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      現(xiàn)代柴油機(jī)性能預(yù)測(cè)

      2011-05-04 03:38:04李樹(shù)生李林科王令金董占春
      鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛 2011年1期
      關(guān)鍵詞:進(jìn)氣門(mén)旁通氣門(mén)

      李樹(shù)生,李林科,王令金,董占春,李 丹

      (濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司,山東濟(jì)南250306)

      CAE已經(jīng)大量應(yīng)用于現(xiàn)代柴油機(jī)設(shè)計(jì),采用這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析技術(shù),可以加快新產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度,減少試驗(yàn)件的投制和各種對(duì)比方案試驗(yàn)的工作量,進(jìn)而減少樣機(jī)開(kāi)發(fā)的成本。

      對(duì)新研制的船用柴油機(jī)的概念設(shè)計(jì),利用CAE技術(shù)和設(shè)計(jì)分析經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了整機(jī)性能計(jì)算,預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能,確定了配氣定時(shí)、增壓匹配方案。

      1 計(jì)算模型

      計(jì)算模型中包括增壓器、中冷器、進(jìn)氣腔、進(jìn)排氣管和氣缸(圖1所示)。該模型中管25,26和單向閥R1形成進(jìn)氣旁通閥,可以模擬在低負(fù)荷時(shí)打開(kāi)進(jìn)氣旁通閥時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。模型中考慮管道內(nèi)的一維氣體動(dòng)力特性,通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)和氣體交換過(guò)程分析,可以對(duì)新設(shè)計(jì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

      圖1 整機(jī)計(jì)算模型

      2 確定進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)幾何尺寸

      2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)幾何尺寸

      進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的幾何尺寸的確定是本著發(fā)動(dòng)機(jī)壓力損失最小和較短瞬態(tài)響應(yīng)原則確定的,為減少整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失,建議進(jìn)氣管中所有的彎管應(yīng)該光滑,避免銳邊和彎曲半徑過(guò)小。連接到壓氣機(jī)的管路和增壓器的法蘭大小有關(guān),應(yīng)保證空氣流量速度低于限值。通過(guò)對(duì)比計(jì)算確定:壓氣機(jī)進(jìn)口管子直徑φ229 mm;壓氣機(jī)和中冷器之間的管最小直徑φ175mm;中冷器和進(jìn)氣腔之間的管最小直徑φ250mm;進(jìn)氣腔容積大約400L;進(jìn)氣門(mén)座內(nèi)徑φ79mm。

      2.2 排氣系統(tǒng)幾何尺寸

      通常排氣系統(tǒng)的容積稍微小于進(jìn)氣系統(tǒng)的容積。為了達(dá)到可接受的瞬態(tài)反應(yīng)效果,排氣系統(tǒng)應(yīng)該保持較小容積,而且應(yīng)采用一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。另一方面必須有足夠的容積來(lái)減少氣缸之間的相互作用,減少壓力損失。通過(guò)計(jì)算推薦的排氣支管直徑為180mm是一個(gè)很好的折中方案??紤]到整個(gè)系列化機(jī)型的通用性,排氣系統(tǒng)采用MPC。連接到渦輪機(jī)的管路和增壓器的法蘭大小有關(guān),應(yīng)保證空氣流量速度低于限值。

      通過(guò)對(duì)比計(jì)算確定:排氣總管的內(nèi)徑φ180mm;渦輪進(jìn)口直徑φ153mm;排氣閥座內(nèi)徑φ79mm。

      3 氣門(mén)正時(shí)

      氣門(mén)正時(shí)影響發(fā)動(dòng)機(jī)容積效率、高壓循環(huán)的指示效率以及發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失。因此,這是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的最重要因素之一。

      3.1 排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻

      排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻(EVO)對(duì)燃油消耗率產(chǎn)生主要影響。延遲排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻可以加大膨脹沖程,因此提高高壓循環(huán)效率。但是,如果選擇的排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻太延遲,縮短已燃燒氣缸內(nèi)氣體的交換時(shí)間,這將增加發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣功。關(guān)于排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻優(yōu)化的問(wèn)題,應(yīng)在高壓循環(huán)和氣體交換之間取一個(gè)平衡。

      排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻的優(yōu)化對(duì)比方案在圖3中給出,各種排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的影響見(jiàn)圖2。結(jié)果顯示排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻選擇135°是折衷方案,可以保證氣門(mén)與活塞間間隙,也可以使整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)各工況燃油經(jīng)濟(jì)性、排氣溫度滿(mǎn)足要求,另外對(duì)容積效率的影響也很小。

      3.2 進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻

      進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻(IVC)對(duì)容積效率影響很大,延遲IVC可以使發(fā)動(dòng)機(jī)有足夠的時(shí)間吸入新鮮空氣,從而提高容積效率。但如果IVC正時(shí)太延遲的話(huà),通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量反而減少,因?yàn)橐呀?jīng)吸入的空氣又隨著活塞的向上運(yùn)動(dòng)回到進(jìn)氣道。進(jìn)氣門(mén)早關(guān)可以降低燃燒開(kāi)始時(shí)的交換氣體溫度,從而降低爆發(fā)溫度減少氮氧化物的排量。為了滿(mǎn)足NOx排放標(biāo)準(zhǔn),采用了進(jìn)氣門(mén)早關(guān)的Miller循環(huán),同時(shí)為了保證在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)有足夠的過(guò)量空氣系數(shù),選用更高壓比的增壓器來(lái)補(bǔ)償減少的容積效率。

      圖2 排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

      圖3 排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻的的優(yōu)化對(duì)比方案

      圖4 進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻的的優(yōu)化對(duì)比方案

      圖5 進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

      圖4列出了進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻的各種對(duì)比方案,在各負(fù)荷下IVC對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響在圖5中給出。選擇在上止點(diǎn)后538°進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉的Miller循環(huán),較常規(guī)的進(jìn)氣門(mén)早關(guān),將適當(dāng)降低容積效率,燃油消耗率保持基本不變,稍微會(huì)升高渦輪前排氣溫度,但會(huì)明顯降低NOx排放。此氣門(mén)正時(shí)方案意味著更高增壓器壓比,以保證所需要的過(guò)量空氣系數(shù),這需要一個(gè)更小的渦輪。

      3.3 氣閥重疊

      氣門(mén)重疊(VO)影響通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量和泵損失。增加氣門(mén)重疊可以減少換氣過(guò)程上止點(diǎn)的壓縮殘余氣體量,減少發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣功損失。增加氣門(mén)重疊將增加排氣掃氣系數(shù),降低排氣溫度和燃燒室零部件的熱負(fù)荷。如果選擇的氣門(mén)重疊過(guò)大,反而對(duì)空氣流量產(chǎn)生副作用,因?yàn)楫?dāng)排氣門(mén)和進(jìn)氣門(mén)都打開(kāi)時(shí),前一個(gè)氣缸的排氣脈沖波會(huì)對(duì)排氣產(chǎn)生干擾。另外氣門(mén)重疊選擇受氣門(mén)和活塞間允許的最小間隙的限制。因此,需要尋找氣體交換和燃燒質(zhì)量兼容的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于氣門(mén)重疊的優(yōu)化方案在圖7中給出,氣門(mén)重疊方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響見(jiàn)圖6。結(jié)果顯示,氣門(mén)重疊期為72°對(duì)于氣體交換、排氣溫度和氣閥—活塞的間隙限制是最好的折中方案。

      圖6 氣門(mén)重疊的優(yōu)化方案

      4 進(jìn)氣旁通系統(tǒng)

      高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)按船用螺旋漿推進(jìn)特性曲線(xiàn)運(yùn)行時(shí),經(jīng)常會(huì)遭受在部分負(fù)荷(25%~50%負(fù)荷)空氣流量不足的情況,這將導(dǎo)致排氣溫度高、冒黑煙以及壓氣機(jī)喘震。為了解決低負(fù)荷時(shí)的問(wèn)題,采用了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣旁通系統(tǒng),在中冷器后進(jìn)氣管路中引一股空冷氣,通過(guò)一個(gè)旁通閥控制其直接進(jìn)入渦輪前面的排氣管中。旁通控制閥只有在負(fù)荷低于50%時(shí)才打開(kāi),在高負(fù)荷時(shí)關(guān)閉。引入的這股冷空氣將增加渦輪的流量,使增壓器向高效區(qū)移動(dòng),增加了壓氣機(jī)壓比。這樣實(shí)際進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣流量增加,改善了氣缸內(nèi)燃燒狀況,降低了排氣溫度。不帶和帶進(jìn)氣旁通閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響見(jiàn)圖8和圖9。

      5 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能預(yù)測(cè)

      按照船用螺旋漿推進(jìn)特性曲線(xiàn),預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)在各負(fù)荷工況下的平均有效壓力、燃油消耗率、氣缸爆發(fā)壓力、容積效率、過(guò)量空氣系數(shù)(圖10、圖11)。

      6 試驗(yàn)測(cè)量值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

      表1列出了樣機(jī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值的對(duì)比,可以看出偏差微小。由于為了滿(mǎn)足更嚴(yán)格的排放法規(guī),增大了增壓器的壓比,犧牲了一些經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)量的油耗、過(guò)量空氣系數(shù)和爆壓稍大于計(jì)算值。

      圖7 氣門(mén)重疊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

      圖8 不帶進(jìn)氣旁通閥發(fā)動(dòng)機(jī)的性能

      圖9 帶進(jìn)氣旁通閥發(fā)動(dòng)機(jī)的性能

      圖10 柴油機(jī)平均有效壓力和比油耗預(yù)測(cè)

      圖11 柴油機(jī)爆壓、容積效率和過(guò)量空氣系數(shù)預(yù)測(cè)

      表1 試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)比

      7 結(jié) 論

      (1)通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證,整機(jī)性能計(jì)算預(yù)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能是正確的;

      (2)計(jì)算確定的進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)幾何尺寸,能夠滿(mǎn)足柴油機(jī)的要求;

      (3)計(jì)算確定的配氣定時(shí)方案能使柴油機(jī)滿(mǎn)足性能和排放的要求;

      (4)采用進(jìn)氣旁通能改善低負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

      [1] 西安交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教研室編.內(nèi)燃機(jī)原理[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1981.

      [2] 易生海,等.D114B船用柴油機(jī)的性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化計(jì)算·柴油機(jī)[J].2002,(2):19-22.

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