中图分类号：
学校代码：10004
UDC：
北京交通大学
硕士学位论文
高强化柴油机性能优化及可调涡轮增压系统匹配的仿真研究
Simulation on Performance Optimization and Matching of Variable Geometry Turbocharger for Highly-intensified Diesel Engine
作者姓名：芮鹏学号：04121296
导师姓名：李国岫职称：教授
学位类别：工学学位级别：硕士
学科专业：动力机械及工程研究方向：内燃机燃烧与排放
北京交通大学
2007年5月
致谢
本论文的工作是在我的导师李国岫教授的悉心指导下完成的，李国岫教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年多来李国岫老师对我的关心和指导。导师李国岫教授渊博的知识、开阔的视野、新颖的思路、洞察分析问题的能力、对事业的追求和科学的治学态度，给我留下了深刻的印象。两年多的学习和工作使我的专业知识和科研能力得到了很大的丰富和提高，为今后从事科研工作奠定了坚实的基础。
在撰写论文期间，姚宝锋、虞育松、张艳、刘斌彬、郑亚银等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。
另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。
最后衷心感谢在百忙中评审本论文的诸位专家。
摘要
随着世界范围内石油资源的日益匮乏和需求者要求的日益提高，世界各大柴油机生产厂商都在不断改进自己的产品以满足下一代交通工具对柴油机功率密度和功率质量比的要求。目前国内设计生产的高强化柴油机在升功率、油耗和可靠性方面与国外同类机型还有较大差距。本文以国外某型高强化柴油机为研究对象，进行了该高强化柴油机性能的仿真研究与分析，并开展了高强化柴油机与可调涡轮增压系统匹配的研究。
本文首先针对柴油机各物理子系统进行了数学描述，建立了高强化柴油机工作过程的数学模型，采用一维不定常流描述进排气系统的气体流动。
应用 GT-POWER软件全面建立了高强化柴油机的工作过程仿真计算模型，通过仿真结果和试验数据的比较，验证了仿真模型的可信性。在此基础上进行了该高强化柴油机标定工况的工作过程仿真计算，对其标定工况下的主要性能指标进行了预测分析。
针对该高强化柴油机主要运行参数和结构参数进行了优化研究。在确定了相关优化变量和约束条件后，应用GT-POWER自带的优化工具建立了以标定工况下柴油机动力性最优为目标的高强化柴油机性能优化的仿真模型，计算结果表明：经过参数优化后，该柴油机性能进一步提升。
针对高强化柴油机的性能要求，进行了高强化柴油机高增压系统的方案论证，确定了该高强化柴油机采用单级高压比可调涡轮增压系统。应用可调涡轮增压系统的仿真计算模型，研究了可调涡轮增压系统与高强化柴油机的稳态匹配规律。通过仿真计算，分析和总结了可调叶片位置对柴油机性能的影响规律，建立了高强化柴油机与可调涡轮增压系统的联合运行线。在此基础上，获得了全工况下可调涡轮增压系统的叶片位置脉谱。
关键词：高强化柴油机； GT-POWER；仿真研究；性能优化；可调涡轮增压；匹配
分类
ABSTRACT
Along with the increasingly lack of energy sources and the increasingly strict requirement of the customer, the famous diesel engine manufacturers persist in improving their products in terms of power-to-weight and power-to-volume for designing the next vehicle. But at present, the domestic design and manufacture of highly-intensified diesel engine has more difference with the same as oversea ones in the terms of power, specific fuel consumption and reliability. In this paper, the simulation study of performance of highly-intensified engine is conducted, and the research on the match principles between highly-intensified engine and variable geometry turbocharger is investigated.
In this dissertation, firstly, mathematics description of physical subsystem in diesel engine is developed. Furthermore, a mathematics model for highly-intensified diesel engine is established. At the same time one-dimension unsteady flow equations presented for gas flow characters in intake and exhaust systems have been used.
Referred to the related literatures and based on over-all structural analysis of domestic highly-intensified engines, the thermodynamics simulation model of highly-intensified engine by GT-POWER is established and necessary parameters are estimated. The results show that the calculated values agree well with tested values. So it is proved that the simulation model is credible, and on the basis of model, the simulation of rated condition is conducted, and main performance is predicted. For further improving the performance, it is necessary to optimize operating and configuration parameters. After confirming constraint and parameters, an optimization model aim to obtain maximum power in rated condition is set up. The computation results indicate that the effect on optimization is satisfying.
According to the performance demand, the scheme argumentation of supercharging system has been carried out. Single-stage variable geometry turbocharger is decided to adopt in the highly-intensified engine. With the simulation computation model of variable geometry turbocharger, the matching principles between variable geometry turbocharger and highly-intensified engine have been investigated and analyzed in this paper. By means of simulation, the influence of the rack position on performances of the engine is analyzed and summarized. The combination operating curve variable geometry turbocharger and highly-intensified
engine is established. On the basis of study mentioned above, the MAP of rack position in all operating conditions is obtained.
KEYWORDS：Highly-intensified diesel engine, GT-POWER, Simulation , Performance optimization, Variable Geometry turbocharging, Match
CLASSNO：
目录
摘要................................................................................................................................III ABSTRACT..................................................................................................................IV 1 绪论. (1)
1.1 选题的背景和意义 (1)
1.2 国内、外研究现状 (2)
1.2.1 国外先进高强化柴油机研究现状 (2)
1.2.2 柴油机与高增压系统匹配研究现状 (3)
1.3 本课题的研究工作 (5)
2 高强化柴油机工作过程的物理数学模型 (6)
2.1增压中冷柴油机的物理模型 (6)
2.2气缸内的工作过程数学模型的建立 (7)
2.2.1 基本假设 (7)
2.2.2 气缸内热力过程的基本微分方程 (7)
2.2.3 缸内燃烧过程的数学描述 (9)
2.2.4 进排气阀的流量计算 (11)
2.3 进排气系统的数学模型 (12)
2.3.1 一维非定常流模拟计算 (12)
2.3.2 有限容积法计算模型 (13)
2.3.3 中冷器参数的计算 (15)
2.4 废气涡轮增压器的数学模型 (16)
2.4.1 涡轮增压器的能量传递分析 (16)
2.4.2 压气机特性参数计算 (16)
2.4.3 涡轮特性参数计算 (18)
2.5本章小结 (19)
3 高强化柴油机工作过程的仿真计算分析 (20)
3.1 概述 (20)
3.2发动机工作过程仿真软件简介 (20)
3.3高强化柴油机工作过程仿真模型的建立 (21)
3.3.1 主要技术参数的选取 (21)
3.3.2 工作过程仿真模型的建立 (21)
3.3.3 模型的参数设置 (23)
3.3.4 参数估算 (24)
3.3.5 计算模型的主要输入参数表 (26)
3.4 高强化柴油机仿真计算模型的验证 (29)
3.5 高强化柴油机性能预测分析 (30)
3.6 本章小结 (34)
4 高强化柴油机性能优化的仿真研究 (35)
4.1 概述 (35)
4.2 性能优化的数学模型 (35)
4.2.1 设计变量 (35)
4.2.2 目标函数 (36)
4.2.3 约束条件 (36)
4.2.4 最优化数学模型 (36)
4.3 最优化的计算方法 (37)
4.4 主要结构参数和运行参数的优化 (38)
4.4.1 压缩比和喷油定时对柴油机性能的影响 (38)
4.4.2 喷油定时和压缩比联合优化 (40)
4.4.3 配气相位的优化 (41)
4.4.4 压缩比、喷油定时和进排气凸轮定时的四变量联合寻优 (42)
4.5 进气系统的结构参数的优化 (44)
4.5.1 进气歧管直径和管长的优化 (44)
4.5.2 压气机到中冷器之间管路管径和管长的优化 (45)
4.5.3 进气稳压腔容积的优化 (46)
4.6 排气系统结构参数的优化 (46)
4.7 优化前后柴油机性能对比分析 (48)
4.8 本章小结 (48)
5 高强化柴油机可调增压系统匹配研究 (50)
5.1高强化柴油机高增压系统选型论证 (50)
5.1.1 方案一：高工况放气系统 (50)
5.1.2 方案二：低工况进排气旁通系统 (51)
5.1.3 方案三：增压转换系统 (51)
5.1.4 方案四：可调涡轮增压系统 (51)
5.2可调涡轮增压系统与高强化柴油机匹配的特点及要求 (52)
5.2.1 压气机和柴油机的匹配 (53)
5.2.2 涡轮和柴油机的匹配 (53)
5.2.3 可调涡轮和压气机的匹配 (54)
5.3 基于仿真模型的可调涡轮增压系统稳态匹配规律分析 (54)
5.3.1 可调涡轮增压系统匹配稳态工况模拟方法 (54)
5.3.2 可调涡轮增压系统对增压压力和空气流量的调节效果 (55)
5.3.3 可调叶片位置对高强化柴油机的动力性、经济性的影响 (57)
5.3.4 可调涡轮增压系统与高强化柴油机匹配性能分析 (60)
5.3.5 全工况可调叶片位置脉谱的确定 (61)
5.4 本章小结 (62)
6 全文总结及工作展望 (63)
6.1 全文总结 (63)
6.2 工作展望 (64)
参考文献 (65)
作者简历 (67)
独创性声明 (68)
1 绪论
1 绪论
1.1 选题的背景和意义
随着科学技术的发展，高强化柴油机朝着高速、轻型、大功率的方向发展，各国对高强化柴油机的研究更加深入，对工作性能指标的要求也越来越高。高强化柴油机在军用、民用两方面都有一定的市场，但是其要求的技术难度大，现有的国产强化机型都难以满足各项技术指标要求。可以说，我国高速高强化柴油机一直是一个比较薄弱的环节，因此进行高强化柴油机的研究具有重要的现实意义。
柴油机的总体性能指标取决于工作参数，如增压压力、空气流量、燃烧过量空气系数、排气温度、爆发压力、油耗率、涡轮增压器的转速与效率等。这些参数是相互关联的，其中一个参数改变，其他参数也会相应变化。而这些参数又取决于柴油机的设计和结构参数，如柴油机缸径、行程、压缩比、转速、循环供油量、配气相位、燃烧过程的组织、进气和排气管的结构、涡轮在增压器的结构等。结构参数的轻微变化会带来各工作参数的较大变化，从而使柴油机的性能指标发生较大地变化[1,2,4,5]。常规的工作过程计算是在对许多工作参数根据经验选定的基础上，对工作过程的几个特征点进行估计，然后求出发动机的其他工作参数和性能指标。显然这种方法的随意性较大，误差较大，已不能满足对柴油机越来越高的优化设计和控制的要求。但随着计算机技术的发展，发动机工作过程仿真计算软件为我们提供了一个快速而准确的计算工具。发动机工作过程仿真计算软件就是从发动机有关系统的物理模型出发，用微分方程对系统的工作过程进行描述，然后用数值计算方法求解所建立的数学模型，得到有关参数的变化规律，进而研究其对发动机性能的影响。
高强化柴油机实现高功率密度的核心就是采用高增压系统，以大幅度提高进气密度，在保持结构紧凑性的前提下有效提高发动机的功率。因此，高增压系统是高强化柴油机的关键技术之一，实现高强化柴油机与高增压系统的良好匹配是实现高强化柴油机高性能的重要基础，而工作过程仿真计算则可作为高速高增压柴油机设计与匹配的有效手段。
运用工作过程仿真计算软件进行高强化柴油机性能优化及可调涡轮增压系统匹配的仿真研究有如下意义[1,2,4]：
1）在柴油机制造之前，根据设计图样提供的结构参数，可以预测其性能指标。如不能满足设计要求则重新进行设计，可以缩短研制周期并提高研制的成功率。
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2）根据柴油机性能指标的设计要求，确定其主要部件的最优结构参数，可进行新型增压系统的方案设计，探索高速高增压车用发动机增压系统的设计规律等。
3）在柴油机的设计阶段，通过工作过程的仿真汁算、求得缸内示功图、最高燃烧爆发压力、最高压力升高率等、可以作为动力计算和强度计算的依据；缸内温度变化规律、最高燃烧湿度、排气温度等，可以作为热负荷计算的依据。
4)通过工作过程仿真计算可以对许多难以通过试验测取的参数进行分析，如滞燃期、燃烧持续期、燃烧放热率、泵气损失、排气管压力波等。
1.2 国内、外研究现状
1.2.1 国外先进高强化柴油机研究现状
1．德国
德国MTU公司研制的MT880系列柴油机及新型MT890系列柴油机是高强化柴油机的成功范例。MT880系列柴油机中MT883Ka-500柴油机单位体积功率可以达到880kW/m3，安装体积比豹2坦克动力MB873Ka-501减少了40%。通过采用高压共轨喷射系统、两级顺序涡轮增压和双回路冷却系统开发成功的MT883Ka-524柴油机，其功率提高到2016 kW，水上工作时单位排量功率为73.7 kW/L，成功地实现水陆两种工况的顺利转换，被选为先进两栖突击车（AAAV）的动力。
为适应新型作战平台的发展，MTU公司开发了MT890系列高强化柴油机，该系列柴油机的最高升功率可达92kW/L，单位体积功率可以达到1200－1360kW/m3。由于采用了集成化设计和高压共轨技术、高效涡轮增压技术和先进的发动机电子管理系统等经过验证的各种高新技术，使得该系列柴油机成为世界上功率最强劲、结构最紧凑的柴油机系列。该系列柴油机采用的高效涡轮增压技术主要包括压气机和涡轮均可调的增压器、顺序增压（STC）、单级压比4～5的高压比涡轮增压器、改善瞬态加速性的加气技术、单涡轮双压气机技术等。
2 美国
1982年，美国陆军装备的M2和M3战车开始选用VTA-903T柴油机作动力后，为满足车辆对发动机的高单位体积功率、高燃油经济性的要求，美国陆军坦克机动车辆局(TACOM)向康明斯发动机公司提出研制低压缩比的V903(LCR-903)发动机，目的是验证M2/M3战车动力VTA-903T从原来368kW(500马力)提高到735kW(1000马力)的技术现实性。作为提高柴油机柴油机功率措施之一的高增压技术也是这次研究的重点。研究方案分析了下列5种增压系统：
2
1 绪论
（1）两级涡轮增压系统，采用2个常规低压涡轮和可变截面压气压器。
（2）单级高压比涡轮增压系统，采用可变截面涡轮和可变截面压气机。
（3）涡轮复合系统，由可变截面高压比涡轮增压器和以固定传动比与发动机曲轴相连的低压动力涡轮组成。
（4）相似于超高增压(Hyperbar)概念的低压缩比适应系统(LCR-FLX)，由单级高压比固定截面涡轮增压器和排气管、燃烧室组成。
（5）两级进气增压系统，采用常规涡轮增压器作高压级，而低压级采用的是气波增压器(Comprex)。
康明斯公司从性能、成本、外形尺寸、可靠性和维护性等多方面的分析结果表明，涡轮复合系统具有明显的优点，决定先开始进行涡轮复合硬件研制规划。该系统由康明斯公司的子公司霍尔塞特工程公司(Holset Engineering Co.)负责设计试验。主要设计目标是在发动机标定转速、标定功率下，涡轮增压器总效率达64%。为此，除了制造并试验涡轮复合系统外，还制造试验了两级涡轮增压系统和单级高压比涡轮增压系统。
3 法国
法国研制成功的UDV8X1500超高增压柴油机1992年开始装备部队，作为法国新一代主战坦克勒克莱尔(Leclerc)的动力。V8X1500超高增压柴油机在520V8S3基础上扩大了缸径、行程，并采用了新的涡轮增压器，在保持原外形尺寸不变的条件下，平均有效压力增加为3.22MPa，比重量降低为1.54kg/kW，升功率可达66.9kW/L。该发动机采用的高增压系统的基本特征是涡轮增压器与柴油机并联连接，旁通补燃系统亦并联其中。从压气机出来的空气并不全部进入柴油机，其中一部分通过旁通和补燃形成燃气进入涡轮，这样就使涡轮增压器不受柴油机工况影响而保持在高效率区工作，增压压力可大大高于常规涡轮增压器。由于涡轮增压器可独立于柴油机工作，可以大大改善柴油机扭矩性能和加速性问题。V8X1500超高增压柴油机应用的涡轮增压器型号为TM307B型。该增压器由一级离心式压气机和二级轴流式涡轮组成。具有独立的润滑系统，有1个燃油泵(向补燃室供应燃油)和1个24V 9kW的起动电机。TM307B的空气流量为3.27kg/s，增压压力为0.795MPa，转速为4150r/min，还可以独立于主发动机进行工作以提供辅助率或作为寒冷气候条件下的辅助起动装置。
1.2.2 柴油机与高增压系统匹配研究现状
国内外著名公司和院校都非常重视发动机与高增压匹配的研究。早在1974年，
3
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麻省理工学院 Benson R.S.和Svetnicka F.V.就研究得出一种能预测两级涡轮增压柴油机匹配特性的数学方法，试验结果证明预测得到的柴油机工作点与试验测得的工作点相当接近，同时，该方法提供了一个能快速、准确的预测两级增压柴油机各个工况下所需要获得的外界进气量的计算程序[7]。HOLSET公司的Bruffell W.K等进行了高压比涡轮增压器在汽车中的应用研究[8]，他们提出一种新的涡轮增压器设计方法。试验结果显示：新型的涡轮增压器增压比有所提高，而且运行范围更加宽广，同时他们还研究了拓宽压气机运行范围的方法。
MAN、B&W以及NR公司曾联合进行了一系列关于高压比（压比达到4.5）涡轮增压系统与发动机匹配方法和技术的研究，它们把研究的重点放在如何提高增压器效率和改善涡轮增压发动机的加速特性上。MAN公司研究人员应用GT-POWER 软件和SIMULINK建立了欧Ⅳ发动机和两级增压系统计算模型[9]，计算结果显示：通过控制两级增压系统中的废气调节阀能满足发动机在整个运行工况范围内与增压系统的匹配需要。经过匹配试验证，该模型的计算结果相当精确。
密歇根大学汽车研究中心研究了可调涡轮增压系统对发动机以及整车瞬态响应性的影响[10]，研究中通过人造神经网络控制可调涡轮增压器各个喷嘴环位置。试验结果表明，由于使用了可调涡轮增压器，明显改善了发动机以及整车的瞬态响应性能，但是必须对喷油系统重新进行更为精确的标定用以消除加速工况下空然比的急剧变化。
中科院工程热物理所、清华大学、燃气涡轮研究所通过可变喷嘴涡轮增压器与发动机的匹配试验测得增压压力和排气压力值，结合发动机的结构参数，计算了发动机的流通特性，建立了可变喷嘴增压器与发动机的联合工作曲线[11]。对联合工作曲线的分析表明设计的可变喷嘴涡轮增压器与发动机匹配良好，不会出现喘振和阻塞。
上海交通大学进行了可变喷嘴增压器与增压柴油机的匹配试验研究[12],研究结果明可调涡轮在发动机的整个转速范围内与CA498Z柴油机实现良好的匹配，可调涡轮增压提高了发动机外特性的低速转矩，降低了发动机的低速烟度，扩大了发动机低油耗区的转速范围，改善了发动机的经济性。北京理工大学马朝臣教授等的理论和试验研究结果表明：采用可变涡轮增压系统和在两级增压系统中加装废气调节阀是改善发动机与高增压系统匹配性能较为理想的手段[13]。
第一汽车集团技术中心的郑广勇等应用GT-POWER软件对重型卡车用柴油发动机进行可变涡轮增压器和两级涡轮增压器的匹配[14]，对两种增压方式进行了对比分析。计算结果显示：可变增压器对进气量的可控范围要宽的多，使涡轮在整个发动机转速范围内都能有效工作，从而在保证低速空燃比的同时取得较好的经济性。而两级增压的优点体现在发动机低转速范围，通过两次增压可以达到很高
4
1 绪论
的空燃比，同时改善发动机低速换气过程，使低速油耗也有降低。
1.3 本课题的研究工作
本课题的主要研究内容如下：
(1) 通过分析高强化柴油机各物理系统组成及其相互关系，对柴油机各物理子系统进行了数学描述，建立了高强化柴油机工作过程的数学模型，并确定以韦伯燃烧放热规律模型和Woschni传热计算公式描述缸内热力过程，同时采用一维不定常流描述进排气系统的气体流动。
(2) 应用发动机工作过程仿真计算软件GT-POWER，以国外某型柴油机为研究对象，建立了该高强化柴油机的工作过程仿真计算模型，确定柴油机各子系统的主要输入参数。通过对该高强化柴油机标定工况进行仿真计算，预测柴油机在标定工况的主要性能指标，并对气缸压力、温度、放热率及缸内气体质量等随发动机曲轴转角之间的变化规律进行分析。
(3) 以提高柴油机标定工况下的功率为主要目标，分析柴油机的主要设计参数对柴油机性能的影响规律，建立高强化柴油机性能优化的数学模型，对主要运行参数（喷油定时、配气相位等）和结构参数（压缩比、进排气系统的结构参数等）进行优化。
(4) 针对该高强化柴油机的性能要求，进行高增压系统的方案选型。对可调涡轮增压系统进行仿真建模，进行基于仿真模型的高强化柴油机与可调涡轮增压系统稳态匹配规律分析，主要研究可调叶片位置对柴油机增压压力和空气流量的调节效果，建立高强化柴油机与可调涡轮增压系统的联合运行线，分析匹配规律。
(5) 运用可调涡轮增压系统仿真模型，研究可调叶片位置对柴油机空气流量和增压比的调节效果，进而研究不同负荷不同转速下，可调叶片位置对该高强化柴油机动力性、经济性的影响，在此基础上确定全工况的可调叶片位置脉谱。
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2 高强化柴油机工作过程的物理数学模型
2.1增压中冷柴油机的物理模型
在涡轮增压中冷柴油机工作过程模拟计算时,先把涡轮增压柴油机的计算模型划分为几个独立的热力平衡的系统，系统内各个部位的气体压力、温度和成分都是均匀的，即处于瞬时热力平衡状态；系统和系统之间通过热量与质量的传递相互联系[2]。一般可划分为以下几个热力系统：
1. 气缸
主要由气缸盖、气缸套、活塞顶等壁面构成的空间。新鲜充量经过进气系统流入气缸，废气由气缸流入排气系统。气缸在压缩、膨胀作功过程中与外界进行功量交换。一般假定柴油机气缸中每一瞬时气体的压力、温度和成分是均匀的。
2. 排气系统
主要由排气歧管、排气总管以及涡轮出口到外界环境之间的排气管。排气管的计算有两种方法即容积法和特征线法。容积法忽略沿管长方向的排气管压力波的传播，认为每一瞬时整个排气管系统内压力和温度均匀，不随空间位置的变化而变化，只随曲轴转角的变化而变化；特征线法则认为每一瞬时排气管内的压力和温度沿排气管长度方向是不均匀的，计算过程比较复杂。
3. 涡轮增压系统
主要由压气机和废气涡轮组成。这个子系统是基于下列假设条件确立的：每一工作循环中废气涡轮输出功正好等于压气机消耗功；流过废气涡轮的燃气流量等于流过压气机的空气流量与燃料流量之和；压气机和废气涡轮转速相等，且在一个循环内转速保持不变[4,5]。
4.中冷器
对于所研究的废气涡轮增压柴油机，在热力系统划分时将中冷器划分为一个子系统。中冷器从热力过程看实际上是一个节流，降温的换热器件，主要是计算空气流经中冷器时的压力损失和计算空气流过中冷器后的散热量[4]。
5. 进气系统
一般由空气滤清器、进气总管、进气歧管以及压气机到中冷器之间的管路组成。如果进气管的容积足够大，进气系统压力和温度均匀且随曲轴转角变化幅度小。但在计算还必须考虑空气滤清器和中冷器的压力损失，本文的计算模型中不
6
2 高强化柴油机工作过程的物理数学模型
7
考虑空气滤清器。
在工作过程模拟计算中，建立子系统的能量守恒方程、质量守恒方程和理想
气体状态方程，联合求解这些微分方程组，就可得到压力等热力参数的变化规律，进而计算柴油机的各项性能参数。
2.2气缸内的工作过程数学模型的建立
柴油机缸内的工作过程复杂，它是包含物理、化学、流动、传热、传质等综
合过程。为了描述气缸内工质状态变化，视气缸为一个热力系统，系统的边界由活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁面组成。系统内工质状态由压力p 、温度T 、质量m 这三个基本参数所确定，并以能量守恒方程、质量守恒方程及理想气体状态方程把整个工作过程联系起来。利用上述三个方程联合求解，解出气缸内压力p 、温度T 、质量m 三个基本参数[1,2]。
2.2.1 基本假设
柴油机缸内热力过程的热力计算时，为了使问题简化，特作如下基本假设：
(1) 缸内工质状态均匀，即同一瞬时气缸内各点的压力、温度和浓度处处相
等。并假定进气期间，通过系统边界进入气缸内的空气与缸内的残余废气实现瞬时的完全混和；
(2) 工质为理想气体，其比热、内能和焓等参数仅与气体温度及气体成分有
关；
(3) 工质流入或流出气缸内的流动过程视为准稳定流动，即在足够小的计算
步长内视为稳定流动；
(4) 工质进、出口的动能忽略不计；
(5) 把燃料燃烧释放化学能的过程，看成是外界按已知的表现放热规律向系
统内工质加热的热力学过程。
2.2.2 气缸内热力过程的基本微分方程 1．能量守恒方程
()w s e B s e dQ dm dm dQ d mu dV p h h d d d d d d ??????
=??++ (2.1) 通常情况下，缸内的比内能u 和质量m 同时发生变化，故有
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()d mu dm du u m d d d ???
=+ (2.2) 对于柴油机，内能可简化为温度和瞬时过量空气系数的函数，即(),u u T ?α=。将u 写成全微分的形式：
d du u dT u d T d d ??α??α?
??=+?? (2.3) 故式(2.2)可写成：
()()d d m u dm du dT u u m d d dT d d ??α???α?
??=++?i i (2.4) 将式(2.4)代入式(2.1)中，并注意到v u c T
?=?，则温度T 对曲轴转角?的微分方程为：
1(w s e B s e v d dQ dm dm dQ dT dV dm u p h h u m d m c d d d d d d d ??α???????α?
?=??++???i (2.5) 上述各式中p ：缸内工质压力；V ：气缸工作容积；
B Q ：燃料在气缸内燃烧放出的热量；
w Q ：通过气缸诸壁面传入或传出的热量；
s m 、e m ：流入流出气 缸的工质质量气；
s h 、e h ：进气门、排气门处工质的比焓。 2．质量守恒方程
s e B dm dm dm dm d d d d ????
=?+ (2.6) 式中B m ：喷入气缸内的瞬时燃料质量。
若已知发动机的循环喷油量(/)f g kg cyc ，气缸内燃料燃烧的百分数为：
100%B f
m X g =×，则B f dm dX g d d ??=i 燃料燃烧放出热量随?的变化率为：
B f u u dQ dX g H d d η??
=i i i (2.7) 式中 u H ：燃料低热值，对于柴油机34186810u H =×；
u η：燃烧效率，柴油机稳定运行时，一般简化计算取u η＝1。 质量守恒方程式写为：
s e f dm dm dm dX g d d d d ????
=++i (2.8) 3．理想气体状态方程
pV mRT = (2.9)
联合求解即可得到确定气缸内状态的三个参数：压力p 、温度T 、及质量m 。
2 高强化柴油机工作过程的物理数学模型
9
2.2.3 缸内燃烧过程的数学描述
1.气缸的瞬时工作容积的计算
柴油机工作过程计算中，其主要结构参数如气缸直径D ,活塞行程S ,连杆曲
柄比λ、压缩余隙容积V 、压缩比ε等均作为已知数据输入的，根据这些数据即可算得瞬时气缸工作容积随曲轴转角变化的规律[2]。
瞬时气缸工作容积为：
V ??=???
(2.10) 式中，曲轴转角从曲轴在上止点时取算起。
气缸工作容积随曲轴转角的变化率为：
dV d ???= (2.11) 式中 c s c
V V V ε+=：压缩比； 24s V D S π=：气缸工作容积。 2. 燃烧放热规律的计算[1,2,3,5] 气缸内燃料燃烧的瞬时燃烧放热率按下式确定:
B f u u dQ dX g H d d η??
=i i i (2.12) 式中 f g ：每缸的循环喷油量； /dX d ?：燃烧放热率；
X：在某一曲轴转角时，已燃烧掉的燃油质量与f g 之比。
u H ：燃料燃烧低热值。
由于柴油机的燃烧过程极为复杂，()/dX d f ??=与燃烧的物理、化学过程，
发动机的结构参数及运行参数等众多因素有关，很难用一个精确的数学方法来描述。目前常用的方法有用实测示功图计算、用半经验公式模拟两种方法。本文选用半经验公式模拟方法。
国内外比较通用的计算燃烧放热率的公式是韦伯函数。本文采用三元韦伯函
数模拟高速柴油机的燃烧放热规律，模型把整个燃烧过程分为预混合燃烧、主燃、后燃，整个燃烧放热率曲线由3条韦柏函数曲线叠加而成。即：
123X X X X =++ (2.13)
312dX dX dX dX d d d d ????
=++ (2.14) 式中：1X 、2X 、3X 分别表示预混合、主燃和后燃燃烧的燃料分数。
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模型中每一部分燃烧起始时刻相同，而且各个都有独自的燃烧持续期和燃烧指数。在实际模拟过程中主燃持续期和主燃燃料分数对放热规律的影响较大，其次是预混合燃烧燃料分数和预混合燃烧持续期。
3. 传热规律的计算[2,15]
柴油机传热率的计算是工作过程模拟的重要组成部分。一般来说，柴油机传
热过程计算包括3个部分：(1)工质与燃烧室诸壁面的传热；(2)燃烧室诸壁面内的热传导；(3)燃烧室外壁面与冷却介质之间的传热三部分。对于工作过程仿真计算来说，主要考虑第(1)部分。燃烧室诸壁面由气缸盖底面、活塞顶面和气缸套组成。根据工质对燃烧室周壁面的瞬时平均换热系数g α和壁面的平均温度w T ，可以计算出/w dQ d ?，即：
33
1
11()w wi g i wi i i dQ dQ A T T d d w α??====?∑∑i (2.15) 式中 w ：发动机角速度； g α：瞬时平均换热系数；
i A ：散热表面积； T ：气缸内工质瞬时温度；
wi T ：壁面的平均温度； 1,2,3i =：分别指气缸盖，活塞，气缸套。
GT-POWER 软件对于直喷式柴油机推荐的换热表面积为：活塞的散热面积按
气缸横截面积的1.2~1.5倍计算，缸盖的表面积近似为气缸的横截面积。对于壁面平均温度的推荐值如下：1w T ：550－600K ；2w T ：550－600K ；3w T ：400－450K 。
在计算工质和燃烧室诸壁面的瞬时换热量时，最关键是确定瞬时平均换热系
数g α。由于柴油机传热过程复杂，至今还没有得出成熟的传热公式，GT-POWER 软件选用的是Woschni 半经验公式： 0.20.80.530.812,0130[()]S cJ g m c cJ cJ
V T a D p T C C C p p p V ??=+?i i i i i i
i ，2/()W m K i (2.16) 式中 p ：缸内工质压力； T ：气缸内工质温度；D ：气缸直径；
cJ T ：压缩始点的气缸内工质压力、温度、气缸容积；
s V ：气缸容积；m C ：活塞平均速度；
,0c p ：发动机起动时缸内压力；
u C ：进气涡流速度，/m s 。 对换气期间： 1 6.180.417u m
C C C =+, 20C =； 对压缩期间： 1 2.280.308u m
C C C =+，20C =； 对燃烧和膨胀期间：1 2.280.308u m C C C =+，32 3.2410C ?=×。
2 高强化柴油机工作过程的物理数学模型
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2.2.4 进排气阀的流量计算
通过进、排气门流入或流出气缸的流动过程视为准维流动过程，即当计算步
长足够小时，一个步长内的流动过程认为是稳定流动过程。进、排气门的喉口相当于一个流通面积随时间而变化的孔板，并假定为一维等熵绝热流动。这时，在d ?曲轴转角内，流过气门的流量dm
为:
dm d ψ?= (2.17) 式中 w：发动机的角速度；μ：流量系数； F ：有效流通截面积；
ψ：流动函数； 1p ：气门前工质压力； 1v ：气门前工质比容。
1. 经进气阀流入气缸的流量变化率
进气阀处（用下标s 表示进器管状态）的流动均属于亚临界流动，进气流量
变化率为：
16s s s dm F d n
μ?=i 式中，n ：发动机转速；s μ：进气门流量系数；
s F ：进气门瞬时的几何流通截面积；
s p 、s T ：进气门前（进气管状态）工质的压力及温度；
s R 、s k ：进气门前（进气管状态）工质的气体常数及绝热指数；
p ：进气门后（气缸内）工质压力。
2. 经排气阀流入气缸的流量变化率
工质在排气门处（用下标e 表示排气门状态）的流动状态，在初期排气阶段
由于压差较大，可能出现超临界流动，随着压差减小，可能转为亚临界流动。 当121k k r p p k ???≤??+??
时，为超临界流动，超临界排气期的排气流量变化率为：
1116k e e e dm F d n μ??=i 当121k k r p p k ???≥??+??
时，为亚临界流动，亚临界排气期的排气流量变化率为：
16e e e dm F d n
μ?=i (2.20) 式中e μ：排气阀流量系数； e F ：排气门瞬时的几何流通截面积；
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p ，T ，k ：气缸内工质的压力，温度及绝热指数；
r p ：排气阀后的排气管压力。
3. 几何流通截面积
气门几何流通截面积F 随气阀升程而变化，气阀升程曲线v h 可由配气凸轮升
程曲线计算得到。F 通常按垂直于气门的截锥台侧面积计算。其计算公式为:
()cos sin cos v v v F Z h d h πβββ=+i i (2.21)
式中Z ：每缸的进气阀（或排气阀）数；
v h ：进、排气阀的瞬时升程，可按配气凸轮升程曲线计算；
β：气阀座锥角； v d ：气阀座喉口直径。
4. 流量系数
将实际流量与理论流量的差异都归结到流量系数μ之中。它主要取决去气门
升程，是气门升程的函数：
()()v f h μ?= (2.22)
通常μ值用实物或模型的静吹风试验测得。在没有试验数据的情况下，只能
参照类似柴油机的数据进行计算。对于本文研究的高强化柴油机可以采用下列经验公式：
2
,0.98 3.3v s e v h d μ??=????? (2.23)
2.3 进排气系统的数学模型
2.3.1 一维非定常流模拟计算
增压柴油机进排气系统中的气体流动是非常复杂的，例如当排气门打开后废
气向涡轮流动过程是压力传播的过程，并与涡轮的发射波叠加。因此进、排系统的压力不仅是时间的函数也是位置的函数。本文在研究高强化柴油机的进排气系统流动时采用一维非定常流进行分析[1]。
为了更加准确的建立一维非定常流的物理模型，还必须引入一些必要的假设
和简化：
(1) 柴油机中工质为理想气体，其热力学性质只与温度和气体成分有关，并
且不考虑气体的粘性和气体的重力作用。
(2) 由于进排气管路的轴向几何尺寸相对其径向几何尺寸要大得多，管路内的轴向流动效应要远大于径向流动效应，同时也为了数值模拟上的方便，可以认
Through the reasonable organization of the production process, effective use of production resources to carry out production activities, to achieve the desired goal. 柴油机涡轮增压器的使用 与保养正式版
柴油机涡轮增压器的使用与保养正式 版 下载提示：此安全管理资料适用于生产计划、生产组织以及生产控制环境中，通过合理组织生产过 程，有效利用生产资源，经济合理地进行生产活动，以达到预期的生产目标和实现管理工作结果的把控。文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用。 不同品牌的废气涡轮增压器(包括卡特、惠远、盖瑞特等)在各种大、中型柴油卡车、平板运输车、自卸车以及各种工程机械上应用广泛。如ZL-50装载机的上柴6135柴油机上装有GJ110、J112增压 器;PY-180平地机的D6114柴油机上装有HIE增压器;解放工程王自卸车装有WHIC增压器;斯太尔重型车装有盖瑞特增压器等。它们使柴油机在结构尺寸不变的条件下明显提高功率、增大扭矩,同时降低油耗,减少排气污染,尤其在高原地区效果更加明显。在工作过程中,增压器的转速高达每分
钟数万转,并且长期在排气高温下运转,因此其工作条件恶劣。上述车辆在使用中,都不同程度出现过由于增压器使用不当造成的动力下降、油耗上升,进而导致作业效率和经济效益大幅下降。笔者根据常年在工程实践中对柴油机废气涡轮增压器各种故障的研究,就其常见故障的产生原因及预防措施特作如下讨论。 1 正确使用柴油机 首先是柴机油的质量等级,对于低增压柴油机,应选用不低于CC级的柴机油;对于中增压柴油机,则应选用不低于CD级的柴机油。其次是柴机油的粘度等级,应根据气
发动机涡轮增压器的特点及使用注意事项 汽车发动机涡轮增压器主要由涡轮机罩、压气面罩及增压壳等组成。 废气涡轮增压就是利用柴油机排出的能量来驱动涡轮机，从而带动压气机，来提高进气压力增加充气量。增加发动机的进气压力，主要是靠装在发动机上的一个径流式废气涡轮增压器来实现。当发动机运转时，利用发动机排出的废气流经涡轮机的力量，迫使涡轮机叶轮高速旋转。因涡轮机叶轮与压气机叶轮同在一根轴上，所以在涡轮机叶轮高速旋转的同时，也带动压气机叶轮做相应的调整旋转，从而使通过压气机内的空气速度和压力增加。又因压气机出气口是和发动机进气支管相连接的，所以，这些经过增压后的空气，也就能顺利地进入发动机的燃烧室以供燃油燃烧。 柴油机采用废气涡轮增压不仅可提高功率，还可减少单位功率质量、缩小整机外形尺寸、降低燃油消耗。 1、废气涡轮增压的优点 1.1增压器与发动机只有气体管路连接而无机械传动，因此增压方式结构简单，不需要消耗功率。 1.2在发动机重量及体积增加很少的情况下，发动机结构无需做重大改动，便很容易提高功率20%-50%。 1.3由于废气涡轮增压回收了部分能量，故增压后发动机经济性也有明显提高，再加上相对减小了机械损失和散热损失，提高了发动机的机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后燃油溺消耗率可降低5%-10%。 1.4涡轮增压发动机对海拔高度变化有较强的适应能力，因此装有废气涡轮增压的汽车在高原地区具有明显的优势。 2、废气涡轮增压器在使用中应注意一下几点: 2.1增压器的转子轴转速高达80000-100000r/min，若用一般机械中的轴承将无法正常工作。因此，增压器普遍采用全浮动轴承。全浮动轴承与转子轴和壳体轴承之间均有间隙，当转子轴高速旋转时，具有0.25-0.4Mpa压力的润滑油充满这两个间隙，使浮动轴承在内外两层油膜中随转子轴同向旋转，但其转速却比转子轴低得多，从而使轴承相对轴承孔和转子轴的相对线速度大幅度下降。由于有双层油膜，可以双层冷却，并产生双层阻尼。由此可知，浮动轴承具有高速轻载下工作可靠等优点，但同时也发现浮动轴承对润滑油的要求很高。必须注意按规定牌号加注润滑油。 2.2所用润滑油必须清洁，否则将加速轴承磨损，甚至导致增压器及发动机性能恶化。因此，必须严格按照保养规定，定期清洗机油滤清器滤芯。15000km磨合期更换一次机油和滤芯，以后每10000km更换一次机油。 2.3应按保养规定定期清洁空气滤清器，每两年便更换一次空气滤清器滤芯或按行驶里程定期更换。使用中应经常检查进气系统和排气系统的密封性。 2.4为确保浮动轴承的润滑，发动机刚起动时，应怠速运转几分钟(至少30s)，因为机油的压力以及机油循环至浮动轴承处需要一定时间，否则浮动轴承的润滑条件得不到保障，加剧轴承磨损，甚至发生卡死故障。停机时也同样如此，逐渐减少负荷，直至怠速运转几分钟后方可停机。 2.5增压器在使用了2000-2500h后，应在发动机不解体的状态下测量转子轴的轴向移动量。测量前应先将进、排气管从增压器上拆下，把千分表触点顶在转子轴上，然后轴向推动叶轮进行测量，移动量应为0.10-0.30mm。若超差则应将增压器拆下检修，或更换增压器。
第40卷 第2期吉林大学学报(工学版) Vol.40 No.22010年3月 Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition ) Mar.2010 收稿日期:2008205213. 基金项目:国家自然科学基金项目(50575024). 作者简介:金辉(19722),男,副教授,博士.研究方向:汽车自动变速技术.E 2mail :jinhui @https://www.doczj.com/doc/006875294.html, 柴油机电子油门系统的优化设计 金 辉,王昊森,陈慧岩 (北京理工大学机械与车辆学院,北京100081) 摘 要:比较了不同油门机构方案的特点,分析了采用连杆机构的电子油门机构各零件的设计 准则,并完成了其零件的几何参数确定、零件设计和强度校核,这种综合应用了CA TIA 、Mat 2lab &Simulink 和MSC.Adams 等设计辅助软件进行的系统优化设计可以对设计方案进行综合分析和快速修改,大大缩短了设计周期。介绍了电子油门试验系统的组成,进行了电子油门系统的台架和实车试验。试验结果表明,所设计的系统具有优良的随动和调速性能,装有该电子油门系统的机械式自动变速系统不但可以获得良好的乘坐舒适性,还可以大大减少离合器主、从动盘同步的时间,提高了离合器的使用寿命。 关键词:动力机械工程;柴油机;电子油门;机械式自动变速器;优化设计中图分类号:T K42;TP391.75 文献标志码:A 文章编号:167125497(2010)022******* Optimization design of electronic accelerator system of diesel engine J IN Hui ,WAN G Hao 2sen ,C H EN Hui 2yan (S chool of Mechanical and V ehicular Engineering ,B ei j ing I nstitute of Technology ,B ei j ing 100081,China ) Abstract :The feat ures of different design concept s of t he diesel engine elect ronic accelerator system were compared ,t he design criteria of t he elect ronic accelerator wit h t he linkage mechanism were analyzed.The geomet ric parameters and construction of it s co mponent s were defined ,t heir st rengt hs were checked ,and t he optimization was realized by t he comp uter 2aided design softwares such as CA TIA ,Matlab &Simulink ,MSC.Adams ,which are capable of analyzing comprehensively t he design concept s and t heir rapid modification ,t hus shorten t he design cycle greatly.The set 2up of t he electronic accelerator test system was introduced and it s engine bench test and vehicle test were performed.The test result s show t hat t he developed system is characterized by good speed follow 2up and regulation performances.An automated manual t ransmission wit h t he developed elect ronic accelerator system gives out good vehicle ride comfort and reduces t he synchronizing period of driving and driven plates of t he clutch to enhance it s life span. K ey w ords :power machinery and engineering ;diesel engine ;elect ronic accelerator system ;automated manual t ransmission ;optimization design 乘坐舒适性不好和离合器使用寿命较短是制约机械式自动变速器(AM T )成功商业化最主要的两个方面。对于采用非电控发动机或者不能实 现发动机和变速器协同控制的机械式自动变速系统,加装电子油门是解决上述两大难题最有效的方法[127]。
1，柴油发动机带涡轮增压是什么意思？ 涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一般我们采用的是废气涡轮增压，它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废涡轮增压技术气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%。 涡轮增压是发动机为提高空燃比而设计的一种增压设备。涡轮增压器是目前发动机上配置最多的一种增压器。它的工作原理是一根轴上有两个涡轮。利用发动机废气支管中的涡流来驱动废气涡轮，由轴传到进气涡轮上，高速运转的涡轮把进气管中的空气压缩，从而增加了空气的密度。提高发动机的有效功率。 发动机动力的大小与发动机充气系数的大小有关，而每种发动机的充气系数由于受到相关零件的影响，它的充气系数不是随意增大的。普通的发动机都是利用气缸内的真空吸力把空气吸入气缸内，为了得到较高的充气系数，所以就增加了一个涡轮增压机，就是把经过滤清的空气经过增压机，压到气缸内。常见的增压机都是废气涡轮增压机，就是利用排气管排出来的废气驱动增压机，再压缩新鲜洁净的空气充入到气缸内。
装有废气涡轮增压器的柴油发动机,要是汽车的话,欧洲大概一半小汽车是柴油版的了,不用汽油,马力耗油,排放等都比汽油机强很多增压器技术也更成熟。 2，柴油发动机涡轮增压器和汽油机的涡轮增压有什么不同？ 柴油涡轮是为了提高动力，动力第一！而汽油涡轮是为了燃烧高效的同时节油，提高动力性能，两者的出发点不一样，所以一个是机械涡轮增压，一个是涡轮增压就这么简单！ 首先是柴油机和汽油机，柴油机是压燃，汽油机是点燃。 然后说增压器，增压器是为了增加汽缸里面的混合气的质量，从而达到更大的功率。 而汽油机和柴油机都是可以使用增压器的。 涡轮增压和机械增压的区别在于增压器动力来源不同。 涡轮增压来自发动机排出的废气带动涡轮转动，从而带动增压器；机械增压是直接由曲轴输出，所以相对涡轮增压来说要损耗发动机的功率。 单单对涡轮增压器本身而言，这俩是完全一样的，不同的在于尺寸而已——发动机排量不一样，尺寸有调整罢了，实际情况上，汽油机的增压器尺寸较小，所要求的加工要求更高，一些新技术的应用也更必要——比如可变截面等的同时节油，提高动力性能，两者的出发点不一样，所以一个是机械涡轮增压，一个是涡轮增压就这么简单！
一、前言 20世纪90年代以来，汽车行业的竞争已从单一的性能竞争转向性能、环保、节能等多元综合竞争。仅就汽车发动机而言，为应对世界能源危机和减少对环境污染，其研究开发工作已侧重于降低油耗、减少排放、轻质及减少磨损等方面，在这些研究中优化技术将得到广泛的应用。汽车发动机与航空发动机同属热机范畴，二者在许多方面有相通之处。近年来，汽车发动机优化工作已具有一定基础，而针对航空航天发动机所建立及应用的优化技术则已取得较大的进展。将这些先进优化技术特别是多学科优化技术移植应用于汽车发动机优化设计可望提高汽车以节能与环保为中心的综合性能。作者就当前汽车发动机及航空航天发动机领域的优化技术的一些进展作一个简略的叙述，并对利用优化技术提高汽车发动机综合性能潜力进行一些探讨。二、发动机优化技术研究和应用现状目前各类发动机研发工作的共同重点包括降低油耗、减少排放、减轻质量以及减少磨损等，为了达到这些目标，在发动机设计中应用优化技术是一个重要的手段。当前发动机的优化工作主要在发动机结构、材料、燃料及燃烧、排放以及多学科优化等几个方面展开。（一）发动机结构及材料优化技术发动机结构优化主要是优化关键零部件的形状以改善发动机性能，此方面的研究有：将BP神经网络和遗传算法相结合用于航空发动机的结构优化以获得最优的推重比；通过优化固体火箭发动机的结构以获得最轻的结构质量和最大的装填密度；总结了国内外对航空发动机叶片-轮盘结构优化设计的研究现状，提出了一种将动态分析与结构形状优化设计相结合的新方法；阐述了CAD/CFD技术在汽车发动机设计开发中的重要性，给出了CAD/CFD技术在电喷汽油机进气歧管设计和柴油机螺旋气道设计的应用效果；将边界元法与罚函数优化方法相结合，研究了承受拉、压交变载荷的发动机连杆的形状优化；基于一种高效的有限元方法对三维复杂形状连杆进行优化设计；基于有限元分析和优化技术，提出了一种发动机曲轴的结构优化方法；对火箭发动机机匣进行优化，讨论了应力比及PV/W的优化选择问题等。为改进发动机结构及使发动机轻量化，对其材料进行优化设计是一种重要手段。近年来，包括新型复合材料如碳化硅、氮化硅、氧化锆、石墨及合成石墨等不断用于发动机结构。通过建立发动机复合材料叶片各截面应力应变解析式和最大应力准则，对叶片进行最大强度的优化分析。对固体火箭发动机的复合材料壳体进行优化设计，使得发动机结构在满足强度约束的要求下获得最小的质量。（二）发动机燃烧优化技术随着世界能源问题和环境污染问题的日趋严重，飞机及汽车作为污染环境和消耗能源的大户，备受人们的关注。发动机燃烧过程直接影响节能和环保，对发动机燃烧过程优化的研究越来越受到重视。目前主要是从喷射系统、进气管系、燃烧室形状等几方面对其进行优化设计。在发动机燃烧喷射系统方面，借助于先进电子控制技术，能准确地调节燃油供给，优化喷油定时和喷油次数，控制气缸内的混合状态、燃烧室内的燃油分布，降低排放污染。对新型脉动式电控燃油喷射系统的喷射定时问题，研究了发动机直接喷射技术的优化问题。采用了多目标设计方法，优化了发动机燃烧系统和配气机构匹配。在新型燃料发动机燃烧过程的优化研究中，在建立氢燃料发动机最优控制模型的基础上，提出了双模式控制方式；用计算机仿真分析手段对天然气汽车发动机的空燃比进行优化来改善发动机的性能。（三）发动机多学科优化技术发动机设计以结构、热力、燃烧、强度、振动、流体、传热等多个学科为基础，可变因素多，随机性大，是一个可变互耦系统的优化问题。多学科设计优化通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，因而在发动机设计图1 传统设计流程图上有很大的应用优势。 在航空发动机领域，多学科优化技术已被用于建立优化模型并开展了涡轮叶片设计、压气机叶片设计及发动机总体方案设计，将传统的优化设计方法（如图1所示）转变为图2所示多学科优化并行设计流程，综合考虑了气动、振动、强度和疲劳寿命等方面的要求，可缩短设计周期和提高优化效果。如：利用单级优化算法对航空发动机喷管进行了多学科优化设计；在内燃机的优化研究中引入了多学科鲁棒性设计优化方法来评价设计过程中的不确定性；采
文件编号：TP-AR-L4171 In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives. （示范文本） 编订：_______________ 审核：_______________ 单位：_______________ 柴油机涡轮增压器的使 用与保养(正式版)
柴油机涡轮增压器的使用与保养(正 式版) 使用注意：该安全管理资料可用在组织/机构/单位管理上，形成一定的具有指导性，规划性的可执行计划，从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改，请在使用时认真阅读。 不同品牌的废气涡轮增压器(包括卡特、惠远、 盖瑞特等)在各种大、中型柴油卡车、平板运输车、 自卸车以及各种工程机械上应用广泛。如ZL-50装载 机的上柴6135柴油机上装有GJ110、J112增压 器;PY-180平地机的D6114柴油机上装有HIE增压 器;解放工程王自卸车装有WHIC增压器;斯太尔重型 车装有盖瑞特增压器等。它们使柴油机在结构尺寸不 变的条件下明显提高功率、增大扭矩,同时降低油耗, 减少排气污染,尤其在高原地区效果更加明显。在工 作过程中,增压器的转速高达每分钟数万转,并且长期
电喷柴油发动机的工作原理和使用方法 电喷柴油机的工作原理 高压共轨(Common Rail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail)，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力(Pressure)大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度. 共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统 中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油 管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无 Rail p^ewure sensor 屮轨 压 站 carm-qr HMMnl speed sansar p?aei (trpdl’t^rnaor 凸能IHt* i?kfk 力 High t>ressuc? pjmp CPN2 2 wdh 惟逼「irp up.* rAoin-+ilter rAoin-+ilter ffi KB S&nsors High \$屮￡ limiter valw K I Low pnKQMie 带*樹泵的粋直春 E^ctrortic ewol wnii AduAt*^ MtrS Injector Tank with pre酬即 VMd sensor 祐出舸*槪専箪 利梓敢jt wnscu 驕?H■ 芍
关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU空制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。 高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油 蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。 其主要特点可以概括如下： 共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。 通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状 况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调 节，尤其优化了发动机的低速性能。 通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。 高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油
编号：SM-ZD-83186 柴油机涡轮增压器的使用 与保养 Organize enterprise safety management planning, guidance, inspection and decision-making, ensure the safety status, and unify the overall plan objectives 编制：____________________ 审核：____________________ 时间：____________________ 本文档下载后可任意修改
柴油机涡轮增压器的使用与保养 简介：该安全管理资料适用于安全管理工作中组织实施企业安全管理规划、指导、检查和决策等事项，保证生产中的人、物、环境因素处于最佳安全状态，从而使整体计划目标统一，行动协调，过程有条不紊。文档可直接下载或修改，使用时请详细阅读内容。 不同品牌的废气涡轮增压器(包括卡特、惠远、盖瑞特等)在各种大、中型柴油卡车、平板运输车、自卸车以及各种工程机械上应用广泛。如ZL-50装载机的上柴6135柴油机上装有GJ110、J112增压器;PY-180平地机的D6114柴油机上装有HIE增压器;解放工程王自卸车装有WHIC增压器;斯太尔重型车装有盖瑞特增压器等。它们使柴油机在结构尺寸不变的条件下明显提高功率、增大扭矩,同时降低油耗,减少排气污染,尤其在高原地区效果更加明显。在工作过程中,增压器的转速高达每分钟数万转,并且长期在排气高温下运转,因此其工作条件恶劣。上述车辆在使用中,都不同程度出现过由于增压器使用不当造成的动力下降、油耗上升,进而导致作业效率和经济效益大幅下降。笔者根据常年在工程实践中对柴油机废气涡轮增压器各种故障的研究,就其常见故障的产生原因及预防措施特作如下讨论。
叙述影响柴油机性能的因素 1 前言 燃料在柴油机气缸中的燃烧过程，就是燃料与空气中的氧发生剧烈氧化反应，并产生大量热的过程。燃烧过程对柴油机性能的影响是至关重要的，它在本质上决定了柴油机性能的优劣，柴油机的燃烧过程是整个工作过程中最重要的环节。为了使柴油机能够充分燃烧，必须要有足够的空气。理论上，lkg柴油完全燃烧需要14.3kg空气，故对柴油机而言，理论可燃混合气的空燃比为143。对于不同的燃料，其理论空燃比是不同的。 目前，提高柴油机性能、改善柴油机排放主要从提高燃油品质、改善燃烧过程和采取排气后处理这三个方面着手，由于柴油机的有害排放物主要是在缸内燃烧过程中产生的，所以改善缸内燃烧是提高燃油经济性和减少有害排放物的根本途径，而柴油机的燃烧过程的好坏取决于缸内的气流运动、燃油喷射和燃烧室结构三者之间的匹配。同时，柴油机缸内燃烧过程也是极其复杂的，它包含有燃料的喷射雾化、受热蒸发、与空气混合及氧化燃烧等诸多复杂过程，具有典型的高温、高压、高湍动性和不定常化学反应的特点。 2 影响柴油机性能的主要因素 2.1 从燃料性质分析 2.1.1 柴油的十六烷值 在稳态工况下，随燃料十六烷值的降低，着火始点延迟；滞燃期、预混合燃烧量、缸内压力峰值、放热率峰值及压力升高率有所增加，燃烧速率加快，致使燃烧持续期、扩散燃烧期有所缩短，当燃料十六烷值大于55时，滞燃期差别较小。 在恒转速增转矩瞬态工况下，随循环数的增加,缸内压力、温度、放热率峰值、燃烧持续期、扩散燃烧期和扩散燃烧量逐渐增加，预混合燃烧期和预混合燃烧量降低。 在增负荷工况下，随燃料十六烷值的增加，滞燃期、预混合燃烧期及预混合燃烧量降低，燃烧持续期、扩散燃烧期及扩散燃烧量均有所增加,致使缸内压力峰值和放热率峰值有所降低，适当提高燃料十六烷值，有助于降低NOx排放和燃烧噪声。 2.1.1 生物柴油 江苏大学利用可视化装置，分析比较了直喷式柴油机燃用生物柴油与常规柴油的喷雾燃烧过程。研究结果表明:生物柴油的喷油时刻较早，着火时刻提前，着火滞燃期缩短，在早期预混燃烧阶段的燃烧速度大于柴油，而在扩散燃烧阶段的燃烧速度比柴油低。通过分析燃料性质、转速和喷油压力这3种因素对生物柴油燃料喷雾燃烧过程的影响，从而得出影响规律为:混合燃料喷油始点、着火时刻均有所提前，滞燃期变短，BS混合燃料的最高燃烧压力最高且出现稍早；生物柴油在最高转速工况时的燃烧速度大，且最高燃烧压力也略高;随着喷油压力的提高，滞燃期缩短，燃烧持续期相应缩短，最高燃烧压力升高。 2.2 从柴油机固有性质分析 2.2.1 工作温度 当柴油机温度较高时，则燃料的蒸发和氧化反应速度较快.进而着火延迟期缩短，柴油机工作比较柔和，经济性较好;当柴油机温度较低时，则燃料的蒸发和氧化反应速度较慢，进而着火延迟期增加，柴油机工作比较粗暴，经济性较差，甚至不能着火。因此，柴油机工作中应该保持正常的温度。 2.2.2 压缩比
第三节柴油机的增压204题 考点1：柴油机废气能量分析及其在涡轮增压器中的利用情况31题 等压涡轮前废气的状态参数以e′表示，面积g－2－4－i－g为扫气空气对涡轮所作的功；面积4－2－1－5－4是活塞推出废气所做的功，由柴油机活塞所给予；面积5－1－f－e－5是从废气中取得的部分能量；而废气能量的其余部分损失掉了，损失部分以面积5－b－e－5表示，这部分能量称为脉冲动能，或叫变压能，用E1表示；面积e－f－f′－e′－e表示损失掉的废气能量中的一小部分转变为热能，加热废气，使涡轮得到的附加功，即复热回收部分。以上除损失掉的脉冲动能E1外，其余四项之和即为等压涡轮的总能量，用E2表示，称为等压能，即四冲程柴油机采用废气涡轮增压。涡轮所利用的废气能量有：自由排气时的废气能量、燃烧室扫气时的增压空气能量及活塞推挤废气所作的机械功等。 能量E1与E2的比值随增压压力p s的不同而不同。p s越高，其比值越低。 B1. 柴油机增压的主要目的是（）。 A．增加空气量，使燃烧完全 B．提高柴油机功率 C．改善柴油机结构 D．增加过量空气系数，降低热负荷 B2. 柴油机增压的目的是（）。 A．提高爆压 B．提高柴油机的平均有效压力和功率 C．充分利用排气废热 D．提高柴油机热效率 D3. 提高柴油机功率的最有效措施是（）。 A．增加冲程长度 B．加强润滑，提高机械效率 C．减少每循环的冲程数 D．提高平均指示压力 D4. 关于柴油机增压的不正确说法是（）。 A．增压就是提高进气压力 B．增压是提高柴油机功率的主要途径 C．通过废气涡轮增压器达到增压目的的称为废气涡轮增压 D．各种增压方式都不消耗柴油机功率 A5. 当前，限制废气涡轮增压柴油机提高增压度的主要因素是（）。 A．机械负荷与热负荷 B．增压器与柴油机的匹配 C．增压器效率 D．增压器制造 B6. 四冲程柴油机一般所采用的增压方式是（）。 A．机械增压 B．废气涡轮增压 C．复合增压 D．上述三种形式都有
优化柴油机印象长城GW4D20发动机技术详解 2010-10-18 14:37:28来源: 网易汽车跟贴191 条手机看新闻 版权声明：本文版权为网易汽车所有，转载请注明出处。 网易汽车10月18日报道 10月15日，长城汽车最新SUV车型——哈弗H5绿静2.0T 柴油新动力车型正式上市，其售价为11.38至16.38万元。作为新车最大亮点，哈弗H5 2.0T 柴油车型搭载了一台编号为GW4D20的柴油发动机，这款发动机宣传达到国际水平的柴油机究竟有何能耐，不妨一起了解一番。 哈弗H5 进入哈弗H5频道>> 参数配置图片口碑 价格: 9.28~17.08 万元上市时间: 2010年最新年款: 2012款
排量: 2.0T/2.4/2.5T四驱类型: 分时四驱 从数据来看，绿静2.0T柴油机的转速在4000rpm时可输出最大功率110kw，转速在1800-2800rpm即可实现峰值扭矩310Nm，升功率可达55Kw,达到了3.0L汽油机的动力标准。发动机百公里综合工况油耗仅为7.0L。其排放达到欧Ⅳ、欧Ⅴ水平，驾驶室内平均噪声仅有45.3分贝。 GW4D20发动机 技术方面，GW4D20采用了DOHC双顶置凸轮轴结构，融汇VGT涡轮增压中冷系统、第三代德尔福电控高压共轨系统、EGR废气再循环及冷却系统等发动机技术。这些技术都能带来哪些方面的改良？ 德尔福电控高压共轨系统：传统泵喷嘴柴油发动机，由于高压油管中压力随车速波动，从而产生大量烟雾、碳氢化合物，而且整机油耗高、噪声大。采用的德尔福电控高压共轨系统，可通过对共轨管内油压进行精准控制，发动机转速变化对高压油管内压力微乎其微，而且可保证缸内压力稳定，各缸喷油均匀性好，从而使发动机工作平稳，有效改善了排放、油耗、噪声等性能。 VGT可变截面废气涡轮增压、中冷：该系统保证发动机进气压力高，通过较高的燃油喷射压力使柴油达到很高的雾化，实现油气混合充分燃烧，从而保证降低燃油消耗，大幅提升整机的升功率、升扭矩。
柴油机柱塞式喷油泵结构工作原理基础 喷油泵是柴油供给系中最重要的零件，它的性能和质量对柴油机影响极大，被称为柴油机的"心脏"。 一．功用、要求、型式 功用：提高柴油压力，按照发动机的工作顺序，负荷大小，定时定量地向喷油器输送高压柴油，且各缸供油压力均等。 要求： （1）泵油压力要保证喷射压力和雾化质量的要求。（2）供油量应符合柴油机工作所需的精确数量。（3）保证按柴油机的工作顺序，在规定的时间内准确供油。 （4）供油量和供油时间可调正，并保证各缸供油均匀。（5）供油规律应保证柴油燃烧完全。 （6）供油开始和结束，动作敏捷，断油干脆，避免滴油。 类型：车用柴油机的喷油泵按其工作原理不同可分为柱塞式喷油泵、喷油泵- 喷油器和转子分配式喷油泵三类。
二．柱塞泵的泵油原理 柱塞泵的泵油机构包括两套精密偶件： 柱塞和柱塞套是一对精密偶件，经配对研磨后不能互换，要求有高的精度和光洁度和好的耐磨性，其径向间隙为0.002～0.003mm 柱塞头部圆柱面上切有斜槽，并通过径向孔、轴向孔与顶部相通，其目的是改变循环供油量；柱塞套上制有进、回油孔，均与泵上体内低压油腔相通，柱塞套装入泵上体后，应用定位螺钉定位。 柱塞头部斜槽的位置不同，改变供油量的方法也不同。出油阀和出油阀座也是一对精密偶件，配对研磨后不能互换，其配合间隙为0.01 。 出油阀是一个单向阀，在弹簧压力作用下，阀上部圆锥面与阀座严密配合，其作用是在停供时，将高压油管与柱塞上端空腔隔绝，防止高压油管内的油倒流入喷油泵内。 出油阀的下部呈十字断面，既能导向，又能通过柴油。出油阀的锥面下有一个小的圆柱面，称为减压环带，其作用是在供油终了时，使高压油管内的油压迅速下降，避免喷孔处产生滴油现象。当环带落入阀座内时则使上方容积很快增大，压力迅速减小，停喷
1. 什么叫柴油机？ 柴油机是以柴油为燃料，当空气在气缸内被压缩而产生高温，使喷入的柴油自燃，燃气因膨胀而做工的内燃机。 2. 柴油机主要有哪些机构和系统组成？ 柴油机主要由机体组件、曲柄连杆机构、配气机构与进排气系统、燃料供给与调节系统、润滑系统、冷却系统、起动系统、增压系统构成。 3. 柴油机完成一个工作循环需依次经过四个行程是什么？ 柴油机完成一个工作循环需依次经过进气行程、压缩行程、燃烧做功行程、排气行程。 4. 柴油机能够运转的三个要素是什么？ 空气、柴油和压力。 5. 四冲程六缸柴油机各缸的工作次序是什么？ 1-5-3-6-2-4或1-4-2-6-3-5 6. 八缸直列型柴油机各缸的工作次序是什么？ 1-6-2-4-8-3-7-5 7. 柴油机的润滑方式主要有哪几种？ 压力润滑（主轴承、连杆轴承、凸轮轴承）、飞溅润滑（凸轮、挺住、摇臂等）、润滑脂润滑（水泵）。 8. WD615柴油机按用途分为哪几种？ 车用、工程机械用、船用、发电用。 9. 柴油机的启动方式有哪些？ 电力启动、人力启动、压缩机启动、辅助汽油机启动。 10. WD615柴油机五大主要螺栓是指那些螺栓？ 连杆螺栓、汽缸盖螺栓（主、副）、飞轮螺栓、飞轮壳螺栓、主轴承螺栓。 11. WD615柴油机曲轴前段装减震器的目的是什么？ 如果柴油机共振振幅超过允许值，则要消减扭振，减振器增大系统阻尼，使它即使在主共振工况下也不致产生过大振幅。 12. 同一台柴油机对活塞和连杆的要求是什么？质量互差是多少？为何如此要求？ 同一台柴油机活塞、连杆质量互差尽可能小，连杆盖与连杆配对使用。小的质量互差使得发动机运转平稳，往复惯性力均匀，振动小。 13. 柴油机按进气方式分为哪几种？ 非增压（自然吸气）、增压、增压中冷 14. 常见的柴油机增压方式有哪些？ 机械增压、涡轮增压、气波增压、复合增压 15. 请解释WD615的含义？ Water diesel 6缸单缸排量1.5升 16. 根据柴油机用途的不同，有哪四种功率？ 15min功率、1h功率、12h功率、持续功率四种 17. WD615柴油机装配时常用的密封胶有哪几种？ 242、262、271、277、510 18. WD615柴油机的气门间隙时多少？为何排气门间隙比进气门的大？ 进气门0.3mm，排气门0.4mm，排气门比进气门间隙大是因为：排气温度比进气温度高，膨胀更显著 19. WD615柴油机的行程、缸径、总排量各是多少？ 行程130mm，缸径126mm，总排量9.726L 20.柴油机调速器按其调整范围可分为哪几种？ 单级调速器、两级调速器、全程调速器、全程两级复合式调速器 21. 柴油机窜气大，排除其他原因，仅考虑活塞环，你认为有哪些原因？工作一段时间后，如何判断活塞环的优劣？原因：1.活塞环转动，活塞环开口重叠；2.活塞环磨损过大；3.活塞环弹力不足 判断方法：1.活塞环断面磨损的程度；2.活塞环上积碳的多少；3.活塞环外表面磨损情况（点或面接触） 22. 6160柴油机相对于其他机型，机油压力低，主要有哪些特别原因？ 1.油底壳内机油面过低； 2.从机油箱到机油泵，吸油管有漏气现象； 3.机油中混入柴油或水，使机油粘度过低； 4.调压阀弹簧断裂或弹簧变形，机油滤清器太脏，阻力增大； 5.柴油机内机油管破裂。 23. 6170柴油机相对于其他机型，机油压力低，主要有哪些特别原因？
Equipment Manufacturing Technology No.11，2012 汽车发动机动力总成悬置系统分析设计技术是以提高乘坐舒适性为目的的ＮＶＨ（Ｎｏｉｓｅ，Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ）拟制技术的核心，由于ＮＶＨ性能是衡量汽车品质的一个综合性重要指标，因此提高动力总成悬置系统隔振效果的问题越来越受到人们的重视和关注。 发动机悬置系统的基本功能［１］有：支承、限位以及隔振。作为研究重点的隔振是利用悬置元件的缓冲与吸能作用，隔离衰减来自发动机动力总成激励力引起的车架振动和来自路面随机激励力引起的发动机动力总成的振动。 悬置系统的一个主要隔振设计方式是通过合理设计悬置元件的各向刚度、悬置点的位置与以及悬置元件的角度，使整个悬置系统具有较高的振动解耦程度，以达到最大限度的减振、隔振性能，改善汽车的乘坐舒适性和稳定性。 柴油机悬置系统的特色是：由于发动机质量较大，为区别于汽油机的三点正装悬置，一般采用刚度较大的四点斜装悬置。 传统的悬置系统分析设计理论虽然有了很大的发展，但未能很好的与工程实际需要相结合，且由于受到发动机安装位置等因素的限制，一般解耦度并不高。目前国内外对悬置系统进行自动优化设计的文献［２，６］，优化模型考虑因素不够全面，且采用遗传算法，导致计算量大，优化效果并不明显［４］。 本文在悬置系统动力学分析的基础上，建立了以提高悬置系统解耦度和各向谐振频率与其期望值接近程度为目标的悬置系统自动优化设计数学模 型，采用以敏度为基础的优化算法，配合粗粒度离散 寻优，通过自动迭代计算，可以快速准确地找到悬置系统的最优设计方案。本文给出的某柴油机汽车算例充分表明本文优化算法可提高悬置系统解耦度和各向谐振频率与期望值接近程度，改善了悬置系统的减振、隔振效果。 １悬置系统模态分析 １．１悬置系统模态分析 为对悬置系统进行优化设计，先需对悬置系统进行模态分析，求出其固有频率和振型。由于悬置元件刚度远小于发动机与车架刚度，通常只考虑发动机的６个刚体位移自由度，同时将各悬置元件简化为空间三向弹簧单元。动力总成悬置系统的自由振动模态分析方程为： M 准咬＋K 准＝０（１） 其中向量准＝［x y z θX θY θZ ］T 由６个刚体位移自由度组成，刚度矩阵K 由各悬置元件的弹性主轴方向刚度、弹性主轴空间角度以及弹性中心的位置决定，质量阵M M ＝ m ００００００m ００００００m ０００ ０００IXX －IXY －YXZ ０００－IYX IYY －IYZ ０００－IZX －IZY IZ Z （２）柴油机汽车悬置系统优化设计 王科富，卢汉奎，陈树勋 （广西大学机械工程学院，广西南宁５３０００４） 摘要：柴油机汽车发动机悬置系统设计主要是通过合理设计悬置元件各向刚度、位置以及角度，以提高系统各向能量解耦度，并使各向自振频率落在期望值内。建立了以提高悬置系统解耦度和各向谐振频率与期望值接近程度为目标的悬置系统优化设计数学模型，采用自创的基于敏度的优化算法，通过自动迭代计算，快速准确地找到悬置元件刚度、位置与角度的最优设计方案。某柴油机汽车发动机悬置系统的优化设计算例结果表明本方法优化效果明显，改善了悬置系统的减振、 隔振效果。关键词：发动机悬置系统；解耦度；谐振频率，优化设计中图分类号：Ｕ４６４．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１２）１１－００３０－０３ 收稿日期：２０１２－０８－１２基金项目：广西制造系统与先进制造技术重点实验室课题基金资助０９－００７－０５Ｓ０１６。作者简介：王科富（１９８７—），男，在读研究生，研究方向：车辆系统动力学。 设计与计算 ZZZZ Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z 30
浅谈如何提高柴油发动机动力性能 江苏鸿运汽车科技有限公司方琦 一、引言 随着当今社会工业化水平的迅猛发展，柴油发动机作为最常用的动力机械设备，广泛应用于石油矿场、固定发电、铁路牵引、工程机械及特种船舶等领域，日益朝着大型化、高速化、精密化方向发展，工作性能不断改善，自动化程度越来越高。一方面它将大大提高劳动生产率，提高产品质量，降低生产成本和能耗；但另一方面，带来的问题是，一旦其中某一部分或某一环节发生故障，往往会造成停工停产，直接或间接造成巨大的经济损失，甚至造成关键设备损坏，危及人身安全。 二、柴油发动机工作原理及结构 （一）柴油发动机工作原理 柴油发动机的每个工作循环经历进气、压缩、做功、排气四个行程。其工作原理是：柴油发动机在进气行程中吸入纯空气，在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油发动机压缩比高（一般为16～22），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5～4.5MPa，同时温度高达750～1000K，大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6～9MPa，温度也升到2000～2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而做功，同时废气经排气管排入大气中。 （二）柴油发动机结构 柴油发动机主要结构有：机组体、曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、冷却系统、润滑系统和起动系统。柴发动机的结构分级：第一级是柴油发动机本身；第二级是组成柴油发动机的各个子系统；第三级是组成各子系统的各个部件。这些结构的划分为有效地组织不同的动力性能优化知识提供了条件。通过对这些结构的描述，可以将动力性能优化分块化，从而有利于动力性能优化策略控制。 三、柴油发动机典型故障 柴油发动机系统是非线性的复杂系统，激励和响应都具有非平稳性，这是因为：首先在结构上，发动机是由许多机、电、液等各种子系统组成的复杂机电设备，因而
内燃机与配件 0引言 我国青藏高原面积达230[1]万km 2，柴油机在高海拔工况下会出现燃烧恶化，体现在结果上会产生动力不足、炭烟颗粒增多[2-4]、热负荷过大[5-6]、经济性减弱等问题。由于西方国家高原海拔普遍较低，柴油机高海拔适应性研究较少，相应高海拔柴油机燃烧优化研究较少，研究也主要集中于高原排放和替代燃料等技术为提升柴油机高海拔燃烧性能。总的来说，高海拔柴油机燃烧优化研究主要从燃料、喷油、冷却、增压、燃烧方式和燃烧室结构优化等几个方面进行。 1燃料优化 替代燃料在高原条件下除了解决燃料不足条件下应急问题，还可以实现燃烧优化。柴油机主要代用燃料有复合燃料、二甲醚和天然气等，复合燃料由航空煤油，煤基燃料、生物柴油与柴油不同比例混合。 Benjumea P.[7]通过研究确定：在柴油机工作过程中，燃油使用纯棕榈油与燃油使用柴油相比较更有助于缩短滞燃期，随海拔升高，燃烧持续期变化幅度更大，有效热效率 得到明显提升。葛蕴珊[8]通过研究确定： 高海拔条件下，燃油使用大豆油的情况下会造成始燃点提前并且预混合比 例下降。王欣[9]试验对比柴油机燃烧柴油与生物柴油， 结果发现生物柴油预混燃烧放热始点较早但放热率峰值低于柴油。 李若亭[10]针对高原环境下柴油机燃烧恶化的问题， 分析了硝酸异辛脂（EHN ）的分解途径，通过化学反应动力学分析揭示了EHN 添加剂改善柴油机燃烧的机理。通过台架试验的方法，利用单缸机进行研究满负荷工况下：进气压力为68kPa 、转速为1400r/min 条件下EHN 添加剂对高原条件下柴油机燃烧特性的影响。结果表明：添加EHN 能够促进正庚烷反应中自由基OH ，H ，HO 2和H 2O 2的出现，加速分解正庚烷，缩短着火滞燃期；在低压进气条件下，随着EHN 添加剂含量的增加，柴油机运行过程中放热率曲线前移、缸内压力峰值略有下移，柴油机扭矩明显增强，柴油机燃烧性能有较大改善。 董素荣[11]等基于柴油机高海拔燃烧与排放特性模拟试验台，开展了不同海拔下煤基复合燃料（67%-35#柴油，33%煤基含氧燃料）柴油机燃烧与排放特性研究。结果表明，随着海拔升高，煤基复合燃料柴油机最高燃烧压力降 低，放热率峰值Ｔ降，滞燃期延长，碳烟排放增加，海拔 2500m 标定工况下碳烟排放比平原增加28.9%。与燃用柴油相比较，相同海拔，煤基复合燃料柴油机滞燃期延长，燃烧持续期缩短，碳烟排放减少，且海拔越高碳烟排放降低幅度越大。高海拔条件下煤基复合燃料柴油机进行燃烧过程数值模拟发现，5500m 海拔下，煤基复合燃料碳烟排放明显降低。 沈颖刚[12]通过在高原地区进行柴油机生物柴油与柴油不同掺混比的混合燃料的台架试验。根据其掺混比及物理特性计算出当量燃油消耗率，分析了柴油机混合燃料的有效热效率和负荷特性。结果表明，高原条件下柴油中添加体积比为10~30%的生物柴油，经济性明显改善。 王志民[13]基于低压氧弹模拟高原环境进行燃料燃烧试验，研究了在缺氧工况下3种含氧添加剂的助燃性能。提出采用实际每克柴油放热量Qm 来评价添加剂的作用。结果表明，在缺氧条件下，3种含氧添加剂对0#柴油的燃烧均有不同程度的促进作用。且添加剂中氧含量占比越高，其助燃效果越好；在一定限制范围，随着添加量增加，助燃效果明显增强。 2喷油系统 高原条件下， 进气条件发生变化，为优化柴油机燃烧，喷油系统需要进行相应的调整。国内外学者针对喷油正时、压力，油粒直径和控制策略等方面进行了优化研究。 王雪丰[14]通过供油提前角的调整控制燃烧始点，以此来调节NOx 的排放。通过改进燃烧室结构、减小压缩余隙等方式改善燃烧空间并优化喷油效果，实现燃烧室结构更合理、对于燃烧室利用率更高、油气混合效果更好，有利于燃料高效燃烧，减少碳烟等物质的排放，改善排放性能，提升柴油机的燃烧性能。 沈海涛[15]基于单因素控制方法分析发动机进气参数与喷油参数对油气混合、燃料燃烧、污染物排放等的影响。得出主喷定时是影响燃油消耗率的主要因素；喷油压力是影响碳烟排放的主要因素。 廖建彬[16]以4190ZL 型船用中速柴油机为例，利用CFD 软件FIRE 对其喷油器在不同喷孔直径下的喷射雾化和燃烧过程进行数值模拟，得到燃油雾化特性和燃烧过程的数据，并分析其对柴油机NOx 和碳烟排放的影响。 王媛[17]研究了喷油策略对发动机燃烧性能的影响，以一次预喷与主喷相结合的方式进行燃烧模拟。 得出高温高压时预喷时刻要短，主喷时刻较晚可以将缸温、缸压及污 高海拔柴油机燃烧优化研究现状及发展趋势 马家明①；杨春浩②；张众杰①；任露① （①陆军军事交通学院学员五大队研究生队，天津300161；②海军工程大学动力工程学院，武汉430033） 摘要：高海拔柴油机燃烧优化研究可以提升其高海拔燃烧过程，提升柴油机高海拔性能，对于国防建设具有重要意义。本文从多 个方面综述了柴油机高海拔燃烧优化现状，提出了柴油机高原燃烧特性优化技术。 关键词：柴油机；燃烧优化；燃烧特性 —————————————————————— —作者简介：马家明（1994-），男，安徽马鞍山人，五大队学员，硕士，研究方向为军用动力机械环境适应性。·58·DOI:10.19475/https://www.doczj.com/doc/006875294.html,ki.issn1674-957x.2019.05.023