（动力机械及工程专业论文）小型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究.pdf

摘要 直喷化是当代小型柴油机发展的趋势。本文以单缸6 5 m m 缸径的小型风冷柴 油机为研究对象，针对1 6 5 f 型柴油机结构以及性能等方面的不足，对其进行改 进设计，以提高燃油经济性能和改善低温起动性能。主要研究内容包括： ( 1 ) 分析1 6 5 f 的结构，从燃烧室的形状与布置、进气涡流的组织、喷油器选 择以及诸因素的匹配等方面说明小缸径柴油机直喷化的技术难点以及解决的方 法。 ( 2 ) 采用以模拟仿真软件对工作过程进行模拟仿真为辅助手段的研究方法。 从程序结构、求解范围、求解步骤及计算模型等方面对工具软件f l u e n t 进行描 述。 ( 3 ) 应用f l u e n t 软件对敞口形与缩口形两种不同的燃烧室进行气流模拟，并 建立数值模型，对燃烧室内的气流进行过程推导，从而说明缩口形燃烧室能够较 好的利用挤流。基于以上分析以及1 6 5 f 的结构特点，为d 1 1 6 5 f 设计合理的燃烧 室。通过模拟仿真来说明所设计的燃烧室符合直喷化的要求。 ( 4 ) 总结归纳大量气道稳流试验的试验数据，对螺旋进气道的结构特点进行 描述，并分析阐述各几何尺寸对进气道性能的影响。并针对1 6 5 f 结构紧凑的特 点，为d 1 1 6 5 f 设计适合其特点的短引导管螺旋进气道。运用f l u e n t 软件对该气 道进行气道稳流试验模拟。 ( 5 ) 建立匹配后的进气道一气门一气缸一燃烧室计算模型，并对模型内的气流状 况进行详细的模拟仿真。分析气流运动的过程，验证说明设计的燃烧室与螺旋进 气道经合理匹配后能够达到d 1 1 6 5 f 工作的要求。 关键词：小型柴油机，直喷，f l u e n t ，模拟计算，流场 江苏大学硕士学位论文 卜型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 a b s t r a c t i t i sak i n do fd e v e l o p m e n tt r e n dt oc h a n g ei d i s i n t od i st o m i n i d i e s e le n g i n e i 6 5 fi sr e g a r d e da st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r ， i na l t u s i o nt ot h ei m p e r f e c t i o no fs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e ，c a r r yo u t s o m ei m p r o v e m e n td e s i g n ，t oi n c r e a s ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n di m p r o v e p e r f o r m a n c eo fl o w t e m p e r a t u r es t a r t t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： ( 1 ) t oa n a l y z et h es t r u c t u r eo f1 6 5 f ，e x p l a i nt h et e c h n i c a ld i f f i c u l t y o fi n d i r e c ti n j e c t i o na n dt h es o l u t i o nw a yf r o mm a n ya s p e c t si n c l u d eo f t h es h a p ea n da r r a n g e m e n to fc o m b u s t i o nc h a m b e r ，o r g a n i z i n go fi n l e ta i r s w i r l ，s e l e c t i o no fi n j e c t o ra n ds oo n ( 2 ) t h es t u d yw a yi sa d o p t e dt h a tt r e a ts i m u l a t i o no np r o c e s so fw o r k b yf l u e n ta sa u x i l i a r ym e t h o d t h ea d o p t i v es o f t w a r ef l u e n ti sd e s c r i b e d f r o ms o f t w a r es t r u c t u r e ，s o l v ea r e a ，s o l v ep r o c e d u r e ，c a l c u l a t i o nm o d e l a n ds oo n ( 3 ) a i r f l o wi ss i m u l a t e db yf l u e n tt ot w ot y p e so fc o m b u s t i o nc h a m b e r ， c k # a n ds k # a n dn u m e r i c a lm o d e li ss e tu pt oc a l c u l a t et h ep r o c e s so f a i r f l o wi nc h a m b e r a sac o n s e q u e n c ei ti ss h o w e dt h a ts k # c h a m b e rc a n m a k eu s eo fs q u i s hb e t t e rt h a nc k # b a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds t r u c t u r e f e a t u r eo f1 6 5 f ，ac o m b u s t i o nc h a m b e ri sd e s i g n e df o rd i l 6 5 f i ti ss h o w e d t h a tt h ec o m b u s t i o nc h a m b e rs u i t sd i sf i n eb ys i m u l a t i o n ( 4 ) t h es t r u c t u r ef e a t u r eo fh e l i c a li n t a k ep o r ti sd e s c r i b e db ym e a n s o fs u m m i n gu pm a n yt e s td a t aa b o u ti n t a k ep o r t ，a n di t i sa n a l y z e dt h a t w h a te f f e c tg e o m e t r ys i z eh a st op e r f o r m a n c eo fi n t a k ep o r t a i m e da t1 6 5 f s t r u c t u r ef e a t u r et h a t i t i sc o m p a c t ，ah e l i c a li n t a k ep o r to fs h o r t i e a d c h a n n e lt h a ts u i t sd 1 1 6 5 fi sd e s i g n e d a i r f l o wi ni n t a k ep o r ti s s i m u l a t e db yf l u e n t ( 5 ) t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fi n t a k ep o r t v a l v e c y l i n d e r c o m b u s t i o nc h a m b e ra f t e rm a t c h i n gi s s e tu p ，a n da i r f l o wi nm o d e li s s i m u l a t e di nd e t a i l e d i ti ss h o w e dt h a tc o m b u s t i o nc h a m b e ra n dh e l i c a l i n t a k ep o r ta f t e rm a t c h i n gc a na n s w e rt h er e q u e s to fd 1 1 6 5 fb yf o r c eo f a n a l y z i n gt h ep r o c e s so fa i r f l o wm o v e m e n t k e yw o r d s ：m i n i d i e s e le n g i n e ，d i r e c ti n j e c t i o n ，f l u e n t ，s i m u l a t i o n f l o wf i e l d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密囱 一虢蓉缮业蹴：膨饼 加。手年5 月2 ；日j 州碑r 月坫 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：葵锆些 3 。5 年5 月多日 1 1 选题的背景 第1 章绪论 由于单缸柴油机结构简单，价格便宜，使用维修也较容易，因此我国小型拖 拉机和三轮农用运输车，小部分四轮农用运输车及少量自走式联合收割机等都配 用单缸柴油机作为动力。因而，单缸柴油机在我国有着广泛的用户和辽阔的市场。 我国是世界上生产单缸柴油机数量最多的国家，拥有生产厂家1 0 0 多家，近几年 年销量都在7 0 0 万台左右。 我国生产的单缸柴油机大都是2 0 世纪6 0 年代以来逐步自主开发设计的，经 过多年的不断改进，在转速、功率和燃油耗等性能水平上有了很大提高。但是， 与西欧及日本的单缸柴油机相比，国产单缸柴油机的性能水平还有较大差距。与 日本的同类机型相比，动力性差，强化指标低3 1 0 ；燃油耗高，直喷机型比 日本产品高6 以上；质量大1 7 3 5 ；可靠性与寿命均较差，仅相当于日本产 品的1 3 1 2 ；在噪声、振动、烟度、外观和密封性等方面也有明显的差距。 表卜1 是国内外单缸微型柴油机主要指标的统计数据。 表1 1 国内外单缸微型柴油机主要指标统计数据 t a b 卜1t e c h n i c a lp a r a m e t e r so fs i n g l ec y l i n d e rm i n i d i e s e lo fn a t i o n a b r o a d 从以上对比可以看出，国内单缸微型柴油机在“高转速、轻型化”上与国外 发达国家的差距较大。加快研发“轻型小功率低油耗低排放柴油机”并尽快产业 化是一项紧迫而意义重大的任务。 我国幅员辽阔，农村地理条件差异很大，平原地带的田块较大，道路条件较 好，农民使用的各种农机工具大多以9 5 r a m 缸径以上的柴油机为主要配套动力。 而丘陵及山区地理条件复杂，田块小、梯度大、道路差，笨重的农具显然不适应 这些地区使用，这些地区迫切需要小巧灵便、携带搬运方便、易于操作的小型农 机具，和与之相应的配套的轻型柴油机。据初步预测，我国丘陵山区地带对微型 江苏大学硕士学位论文 型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 动力的年需求量超过1 0 0 万台。 1 2 我省微型柴油机制造的主要问题 江苏省是微型柴油机生产的大省，拥有常柴、常工、常发、扬动、江淮动力 等一系列大中型企业，在全国的市场份额占到3 成以上。但是，我省中小功率柴 油机在制造上存在不少问题，主要如下： ( 1 ) 产品技术含量不高。多年来，我省小功率单缸柴油机总体技术水平不高、 产品类同、相互模仿、低水平重复现象较为严重，与国外先进水平的差距仍然较 大。 ( 2 ) 产品性能指标和质量有待进一步提高。我省柴油机产品的可靠性指标、 质量指标、环境保护指标等与国外先进水平相比有很大差距，材料、制造、装配 等质量还不尽如人意。 ( 3 ) 产品结构不尽合理。我省单缸柴油机中s 1 9 5 及其变形产品占了主导地 位，品种优势较差，急需调整产品结构，更新换代，以适应我国农村市场经济的 需要。 鉴于以上原因，从9 0 年代起微型柴油机在我省蓬勃发展起来。微型柴油机 是单缸柴油机中的一个新的分支，它利用优化设计的方法，达到节能节材的目的， 其主要特点是高转速、超轻量化，是各种小型农业机械的理想配套动力。 1 。3 风冷柴油机优缺点。1 1 3 1 风冷柴油机的优点 微型柴油机向轻型化发展，散热方式采用风冷代替水冷是一项主要的措施， 这是因为风冷柴油机与水冷柴油机相比有着诸多的优点。 1 3 1 1 尺寸小、重量轻、工作可靠 冷却系统与柴油机制成一整体，这种结构不仅可使柴油机外形尺寸和重量得 到优化，而且易于将整机屏蔽起来，降低噪声。 风冷柴油机不需要水冷热交换器、水泵、冷却水管、接头与密封件，加上机 体、气缸盖、气缸等零件结构重量的减轻，以及较多地采用铝合金材料，使其实 际使用重量一般比同排量、同功率的水冷柴油机轻2 0 3 0 “1 。 主巡翌主兰苎堡墨 ：! ：型墨堡皇堕鉴兰垫整垄室塑兰墨墨垫竺垩! ! ! 塞 据统计，水冷柴油机水冷系统的故障数占总故障数的2 5 3 0 ，风冷柴油机 不用冷却水，因而避免了因冰冻、沸腾、腐蚀与穴蚀引起的故障或损坏。 1 3 1 2 对环境的适应性强 风冷柴油机散热片的温度较水冷柴油机冷却水的温度高6 0 。c 左右，当环境 温度变化时，散热片温度与周围空气之间的温度变化仍然不大，因此散热片的散 热量受环境温度的影响很小，它能在一5 0 5 0 。c 的环境温度范围内保持良好的工 作状态。而水的沸点和冰点是一定的，所以水冷柴油机冷却水与环境空气之间的 温差及散热量均随环境温度的升高而减小。于是必须用加大散热器尺寸的办法予 以补偿，这又增加了柴油机的体积与成本。可见，风冷柴油机在恶劣气候环境下 的适应能力是水冷柴油机可望而不可即的。 1 3 1 3暖机快、易起动、气缸磨损小 风冷柴油机因气缸外壁无水，其热惯性比水冷柴油机小得多，起动后能很快 使柴油机主要零件的温度升高到正常运转状态，并且能在很短的时间内达到全负 荷工作，这一点对于低温地区或用于应急的动力装置尤为重要。图l - i 示出了风 冷柴油机和水冷柴油机起动后气缸壁温升随时间的变化关系。可见，风冷柴油机 气缸壁温度上升的速度远比水冷柴油机快。这不仅大大减少了起动时，特别是低 t f m i n 图卜1 空载起动后气缸壁温度上升曲线 f i g 1 一l6 r a p ho fw a l lt e m p e r a t u r ea f t e rf r e es t a r t 温起动时柴油机的预热过程中，因气缸壁温度过低所造成的气缸机械磨损，而且 大大减少了废气在露点温度( 6 5 7 5 。c ) 以下时，燃烧产物中h 2 0 和s o ：、s 0 3 江苏大学硕士学位论支 卜型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 相遇形成h 。s o ，和h 。s o 。对气缸产生强烈的腐蚀性磨损。试验经验证明，风冷柴油 机气缸的磨损仅为水冷柴油机气缸的一半，同时碳氢排放物也少。由于风冷柴油 机的热惯性小，所以在较低的温度下，采用加热的方法能够有效地起动。 1 3 i 4热效率高 由于风冷柴油机气缸壁温度较高，因此，在压缩与膨胀行程中工质向气缸壁 的传热量就较水冷柴油机少。所以，在同样结构、同样加热条件下加入相同的热 量，表示在示功图上风冷柴油机压缩过程曲线与膨胀过程曲线均较水冷柴油机 高，故其指示热效率高。 润滑油的粘度随着温度的升高而降低，机械摩擦损失功率随之减少。如图 芝 水 嗫 辇 靛 罂 机油温度不变 、 。 、 气缸壁面温度， 图i - 2 摩擦损失随气缸壁面温度的变化曲线 f i g l 一2g r a p ho ff r i c t i o nl o s sw i t h w a l lt e m p e r a t u r e 卜2 所示，在润滑油的允许工作范围内，气缸壁温度每升高2 5 。c ，相对摩擦损失 功率约降低3 。试验还表明，将水冷柴油机的冷却水温度提高，一般情况下， 会使功率增加，燃油消耗率降低，即水冷柴油机气缸壁温度并不是最合理状态。 由于风冷柴油机散热片的温度较水冷柴油机散热器的散热片温度高，因而冷 却空气的利用率高。风冷柴油机的风扇效率，一般在0 7 o 8 之间，而水冷柴 油机的风扇效率大约只有0 4 左右。当然，风冷柴油机所需风压( 约1 5 0 r a m 水柱) 比水冷柴油机高。所以，二者冷却风扇所消耗的功率大致相等。当计及水冷柴油 机冷却水泵所消耗的功率时，风冷柴油机冷却系统所消耗的功率比水冷柴油机 少，如图卜3 所示，故机械效率高。 4 江苏土学硕士学位论五 j 、型风玲直喷柴油机燃烧室和进气系统的鸵研究 n ( r m i n j 图1 3 柴= ；由桃冷却系统消耗功率的比较 f i gl3c o m p a r i s o no fw a s t i n gp o w e ro fd i e s e lc o o l i n gs y s t e m 以上说明，风冷柴油机的有效热效率比水冷柴油机高，特别是在部分负荷下 差别更大。 1 3 1 6便于制造、维修方便 风冷柴油机的气缸盖、气缸大部分采用单体结构，便于制造、拆装、维修、 系列化与大批量生产。例如道依兹( d e u t z ) 公司生产的f l 4 1 3 系列风冷柴油机， 所有机型中8 5 的零件都是通用的。 1 3 2 风冷柴油机的缺点 由于冷却方式采用风冷的原因，与水冷机相比，风冷机也表现出某些不足： ( 1 ) 风冷柴油机的整个温度水平较水冷的为高，所以其充气系数比水冷的 为小，因此平均有效压力比水冷的低6 1 0 ； ( 2 ) 因布置散热片的需要，矾冷柴油机缸心距不得不增加，其长度可能要 比水冷的大2 5 ； ( 3 ) 由于气缸散热较困难，所以要实现大排量和强载就比较困难； ( 4 ) 散热片易于散发噪声，不如冷却水套有隔音作用； ( 5 ) 空气中的灰尘对散热片的污染会降低散热效果： ( 6 ) 由于气缸与活塞问的问隙较大，润滑油的消耗上升，其消耗率为燃油 的i 1 5 ，通常比水冷的略大。 的l 1 5 ，通常比水冷的略大。 江苏犬学硕士学位论文 型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 1 4 小缸径风冷柴油机的发展趋势 小型风冷柴油机作为农用的主要动力，广大农民对之提出了“一要好，二要 小，三要花钱少”的要求。随着内燃机技术的发展，轻量化、低油耗、低振动、 低噪声、低排污、低成本、易起动和高寿命必然成为小型风冷柴油机发展的趋势。 1 4 1 轻量化 轻量化的主要措施是采用高转速、短行程、短连杆、三环或两环活塞结构。 近十年来，小型风冷柴油机的转速普遍大幅度提高，国外产品大多在3 0 0 0 r m i n 以上。在气缸直径6 5 9 0 m m 范围内的产品中，绝大部分采用s d 1 8 ： j = “圪0 - 1 ) 一】( 蒯4 4 ) 。o 2 4 1 ， 则张眦2 亏1 三砘9 3 2 。 这样，既保证了较大的压缩比，也保证了较大的容积比，从而使得d 1 1 6 5 f 能够在较优良的状况下工作。 4 5 本章结论 ( 1 ) 在小缸径直喷式柴油机的燃烧室设计中，应保证有较大的压缩比和较高 的容积比。 ( 2 ) 在燃烧室形状选择方面，为使小缸径直喷机燃烧室得到良好的油气混合 物，应该选择缩口型。缩口形燃烧室与敞口形燃烧室相比能够较好的产生挤流和 逆挤流。 ( 3 ) 缩口形燃烧室的口径比宜在0 4 5 0 5 5 之间，径深比宜在2 8 - 3 5 之间。 ( 4 ) 对d 1 1 6 5 f 所设计出来的燃烧室所具有的特点：采用缩口形，且在室口有 l m m 的直口段；油束贯穿距离较长，最大距离达2 1 4 m m ；底部采用球形凸台；有 较大压缩比及较高容积比。经模拟仿真，该燃烧室符合所配机型的直喷化要求。 江苏大学硕士学位论文、型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 第5 章进气道的设计及气道内气流模拟 直喷式柴油机燃烧系统的匹配主要由供油系统、进气系统和燃烧系统来完 成。对于小缸径直喷机来讲，油气的混合效果单凭合理的燃烧室形状和足够大喷 射压力的喷油系统来完成显然是不够的，还必须依靠优化进气系统增强进气涡流 的办法，使得油气得到更充分的混合。进气系统的性能主要取决于进气道及其相 关结构的参数。在小缸径直喷式柴油机进气道设计中绝大多数采用螺旋进气道， 因为它与其他类型进气道相比，具有易产生强烈涡流及良好的涡流匹配性、较低 的燃油消耗率和烟色等优势。下面是依据现有的大量成熟的螺旋进气道试验及其 结构数据，对小缸径柴油机螺旋进气道设计特点的探讨。 5 1 螺旋进气道的主要结构特点 螺旋进气道的形状复杂，不容易用几何尺寸精确地描述，通过多次气道稳流 试验而逐步的作精心修改是现阶段螺旋进气道设计的主要手段，并且用这种方法 设计的气道，还需经过柴油机实际测试验证才能最后定型，这样的设计方法耗资 耗时。因此，本课题中的螺旋进气道设计主要以经验设计为基础，从大量成熟螺 厂一 n 一一i l 厂 ， 心 广、一 口，b - 最小截面尺寸；l - 引导管长度；d r 进气道喉口直径；岛，易一蜗壳相对尺寸：肛气门室高度 图5 - 1 螺旋进气道主要结构参数图 江苏大学硕士学位论文 j 、型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 旋进气道结构中总结出规律作为设计依据。为此，作者搜集了大量试验数据，经 过总结归纳，将螺旋进气道划分为进气道口、引导管、最小截面、蜗壳、气门室 高度、进气道喉口以及进气门座圈等要素。”，具体各要素如图5 - 1 所示。 5 1 1 进气道口 5 1 1 1 进气道口气流速度 螺旋进气道口实际尺寸对气道的涡流转速及充气系数均有一定的影响。太大 对性能并没有好处，而且结构上也不允许；太小则会影响充气效率。表5 一l 列出 了几种典型螺旋进气道的进i ：3 流速，式( 5 1 ) 为螺旋进气道口平均进口流速的 计算公式。 v 1 = ( 万d 2 s x n ) 1 2 0 s a ( 5 1 ) 式中：d 气缸直径，m m ； s 行程，m ； n 标定转速，r m i n ； s 进气道口截面积，m m 2 。 表5 一l 螺旋进气道的进口流速统计表 t a b 5 - 1i n l e tv e l o c i t yo f h e li c a li n t a k ep o r t 由以上气道进口流速统计值可以看出，小缸径直喷式柴油机气道进口气流速 度一般应选3 0m s 5 0m s 。将表5 - 1 中的数据以单缸排量为横坐标，进气道口 气流速度为纵坐标，绘制出拟合曲线如图5 2 所示。 由图可以看出气道进口的流速与发动机排量呈一定的变化规律，排量越大则 入口流速越大。依照此规律和式( 5 1 ) 可以计算出直喷柴油机的进气道口尺寸。 江苏大学硕士学位论文、型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 5 1 1 2 进气道口中心离缸盖底平面高度 7 0 一6 0 ： q e ￥ 制5 0 蛙 口 封4 0 捌 旷 3 0 2 0 一r 。 ， - 0 4050 60708q91 u1 1 单缸排量，l 图5 - 2 进气道口流速 f i g 52i n l e tv e l o c i t yo fi n t a k ep o r t 进气道口中心距离缸盖底平面的高度尺寸影响整个进气道坡度的陡缓程度， 进而影响螺旋进气道的旋转气流和切向气流的分布。该尺寸增大则气流直接进入 缸盖的部分增加，即切向气流增加；减小则相反，具体尺寸需经实际测试才能确 定。根据对二十几种侧面进气的螺旋进气道该高度尺寸的统计，基本上均在缸盖 厚度1 2 处上下4m m 的范围内。 5 1 1 3 进气道口形状 在截面积相同的情况下，进气道口形状对气道品质没有实质影响，但从空气 动力学和实际制造方便考虑，一般进气道口形状基本为矩形或圆形。 5 1 2 引导管 图5 - l 中l 所示部分为引导管，其前端为进气道口，尾端为气道的最小截面 。6 。引导管的形状对气道的涡流强度和充气效率基本上没有影响，只要在设 计中保证壁面过渡圆滑，不要有渐扩或突然缩小的现象即可。在具体设计时，还 受到气缸盖螺栓、喷油器孔和进气道进口位置以及最小截面尺寸等因素限制。设 计时应该适当处理各个影响因素，使得进气道的性能不至于受到影响。 5 1 3 蜗壳 蜗壳是最小截面向前延伸至气门座上方，在气门腔里形成的螺旋形壳腔。气 江苏大学硕士学位论文 j - 型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 流经此蜗壳而急骤转变流动方向，形成强烈涡旋。 蜗壳的相对尺寸b 和0 2 对涡流强度有决定性的影响，增大o t 和b 能提高涡 流强度，但增加到一定程度后，涡流转速不再增加而充气效率会有所下降，一般 具体形状需经实际测试修改方能确定下来。 在实际缸盖布置中，因小缸径柴油机进排气f 7 2 _ 间距离有限，蜗壳尾部形状 亦受三角区结构的限制，相应向气缸外壁倾斜。为扩大三角区空间，避免金属堆 积，o l 的值有时变得较小，但进气道涡流强度有时会受到一定影响。直喷柴油机 气缸盖中排气道形状有时亦受到一定的限制，应向进气门相反侧倾斜，以保证三 角区的冷却及油嘴偶件的良好工作环境。 5 1 4 气门室高度 图5 1 所示日即为气门室高度。该尺寸的大小会影响到气流中切向成分，即 影响进气道涡流的强度，过大过小均不好，最终的方案要在稳流试验台测试并反 复修改后方能确定。 图5 3 为数种螺旋进气道的气门室高度拟合曲线图。由图中可以看出，气门 室高度与进气道喉口直径呈一定的线性关系，可作为初步设计时的依据。 p 气 ：l 一一彳一 5 1 5 进气道喉口 3 d 进气道喉口害径( m m ) 5 0 图5 - 3 气门室口高度统计 f i g 5 - 3h e i g h ts t a r o fv a l v ec h a m b e r 图5 1 所示矾即为进气道喉口直径，一般稍大于或等于气门座圈最小内径 苫善r n ? 圹 江苏大学硕士学位论文 型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 这个截面处的气流平均速度称为进气道喉口流速。近似计算公式如式( 5 2 ) 所 不： v 2 = ( d 2x s x n ) 3 0 d , 2 ( 5 2 ) 式中：d 气缸直径，m m ； s 行程，r n ： ”标定转速，r m i n ； 反进气道喉口直径，m m 。 表5 2 为几种直喷柴油机的进气道喉口流速统计表。由表可见，小缸径直喷 柴油机的进气道喉口流速范围一般在5 0 m s 8 0m s 之间，且随着柴油机转速的 提高，进气道喉口流速有相应增加的趋势。 表5 - 2 直喷柴油机进气道喉口流速统计表 t a b 5 - 2v e l o c i t yo ff l o wo fi n t a k ep o r tt h r o a to fd i e 5 1 6 进气门座圈 进气门座圈密封带的角度对涡流强度及充气效率均有影响，据研究，角度为 4 0 。5 0 。之间时效果最好，一般考虑加工方便选4 5 “”3 。作为螺旋进气道的延伸 部分，进气门座圈内腔形状对气道品质有显著影响。图5 4 所示为原机1 6 5 f 的 进气门座圈，因其与气门背锥之间通道出现骤缩骤扩现象，进气门座圈密封面与 进气门密封面之问实际上形成了进气道口的一个瓶颈，从而对气道品质产生不利 影响。经过修改后的进气门座圈如图5 5 所示，由于通道变成圆滑渐扩，这种进 气门座圈对进气道的涡流强度和充气效率均有较好的作用，特别对如1 6 5 f 这类 江苏大学硕士学位论文 小型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 小气门升程的性能影响更大。 挈一 图5 - 41 6 5 f 进气门座圈骤缩骤扩现象 f i g 5 - 4r o o tl o o po f 1 6 5 fi n l e tv a l v e 5 1 7 进气门头部形状 图5 - 5 修改后的进气门座圈圆滑渐扩 f i g 5 - 5i n l e tv a l v e a f t e ra m e n d i n g 进气门头部菌型形状对进气道性能有一定的影响。据文献 3 8 介绍，一般认 为气门头部锥角为1 2 0 。左右对进气道性能有利，但气门头部结构强度稍差，4 5 度左右气门的头部结构强度得到加强，但气道性能比1 2 0 。时稍差。实际使用过 程当中两种情况均有。 综合以上分析，可以初步估算出柴油机的进气道尺寸，从而在此基础上建立 进气道模型。当然，最终的方案需要在气道稳流试验台上试验，并作适当修改后 方能确定。但是，运用经验设计的方法无疑可以省时省资。 5 2 进气道在气缸盖内的布置特点 5 2 1 进气门位置坐标的确定 小缸径直喷柴油机由于其喷油器布置及进排气道的具体要求，使得进排气门 及喷油器的实际布置有一定的规律性。根据对现有二十几种? 5 m m 1 2 0 m m 小缸径 直喷柴油机的数据统计，其进气门布置基本上在图5 - 6 所示范围内。 5 2 2 进气道的布置特点 小缸径柴油机大多采用一进一排两个气门的方案。而在单缸机领域基本上就 4 0 江苏大学硕士学位论文 型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 三种情况： 图5 - 6 小缸径直喷式柴油机进气门布置规律 f i g5 - 6d i s p o s a lr u l eo fi n l e tv a l v eo fh i n i d ie n g i n e ( 1 ) 进排气道走向相反，出口各向缸盖一侧，1 6 5 f 就采用这种方式。这种气 道进气惯性力不足，对形成涡流不利，一般需将进气口向蜗壳展开方向偏移，以 形成必要的引导部分，增加进气惯性。优点是进排气道口对置，对整机进排气管 布置有利，整机较美观。 ( 2 ) 进排气道成9 0 。垂直布置，石岛牌1 1 0 5 风冷柴油机属于这种方案。这 种气道布置方案因进气道有较长的导向部分，对螺旋进气道十分有利；但因进气 口向上与排气口不在一条水平线上，进气弯管的布置有一定的困难，并且影响柴 油机整机美观。 ( 3 ) 进排气道走向相反，出口各向缸盖一侧，气道入口位于气缸中心线下方 一段距离，从气缸盖一螺栓孔和摇臂推杆孔之间通过，然后沿着气缸壁向上延伸 与气道螺旋部分连接，整体呈“z ”型，t x 9 0 9 5 就是这种布置。这种方案克服 了前两种气道的不足，其优点是进气道在缸盖内长度较长，可以形成较大的进气 惯性力，气道螺旋部分涡流导向角较大，使得进入气缸内的旋转气流有足够的旋 转空间，有利于形成理想的涡流。 进气道的具体布置还要根据柴油机气缸盖的结构特点来定。最终的方案要通 过权衡多方面的因素来确定。 江苏大学硕士学位论文j 、型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 5 3d 1 1 6 5 f 进气道的理论设计及气道内气流模拟 5 3 1 进气道的三维造型 以上述关于进气道设计方面的经验总结作为理论设计依据，结合1 6 5 f 型柴 油机的结构特点，特别是气缸盖的结构，在对柴油机结构尽可能少作改动的情况 下设计出了涡流比大小适当的d 1 1 6 5 f 的螺旋进气道。其c a t i a 三维造型如图5 7 所示。表5 - 3 是进气道的主要技术参数。 该进气道在结构上最典型的特点是采用较短的引导管。这是因为小型柴油机 结构紧凑，特别是气缸盖部分表现得尤为明显。为了适应这一结构特点，在进气 道方面一般宜采用陡坡式引导管。但由于1 6 5 f 采用顶置气门，加上油泵的布置 图5 7d i l 6 5 f 螺旋进气道三维造型 p i g5 - 73 - dm o d e lo fd 1 1 6 5 fh e l i c a li n t a k ep o r t 表5 - 3d 1 1 6 5 p 进气道参数 t a b 5 - 3i n t a k ep o r tp a r a m e t e r so fd 1 1 6 5 f 使得气缸盖上部分结构很紧凑，再布置进气口就变得相当困难。又由于引导管的 长度对气道性能影响甚小，所以这里采用较短的引导管可以较好的解决上述难 点。 江苏大学硕士学位论丈 j 、型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 5 3 2 进气道内的气流模拟“o m l m 2 1 5 3 2 1 网格的划分 用g a m b i t 2 0 对进气道进行网格的划分，网格选用四面体单元，步长取2 。 划分结果如图5 8 所示。 i 墨i5 8 进气道网格体不葸圈 f i g 5 - 8s k e t c hm a po fi n t a k ep o r tg r i d d i n g 5 3 2 2 模拟计算 运用f l u e n t 6 0 双精度三维模块进行气体流动模拟计算。选用带旋流修正的 r e a l i z a b l ek s 模型。进气道口截面设作为进气边界，类型选速度进口，进气速 度取计算值v l = ( 万d 2 s n ) 1 1 2 0 s , 3 0 m s ，此处d 、s 、 和s 分别是1 6 5 f 的缸径( 6 5 m m ) 、行程( 0 0 6 m ) 、曲轴转速( 2 6 0 0 r m i n ) 和气道进口截面积 ( 5 7 8 ? m m 2 ) 。进气道气门喉口截面设为出口边界，类型选流出出口( o u t f l o w ) ， 工作压力参考点选在进气道口中心，压力大小设1 a r m 。经过2 1 3 次迭代收敛， 迭代计算结果曲线如图5 - 9 所示。 图5 - 9 迭代计算残差曲线 f i g5 - 9s c a l e dr e s i d u a l s 江苏大学硕士学住论文卜型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 5 3 2 3 计算结果分析 计算所得的云图如图5 - 1 0 图5 1 4 所示。 从图5 1 0 和图5 一1 1 可以看出：从进气道入口开始，随着流动截面面积的逐 渐减小，气流速度值随之变大。在气门升程最大时，在气道的引导管向螺旋蜗壳 过渡的地方流动截面面积最小，流动阻力最大，气流速度也达到最大值 ( v 。2 1 0 4 7 5 m s ) 。 图5 一1 0y - x 平面速度矢量 f i g 5 - i 0v e l o c i t yv e c t o ri ny - xp l a n e 图5 1 1z x 平面速厦矢量 f i g 5 - 1 1v e l o c i t yv e c t o ri n z xp l a n e 从图5 一1 2 可以看出：进气道螺旋段靠近外侧壁面的地方( 椭圆标记处) 出 现了气体倒流的现象，气体的倒流会导致流动阻力的增加，从而导致气道的流量 系数减小，使得进入气缸的空气量减少，影响到燃烧过程。对此，需要对进气道 模型作适当的修改，增大螺旋段外侧导圆半径可以解决上述问题。 江苏大学硕士学位论文 1 - 型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 图5 - 1 2z - y 平面速厦矢量 f i g 5 - 1 2v e l o c i t yv e c t o ri nz - yp l a n e 图5 一1 3 表征的是气道出口速度矢量，图5 - 1 4 表示出了空气分子在气道空间 内的运动轨迹。可见，在气流通过进气道的过程中形成了较为强烈的涡旋，该涡 旋有助于空气与燃油更均匀的混合。进气道的具体性能参数值可以根据表5 4 给出的模拟数据报表以及性能指标公式( 5 3 ) 至( 5 5 ) 计算得出。 c ，= 旦a v o ，( q 为空气流量，a = 万以2 n 4 , v o 为理论进气速度) ( 5 3 ) = 面8 m 丽，( m 为力矩，。为缸径) ( 5 4 ) 图5 一1 3 出1 3 速度矢量 f i g 5 - 1 3v e l o c i t yv e c t o ri no u t l e tp l a n e 江苏走擘硕士学位论文 型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 图5 一1 4 空气分子运动轨迹 f i g 5 - 1 4p a t hl i n e so fa i rm o l e c u l e 表5 - 4 部分模拟数据报表 t a b 5 - 4s i m u l a t e dd a t a q 2 寄栅一k 分喝删蒯珊蝴时 的曲轴转角) ( 5 5 ) c f 为r i c a r d o 无量纲流量系数，n r 为无量纲涡流数，q 为涡流比。性能参 数计算数值如表5 - 5 所示。从表中可以看出，此进气道流量系数较大而涡流比较 小，正符合小涡流比、高喷射压力、大流量系数的设计要求。 表5 - 5 进气道性能参数 t a b 5 - 5p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fi n t a k ep o r t 江苏大学硕士学住论文型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 5 4 本章小结 ( 1 ) 螺旋进气道的形状复杂，经归纳总结，可以将之划分为进气道口、引导 管、最小截面、蜗壳、气门室高度、进气道喉口以及进气门座圈等要素。设计时， 需从气道的形状、布置以及性能匹配等多方面着手。 ( 2 ) 通过总结概括现有大量试验数据，从中发现小缸径直喷柴油机螺旋进气 道的一些规律和趋势：进气道口气流速度一般选3 0m s 5 0m s ，进气道口形状 为圆形或矩形：气门室高度与进气道喉口直径呈一定线性关系；进气道喉口流速 在5 0 m s 8 0m s 范围较好。可作为初步设计的依据。 ( 3 ) f l u e n t 软件可以较为真实的模拟出气道内的气流流场。借助此工具软件 进行模拟计算，再以模拟结果对进气道结构加以改进，从而缩短设计周期，降低 设计成本。 ( 4 ) 为d 1 1 6 5 f 设计的螺旋进气道采用短引导管、较小涡流比、较大流量系数， 符合小型风冷柴油机的结构紧凑的特点，通过模拟计算得知，其组织进气涡流方 面的性能达到设计要求。 江苏大学硕士学位论文 j 、型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 第6 章结构设计要求及模拟验证 6 1 对气缸盖设计的要求 气缸盖是风冷柴油机的关键零件之一，它的作用是密封气缸的上平面，并与 活塞气缸体组成燃烧空间。此外，它还要散走高温燃气传给气缸盖的大量热量。 风冷柴油机气缸盖的温度较高，特别是“鼻梁区”、排气门和喷油器等处，加上 气缸盖的结构复杂，燃烧室和排气道受高温气体的作用，外表面和进气道却受冷 却空气的作用，各部分的温度分布极不均匀，因而产生很大的热应力“。 小型风冷柴油机由于其安装空间的要求，外形尺寸非常紧凑，作为两气门的 小型直喷式柴油机，由于缸径小，气缸盖的结构相应更加紧凑，在气缸盖上有限 的空间内，要布置进排气道、喷油器安装孔、缸盖螺栓搭子、散热片、机油道等 结构。 气缸盖上气门的大小、位置和喷油器的安装位置对燃烧系统的性能影响很 大，直接影响换气过程的完善程度、燃烧室的布置及混合气的形成和燃烧，为满 足直喷工作过程的要求，气缸盖的设计思路主要有以下几点： ( 1 ) 冷却效果良好。要合理地布置散热片，保证高温区得到强烈的冷却， 特别是“鼻梁区”，使气缸盖的温度不超过材料的临界温度，并尽量使气缸盖各 部分的温度分布均匀。 ( 2 ) 气缸盖应有足够的刚度和强度。在承受气体压力和热应力时，不易产 生变形，能可靠工作，并保证气缸盖和气缸体之间的可靠密封。 ( 3 ) 进排气道的直径应尽量增大，尤其应尽量增加进气流通系数，但同时 要顾及到加大气门直径后缸盖鼻梁区变窄而引起的强度和热应力问题。 ( 4 ) 喷油器尽量接近气缸中心，以保证燃烧室在活塞上的偏位不致过大。 ( 5 ) 进气道的布置应考虑进气门在缸盖底平面上的位置对进气涡流的影响。 当进气门布置在相对于气道进口较远时，进气流流线集中在气缸壁附近，形成角 动量较强的旋流；而进气门中心布置在气缸中心线上时，形成的涡流强度较弱。 对于小缸径直喷柴油机应将进气门布置在相对于气道进i s l 较远处，以加大气流惯 性和进气充量。 图6 - 1 是进排气孔及喷油器孔的布置位置示意图。 4 8 江苏大学硕士学位论文 j 、型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究 图6 一l 气门和喷油孔的布置 f i g 6 - 1d i s p o s a lo fv a l v e i n j e c t o rh o l e 6 2 对活塞设计的要求 活塞是处在高压、高速、高温的恶劣条件下工作的。要保证柴油机工作可靠、 性能良好、活塞的结构必须满足以下的要求： ( 1 ) 有足够的刚度和强度。但质量应尽量轻，以适应柴油机的高速性能。 ( 2 ) 有良好的散热能力。活寒顶外表面所接受的热量少，而传入活塞的热 量又能及时散出，并尽量减小活塞由于各部分受热不均匀而产生的热应力。 ( 3 ) 有较小的合理的活塞裙部与气缸体的工作间隙、正确的几何形状，以 使柴油机的运转噪声较小。 ( 4 ) 摩擦损失较小，而耐磨性较高，尤其是第一环