濾清器、輸油泵、柴油細濾器、噴油泵和燃燒室等。柴油由油泵首先進入沉流杯，柴油中的水及其根本機械雜質(zhì)沉積于杯中，較清潔的柴油經(jīng)管道流向柴油濾清器。同時設(shè)有兩級濾清器，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，以抑制流動阻力，定時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壓油。柴油進入油泵后，一局部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，然后噴入燃燒室進展燃燒，多余的柴油則經(jīng)回油管流回柴油濾清器。潤滑系統(tǒng)2100T型柴油機的潤滑系統(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)的機油經(jīng)過吸濾器的濾網(wǎng)被機油泵吸入，再壓送至機油濾清器，經(jīng)過濾清的機油被送入機體內(nèi)的主油道。機油由此分為兩路：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)過機體與氣缸蓋到達搖臂軸內(nèi)的油孔，另一路經(jīng)過惰輪軸和惰輪軸輻板流出，潤滑惰輪軸及傳動齒輪。即曲軸、連桿大頭、凸輪軸、搖臂等軸承與傳動齒輪均為壓力潤滑；而氣缸套與活塞、連桿襯套及活塞銷、凸輪外表等處則為飛濺潤滑。噴油泵與減速器單獨成一系統(tǒng)，另外加油潤滑。機體側(cè)蓋板上備有加油口及油游標尺，供加油及測量油量用。潤滑系統(tǒng)主要由機油泵、機油濾清器及機油吸濾器等組成。機油濾清器為全流壓力繞線式濾芯，而機油吸濾器為網(wǎng)式粗濾器，安裝在油底殼內(nèi)。冷卻系統(tǒng)2100T型柴油機的冷卻介質(zhì)是水，即水冷系統(tǒng)且為強制冷卻。水冷系統(tǒng)是由散熱器、空氣-蒸汽閥、風扇、水泵等部件組成。利用裝在水流通路內(nèi)的水泵，向內(nèi)燃機壓力供水，強制冷卻。水在內(nèi)燃機中循環(huán)流動，具有一定壓力的冷卻水由水泵的出水口通過分水管進入氣缸體內(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，它的熱量散入空氣，溫度降低，低溫的水進入下水箱后，在水泵的作用下再去冷卻內(nèi)燃機的高溫零件。風扇用來增加流經(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)冷卻強度，氣缸體中的分水管用來使多缸內(nèi)燃機多個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，多個氣缸的冷卻強度就越均勻。此外，為控制冷卻水強度，在出水處裝有計溫計。2100T柴油機GT-power建模其根本構(gòu)造參數(shù)如下表氣缸數(shù)2沖程數(shù)4活塞行程120mm進氣門直徑44mm壓縮比16缸徑100mm連桿長度200mm排氣門直徑40mm根據(jù)構(gòu)造參數(shù)建模圖如下參數(shù)優(yōu)化計算及分析對上述柴油機模型，額定轉(zhuǎn)速2000r/min。設(shè)定23個case，轉(zhuǎn)速由600r/min以100r/min的幅度增加至2800/min。對該工作過程進展模擬計算，研究一些重要參數(shù)對柴油機性能影響的變化規(guī)律，繪出速度特性曲線圖，并對結(jié)果做了相應(yīng)的分析。1〕壓縮比對柴油機性能的影響壓縮比ε=12,14,15,16,17,18,19,20得到柴油機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=2000r/min，不同壓縮比對發(fā)動機性能的影響壓縮比ε1214151617181920比油耗/g/(kw.h)272.24268.63267.98267.92268.28269.08270.33271.93有效轉(zhuǎn)矩/(N.m)84.1885.3285.5285.5485.4385.1784.7884.28有效功率/kw17.6317.8717.9217.9117.8917.8417.7617.65有效熱效率/%30.7531.1631.2431.2531.2131.1130.9730.79最大缸壓力/bar74.1591.16100.05109.17118.52128.09137.87147.85結(jié)果分析：壓縮比增大，壓縮終點時缸內(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的動力性、經(jīng)濟性、排放性，壓縮比適當增大，壓縮余隙減小，充氣效率提高，剩余廢氣系數(shù)較小，換氣質(zhì)量好，有利于燃燒。但壓縮比過大,則不僅使柴油機工作粗暴、出功減少、經(jīng)濟性下降外,還使活塞連桿組、曲軸等機件受力劇增。綜合考慮ε=15，柴油機動力性經(jīng)濟性最好。2〕噴油提前角對柴油機性能的影響噴油提前角θ=-5,-10,-13,-15,-17,-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，不同噴油提前角對發(fā)動機性能的影響噴油提前角/°-5-10-13-15-17-20比油耗/g/(kw.h)267.92275.00253.73252.95253.11255.25有效轉(zhuǎn)矩/(N.m)85.5489.1890.3190.6190.5589.79有效功率/kw17.9218.6818.9118.9818.9618.80有效熱效率/%31.2532.5832.9933.1033.0832.80最大缸壓力/bar109.17115.56121.68126.42131.36138.88結(jié)果分析：點火提前角過大或過小都會影響柴油機動力性、經(jīng)濟性。噴油提前角過大，噴油提前，導(dǎo)致燃燒過早地發(fā)生在上止點之前，使缸內(nèi)壓力急劇上升，增加壓縮負功及功率的消耗。噴油提前角過小，則使燃燒發(fā)生在下行期，柴油機的后燃嚴重油耗增加。綜合考慮，噴油提前角θ=-15°，柴油機的動力性、經(jīng)濟性最好。3〕排氣門配氣相位對柴油機性能的影響排氣門配氣相位角γ=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發(fā)動機性能的影響進氣門配氣相位角/°122124126128130比油耗/g/(kw.h)271.47269.02267.915267.92268.77有效轉(zhuǎn)矩/(N.m)84.4285.1985.54385.54185.27有效功率/kw17.6817.8417.91517.91617.86有效熱效率/%30.8431.1231.2531.2531.15最大缸壓力/bar108.523108.932109.17109.26109.27結(jié)果分析：排氣門早開場為了使排氣沖程開場時，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)動機功率。但其門開啟過晚，導(dǎo)致排氣不充分缸內(nèi)剩余廢氣系數(shù)增加，排氣功增加，影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性。綜合考慮排氣門配氣相位角γ=128°,發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性最好。2100T柴油機參數(shù)優(yōu)化前后比照油耗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)動機性能比照優(yōu)化前優(yōu)化后提升比油耗/g/(kw.h)267.92353.515.75%有效轉(zhuǎn)矩/(N.m)85.5490.766.10%有效功率/kw17.9219.016.08%有效熱效率/%31.2533.166.11