（机械设计及理论专业论文）12v240zj型柴油机设计及试验研究.pdf

摘要 d f 5 机车在实际运用中因功率偏小对调车作业造成了一定程度 的影响，为解决这一问题，并适应铁路主要技术政策的变化，四方 厂决定研制1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机以加大调车机车功率。 在这一背景下，论文主要研究了调车机车对柴油机的特殊要求， 研究了1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机主要系统的设计，并通过试验对设计样机 进行了验证，试验结果表明：1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机性能指标达到了设 计要求。论文的具体工作主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 在2 4 0 c 型系列机的基础上进行了1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机变型 设计。对系列化变型设计牵涉密切的增压系统、燃油系统和曲轴轴 系组成，进行了分析和计算；通过对各方案性能的对比优选，确定 了1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机的正式配置；对确定的正式配置方案进行了整 机性能试验，并对整机万有特性进行了分析。 ( 2 ) 对1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机进行认证试验，包括：柴油机特性检 验、l o o 小时眭能试验、3 6 0 小时耐久试验以及试验后的解体检测。 试验中没有发生柴油机故障所造成的中断，性能稳定，运转可靠， 各主要参数符合设计要求。 ( 3 ) 在论述了1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机采用电喷技术必要性的基础 上，通过对现有电喷系统的调研分析，完成了1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机采 用p p n 电喷系统的选型和加改设计。对采用p p n 电喷系统的样机性 能进行了探索性试验。 关键词：柴油机，内燃机车，调车机车，电喷 i i a b s t r a c t i nt h e a c t u a ls e r v i c e ，t h et o ol o wp o w e ro fd f 5l o c o m o t i v e i n f l u e n c e st h es h u n t i n gw o r kt oc e r t a i ne x t e n t t os o l v et h i sp r o b l e ma n d t os u i tt h e c h a n g i n go fm a i nr a i l w a yt e c h n i c a lp o l i c y , c s rs i f a n g l o c o m o t i v ea n dr o l l i n gs t o c kc o ，l t d d e c i d e dt or e s e a r c ha n dd e v e l o p 12 v 2 4 0 z jd i e s e le n g i n et oi m p r o v et h ep o w e ro fs h u n t i n gl o c o m o t i v e u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i st o p i c m a i n l yr e s e a r c h e st h es p e c i a l r e q u i r e m e n to ft h ed i e s e le n g i n et os h u n t i n gl o c o m o t i v ea n dt h ed e s i g n o ft h em a i ns y s t e mo f12 v 2 4 0 z jd i e s e le n g i n e t h ep r o t o t y p eh a sb e e n c e r t i f i e dt h r o u g ht e s ta n dt h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep e r f o r m a n c e i n d i c e so f12 v 2 4 0 z jd i e s e le n g i n eh a v em e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t t h e s p e c i f i e dw o r ko f t h ea r t i c l em a i n l yi sm a i n l yi n d i c a t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em o d i f i c a t i o nd e s i g no f12 v 2 4 0 z jd i e s e le n g i n eh a sb e e n d o n eb a s e do nt h e2 4 0s e r i e sd i e s e l e n g i n e s u p e r c h a r g es y s t e m ，f u e l s y s t e ma n dc r a n k s h a f ts e r i e sc l o s e l yr e l a t e dt ot h es e r i e sm o d i f i c a t i o n d e s i g n a r e a n a l y z e d a n dc a l c u l a t e d ；t h ef o r m a l c o n f i g u r a t i o n o f 12 v 2 4 0 z jd i e s e le n g i n ei sd e t e r m i n e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e n t h e p e r f o r m a n c e s o ft h ev a r i o u s s o l u t i o n s ；f o r t h ed e t e r m i n e d c o n f i g u r a t i o ns o l u t i o n ，t h ep e r f o r m a n c et e s to ft h ew h o l ed i e s e le n g i n e h a sb e e nd o n ea n dt h eu n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l ed i e s e l e n g i n eh a sb e e na n a l y z e d ( 2 ) t h ec e r t i f i c a t i o nt e s to f12 v 2 4 0 z jd i e s e le n g i n eh a sb e e nd o n e ， i n c l u d i n g ：p e r f o r m a n c e i n s p e c t i o n o fd i e s e l e n g i n e ，1 0 0 一h o u r p e r f o r m a n c et e s t ，3 6 0 一h o u re n d u r a n c et e s ta n dd i s a s s e m b l ei n s p e c t i o n a f t e rt e s t n oi n t e r r u p t i o nc a u s e db yf a i l u r eo ft h ed i e s e le n g i n eo c c u r s d u r i n gt h et e s t s ，w i t hs t a b l ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b l ew o r k ，a n dt h e i i i v a r i o u sd a t ac o n f o mt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ( 3 ) b a s e do nt h ee x p l a n a t i o no ft h en e c e s s i t yo ft h ee l e c t r o n i c i n j e c t i o nt e c h n o l o g yo f1 2 v 2 4 0 z jd i e s e le n g i n e ，t h es e l e c t i o na n dt h e m o d i f i c a t i o nd e s i g no fp p ne l e c t r o n i ci n j e c t i o ns y s t e mo f12 v 2 4 0 z j d i e s e le n g i n ei sf i n i s h e dt h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o na n dt h ea n a l y s i so ft h e p r e s e n te l e c t r o n i ci n j e c t i o ns y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o t y p e a d o p t i n gp p ne l e c t r o n i ci n j e c t i o ns y s t e mh a sb e e nt r i a l t e s t e d k e yw o r d ：d i e s e le n g i n e ，d i e s e ll o c o m o t i v e ，s h u n t i n gl o c o m o t i v e ， e l e c t r o n i ci n j e c t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了论文中特别加以标注的致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与 我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：蕴曼芝，! 勿日期：坦年z 月? 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部和或部分内容可以采用复印、 缩印或其他手段保留学位论文；学校可以根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：燧导师签名：坳 日期逸年上月 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 内燃机车及机车柴油机状况 1 1 1 国外内燃机车状况 回顾历史，铁路机车采用柴油机作为动力始自2 0 世纪初叶。 1 9 1 0 年，世界上第一台用柴油机作动力的内燃机车问世，它是由美国g e 公 司制造的。 1 9 2 4 年，世界上第一台干线内燃机车在前苏联诞生，这台装有7 3 6 k w 柴油 机的电传动内燃机车，最高时速为5 0 k m h 。 1 9 2 5 年，世界上第一次正式在铁路上使用的调车内燃机车问世，它由美国 通用电气公司制造，功率为2 2 0 k “。这台机车一直工作了3 2 年，直到1 9 5 7 年 才被送进芝加哥博物馆。 自2 0 世纪6 0 年代末到7 0 年代中期，美、英、苏、法、德、日等国铁路相 继停止使用蒸汽机车，直到目前全球铁路基本淘汰蒸汽机车运用的3 0 多年中， 内燃牵引在世界铁路牵引动力现代化进程中是主力军，而且，在可预计今后的相 当长一段时期内，这种地位也不会有太大的变化。 据国际铁路联盟( u i c ) 和世界银行铁路数据库( w b r d ) 统计0 3 ，目前世界 铁路总长约1 2 0 万公里，其中非电气化区段约为9 6 4 万公里，占铁路总长的8 0 ； 全球铁路年总运量约9 5 万亿换算吨公里，其中6 0 的运量是由内燃牵引完成的， 显示了内燃牵引在铁路运输中的重要地位。事实上，以交流传动技术为代表的新 一轮内燃牵引技术变革正在全世界范围内蓬勃兴起。 1 1 2 我国内燃机车状况 内燃机车在我国铁路运输生产中更是起着举足轻重的作用。 我国铁路采用柴油机作动力制造内燃机车始自1 9 5 8 年0 1 。经历了从早期仿 造的机车，到研发定型生产第一代、第二代以及第三代机车的过程。从1 9 9 9 年 起开发的第四代内燃机车的技术性能指标也差不多都达到了当今世界先进水平。 据统计。1 ，到2 0 0 3 年上半年，我国铁路运用机车总数达到了1 5 3 2 5 台，其 中蒸汽机车1 0 1 台，电力机车4 4 5 0 台，内燃机车1 0 7 7 4 台。内燃机车数量约占 运用机车总数的7 0 ，而蒸汽机车的比例已不足1 。蒸汽机车的淘汰，说明我国 铁路用电力牵引和内燃牵引取代蒸汽牵引的牵引动力现代化已经实现。 铁道部于2 0 0 4 年发布的新的“铁路主要技术政策”“3 第三十五条中指出： “大力发展电力牵引技术，提高电力牵引的换算周转量比重。客运专线、运煤专 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪 论 线、主要干线及长大坡道、长隧道、高海拔地区等线路，采用电力牵引。非电气 化线路及调车作业采用内燃机车牵引”。 我国幅员辽阔，人口居世界之首，铁路客、货运量均据世界前列，电力牵引 和内燃牵引同时得到发展、互为补充是客观的需要。我国铁路目前提出的“大力 发展电力牵引，合理发展内燃牵引”的技术政策，是根据当前一个时期铁路路情 和国情提出的。很明显，政策包含了内燃牵引和电力牵引互为补充的精神。 由此可见，即使j l 孵f j 实现了上述技术政策想达到的目标，内燃机车在非电气 化干线线路的牵引、调小运转以及电气化区段上的调车和小运转作业中仍将担当 主角。 实际上，内燃牵引无论是在过去、现在和今后我国铁路牵引动力构成中都具 有无可替代的作用和广阔的发展前景。 1 1 3 我国机车柴油机状况 作为动力装置的柴油机向来被称为内燃机车的心脏。 自1 8 9 7 年德国人狄塞尔首先取得柴油机的专利后，经不断研究和改进，柴 油机的技术日趋完善，以其特有的轻便性、高热效、起动快、耗水少、功率范围 宽、运用方便、便于操控等优点，在各个领域得到了广泛应用和发展。柴油机技 术的发展也极大的推动了内燃机车的不断升级和换代。 目前，在我国铁路上应用的机车柴油机，除六、七十年代及八十年代初进口 的内燃机车上装用的部分国外柴油机外，国产中速柴油机主要是2 4 0 、2 8 0 系列， 主要用于干线及调小运转机车，也有小部分用于工矿企业调机：国产高速柴油机 主要是1 8 0 、1 9 0 系列，主要用于工矿企业调机。 国铁进口内燃机车及柴油机情况列于表1 1 “1 。 国铁现仍在服役的部分国产内燃机车及柴油机情况列于表卜2 “”1 。 国产典型内燃机车用中速柴油机与国外典型内燃机车用中速柴油机主要性 能参数的比较列于表1 3 “1 。 表卜1 国铁进1 ：3 内燃机车及柴油机情况表 国别机车柴油机型号进口 进口功率( k v e )标定转速燃油耗率 型号年份 台份u i c装车 ( r m i n ) ( g k w h ) 德国 n y 5m b 8 3 9 8 61 9 6 741 4 7 11 2 5 01 4 5 02 1 35 2 1 5 n y 。m b l 6 v 6 2 5 t b l 01 9 7 21 0 1 6 9 01 5 8 0 1 4 0 0 2 3 1 2 5 n y 7m b l 2 v 9 5 6 s b l o1 9 7 22 01 9 8 61 8 4 01 5 0 0 2 1 0 8 5 法国n d 。a g 0 2 4 01 9 7 3 5 02 9 4 22 6 8 51 3 5 02 1 0 8 6 8 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 ( 续表) 国别机车 柴油机型号 进口进口功率倍 标定转速 燃油耗率 型号年份台份u i c 装车 ( r m i n ) ( g k w h ) 罗马 n d 21 2 l d s 2 8 b1 9 7 21 6 9 0 1 5 4 5 7 5 0 2 3 8 6 8 尼亚 n d 3 1 2 l d s 2 8 b1 9 8 51 6 9 0 1 5 4 57 5 02 3 8 6 8 美国 n d 57 f d l1 9 8 42 2 02 9 4 21 0 5 0 2 1 1 7 1 9 8 62 0 l 表卜2 国铁国产内燃机车及柴油机情况表 顺机车柴油机型号制造柴油机功率( k w )标定转速燃油耗率 号型号年份u i c装车( r m i n )( g k w h ) l东方红。1 2 v 1 8 0 z j1 9 7 6 9 9 09 9 01 5 0 02 3 6 1 9 8 8 2 东方红。 1 2 v 1 8 0 z l1 9 7 6 9 2 09 2 01 5 0 02 3 8 3东风。 1 6 v 2 4 0 z j a 1 9 7 4 2 6 4 72 4 2 7l 1 0 02 1 0 ” 1 9 8 6 4东风。b 1 6 v 2 4 0 z j b 1 9 8 4 2 6 4 72 4 2 71 0 0 02 1 0 + 5 东风。c1 6 v 2 4 0 z j c 1 9 8 5 2 9 4 02 6 4 71 0 0 02 0 8 + 7 6 东风。d1 6 v 2 4 0 z j d 1 9 8 9 3 2 0 02 9 4 01 0 0 02 0 5 + 6 7 东风58 2 4 0 z j 1 9 8 5 1 7 4 0 1 3 2 0 1 0 0 02 1 0 + 7 8东风。1 6 v 2 4 0 z j d1 9 8 8 3 0 1 62 9 4 01 0 0 02 0 7 ” 9北京 1 2 v 2 4 0 z j 1 9 7 0 1 9 9 01 8 4 01 1 0 0。 2 1 0 + 7 1 0 东风，。1 2 v 2 4 0 z j 6 f 2 0 0 01 8 4 01 0 0 0 1 1 东风。1 2 v 2 4 0 z j 2 0 0 2 2 2 0 01 8 0 0 1 0 0 0 2 0 8 + 3 2 0 0 0 1 2东风。1 6 v 2 8 0 z j1 9 8 4 3 6 8 03 3 1 01 0 0 02 1 0 + 7 1 3东风。 1 6 v 2 8 0 z j a 3 8 6 03 6 1 01 0 0 02 1 0 ” 1 4东风。 1 2 v 2 8 0 z j 2 0 0 2 1 0 0 02 0 5 + 6 1 5 东风。 2 x1 2 v 2 4 0 z j1 9 8 5 2 x 2 2 0 02 x 1 9 8 51 0 0 0 2 1 0 ” 1 6 东风。 2 1 6 v 2 8 0 z j a 3 8 6 02 x 3 6 1 01 0 0 02 1 0 ” 1 7 东风i l 2 x1 2 v 2 8 0 z j2 0 0 2 1 0 0 0 1 8g k i d 1 2 v 1 8 0 z j c 1 9 9 8 1 3 2 41 0 0 01 5 0 02 0 7 + 3 3 中南大学工程硕：f ：学位论文第一章绪论 ( 续表) 顺机车柴油机型号制造柴油机功率( k w )标定转速燃油耗率 号型号年份u i c 装车& m i n )( g k w h ) 1 9g k 2 b 1 2 v 1 8 0 z j c 1 9 9 9 1 3 2 41 1 1 01 5 0 02 0 7 + 3 2 06 k 3 b 1 2 v 1 8 0 z j c 2 1 9 9 9 1 3 2 4l l l o 21 5 0 02 0 7 + 3 2 1g k l fz 1 2 v 1 9 0 b1 9 9 6 8 8 28 8 2 1 5 0 02 1 0 + 5 2 2g k oz s v l 9 0 b1 9 9 9 5 8 8 5 8 8 1 5 0 02 1 0 + 5 2 3g k l c 6 2 4 0 z j c1 2 0 01 1 0 01 0 0 02 0 8 + 3 表1 3 国内外典型中速机车柴油机主要性能参数比较表 嘲别柴油机型吁缸缸径行程装车功 标定转速 平均竹强化 升功率 燃油泊牦 质量 首制 数 率( k w ) ( r r , lr 1 )效i 力系数( k w i )率( g k w h )( t )年份 ( h )i e c m 德m t u 8 0 0 02 02 6 6 3 1 58 2 0 01 1 5 024 62 97 72 31 9 54 32 0 0 0 德 m a k l 2 m 2 8 2 2 4 0 2 8 0 1 0 0 0zl o1 95 91 7 们2 0 67l7 21 9 8 9 荧，g e t h d i d e u t z 6 3 2 】6 2 5 0 3 2 0 4 6 6 01 0 5 0 21 2 2 3 6 61 8 5 41 8 22 381 9 9 5 德 美 g e v ( 卜1 21 2 2 5 0 3 2 0 3 2 8 01 7 d l2 0 0 3 美g m 2 0 7 1 3 8 3 e 82 02 3 02 2 7 94 3 7 3 0 9 0 4l59 6】9 9 6 黄g m l 6 7 】0 ( ：j 8 3 e b1 62 3 02 2 7 942 9 5 0l0 5 688 588 51 9 6d1 9 8 4 关 g e 7 f d i ，1 62 2 86 2 6 672 9 4 01 0 0 020 51 82 51 67 72 0 071 9 7 31 9 7 0 美 c t t 3 6 1 212 2 8 0 3 0 0 ：j 7 0 01 【 l2 02 001 66 51 9 582 5l】9 8 5 英 l s t o r f l r f l m 862 7 5 3 0 5 l7 5 0 l9 l】94 2】58 8 j 8 72 05 1 9 8 5 饿4 9 2 6 0 2 6 0 2 9 4 0l6 4h2 2i ：l3 22 0 072 97 51 9 7 9 血l b o m b b 2 4 0 0 1 6 2 4 0 2 7 0 3 2 8 0l 1 0 0l8 31 8 1 21 67 82 l2 31 9 8 4 法 p a 5 2 5 522 5 5 2 7 0 2 6 4 01 0 0 0 i 9 8 576 21 59 6 1 9 71 70 1 9 8 1 法p a 6 b 一2 8 ( 11 22 8 0 0 3 0 4 1 5 0 】0 0 1 】l7 ( ) d2 20 中 1 6 v 2 4 0 z j d2 4 0 2 7 5 2 9 4 01 0 0 0l9 5 3i 7 9 l47 72 0 5 + 62 261 9 8 9 由 1 6 v 2 4 0 z j 62 4 0 2 7 5 3 3 1 01 0 0 022 22 0 3 61 66 3 ，2 0 5 + 62 36】9 9 9 由 1 6 v 2 8 0 2 8 5 z j a2 8 0 2 8 5 3 8 6 01 0 0 0 i6 5 01 6 6 71 28 6 2 45 【9 9 0 中1 6 v 2 8 0 3 0 0 z j r1 6 2 8 0 3 0 0 d 4 1 0 1 0 0 09 7 797 749 22 0 5 + 3 2 552 0 0 2 由 1 2 v 2 8 0 3 2 0 z j 1 2 2 8 0 3 2 0 3 8 2 01 0 0 022 42 3 9 01 6 1 62 0 4 + 62 50 2 0 0 ( ) 4 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 2 对调车机车柴油机的要求 柴油机用途广泛。根据各自不同的使用环境和条件，各种不同用途的柴油机 具有各自的特点。机车用柴油机的显著特点是要在尺寸有限的车体内，布置大功 率柴油机及其附属装置，因此，要求结构紧凑、强化程度高、严格控制外形尺寸 和重量。 对机车柴油机的总体要求主要有0 1 ： ( 1 ) 高可靠性。 ( 2 ) 高耐久性。 ( 3 ) 低寿命期费用。 ( 4 ) 功率密度大。 ( 5 ) 对海拔和环境条件应有一定的适应性。 ( 6 ) 良好的维修性。 ( 7 ) 加速性能和负荷变化适应能力好。 ( 8 ) 低噪声、低排放。 在此基础上，由于铁路内燃机车有干线牵引作业和调小运转牵引作业的区 别，决定了调车机车用柴油机又具有有别于干线机车用柴油机的一些独特工作特 点，从而对调车机车柴油机提出了更具体的要求。 1 2 1 调车机车柴油机的工作特点 调车机车柴油机主要有以下工作特点0 1 ： ( 1 ) 空转时间比例很大 调车机车柴油机空转时间多达4 0 8 0 。 例如，我国东风2 型机车在郑北和丰西编组站推峰和牵出作业时，空转时间 分别为5 0 4 和6 6 5 ，而在郑州站做客调时的空转时间则高达7 8 9 ；东方红5 型机车在三棵树站做主调时，空转时间为3 7 2 4 4 8 ，做客调时则高达7 8 8 。 由于空转时间比例很大，空转时消耗的燃油量也很大。据有关文献介绍。1 ， 调车机车空转耗油量达到调车作业全部油耗的4 4 。 ( 2 ) 常用手把位很低 除了整列牵出牵进作业外，其他牵引工况一般都是在低手把位下运转。 例如，我国东风2 型机车在推峰全部作业时间内，处于l 4 位工作的时间 约占2 9 5 4 8 3 ，最高手把位只用到1 2 位，时间不到1 ；牵出作业时，1 4 位工作时间约占2 3 ，最高手把位1 5 位，时间占1 4 ：做客调时，1 4 位工作 的时间约占1 0 5 ，最高手把位1 2 位，占0 4 。 东方红5 型机车站内调车作业时，1 4 位工作的时间约占2 6 3 3 3 3 ，最 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 高手把位1 6 位，占2 1 5 9 ：做客调时，l 4 位工作的时间约占1 6 8 ，最 高手把位6 位。 可见，调车机车柴油机经常运行在低手把工况下，在最高手把位下工作的时 间很少。 ( 3 ) 平均负荷率很低 由于调车机车柴油机空转时间比例大，常用手把位低，因而其平均负荷率也 就很低，偏离柴油机的标定工况点很远。 在整个调车作业时间内的平均负荷率，我国原东风2 型机车大致为5 6 1 6 1 ，东方红5 型机车大致为4 8 2 7 4 。 ( 4 ) 工况很不稳定 调车作业时，机车及其柴油机的工况很不稳定，负荷急剧变化，经常处于过 渡工况。 例如，国外某型机车，在推峰作业时，手把每小时转换达2 4 2 次，完全卸载 加载达4 1 次；在货场作业时，手把每小时转换达3 3 7 次，完全卸载加 载达6 0 次；l m33 型机车，在推峰作业时，手把每小时转换达2 0 0 次，完全 卸载加载达3 5 次；在货场作业时，手把每小时转换达4 1 3 次，完全卸载一 一加载达7 0 次0 1 。 1 2 2 对调车机车柴油机的要求 针对调车机车柴油机的上述工作特点，提出对调车机车柴油机的要求。1 如 下： ( 1 ) 空转油耗要低 柴油机空转油耗的高低取决于各回转部位的摩擦损失和柴油机辅助部分的 耗功大小。而摩擦损失和辅助部分的耗功又是随转速的降低而降低的。因此，降 低柴油机的最低工作稳定转速是降低空转油耗的最有效途径。然而，有时降低最 低工作稳定转速受许多因素的制约。这时，保持惰转时柴油机的良好热状态、改 善低速下燃油喷射的稳定性、燃油的良好雾化，从而改善最低工作稳定转速下空 燃混合质量，对降低柴油机的空转油耗同样有效。 ( 2 ) 过渡工况经济性要好，尤其是加速性和跟随性要好 调车机车增压柴油机过渡工况的最重要要求是排气不冒黑烟。排气烟色的深 浅取决于缸内燃烧质量的好坏，而燃烧质量的好坏取决于缸内空燃比例及其混合 质量的高低。随着涡轮增压柴油机强化水平的提高，在变工况尤其是加速情况下， 由于涡轮增压器转子转动惯性等原因的影响，向缸内的供气量总是滞后于向缸内 的供油量，造成缸内燃空混合气过浓，致使燃烧恶化，排气烟色变深。因此，如 6 中南大学工程硕：i ：学位论文 第一章绪论 何改善调车机车柴油机瞬态特性是大家共同关心的问题。 ( 3 ) 对环境的污染要轻 主要为柴油机排放的有害污染物、噪声和振动要符合要求。由于调车机车主 要在铁路站场作业，绝大部分时间在惰转和低负荷情况下工作，而柴油机有害物 质排放浓度最大的区段刚好多在惰转工况、部分负荷以及过渡工况。因此，应采 取措施予以控制。 ( 4 ) 要有符合调车作业特点的部分工况性能 由于调车机车柴油机绝大部分时间运行在惰转和低手柄工况下，因此，这种 用途的柴油机所希望的理想燃油耗特性曲线应是随牵引曲线的变化呈马鞍形变 化，即柴油机的最低油耗点应落在3 0 7 0 转速区域范围内，且在牵引曲线范围 内的油耗率同最低油耗率之差要尽量的低，如在2 0 负荷及1 0 0 负荷下的油耗率 同最低油耗率之差应不超过1 0 。 一般地，1 0 0 负荷下的油耗率同最低油耗率之差控制在1 0 以内较易实现， 而要将2 0 负荷下的油耗率同最低油耗率之差控制在1 0 以内则往往会有一些难 度。 通过在柴油机万有特性曲线上迭加牵引曲线，可以直观的反映出上述思想。 1 2 3 对几种调车机车柴油机万有特性的评议 以下图卜l 图卜4 示出了几种调车机车柴油机的万有特性，供参考。 ( 1 ) 西德v i o o p a 型机车m a km a 3 0 1 f a k 型柴油机与v o i tl 2 1 6 型液力传动装 置联合工作特性曲线。如图卜l 所示。 o 图卜1 西德v i o o p a 型机车m a km a 3 0 1 f a k 型柴油机与v o i tl2 1 6 型液力传 动装置联合工作特性曲线 由图可见，其最佳油耗区位于5 0 负荷左右，最低油耗率为2 0 9 4 克千瓦 7 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪 论 小时，标定工况下油耗率为2 1 7 6 克千瓦小时，2 0 负荷下为2 2 4 4 克千瓦小 时，比最低油耗率高7 1 。该机标定转速为9 0 0 r p m 。 该机低负荷油耗相对较低，较适合于用做调车机车动力。 ( 2 ) d f 5 型机车用8 2 4 0 z j 型中速柴油机万有特性。如图卜2 所示。 i 转速h 丹 一l ，一 6 引特性曲l i| 乏 ) ， 一 ji 芝 ，_ 一， j 1 6 i多 ，一、 、，芝 ，o ，1 7 0 户l 爹 乡 八z 多爹钽! = 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 r p j 图卜2d f 5 型机车用8 2 4 0 z j 型 中速柴油机万有特性 嘎 j 、 f| t 飞 、1 ， f | 一(， f ， 矽) 1 ，f l ，tk 盛鬟。l 。 ，l ，i 、幽吖x， j l ，j 、么p7 l 。 7 纱一，i 1 气1 i 厶j一7 l 一，1 l 一瑶 y ；矿寸 l 7 i r一6 i 由图可见，其最佳油耗区位于9 3 转速左右，最低油耗率为2 0 4 5 克千瓦 小时，标定工况下油耗率为2 0 6 5 克千瓦小时，2 0 负荷下为2 4 5 克千瓦小时， 比最低油耗率高1 9 8 。该机标定功率为1 3 2 4 k w ，标定转速1 0 0 0 r p m 。 该机用做调机动力，低负荷油耗相对较高，应予改进。 ( 3 ) 工矿机车用z 1 2 v 1 9 0 b 型高速柴油机万有特性。如图卜3 所示。 由图可见，其最佳油耗区位于8 0 转速左右，最低油耗率为2 0 5 克千瓦小 时，标定工况下油耗率为2 0 7 5 克千瓦小时，2 0 负荷下为2 5 0 克千瓦小时， 比最低油耗率高2 1 9 5 。该机标定功率为8 8 0 k w ，标定转速1 5 0 0 r p m 。 该机用做调机动力，低负荷油耗相对太高，应予改进。 中南大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 ( 4 ) m t u l 2 v 4 0 0 0 r 4 0 型高速柴油机万有特性。如图1 - 4 所示。 图卜4m t u l 2 v 4 0 0 0 r 4 0 型柴油机万有特性 由图可见，其有两个低油耗区，一个位于4 2 5 转速左右，油耗率为2 1 0 克 千瓦小时，另一个位于8 0 转速左右，油耗率为1 8 7 克千瓦小时，标定工况下 油耗率为1 9 4 克千瓦小时，2 0 负荷下为2 1 5 克千瓦小时。该机标定功率为 1 5 0 0 k w ，标定转速1 8 0 0 r p m 。 该机低负荷油耗相对较低，较适合于用做调车机车动力。 1 2 4 调车机车开发设计应关注的重点内容 为尽量迎合调车机车的运用特点，满足调车工况对柴油机的要求，设计开发 时应围绕组织良好的缸内燃烧，在燃油喷射系统、增压配气系统、结构设计等方 面采取相应措施并予以试验确认。 ( 1 ) 增压系统 ( a ) 合理选择增压方式： ( b ) 合理设计进排气管路； ( c ) 合理选配涡轮增压器； ( d ) 其他。 ( 2 ) 燃油系统 ( a ) 采用合适的喷射设备； ( b ) 采用可变供油定时喷油泵； ( c ) 电喷系统具有广阔的发展前景 燃油喷射系统的性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素。一个理想的喷油系 9 1叫叫。1叫j叫卅j 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 统应具有如下性能：高的喷油压力且压力大小可根据工况需要灵活调整；灵活精 确的喷油定时和喷油量控制；喷油率的优化控制；与整机匹配灵活1 。实现以上 柔性控制是燃油喷射系统发展的必然趋势。高压电子燃油喷射系统正是顺应这些 需求而诞生的，且正在得到大力发展。由于电喷系统具有显著的优越性，必然在 调车机车柴油机上得到应用，发挥作用，具有广阔的发展前景。 ( 3 ) 其他结构措施 1 3 本课题的研究内容和前景预测 1 3 1 研究内容 通过系列化变型设计研发d f 7 6 调车机车用1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机，并对其性能 和可靠性进行试验验证。在参阅相关技术资料和文献的基础上，立足国内相关条 件，主要开展以下工作： ( 1 ) 1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机设计及开发试验 主要完成2 4 0 系列1 2 7 2 4 0 z j 型柴油机的变型设计，对相关系统多个设计方 案的性能进行对比试验，对定型后样机进行整机性能测试，对试验数据进行分析， 做出结论。 ( 2 ) 1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机的认证试验 与具有认证试验资格的第三方实验室合作，按照标准规定进行认证试验。通 过实施认证试验，对1 2 7 2 4 0 z t 型柴油机设计的合理性、性能稳定性和可靠性、 耐久性进行试验验证，对试验数据进行分析，作出结论。对试验中暴露的问题做 出处理。 ( 3 ) 1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机电喷系统选型设计及试验 对1 2 7 2 4 0 z j 型柴油机采用电喷系统进行选型设计，通过性能试验对电喷样 机性能进行探索，对试验数据进行分析，作出结论。 1 32 前景预测 ( 1 ) 研制并定型生产1 2 7 2 4 0 z j 型柴油机，可以扩大公司调车机车的功率覆 盖，完善调车机车型谱。 ( 2 ) 由于用户越来越愿意选购更大功率的调车机车，同时考虑到铁路主要 技术政策的新变化，用装用1 2 7 2 4 0 z j 型柴油机的大功率机车替代功率偏低的d f 5 机车是必然趋势。因此，1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机的研制，为确保调车机车主产品成 功转型将起到重要作用。 ( 3 ) 通过实施认证试验，可对1 2 7 2 4 0 z j 型柴油机性能的稳定性、工作的可 靠性耐久性进行确认，扩大产品影响力。 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 通过对1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机实施采用电喷系统设计及试验，可以找出进 一步提高1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机性能的途径，提高产品档次，跟上时代发展步伐。 中南大学工程硕士学位论文第二章1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机设计及开发试验 第二章12 v 2 4 0 z j 型柴油机设计及开发试验 为了给d f 7 g 大功率调车机车提供动力装置，在2 4 0 c 型系列机的基础上设计 研制了1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机。本章简要介绍1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机的设计特点，对变 型设计牵涉密切的增压系统、燃油系统和曲轴轴系组成，通过分析和计算，确定 了对比试验方案。通过对各方案性能的对比试验优选，确定了1 2 v 2 4 0 z j 型柴油 机的正式配置。对确定的正式配置方案进行了整机性能试验确认。对整机万有特 性进行了分析评议。 2 112 v 2 4 0 z j 型柴油机的设计特点 1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机作为2 4 0 2 7 5 柴油机的系列产品之一，设计上主要参考类 比了1 6 v 2 4 0 z j c 型柴油机的主要结构性能参数。由于1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机的开发 属系列化变型设计研究性质，因此，该机突出了系列化产品的特点，主要零部件 与2 4 0 2 7 5 系列柴油机通用。对系列化变型设计牵涉密切的系列增压燃油和轴系 给予了特别关注，具有自身特点。而且，由于目前路内几家工厂均生产1 2 v 2 4 0 柴油机，在设计时柴油机主要接口尺寸尽可能与其他工厂保持一致，从而保证柴 油机产品维修时的整机互换性。 2 1 1 总体布置 1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机是四冲程、v 型、直接喷射、开式燃烧室、废气涡轮增压、 增压空气中间冷却、1 2 缸、缸径为2 4 0 r a m 、冲程为2 7 5 m m 的中速大功率柴油机。 该机除了与2 4 0 2 7 5 系列机部分主要结构相同或相似外，总体上还具有以下 特点： ( 1 ) 采用两台v t c 2 1 4 增压器、双进口脉冲增压，压气机出口水平布置，优化 的排气管，简化了结构，改善了部分工况性能，特别适合于调小运转作业。 ( 2 ) 采用小压力室喷油器，提高了启喷压力，大大提高了燃油雾化质量，使 该机在全工况范围内获得了较理想的烟度及燃油耗指标，变工况几乎无烟色可 见。 ( 3 ) 采用优选的曲轴斜油7 l 及组合内园弧方案，通过计算及试验选定的盖斯 林格减振器，将扭振最大综合振辐控制在0 2 8 。以内，有利于提高曲轴疲劳强 度。 ( 4 ) 采用间隔发火顺序，改善轴承负荷。 ( 5 ) 采用带有启动限油功能的调速器，改善启动冒黑烟问题。 ( 6 ) 采用了滑动轴承的中间齿轮装配及双联齿轮装配，解决了2 4 0 2 7 5 系列 中南大学工程硕：l 学位论文 第二章1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机设计及开发试验 机此处的惯性质量问题。 ( 7 ) 采用了球墨铸铁机体结构。 ( 8 ) 采用了大流量的机油泵和水泵，保证了机油和水的供给量，并为进一步 提高强化指标留有储备。 图2 - 1 示出了1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机的外形照片。 图2 - 11 2 v 2 4 0 z j 型柴油机照片 2 1 2 主要性能参数 ( 1 ) u i c 标定功率： ( 2 ) 柴油机标定转速： ( 3 ) 循环方式及增压特性： ( 4 ) 喷射特性： 式喷油器 ( 5 ) 气缸数、气缸排列和气缸夹角 ( 6 ) 气缸直径活塞行程： ( 7 ) 压缩比： ( 8 ) 曲轴转向( 面对输出端) ： ( 9 ) 发火次序 气缸编号( 面对输出端) ： 从左列输出端起，编号a 1 a 6 2 2 0 0 k w 1 0 0 0 r m i n 四冲程、脉冲增压、增压空气中间冷却 直喷式燃烧室、单体柱塞泵、小压力室 1 2 缸、v 型、v 型夹角5 0 。 2 4 0 m m 2 7 5 m m 1 2 5 顺时针 从右列输出端起，编号b l a b 6 。此时发 中南大学工程硕： ：学位论文第二章 1 2 v 2 4 0 z j 型柴油机设计及开发试验 火次序为： b 6 b 2 b 4b 1b 5b 3 、i a 5a 3a 6a 2a 4a 1 ( 1 0 ) 标定功率时最高燃烧压力： ( 1 1 ) 标定功率时供油提前角( 静态，上止点前) ( 1 2 ) 最低空载转速： ( 1 3 ) 柴油机出口处高温冷却水最高允许温度： ( 1 4 ) 中冷器进口处低温冷却水温度： ( 1 5 ) 最低起动温度( 无外部辅助手段时) ： ( 1 6 ) 柴油机出口机油最高允许温度： ( 1 7 ) 标定功率时机油消耗量： ( 1 8 ) 最大允许进气负压： ( 1 9 ) 最大允许排气背压： ( 2 0 ) 标定功率时涡轮增压器最高允许转速： ( 2 1 ) 标定功率时排气温度 气缸盖出口处最高允许温度： 涡轮进口处最高允许温度： ( 2 2 ) 燃油消耗率( 标定工况时) ： ( 2 3 ) 烟度： ( 2 4 ) 质量： 2 1 3 主要系统方案设计要点 2 1 3 1 增压系统 ( 1 ) 增压系统方案设计及分析 1 3 5m p a 1 8 。 4 3 0 r m in 8 8 5 0 3 + 5 8 8 2 9 k w h 2 5 m b a r 3 0 m b a r 3 8 0 0 0 r m i n 5 4 0 6 5 0 4 2 0 8 + 、k w h 1 6b o s c h 1 8 0 0 0 k g 增压系统