（动力机械及工程专业论文）采用双喷油器的s1100直喷柴油机的研究.pdf

摘要 本文分析了国内外柴油机的发展动态，结合我国柴油机行业存在的问题， 根据我国实际情况，提出了采用双喷油器的燃烧系统。该系统是在原有s 1 lo o 柴油机的基础上改进而成的。由于两个喷油器分别装在燃烧室两侧，大大增 加了燃油喷注在燃烧室内的自由贯穿长度，可减少混合气形成对进气涡流的 依赖；降低了气缸盖及活塞的热负荷；并且可把进排气门中心移向气缸直径 方向，从而有助于改善进排气流动性能。采用该系统，还可以实现先缓后急 的喷油规律。文中对双喷油器柴油机进行了结构设计。在原s 1 1 0 0 柴油机的 结构基础上改进了气缸盖设计，高压油路中加装三通，对活塞结构作适当调 整，在喷油器上改变喷孑l 位置及个数，这样的改进使得原s 1 1 0 0 柴油机的生 产流水线可以基本维持不变。最后，还对双喷油器柴油机混合气的形成进行 了数值模拟，给出了带分叉结构的燃油系统计算模型和计算方程，对供油过 程进行了计算。并且用数学模型模拟缸内燃油喷雾贯穿及油束分布情况。并 且根据实测供油过程对计算进行了验证。( 结果表明，双喷油器柴油机的混合 气形成状况良好，对改善柴油机性能十分有利。卜厂 关键词t 柴油机、燃烧系统、喷油器、工作过程、数值模拟 a b s t r a c t t h i s p a p e rd e v e l o p e d t h ed i r e c t i n j e c t i o n c o m b u s t i o n s y s t e m o fd i e s e l e n g i n ew i t hd u a l i n j e c t o rb a s e do nt h ea n a l y s i st o t h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t o fd i e s e l e n g i n e s i nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no ft h e s i n g l ec y l i n d e rd i e s e le n g i n e si n o u rc o u n t r y t h i ss y s t e mi s d e v e l o p e df r o m s1 10 0 d i e s e le n g i n et h a tw ea l r e a d yh a v e ，w i t ht h i sc o m b u s t i o ns y s t e m ，t h ef r e e p e n e t r a t i o n o ff u e l s p r a y i nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e rm a yb ei n c r e a s e d ；t h e d e p e n d e n c e o ft h em i x t u r eo nt h ei n d u c t i o na i rs w i r lm a yb er e d u c e d ；t h e t h e r m a ll o a dm a g n i t u d eo ft h ec y l i n d e rh e a da n dt h ep i s t o nc a nb ec u td o w n ；t h e n e wa r r a n g e m e n tt h a ti n t a k ev a l v ea n de x h a u s tv a l v ea r el o c a t e dt h ec y l i n d e r d i a m e t e rc a nb ei m p r o v e d ；a n df u e li n j e c t i o nr a t et h a ti su n h u r r i e da tf i r s tt h e n o t h e r w i s ec a nb er e a l i z e d t h i sp a p e rd e s i g nt h es t r u c t u r eo ft h ed i e s e le n g i n e w i t hd u a l - i n j e c t o r ：d e v e l o p e dt h ec y l i n d e rh e a do fs 1 10 0 d i e s e le n g i n e ，t om e a t t h er e q u i r e m e n t so ft h en e ws y s t e m ；a d j u s t e dt h es t r u c t u r eo ft h eh i g hp r e s s u r e l i n e sa n dt h ep i s t o n ；c h a n g e dt h ep o s i t i o na n dt h en u m b e ro ft h ea p e r t u r e so nt h e i n j e c t o r s s ot h em a n u f a c t u r i n gl i n e o fs 11 0 0d i e s e l e n g i n e c a nk e e p e d u p f i n a l l y , t h e s i m u l a t i o no fm i x t u r ef o r m a t i o ni n t h e c y l i n d e r i s c o m p l e t e d t h r o u g hs e t t i n gu pt h ef u e li n j e c t i o np r o c e s sm o d e l t h ef u e li n j e c t i o np r o c e s s m o d e li n c l u d e st h ep l u n g e rf u e li n j e c t i o np u m p ，h i g hp r e s s u r el i n e ，b r a n c hp i p e a n df u e li n j e c t o r t h ef u e lp r e s s u r ea n dv e l o c i t ye q u a t i o n si nt h eh i g hp r e s s u r e c i r c u i ta r e f i g u r e do u tb yt h e c h a r a c t e r i s t i ct h e o r y e x p e r i m e n ti sh o l do u tt o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a td i e s e l e n g i n ew i t hd u a l i n j e c t o rh a sg o o dm i xq u a l i t y t h ep r o p e r t yo fd i e s e le n g i n e w i l li m p r o v e dal o t k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e s ；c o m b u s t i o ns y s t e m ；f u e li n j e c t i o n ；w o r k i n gp r o c e s s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 学位论文版权使用授权书 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。 本文授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入相关的数据库 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学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密嘭 学位论文作者签名：jj j 妒年月佣 指导老师签 矽o 年6 月矿f | 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： - jj i 。年；月圹日 江苏大学硕：t o 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 我国是单缸柴油机生产大国，国内众多柴油机生产厂家所生产的产品主 要用于满足我国国内农业发展的需要，其中很大一部分也销往东南亚等地 区。经过3 0 多年的不懈努力，单缸柴油机主要经历了测绘仿制及修配、样 机仿制基础上的自主开发、大规模引进技术和装配三个时期的发展，已经比 较成熟，但是单缸柴油机结构笨重、振动噪声大、排气冒黑烟、冷 起动难等问题依然十分突出。本文作者引入在单缸柴油机上采用 双喷油器燃烧系统的概念，试图通过这种尝试，进一步改善单缸 柴油机的性能，使其更加能够适应行业发展的需要。 1 2 国内外单缸柴油机的研究现状 4 1 1 2 1 目前国外单缸柴油机的技术发展趋势 ( 1 ) 转速和强化程度高 国外单缸柴油机的转速一般为3 0 0 0 r m i n 左右。意大利阿克玛公司 的产品，标定转速几乎都是3 6 0 0 r m i n ，活塞平均速度达到l o m s 。在转 速为3 6 0 0 r m i n 时，平均有效压力均在6 0 0 k p a 以下；3 0 0 0 r m i n 时，可 达6 5 0 7 0 0 k p a ：低于3 0 0 0 r m i n 时，最高可达8 0 0 k p a 。 ( 2 ) 比质量轻 国外单缸柴油机的最大特点是质量轻，其比质量一般在8 1 0 k g k w ， 我国的单缸机比质量在1 3 6 15 k g k w 范围内。 ( 3 ) 直喷化、燃油消耗率适中 欧洲的单缸柴油机1 0 0 是直喷柴油机，日本近几年已有相当一部 分机型实现了直喷化。 在燃油消耗率方面，国外单缸柴油机由于标定转速高、机械效率低， 因此，标定工况的油耗率不算低。但万有特性上低油耗区较广，柴油机 的使用油耗较低。 ( 4 ) 低污染 为了控制发动机的有害污染物排放，欧洲、日本、美国等均制定了 不同的排放法规和实施方案，虽然这些标准各有侧重，但总的来说，对 江苏大学硕士学位论文 污染物排放的要求及执法越来越严格了。 为了控制排放，目前世界上广泛采用高压喷射技术、多气门技术、e g r ( e x h a u s tg a sr e c y c l e ) 、电控技术( 电控喷油、可变正时、可变迸气) ； 采用高性能供油系统、增压、三效催化转化等技术；在发动机设计上对 冷起动和暖机、怠速工况、混合气形成与燃烧室等采用低排放设计；使 用低排放燃料也是控制排放的一项重要技术。 ( 5 ) 可靠性 在最初使用的2 0 0 0 3 0 0 0 h 内不需作任何修理和维护，在5 0 0 0 h 后才 进行更换部分易损件，而我国还在为首次故障期1 0 0 0 h 而奋斗，有的机 型在几百小时后就需要换件或大修。 对于单缸柴油机而言，国外在单缸机上也没有使用电控、三效催化转化、 废气涡轮增压、可变正时、可变配气等技术，但通过工作过程的精一i i , 组织， 通过供油、进气、燃烧室等的合理匹配，其综合性能指标仍达到了较高的技 术水平。如自然吸气的单缸柴油机的排放也可达到欧洲i 的标准，其动力性、 经济性及可靠性指标要比我国的单缸柴油机领先得多( 见表1 1 ) 。 表1 1 国外新一代单缸柴油机主要性能 国别 型号 缸径x 行程排量功率 最大转矩p c ，l 净质量 备注 公司( r m a )( 1 )( k w r m l n )( 1 曲v r m i n )( i ( m s )( k ) 意隆巴迫尼 6 i 呦7 0 鹋0 2 6 23 7 3 6 0 0 1 0 4 ，2 6 0 04 7 18 1 64 0立式风冷 6 u ) t 3 5衢7 50 4 3 67 3 3 6 2 3 2 2 2 0 05 5 894 6 有凸轮轴 l a m m 出 3 u x l 08 5 9 00 5 1 09 3 咖 3 3 1 8 7 0 696 0输出 镶法里曼1 4 d 7 0 0 2 3 l3 3 3 6 0 09 舒伽4 拍 7 22 6 立式风冷 铬机体立 f a r m n 1 8 w犯x 5 5o 2 9 05 2 3 6 0 0 1 6 7 ，2 4 0 0嬲6 63 7 式水冷 1 3 本田a 锄7 6 7 0o 3 1 75 2 3 6 0 01 6 2 5 5 5 88 44 8 立式风冷 有凸轮辅 t h d z ( j d n跎7 80 4 1 2 6 7 3 6 0 02 1 2 5 0 05 5 39 3 65 4 输出 日洋马i a o a醴5 50 22 8 3 6 0 05 2 8 6 62 6 立式风持 有凸轮轴 y m r m ru o q a拍7 00 4 0 66 6 2 3 6 0 06 1 68 44 9 输出 日富士d 啊7 6 6 60 2 9 94 7 8 3 6 1 5 5 2 4 0 05 4 37 9钾 立式风冷 f 球 d y 4 l d7 80 4 1 26 ，0 3 3 6 0 02 0 1 枷4 9 89 4 4 75 嗷6 9 醴0 2 5 43 赞3 6 0 01 1 8 2 4 0 04 5 2 3 2 日久保田8 1 6立式风冷 。习5丌0 4 t 67 3 6 0 02 2 2 2 0 d5 6 l4 5 1 2 2 国内单缸柴油机发展趋势 在国内，自从改革开放以来，单缸柴油机行业通过自主开发和技术引进， 不仅有一些产品填补了国内空白，还使产品的技术水平有了一定幅度的提 高，在节能、节材、降低排放和噪声、提高寿命和可靠性、改进配套适应性 2 江苏大学硕士学位论文 等方面都取得了长足的进步，特别是进入9 0 年代以后，整个单缸机行业有 了飞速发展。目前我国单缸柴油机逐步形成了生产批量大、成本低、零配件 分布广、使用维修方便等特点。但就行业目前的总体情况而言，我国现有单 缸柴油机的水平远远落后于国外同类产品水平。其差距主要表现在转速低、 强化程度低、结构笨重、比质量高、振动大、平稳性差、排放高、噪声大、 污染严重、可靠性差、寿命短。就技术而言，主要集中在直喷化、扩缸、滑 动轴承改为滚动轴承、增加电启动、喷油系统优化等方面。因此，为了适应 加入w t o 后国外先进机型的挑战，在单缸柴油机上仍有大量工作要做。 1 3 混合气形成研究进展 对于直喷式柴油机，为了保证燃烧过程在上止点附近完成，喷油持续时 间将极为短促，不利于混合气的形成。然而柴油机的性能与混合气形成的质 量密切相关。所以混合气的形成过程一直是内燃机工作者研究的重点。在柴 油机发展过程中，人们提出了各种不同的混合气形成方式，但基本上有两种 形式：油膜蒸发混合和空间雾化混合“1 。 下表列出了这两种混合方式的特点： 表1 2 两种混合方式的特点 空间雾化混合油膜蒸发混合1 1 利用强烈的空气旋流将大部分燃料 1 大部分燃料喷散雾化，并分布到空涂布到壁面上 气中2 燃料在壁面上形成油膜 2 燃料在空气中是细小油滴3 油膜受壁温影响在较低温度下蒸 3 细小油滴与热空气混合，形成不均发，然后燃料蒸气与空气混合，形 匀的混合气( 液相混合) ，然后小成均质混合气( 气相混合) 油滴在高温下蒸发4 散布在空气中的少量雾化燃油局部 4 在着火延迟期间形成的可燃混合着火 气数量较多，多处着火5 初期放热速率不高，而随着燃烧的 5 燃烧开始时的放热速度很高，以后进行，火焰辐射使蒸发增强加上热 逐渐减慢力混合作用，中后期的燃烧速度很 高。 油膜蒸发混合由于在滞燃期内形成的可燃混合气较少，因此柴油机燃烧 初期压力升高率小，燃烧噪声低，工作较为柔和；同时也存在冷起动困难、 h c 排放高，对进气涡流要求高、加速响应慢等问题。 空间雾化混合由于在滞燃期内形成的可燃混合气较多，因此柴油机的初 始燃烧速率高，压力升高率大，造成柴油机工作粗暴和较大的燃烧噪声。 对大多数小型高速直喷式柴油机而畜，不可能是纯粹的油膜蒸发混合， 也不可能完全是空间雾化混合，而是两种混合方式的结合。对不同的燃烧系 统，两种混合方式所占有的份额( 或比例) 不同，有的燃烧系统以油膜蒸发 江苏大学硕士学位论文 混合为主，有的则以空间雾化混合为主。近年来，出现一些新的混合方式， 如附壁卷流混合方式、壁面冲击碰撞混合方式和双热区混合方式等等。但是 从本质上讲，这些方式仍然可以划归到空间雾化混合和油膜蒸发混合的范畴 里去。 1 4 燃烧系统及燃烧室的发展动态 压燃式柴油机的燃烧室发展到今天，已经形成了多种各具特色的结构形 式。根据混合气形成及燃烧室结构形式的特点可分为两大类：直接喷射式燃 烧室和分开式燃烧室。其中直接喷射式燃烧室以其结构简单、启动容易和良 好的经济性能被广泛应用。直喷式柴油机可按照其燃烧室形状、燃油喷射方 式和气流运动组成各式各样的燃烧系统：按照活塞顶部燃烧室凹坑的深浅可 以分成开式和半开式两类；依照缸内气流运动的情况又可分为有涡流和无涡 流两种。一般说来，无涡流、开式燃烧室多用在缸径大于2 0 0 m m 的中、低 速大功率柴油机上，而有较强涡流的半开式燃烧室则多用于缸径小于2 0 0 m m 的中小型高速柴油机上1 。对于半分开式燃烧室，一般把活塞顶部加工成凹 坑，根据凹坑的形状可把燃烧室分为国形( h e s s e l m a n ) 、盆形( b e n z ) 、球 形( m a n ) 、缩口形( p e r k i n s ) 、和四角形( i s u z u ) 。半分开式燃烧室一般要 组织较强的迸气涡流，要充分利用挤流，并要使供油系统、进气过程和燃烧 室之间取得良好的匹配。 1 5 本课题研究的主要内容和意义6 8 1 我国作为一个发展中国家，农业问题、农村问题、农民问题是关系到我 国国民经济可持续发展的重要问题。单缸柴油机作为主要的农用动力，在拖 拉机、旋耕机、插秧机、收割机、农用运输车上有着广泛的用途。表1 3 所 示为“十五”期间单缸柴油机总需求量的预测。 表1 3 近年柴油机产量及“十五”期间单缸机需求预测 年份( 年) 1 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 市场需求( 万朱 农用运输车 2 5 8 32 7 1 22 8 4 ，82 9 9 03 1 4 03 3 0 ，03 4 6 2 小型拖拉机1 8 0 01 8 0 o1 8 0 o1 8 0 01 8 0 018 0 01 8 0 0 其他用途1 6 6 o1 6 6 01 6 6 o1 6 6 01 6 6 01 6 6 o1 6 6 o 出口7 8 28 4 49 1 29 8 41 0 6 31 1 4 81 2 4 0 总计 6 8 2 57 0 1 67 2 2 07 4 3 47 6 6 37 9 0 88 1 6 2 4 江苏大学硕士学位论文 然而占据当今单缸柴油机主流市场的仍是3 0 多年前开发的s 1 9 5 柴油机 扩缸直喷化的变型产品，以及8 0 年代初开发的r 系列小缸径柴油机产品。 而且电控喷射、可变正时、增压及增压中冷、三效催化、可变进气系统等在 车用柴油机上采用的高新技术目前还不会很快在单缸柴油机上使用，所以目 前单缸柴油机对生产企业来说似乎已成为弃之可惜、食之无味的“鸡肋”。 为了改变这种状况，必须走创新和改进提高相结合的道路。单缸柴油机行业 一方面需要新一代机型的开发，另一方面也需要对现有产品的不断改进提 高。对现有单缸机进行改造，逐步提高其性能，将是摆在内燃机行业技术人 员面前的重要而紧迫的任务。合理的组织直喷式柴油机的工作过程、改善混 合气的形成质量、促进燃油的完全燃烧及具有合理的放热规律方面仍有许多 工作可做。 本文就从改善现有产品的角度提出在单缸柴油机上采用双喷油器燃烧系 统，对该系统进行结构设计，分析其特点，最后进行数值模拟计算。 江苏大学硕士学位论文 第2 章双喷油器直喷燃烧系统 及其混合气形成 2 1 直喷式柴油机对喷雾及喷孔直径的要求 直喷式柴油机具有油耗低和冷起动性好等优点，其燃烧效率首先取决于 在极短时间内燃油与空气充分地混合。其中喷雾特性更是与性能密切相关， 尤其对于直喷式柴油机，燃油喷注的贯穿和雾化对其性能起重要作用【3j 。直 喷式柴油机的混合气形成兼有空间雾化混合及油膜蒸发混合的特点。其中油 膜蒸发混合比较适合于中、低速柴油机。而对于小缸径高速直喷柴油机而言， 希望有较多的空间雾化混合成份，应使较少的燃料喷向燃烧室壁面。 目前，直喷式柴油机的强化程度在不断提高，结构也越来越紧凑。有资 料表明， 9j 当燃烧室半径小于喷孔真径的3 0 0 倍时，就不可避免的存在喷雾 碰壁现象。因此对中小缸径柴油机，必然存在喷注与燃烧室壁面相碰，很难 保证较多的空间雾化混合。从我国的具体情况看，小缸径直喷柴油机也不曾 实现较好的空间雾化混合，其主要原因是一是我国使用的柴油品质较差，若 喷孔直径过小则容易造成喷孔堵塞；二是使用者的维护保养水平较低，难于 对柴油滤清器等进行定期保养：三是油泵油嘴不能满足直喷化的要求( 如喷 油压力偏低等) 。这些原因导致了小缸径直喷柴油机上仍使用喷孔直径过大 的喷油器，造成了空间雾化混合偏少的结果，从而影响了小缸径直喷柴油机 的性能。根据公式( 2 1 ) ，喷油器的喷孔直径为： 历丁 d ，= 、f 二王 ( 2 1 ) 。 v 石i 式中：a 一一最大喷孔总面积； ( m m2 ) i 一一喷油器的喷孔数： a 可由式( 2 2 ) 求得： 。 6 n v b 1 0 3 ，、 a = z ， 哆： n 一一柴油机转速；( r m i n ) 一一喷油器喷孔的流量系数，u = o 6 0 7 ； 毋一一喷油持续角，一般直喷式柴油机为：2 0 。2 5 。( c a ) ； w ，一一喷孔处喷油平均流速，一般为2 0 0 3 0 0 m s ； 6 江苏大学硕z t z 学位论文 v 6 一一循环喷油量； ( m m 3 c y c l e ) 。 v 。可由式( 2 3 ) 求得： = 志枷。3 ( 23 ) 式中： b 。一一标定功率点燃油消耗率；( g k w h ) n 一一柴油机转速； ( r m i n ) p 。一一柴油机的标定功率； ( k w ) i 一一柴油机的气缸数； p ，一一柴油密度；( g c m 3 ) r 一柴油机冲程数。 由此可求得喷油器的喷孑l 直径。对于s 1 1 0 0 柴油机，喷油器喷孔直径应 为0 2 7m m 左右；对于18 5 柴油机，喷孔直径应为0 2 3 m m 左右；而目前使用 的喷油器喷孔直径分别为0 3 2m m 和o 2 8m m 。喷孔直径的加大，增加了燃 油喷注的贯穿力，减小了空间油雾的形成，这对于小缸径高速直喷柴油机的混 合气形成是十分不利的。 正因为上述原因，本文提出了双喷油器直喷燃烧系统( 结构简图见图 3 1 ) ，以期缓解这种状况，同时改善其他性能。 2 2 双喷油器直喷燃烧系统 不同的燃烧系统，在燃烧室形状、在气流与燃油喷柱的相互作用上具有 不同的形态。例如常见的多孔喷油器直喷燃烧系统( 半分开式直喷燃烧系统， 见图2 1 a ) ，喷油方向基本与空气涡流的流线相垂直，涡流在圆周向对喷柱 的吹散作用很强。对m 过程的球形燃烧系统( 见图2 1 b ) ，喷油器与气缸盖 底面夹角较大( 7 0 0 左右) ，在空气涡流运动的投影平面内，燃油被顺气流方 向喷向燃烧室壁面。对复合式燃烧系统( 见图2 1 c ) ，喷油方向基本与空气 涡流运动的平面垂直( 只有一个7 0 1 0 0 的很小的夹角) ，因此在气缸轴线方 向上涡流对喷柱有较强的吹散作用。对e l s b e t t 双热区燃烧系统( 见图2 1 d ) ， 喷油器与气缸盖底砸的夹角较小( 约为5 5 0 ) ，燃油喷柱沿燃烧室半径o 6 r 处的圆周喷入，而不是在燃烧室中心或边缘位置”1 。对双喷油器燃烧系统( 见 图2 1 e ) ，在涡流运动平面内，两束短油束近似与于涡流相切，而两束长油 束，则与进气涡流斜交。”川 从几种燃烧系统燃烧室的几何形态，气流与燃油喷柱的相互作用可以看 江苏大学硕士学位论文 出，双喷油器燃烧系统也有别于其他燃烧系统，有其自身的特点，有望作为 其他燃烧系统的一个补充。 ( b ) 修审 母 ( c ) 图2 1 几种燃烧系统几何形态 图2 2 为双喷油器柴油机燃烧室示意图，在图中可以看到，进排气门中 心连线与气缸直径重合，进气门中心距气缸中心2 5 m m ，排气门中心离气缸中 心2 7 m m ：进气门头部直径可以由原来的妒4 2 增大到矽4 4 ( 气缸盖进气1 ：3 直径 作相应扩大) ，排气门头部直径维持不变；燃烧室中心与气缸中心重合；两 个喷油器的嘴部布置在燃烧室的边缘上。 江苏大学硕士学位论文 历? 上压 婆 弋莲耋 、 、 图2 2 燃烧室示意图 1 喷油器】 2 进气门 3 一气缸 4 燃烧室 5 喷油器2 6 排气门 s 1 1 0 0 柴油机燃烧室有的采用m 形，有的采用盆形，本设计采用了盆形燃 烧室。若燃烧室开口直径为d 。，气缸直径为d ，则按统计，d 。d 一般在 o 4 6 8 - 0 6 15 之间。表2 1 为几种典型机型的d 。，d 值。 表2 1 几种典型机型的d 。d 值 型号生产国d s ( m m ) d t ( m )d d f i a t2 1 3 a意大利9 5 1 1 05 3 o oo 5 5 8 d e u t zf 6 l 9 1 2德国1 0 0 1 2 05 5 0 00 5 5 0 v o l v ot d 5 0 a瑞典9 5 3 1 2 05 0 0 00 5 2 5 五十铃4 b b l日本 1 0 2 1 0 05 3 150 5 2 1 v o l v ot d 7 0 a瑞典1 0 5 l3 05 8 ，o o0 5 5 2 b e n zo m 4 0 3德国1 2 5 13 06 5 0 00 6 2 s c e n j ad s - 1l 瑞士 1 2 7 1 4 57 6 0 00 。5 9 8 v o l v ot d l 2 0 a瑞典13 0 l5 07 5 0 0o 5 7 7 f i a t2 0 3 a 6 1意大利1 3 0 】4 56 】。0 00 4 6 9 p e r k i n s4 2 3 6英国9 8 4 1 2 76 0 5 00 6 1 s 原s 1 1 0 0 柴油机d 为5 8 m m ，d 。d 为o 6 1 。燃烧室容积以根据压缩比 确定，设计时取压缩比为1 7 5 ，k 为4 5 5 m m 3 。燃烧室的具体尺寸如图2 4 所示。 9 江苏大学硕士学位论文 i 一 b目 图2 3 燃烧室尺寸 2 3 油束落点位置计算 双喷油器每个喷油器上有两个喷孔，喷孔直径为妒o 3 2 m m 。当油线落点 位置的主视图和俯视图见下图所示时，可以得到比较理想的混合气浓度分布 ( 由第六章的模拟计算给出) 。 喷 油 器 轴 线 0 ?宙 卜二 二 一 己7油线、歹 球江 飞广 油线位置 图2 4 混合气示意图 在铅直方向上，为了保证油束在燃烧室壁面的落点和原1 1 0 0 柴油机基本 一致，设双喷油器柴油机的喷射角度为。 由图2 5 可得，原1 1 0 0 柴油机的油柬在燃烧室壁面的最低落点距离气缸 盖底面的高度为： 气， h 最低= ( + 1 5 3 2 3 c o s 6 7 。) t g ( 9 0 。一7 7 。) + 2 3 s i n 6 7 = 1 0 7 ( r a m ) ( 2 4 ) 1 0 江苏大学硕士学位论文 i 叭 才，阿朱、9 j 飞 戤 l1 一 i l 一 l 图2 5 原1 1 0 0 柴油机的油束落点 l l旷 亲、 伊 甜卜 图2 6 双喷油器柴油机的油束落点 则对于双喷油器的柴油机，由图2 6 可求得，油束最低落点距离气缸盖 底面的高度为： = ( 2 5 + 詈m 。s 1 6 0 馏妒 ( 2 5 ) 由( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式可得：妒= 7 8 6 。 即对于双喷油器柴油机，当喷油器的喷射角度为7 8 6 。的时候，能保证在 纵轴上，油束在燃烧室壁面的落点高度和原s l l 0 0 柴油机基本致。 江苏大学硕士学位论文 第3 章双喷油器柴油机的结构设计 3 1 总体布置 双喷油器直喷燃烧系统是在原s 1 1 0 0 柴油机结构基础上进行改造而成 的。在原有单缸柴油机上改进气缸盖设计，高压油路中加装三通，对活塞结 构作适当调整，在喷油器上改变喷孔位置及个数，如图3 1 所示。这样的结 构设计使原有发动机的生产线可基本保持不变，工艺继承性好，一般的单缸 柴油机生产厂均可实施。 1 喷油器i 2 喷油器2 3 一气门 4 活寨 5 连杆 6 曲轴 7 飞轮 8 凸轮轴 9 喷油泵 1 0 高压油管 1 1 三通 1 2 高压油管 图3 1 双喷油器直喷燃烧系统结构示意图 3 2 供油系统及喷油器设计 双喷油器燃烧系统的供油系统是这样设计的：在喷油泵高压油管靠近气 缸盖部分连接一个三通管，把高压燃油分成2 路，分别通向2 个喷油器，总 体布置见图3 2 。 两个喷油器1 和2 分别安装在同一气缸的燃烧室两侧，喷油器l ，2 的 结构分别见图3 3 、图3 4 所示。 仪袋翠扑书醛扑k橡h 江苏大学硕士学位论文 图3 3 喷油器1 结构示意图 1 溢油接头螺钉2 垫圈3 防尘套圈4 螺帽 5 垫圈6 调压弹簧7 顶杆部件8 喷油器体部件9 喷油嘴紧帽 1 0 喷油嘴偶件1 1 垫圈1 2 喷油嘴保护套13 调压 螺钉1 4 弹簧上垫1 5 进油管接头 1 6 护套1 7 垫圈 1 4 江苏大学硕士学位论文 瓜 锚一 匪骂 区 酮r 直工矿 i 塑i 五：i ! l 1 ：l 图3 4 喷油器2 结构示意图 1 溢油接头螺钉2 垫圈3 防尘套圈 4 螺帽5 垫圈6 调压弹簧7 顶杆部件 8 喷油器体部件9 喷油嘴紧帽1 0 喷油嘴偶件 1 1 垫圈1 2 喷油嘴保护套 1 3 调压螺钉1 4 弹簧上垫 1 5 进油管接头1 6 护套1 7 垫圈 江苏大学硕士学位论文 3 3 分叉式结构的优化1 9 】 本文研究的柴油机双喷油器供油系统，其特点是带有分叉式结构。为了 减少供油过程的能量损失，避免在供油压力波传播过程中波形畸变，有必要 时对分叉式结构加以考察。即要对图3 5 所示的分叉结构进行研究，确定合 理的分叉夹角和截面收缩比。 图3 5 分叉结构示意图 根据供油系统的实际情况，假设如下： ( 1 ) 所有油管分支分布在同一平面上( 也是简化零部件加工的需要) ； ( 2 ) 2 条油管分支呈对称的几何形状，即岛= 臼：= p ，d l = d 2 = d ： ( 3 ) 流入燃油流量为q ，流出燃油流量为吼、9 2 ，且q = q ：= q ，显然q = 2 q ； ( 4 ) 在高压燃油作用下，油管分支的弹性变形忽略不计； ( 5 ) 分叉结构应遵循让燃油流动时所受阻力最小的原则。 根据流体力学的有关流动理论【2 0 1 ，粘性流体在刚性管道中流动时所受阻 力与流量q 的平方成正比，与管道半径r 的4 次方成反比，即： ，= 等f + 等“ ( 3 1 ) ( k 为比例系数) 由图3 5 可知： k 工一一h t g e c 。l j t zj 【，l = h s i n 8 所以 1 6 江苏大学硕士学f i t 论文 f ( r , r , o ) = 等参+ 而2 k q 2 h ( 3 3 ) 若流动阻力最小，则： o f o r = 邮日一等r = o 。 ) 等一o ，即- 等= 。c 矿r 罢：o ，肌刚：2 ( - r ) 一4 a 目 ， ( 3 4 ) 由式( 3 4 ) ，可以求得： 刚卜1 3 ； ( 3 5 ) 1 2 0 2 4 88 ” 因此，当分叉结构的管径比为1 3 2 ，两个分叉的交角为4 8 8 0 时，燃油流 动的阻力可达到最小。具体实施时考虑到高压油管是系列化产品，内径不可 以连续变化，因此取r = r = o 9 m m ，两个分支的夹角为2 0 = 5 0 0 。 3 4 气缸盖、活塞及其他零件 置。 气缸盖的结构剖面示意图见图3 6 ，从中可以看出两个喷油器的安装位 图3 6 气缸盖剖面结构 江苏大学硕士学位论文 活塞基本采用原s 1 1 0 0 柴油机的设计。仅仅把燃烧室位置移动到活塞中 心上，燃烧室的基本尺寸见第二章所述。 为了结构设计上的需要，避免喷油器孔，推杆孔和冷却水孔的干涉，加 装喷油器镶套，图3 7 为喷油器镶套。 图3 7 喷油器镶套 1 8 江苏大学硕士学位论文 第4 章双喷油器直喷燃烧系统的特点分析 4 1 双喷油器直喷柴油机对比普通柴油机的优点 4 1 1 增加喷注的自由贯穿长度州2 “2 4 3 众所周知，喷油器喷出的燃油喷注在向前贯穿时有一个锥核区( 即存在 一个喷雾的初始阶段) ，如图4 1 所示。 图4 1 喷雾贯穿示意图 离开锥核区后，喷注才开始有效地扩散并与空气混合。 根据广安博之推荐的计算公式，喷雾初始段的贯穿时间和贯穿长度可计 算如下： = c 勉h h ， 渊莎 雌，h ” 式中；t 。一喷注破裂时间； s 。一一喷注破裂贯穿长度； 瓠c 一一与喷油器喷孔直径等有关的系数； p ，一一燃油密度； 成一一空气密度； 印一一喷油器喷孔前后压差； d 一一喷孔直径。 对s l l 0 0 柴油机，喷孔直径为0 3 2m m ，可以取a = 1 5 2 ，c = o 3 8 ，柴油密 1 9 江苏大学硕士学位论文 度为办= 0 8 2 - 0 8 8g c m3 ( 一般取0 8 5g c m3 ) ，空气密度为, c o = 1 2 9 3 k g m3 ( 在 压缩过程终点，气缸内空气密度约为p 。= 1 2 9 3 k g m3 ) ，若设卸= 3 0 m p a ，则可求 得： f t t , = o 2 6 m s k = 2 6 1 8 r a m 原有的s 1 1 0 0 柴油机的燃烧室直径为巾5 8 ，即喷注的平均自由贯穿长度 为2 9 r a m ，而上面所计算得到的喷注碎裂贯穿长度s 。为2 6 1 8 m m 。这意味 着喷注才离开液态锥核区刚开始充分扩散并与空气混合，即与燃烧室壁面相 碰了。燃油喷注与空气的有效混合长度很小，这对混合气的形成、提高高速 适应性是不利的。而从图2 2 所示的双喷油器燃烧系统的混合气形成示意图 可以看出，其喷注的平均自由贯穿长度分别为5 5 r a m ( 长油束) 和4 6 m m ( 短油 束) ，比原系统分别增加了8 9 7 和5 8 6 。这样从几何结构上保证了燃油 喷注的自由贯穿，增加了空间雾化混合的成分，有利于混合气的形成和燃烧 过程的组织。也可以说，如果四气门结构的柴油机的混合气形成是“气找油” 的话，那么双喷油器柴油机含有较多的“油找气”的成分。 此外，由于结构的限制，原直喷燃烧系统喷油器相对于燃烧室中心是偏 置的，因而，喷孔之间的夹角设计成等圆弧或等面积。这其实也是一种不得 己而为之的办法，很显然，如果各喷孔直径相等，等圆弧或等面积的方案并 不能保证燃烧室内各区的浓度均匀。 离开锥核区后，喷注才开始有效地扩散并与空气混合。 4 1 2 对气流运动( 涡流比) 的要求相应降低f 2 5 】 在直喷式柴油机中，绝大部分燃油将在燃烧室的外围空间燃烧，为了保 证燃油和空气的混合，为燃烧作充分的物理准备，必须组织进气涡流，用进 气的涡流( 或利用滚流，挤流的作用) 吹散喷注。喷注本身的扩散作用越弱， 喷油器的喷孔数越少，则所需的进气涡流运动应越强。一般来说，要求在着 火延迟期内，在涡流作用下，空气能旋转一个相当于相邻油束间的夹角就够 了，此时空气利用率最高。对于s 1 1 0 0 柴油机，由于s 已接近于燃烧室半 径。即s 。与油束所能自由贯穿的长度相差无几，说明喷注本身的扩散作用 不强，而所用喷油器喷孔为4 由0 3 2 。因此必须组织较强的进气涡流，s l l o o 柴油机的迸气涡流比为3 2 左右，在生产时一般控制在3 0 3 _ 3 。 众所周知，涡流比和流通系数( 或吸气系数b n ) 是一对矛盾，而双喷 油器柴油机所需涡流比为1 6 1 8 ，就能获得最理想的混合效果。同时，由 江苏大学硕士学位论文 于燃烧室中心与气缸、活塞中心重合，因此对挤流的形成及延缓挤流的衰减 有利，这对油气混合有一定的促进作用，因此双喷油器直喷燃烧系统可较大 地降低对进气涡流比的要求，从而减少进气阻力，增加发动机的进气量，提 高其动力性和经济性，改善排放性能。 4 1 3 改善气缸盖和活塞的热负荷2 6 2 8 】 由于气缸盖承受高温高压燃气作用和很大的螺栓预紧力，( 一般为爆发 压力的3 4 倍) ；气缸盖各部分温度很不均匀，如缸盖底面燃烧室部分( 称 为火力面) 温度最高，而冷却水套附近温度较低，进排气道的温度也不同， 因此气缸盖的机械应力和热应力很大。实践证明，“鼻梁区”( 气门座孔和喷 油器孔之间的地区) 所产生的裂纹，大多数由于热疲劳造成。所以在内燃机 的设计过程中，应该做到冷却合适、气缸盖温度场分布均匀、尽可能减少热 应力，避免鼻梁区形成裂纹。 图4 2 所示为s l l 0 0 柴油机原气缸盖鼻梁区的温度场，由图可以看出， 鼻梁区的最高温度约为3 6 0 0 c 。根据温度场的计算结果，通过傅里叶导热定 律求得的鼻梁区边界的热流密度约为4 8 1 05 w m 2 。虽然最高温度( 3 6 0 0 c ) 小于铸铁气缸盖的工作温度( 一般要求 3 7 5 0 c 4 0 0 0 c ) ，但余量不大，即 说明s 1 1 0 0 柴油机鼻梁区的热负荷还是b e 较高的。 图4 28 1 1 0 0 柴油机缸盖鼻粱区的温度场 采用双喷油器燃烧系统后，由于喷油器分置于燃烧室的两侧，喷油器孔 与气门座孔之间的区域较为宽阔( 见图2 3 ) ，喷油器孔离气门座孔的距离分 别从原来的7 2 m m ( 离进气门座孔) 和1 0 i m m ( 离排气门孔座) 提高到了 15 8 m m 和2 0 i m m ，从直观上就可认为鼻梁区的热负荷得到了较大改善。如 果粗略地用热三角区面积f 与活塞顶面积f 之比来从一个侧面反映气缸盖的 热负荷，则从图4 3 可得，对原有气缸盖 ，= 4 9 6 ；对双喷油器气缸盖， 兀f = 9 6 2 ，前者仅为后者的5 1 6 。两者的热负荷差异可见一斑。 2 l 江苏大学硕士学位论文 中心 图4 3 两种气缸盖的热负荷比较 同样，由于工质密度大，扰流强，有急剧的气流脉冲，并承受很大的压 力升高率，柴油机活塞的热负荷尤为严重。对s 1 】o o 柴油机原有的直喷燃烧 系统，由于燃烧室偏置，造成活塞上金属分布不均匀性的增加，进一步加大 了活塞的热负荷。对双喷油器燃烧系统，其燃烧室中心与气缸、活塞中心重 合，有利于活塞上金属的均匀分布，从而减轻热负荷，使热膨胀均匀，减少 摩擦损失。 从以上分析可以看出，采用双喷油器直喷系统后，对改善气缸盖和活塞 的热负荷是有利的。 4 1 4 气门可布置在气缸直径方向【2 5 】 由于受结构布置的限制，目前大多数直喷式柴油机气门轴心的连线偏离 气缸直径，燃烧室中心偏离气缸中心，而喷油器中心又偏离燃烧室中心。若 气缸直径为d ，据a v l 的推荐，燃烧室中心偏离气缸中心的距离( 偏心度) 为o 0 7 d ，日本4 b b l 发动机的偏心度为0 0 4 7 d ，p e r k i n s 4 2 3 6 发动机的偏心 度为0 0 3 2 d 。我国s 1 1 0 0 柴油机的偏心度一般为o 0 5 d 。偏心度的存在，对 发动机性能是不利的。 从图2 3 可以看出，采用双喷油器后，迸排气门中心连线与气缸直径相 重合。即在采用两气门的条件下，气门直径可达到最大，从而最大限度地提 高了气门流通截面。同时，气缸中心可与燃烧室中心相重合。 表4 1 所示为气门偏离气缸中心时，由于气门直径缩小丽带来的进气流 通面积减少的情况。 表4 1 气门偏离气缸中心造成的流通面积减少 l偏离距离( m m ) 12345 i f 进气流通面积减少( m m 2 )2 3 99 5 52 1 4 93 8 2 0 5 9 0 9 江苏大学硕- k ：学位论文 从计算结果可以看出，气门偏离气缸中心5 m m 时，其进气流通面积的损 失相当于减少了0 4 r a m 的气门升程。 若气门不偏离气缸直径，同时也不增加气门直径，则有关研究表明，由 于气门头部远离气缸壁面，进气对气缸壁面的撞击相对较少，因而可以减少 进气涡流的动量损失。 4