1、内燃机设计与优化课程设计说明书学 院 求是学部 专 业 热能与动力工程 年 级 2010 级 姓 名 徐 露 学 号 3010218154 2014 年 3 月 25 日2100T 柴油机主要技术参数设计与优化摘 要：为了研究柴油机结构参数和运行参数对整机性能的影响，用发动机工作过程仿真软件 GT-power 对 2100T 柴油机进行了建模和模拟计算。改变压缩比、喷油提前角及配气相位等参数，比较了不同参数下发动机转矩、功率、油耗、缸内燃气最高压力等性能参数，选定了最优化的参数组合。利用优化后的参数再次进行工作过程仿真，通过对比其整机性能参数发现，优化后的柴油机动力性、经济性均有所提高。关键词
2、：柴油机性能；优化设计；GT-power；压缩比；配气相位、喷油提前角1. 2100T 柴油机简介2100T 柴油机为我国 70 年代左右的产品。该柴油机是 100 系列的柴油机之一，为立式水冷四冲程柴油机。具有工作可靠性能好，结构紧凑，经济指标低，寿命长，使用方便等特点。移动式，可做拖拉机动力。其主要技术参数如下：缸径 100mm ；冲程 120mm；压缩比 16 ；额定功率 18.4kw ；额定转速 2000r/min ；比油耗 =252g/kw.h；1）外形布置特点2100T 型柴油机结构紧凑，外廓尺寸不大。其外形布置的特别之处主要在于进排气门的两侧布置和供油系统和电启动系统的分开布置。
3、2100T 型柴油机为顶置式气门机构。与侧置式相比，结构较为复杂，零件数目较多，在高速往复运动中，使震动和噪声增加，可靠性降低。但在高压缩比的柴油机中，侧置式气门布置在结构上难以实现，必须采用顶置式。2）主要零部件结构特点a) 活塞连杆组活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆螺栓、轴瓦等组成。i. 2100T 柴油机活塞顶部有一浴盆形深坑，活塞头部加工有安装活塞环的活塞环槽，活塞裙部较长和受侧向里，活塞呈椭圆形。ii. 活塞环包括三道气环及一道油环。第一道气环内侧有挖槽，安装时有挖槽的一面必须朝上；第二、三道气环外侧有挖槽。采用合金铸铁制造气环，第一道气环表面镀高性能覆盖层，其余气环表面一般镀
4、锡或进行磷化、硫化处理，使环表面更易于气缸磨合。iii. 2100T 型柴油机采用圆柱形中空活塞销，利于减少离心惯性力的影响。一般采用优质低碳钢或低碳合金淬火。iv. 连杆的材料采用 40 或 45 号钢，优质中碳钢，主坯用模锻处理或滚压成形，并经调质处理。 连杆小头为短圆管形，小头与杆身之间则采用半径较大的圆弧圆滑过渡，以减少过渡处得应力集中。 杆身采用工字形断面，这种形状可以在重量较轻的情况下获得足够的强度和刚度。 连杆大头采用斜切口，便于装拆是将大头从气缸中抽出。v. 在 2100T 型柴油机的轴瓦上钻有小孔或铣出环形油槽以便主轴承向连杆轴承输送润滑油，或由连杆小头衬套送油。b) 曲轴飞
5、轮组曲轴飞轮组是由曲轴、飞轮、齿圈、曲轴正时齿轮、三角皮带轮组成。曲轴主轴颈与连杆轴颈之间有润滑油孔相通。2100T 型柴油机的飞轮直径为 440 毫米，飞轮齿圈的倒角的一面向外装配到飞轮上面。飞轮内壁钻有小孔，这样可以使飞轮外的部分润滑油通过小孔回到油底壳，以保证飞轮面与离合器更好的摩擦传动。主轴颈直径粗而短，空心。曲柄销是枣核型空腔。主轴瓦、连杆轴瓦和止推片的材料均为轧制的耐磨合金。c) 配气正时传动机构配气机构包括气缸盖总成中的气门和气门驱动机构，还包括齿轮轴、正时齿轮、空气滤清器、进排气管及消音器。i. 凸轮轴凸轮轴上的凸轮通过气门挺柱、气门推杆和摇臂驱动进、排气门，控制进、排气门得开
6、闭时间。ii. 正时齿轮凸轮轴和喷油泵均由曲轴前端的正时齿轮经过中间惰轮驱动。机油泵则由曲轴正时齿轮通过其下过机油泵上的中间齿轮驱动。iii. 气门进气门工作温度低，一般采用合金钢。排气门则用耐热合金钢如 4CrSi2 等。d) 齿轮传动系齿轮传动系有曲轴驱动主动轮，通过惰轮带动齿轮轴正时齿轮和机油泵齿轮，以控制配气定时和供油。正时齿轮要求加工精度高，一般用 45 钢制造。e) 机体组机体内嵌有高磷铸铁制成的湿式汽缸套，其上部的缸套凸缘的下端面边缘在机体缸孔的肩胛上，下部以两只橡胶做的防水圈密封。在机体右侧面有检查窗口，为拆装活塞连杆和检视曲轴连杆机构及轴承。机体上平面除了气缸孔和气门推杆孔外
7、，还有一个通向气缸摇臂轴的润滑油孔及以下与气缸盖相同的冷却水孔。机体的前端有正时齿轮室，齿轮室内装传动齿轮，后端为飞轮盖和盖板，左侧中间装有配气凸轮轴。机体的拱门上有主轴承座，轴承盖同螺栓紧固在轴承座上，曲轴后部有甩油盘，飞轮壳。机体与气缸盖用双头螺栓固紧，各缸套凸肩高出机体平面的高度应一致，高低相差控制在 0.05 毫米以内。油底用铸铁制成，侧面插有油标尺，便于检查油面的高度。气缸盖装于气缸体上部，用于密封，材料为灰铸铁。气缸盖上装有喷油器，进排气管，摇臂轴总成等，气缸盖内部还有进排气道，冷却水道，机油道。3）主要系统分析a) 燃烧系统2100T 型柴油机燃烧室是深坑形燃烧室，这样燃烧室是不
8、与冷却水直接接触的，可以减少散热损失，燃烧室布置时本要求与喷油嘴以及气缸在同一中心线上，这样对称布置使热气流都均匀，为使气缸盖中冷却水道易于布置，喷油嘴倾斜 150250。这样，利于组织进气涡流，形成挤流，对喷雾质量的要求不会太高，利于混合气形成和燃烧。深坑形燃烧室对燃油系统要求降低，并且，由于利用进气涡流加强混合气形成，使空气利用率大大提高，此外，还可以保持燃油率低及起动容易的优点。b) 燃料供应系统柴油机燃料供应系统包括油泵、柴油滤清器、输油泵、柴油细滤器、喷油泵和燃烧室等。柴油由油泵首先进入沉流杯，柴油中的水及其基本机械杂质沉积于杯中，较清洁的柴油经管道流向柴油滤清器。同时设有两级滤清器
9、，分别滤除大小颗粒不同的杂质。经过滤清的柴油由输油泵压入喷油泵内。输油泵的作用是提高泵油的压力，以克服流动阻力，定时定量的向喷油泵供油，输油泵装在喷油泵上，利用喷油泵凸轮轴上的偏心推动压油。柴油进入油泵后，一部分通过柱塞的压缩使油压提高，高压油按各缸工作次序流向各缸喷油器，然后喷入燃烧室进行燃烧，多余的柴油则经回油管流回柴油滤清器。c) 润滑系统2100T 型柴油机的润滑系统为湿式曲轴箱，压力循环与飞溅复合供油式。油底壳内的机油经过吸滤器的滤网被机油泵吸入，再压送至机油滤清器，经过滤清的机油被送入机体内的主油道。机油由此分为两路：一路通至各主轴承，并经过曲轴内侧的油孔到达曲柄销，主轴承上还有油
10、孔与各凸轮轴轴承孔向通。凸轮轴后轴承并有一经过机体与气缸盖到达摇臂轴内的油孔，另一路经过惰轮轴和惰轮轴辐板流出，润滑惰轮轴及传动齿轮。即曲轴、连杆大头、凸轮轴、摇臂等轴承与传动齿轮均为压力润滑；而气缸套与活塞、连杆衬套及活塞销、凸轮表面等处则为飞溅润滑。喷油泵与减速器单独成一系统，另外加油润滑。机体侧盖板上备有加油口及油游标尺，供加油及测量油量用。润滑系统主要由机油泵、机油滤清器及机油吸滤器等组成。机油滤清器为全流压力绕线式滤芯，而机油吸滤器为网式粗滤器，安装在油底壳内。d) 冷却系统2100T 型柴油机的冷却介质是水，即水冷系统且为强制冷却。水冷系统是由散热器、空气-蒸汽阀、风扇、水泵等部件
11、组成。利用装在水流通路内的水泵，向内燃机压力供水，强制冷却。水在内燃机中循环流动，具有一定压力的冷却水由水泵的出水口通过分水管进入气缸体内水套，冷却了高温零件后的热水经过节温器和回水管流入上水箱，热水在流经散热器时，它的热量散入空气，温度降低，低温的水进入下水箱后，在水泵的作用下再去冷却内燃机的高温零件。风扇用来增加流经散热器芯部空气的流量，以提高散热器的散热效率。利用装在散热器水管中的节温器调节流经散热器芯部的热水量，以调节冷却强度，气缸体中的分水管用来使多缸内燃机多个气缸散热均匀的冷却，在分水管纵向位置开有大小不同的出水口，离水泵越近，出口面积越大，多个气缸的冷却强度就越均匀。此外，为控制
12、冷却水强度，在出水处装有计温计。1. 2100T 柴油机 GT-power 建模其基本结构参数如下表气缸数 2 冲程数 4 活塞行程 120mm 进气门直径 44mm压缩比 16 缸径 100mm 连杆长度 200mm 排气门直径 40mm根据结构参数建模图如下2. 参数优化计算及分析对上述柴油机模型，额定转速 2000r/min。设定 23 个 case，转速由 600r/min 以100r/min 的幅度增加至 2800/min。对该工作过程进行模拟计算，研究一些重要参数对柴油机性能影响的变化规律，绘出速度特性曲线图，并对结果做了相应的分析。1）压缩比对柴油机性能的影响压缩比 =12,14
13、,15,16,17,18,19,20 得到柴油机的速度特性曲线有效燃油消耗率 vs 转速有效转矩 vs 转速有效功率 vs 转速有效热效率 vs 转速缸内最大压力 vs 转速n=2000r/min，不同压缩比对发动机性能的影响压缩比 12 14 15 16 17 18 19 20比油耗/g/(kw.h) 272.24 268.63 267.98 267.92 268.28 269.08 270.33 271.93有效转矩/(N.m) 84.18 85.32 85.52 85.54 85.43 85.17 84.78 84.28有效功率/kw 17.63 17.87 17.92 17.91 17
14、.89 17.84 17.76 17.65有效热效率/% 30.75 31.16 31.24 31.25 31.21 31.11 30.97 30.79最大缸压力/bar 74.15 91.16 100.05 109.17 118.52 128.09 137.87 147.85结果分析：压缩比增大，压缩终点时缸内压力和温度升高，缩短了滞燃期，改善了燃烧过程。换气过程的完善性直接影响着柴油机的动力性、经济性、排放性，压缩比适当增大，压缩余隙减小，充气效率提高，残余废气系数较小，换气质量好，有利于燃烧。但压缩比过大,则不仅使柴油机工作粗暴、出功减少、经济性下降外 ,还使活塞连杆组、曲轴等机件受力剧
15、增。综合考虑 =15，柴油机动力性经济性最好。2）喷油提前角对柴油机性能的影响喷油提前角 = -5,-10,-13,-15,-17,-20比油耗 vs 转速有效转矩 vs 转速有效功率 vs 转速有效热效率 vs 转速最大缸压力 vs 转速n=2000r/min，不同喷油提前角对发动机性能的影响喷油提前角/ -5 -10 -13 -15 -17 -20比油耗 /g/(kw.h) 267.92 275.00 253.73 252.95 253.11 255.25有效转矩/(N.m) 85.54 89.18 90.31 90.61 90.55 89.79有效功率/kw 17.92 18.68 18
16、.91 18.98 18.96 18.80有效热效率/% 31.25 32.58 32.99 33.10 33.08 32.80最大缸压力/bar 109.17 115.56 121.68 126.42 131.36 138.88结果分析：点火提前角过大或过小都会影响柴油机动力性、经济性。喷油提前角过大，喷油提前，导致燃烧过早地发生在上止点之前，使缸内压力急剧上升，增加压缩负功及功率的消耗。喷油提前角过小，则使燃烧发生在下行期，柴油机的后燃严重油耗增加。综合考虑，喷油提前角 = -15，柴油机的动力性、经济性最好。3） 排气门配气相位对柴油机性能的影响排气门配气相位角 =122,124,126
17、,128,130比油耗 vs 转速有效转矩 vs 转速有效功率 vs 转速有效热效率 vs 转速最大缸压力 vs 转速n=2000r/min，不同排气门配气相位角对发动机性能的影响进气门配气相位角/ 122 124 126 128 130比油耗/g/(kw.h) 271.47 269.02 267.915 267.92 268.77有效转矩/(N.m) 84.42 85.19 85.543 85.541 85.27有效功率/kw 17.68 17.84 17.915 17.916 17.86有效热效率/% 30.84 31.12 31.25 31.25 31.15最大缸压力/bar 108.5
18、23 108.932 109.17 109.26 109.27结果分析：排气门早开始为了使排气冲程开始时，气门已有较大的开启角度，便于废气排出，并降低排气消耗功能，但开起过早，气体尚未完全膨胀即被排除气缸，将使膨胀功能减小而降低发动机功率。但其门开启过晚，导致排气不充分缸内残余废气系数增加，排气功增加，影响发动机的动力性、经济性。综合考虑排气门配气相位角 =128,发动机动力性、经济性最好。3. 2100T 柴油机参数优化前后对比油耗 vs 转速转矩 vs 转速功率 vs 转速有效热效率 vs 转速优化前后发动机性能对比优化前 优化后 提升比油耗/g/(kw.h) 267.92 353.51
19、5.75%有效转矩/(N.m) 85.54 90.76 6.10%有效功率/kw 17.92 19.01 6.08%有效热效率/% 31.25 33.16 6.11%由上图可以看出，选择优化参数组合压缩比 15、喷油提前角 15、排气门开启角128优化后柴油机的动力性、经济性均有不同程度的改善。4. 总结本文中，首先在 GT-power 上对 2100T 柴油机建模。之后，修改原模型的压缩比、喷油提前角、排气相位，完成了优化参数的模拟计算及选择优化参数，最后对优化参数组合进行模拟计算，对比柴油机的动力性、经济性指标，发现均有不同程度的改善实现了对 2100T 柴油机的优化。参考文献：1 高文志内燃机课程设计北京：中国水利水电出版社，20102 柴油机设计手册编辑委员会柴油机设计手册北京：中国农业机械出版社，1984
