柴油机性能提高.doc

昆明云内动力股份有限公司 进厂员工转正论文柴油机性能提高Diesel engine performance enhancement（Kunming Yunnei Power CO.,LTD Assembly Shop）Abstract This article main introduction enhances the dieselengine each performance index the theory, the method and the technicalmeasure. The diesel engine only then in the optimized carburetorconstruction design, enhances the complete coefficient, guaranteed thesufficient air input and has the appropriate injector head shape andon the good atomization characteristic fuel injection system, therealization air motion, the blow, the heat transfer rule with burn inthe solid best match, reduces the machinery to lose as far aspossible, can obtain the high performance the diesel engine.摘要 本文主要介绍提高柴油机各项性能指标的理论、方法与技术措施。柴油机只有在优化配气机构设计，提高充量系数，保证充足的进气量和具有合适喷注形态及良好雾化特性的燃油喷射系统上，实现空气运动、喷油、传热规律与燃烧实的最佳匹配，及尽可能减小机械损失上，才能获得高性能的柴油机。关键词：柴油机、增压、中冷、传热、充量系数、排放Key word: The diesel engine, Turbo-charged, Center is cold, The heattransfer, The complete coefficient, Discharges1 概述节约能源、改善环境以成为车用柴油机发展道路上面临的重要任务。近年来，我国公路法的修订和国家环保局制定的车用柴油机排放法规推动了我国车用柴油机的技术进步。增压及增压中冷技术是柴油机降低油耗和排放的最有效措施。合理组织燃烧过程，提高循环热效率,减小机械损失提高机械效率，改善换气过程提高换气质量，减小传热损失降低热负荷，优化燃油喷射系统都能有效的改善柴油机性能。2 内燃机性能指标2.1动力性与指标与经济性指标 动力性性指标与经济性指标又有指示指标与有效指标之分。指示指标是以工质对活塞作工为基础的指标。有效指标是以功率输出轴输出功率为基础的指标。2.1.1 指示指标 1、指示功wi 它是指内燃机一个工作循环中气缸内工质所作的功。2、平均指示压力pi 它是指单位气缸工作容积所作的指示功。3、指示功率Pi 内燃机在单位时间内所作的指示功称为指示功率。2.1.2 有效指标 1、有效功率Pe与标定功率Peb 有效功率Pe是指示功率Pi 减去机械损失功率Pm后所剩的功率；即输出功率。标定功率Peb是制造厂为内燃机标定的有效功率。 2、机械效率m 有效功率与指示功率的比值称为内燃机的机械效率m。 3、扭矩Tq 它是内燃机输出轴输出的平均扭矩。Pe=Tq2n10-3/60= Tqn/9550 KW式中Tq为扭矩，Nm,n 为转速。 4、平均有效压力pe与平均机械损失压力pm 平均有效压力pe是指单位气缸工作容积所发出的有效功。平均机械损失压力pm是单位气缸工作容积中所消耗的机械损失功。2.2 机构完善性指标 1、升功率Pl 是指在标定功况下，气缸每升工作容积发出的有效功率。 2、 单位体积功率Pv 是指内燃机发出的标定功率Peb与其外形尺寸所表示的体积V之比。 3、质量功率比mp 是指内燃机净质量m（kg）与标定功率Peb（KW）的比值。2.3强化指标 内燃机的平均有效压力与活塞平均速度的乘积（pecm），不仅代表了内燃机功率与转速的强化，而且代表了内燃机机械负荷与热负荷的大小，因而通常将（pecm）称为内燃机的强化系数。2.4排放特性指标 1、排放物体积分数和质量浓度 单位排气体积中污染物的体积称为排放物的体积分数。 2、质量排放量 确定运转单位时间，按某标准进行一次测试或车辆按规定的工况组合行驶后折算到单位里程的污染物排放量。 3、比排放量 内燃机每作单位功所排放的污染物质量。此外内燃机噪声、振动、烟度与冷启动性能指标在这里就不在介绍了。3柴油机性能提高的技术与措施3.1 减小机械损失提高机械效率柴油机工作时，功质作用在活塞顶上的指示功，要通过活塞、活塞销、连杆、曲轴、轴承等运动件才能传递到功率输出轴上对外作功。必然伴随着运动件所引起的摩擦损失、克服流动阻力、驱动附属机构的功率消耗以及进排气过程中所引起的泵气损失功。其中活塞及环与气缸的摩擦损失占50%，主轴承与连杆轴承的摩擦损失占24%，泵气损失14%，驱动配气机构消耗的功率6%，驱动喷油泵、水泵消耗的功率占6%。3.1.1 实现完整的流体膜润滑根据摩擦学原理，要减少相互运动零件表面之间的摩擦损失，就必须在相互运动表面之间实现完整的流体膜摩擦。1、 具有可以促使油楔形成的收敛表面。2、 有足够的润滑油量且保证运动件表面之间有合适的间隙。3、 润滑油必须有适当的粘度。3.1.2 优化结构设计减少活塞环数目不仅可以降低活塞和内燃机的高度与净质量，而且还可以有效的减少磨擦损失。改进活塞结构，减轻活塞质量，缩短活塞裙部长度，在裙部设置底凹部以减少与气缸壁的接触面积；用桶面活塞环代替矩形环；合理设计活塞裙部型面；降低滑动速度与减少滑动面积，减小凸轮轴与曲轴轴颈以及轴瓦宽度；提高回转件的钢度，以防止曲轴与连杆的变形；减小摩擦副之间润滑油的搅拌阻力等，均可减少运动件的摩擦损失。采用直喷式燃烧室有利于降低机械损失。应用新材料：采用强度大，摩擦系数底，顺应性强，对异物质嵌藏性与抗粘着性好的材料，能有效地降低摩擦损失，提高机械效率和使用寿命。3.1.3合理确定柴油机参数1、 压缩比 压缩比升高时，工作循环的工作压力升高，轴承载荷何活塞侧压力增大，机械损失增大，机械效率随之降低。因此，在保证柴油机启动性能良好的前提下，选用较低的压缩比有利于减少机械损失。 2、 转速n 在压缩比一定时，平均机械损失压力随着转速或活塞平均速度的升高而增大，转速越高，平均机械损失压力增加的程度越大。3、 活塞行程S 对转速一定时，采用短行程，活塞运动的线速度下降，摩擦损失随之减少。3.1.4提高附件效率 采用体积小，质量轻，效率高的附件，以及减小传动损失，均有利于降低内燃机的机械损失。3.1.5提高制造和装配质量3.1.6保持柴油机具有良好的技术状态3.2 改善换气过程提高换气质量换气过程是指从排气开始，经进气到进排气门全部关闭为止的整个工质更换过程。由于气门流通截面积与气缸内工质压力、温度的不断变化，及进、排气管内气体压力、温度的不断波动，因而是一个复杂的气体流动过程。换气的完善度直接影响到内燃机动力性、经济性与排放特性的好环及热负荷的高低。完善的换气过程应该是进入气缸内的新鲜空气多，废气清扫彻底，单位功率所消耗的换气功少。3.2.1减少进气系统的流动损失 1、增大进气门流动截面积。增大进气门截面积可通过增大气门直径于气门升程，或采用多气门结构来实现。 2、改善流动特性，减少流动阻力系数。合理周密设计和精心制造配气机构、气道及空气滤清器，使进气系统中每个元件都设计成流动阻力最小，而又不影响它的功能时，显然有利于减少流动阻力系数。 3、改进凸轮轴设计。具有丰满系数大和工作平稳性好的配气凸轮，是保证内燃机具有良好充气性能和有利于减轻整机振动于噪声的一个重要方面。3.2.2降低排气系统的流动阻力损失在排气系统中，最小流通截面积在排气门座处。在气门升程不大时，气流充满气门隙，在进入空间较大的排气道时，形成射流，气流本身的动能大部分形成涡流而被损失掉。在升程较大时，气流从气门座和气门盘的下缘开始脱离，并立即形成于气门杆同轴线的射流。由于节流损失不是太大，有相当一部分的气体动能可能变成压力能。与进气管的设计原则一样，应避免排气道内横截面积的突变、急转弯和凸台，设计流动特性好的排气支管和流动阻力小的消声器，都有利于降低排气系统的流动阻力损失，提高充量系数。3.2.3降低进气温升降低进气道、活塞、气缸、气缸盖、排气门等零部件的温度，减少新鲜空气于高温零部件接触的时间与接触面积，都是降低进气温升的方法。3.2.4应用波动效应在四冲程非增压内燃机中，当进气门急剧打开时，由于活塞的吸气作用，将在进气管气门一端产生负压，于是就构成了压力波在管内向开口端传播，当抵达开口端后，又在t时间反射第一个正压力波。若进气关闭的时刻，刚好有一个最大的正压力波通过气门处，则空气以最大的密度进入气缸，从而增加了进气量，这就是所谓的惯性增压。3.3 减少热损失与降低热负荷3.3.1减少传热损失的措施1、 应用隔热技术对直接与高温燃气接触的换热壁面实行隔热时，不仅能降低传热损失与燃油消耗率；而且因工质与壁面温度的提高，使滞燃期缩短，燃烧特性得到了改善，又提高了内燃机功率，降低了热效率，降低了燃烧噪声、CO、HC与颗粒的排放量；同时，也降低了金属壁面的温度，使工作可靠性得到提高。2、 采用局部冷却3、 采用精密冷却4、 采用可变高温冷却3.3.2 热应力的产生与解决方法产生热应力的原因很多，如（1）结构体构件的热膨胀或收缩受到外界约束；（2）结构体之间的温差；（3）结构体内某一构件中的温度梯度；（4）线膨胀系数不同材料的组合；（5）材料内部夹杂；（6）材料的各项异性，等。解除热应力的方法（1）去除或削弱材料胀缩方向的约束力；（2）在材料胀缩方向上开槽；（3）减小材料胀缩方向上的钢度；（4）使材料的不同胀缩线形化；（5）人为制造裂纹。3.3.3 4102柴油机的热负荷问题4102QBZ是在4100QB柴油机的基础上经增压、扩缸强化的一种柴油机。但在强化过程中，冷却问题重视不够。缺陷：（1）拉缸，主要是第1缸；（2）冷却水沸腾；（3）经温度测定，各缸冷却条件差别大，第1缸的水流量远小于其他各缸；（4）鼻梁区水侧基本为冷却死区，沸腾后汽泡不易排出，使冷却状况迅速恶化；（5）一些加强冷却的措施目的不明确；（6）根据空间可能安排的缸套出水孔及缸套不规则的水流截面，不能保证缸套较均匀冷却，这将引起缸套不均匀变形，影响机油消耗，气缸密封。提高各缸冷却均匀性、改善鼻梁区冷却的措施：1、保证鼻梁区冷却侧水道的畅通。减薄安装喷油器铸铁斜管的壁厚，可采用钢管密封喷油器；减薄进排气道此处的壁厚或使之内凹；提高此处的铸造精度。2、增加挡板或在鼻梁区附近直接插入管道，以强迫冷却水通过鼻梁区，甚至还可以截断缸盖上进气侧横向的贯穿水道，使进气侧的水流必须通过鼻梁区到排气侧再横向排出。3、减小直接由主水道通向缸盖的水孔直径。4、大幅度增加各缸套的进水孔面积。5、优化缸套水腔的出口面积、数量及分布。6、各缸冷却水道独立，入口并联处应在低阻力的主水道上，在每个缸盖内水流与缸盖鼻梁方向平行，出口在主水道对面的缸盖侧面，统一并联在一低阻力的出水管上。7、冷却水的出口设在第4缸，以保证冷却水道的畅通；增加挡板或直接通向鼻梁区水侧的管道，以强迫冷却水通过鼻梁区水侧通道。3.4柴油机燃烧及其控制控制柴油机燃烧过程的首要因素是混合气的形成，而混合气形成又被喷油规律、喷注特性、气缸内空气涡流与紊流强度、燃烧室形状与尺寸及传热规律所控制。3.4.1燃烧过程柴油机燃烧过程是指从喷油始点到燃烧终点为止的整个过程。分为滞燃、速燃、缓燃与后燃四个时期。滞燃期愈长，积累的油量愈多，形成的可燃混合气和前期氧化物的数目也就愈多，放热量愈大，导致压力升高率和最高燃烧压力愈高，甚至发生燃烧振荡现象，从而使柴油机燃烧噪声大，工作粗暴与机械负荷大。控制柴油机燃烧过程的关键是控制滞燃期和扩散燃烧速度。然而控制滞燃期的关键在于控制压缩温度和压力。不同的喷油提前角，喷油时气缸内工质温度与压力不同。较大的喷油提前角，压缩温度与压力较低，滞燃期较长；若喷油过迟，虽然初始温度与压力高，但作用时间短，可能在着火前活塞开始下行，工质温度开始与压力开始下降，反而使痔燃期延长。因而存在一个滞燃期最短的喷油提前角。3.4.2喷油规律喷油泵凸轮廓线决定了柱塞的运动规律，柱塞的速度变化规律决定了供油规律，从而影响喷油规律；喷油滞后角与持续角都随柱塞直径的增大而减小。然而供油率与喷油率却随着柱塞直径的增大而提高，使得初期喷油率与最大喷油率均较高。所以随着柱塞直径增大柴油机经济性变好，但工作粗暴；此外喷油规律还与出油阀直径、喷油嘴结构、喷孔直径、高压油管长度与内径、转速、喷油提前角、喷油背压有关，因此应根据具体机型具体分析，找到各参数之间的合理匹配的燃油喷射系统，以获得较理想的喷油规律。3.4.3燃烧室形状对缸内气体流动和发动机性能的影响柴油机燃烧过程组织好坏对发动机的动力性、经济性和排放起至关重要的影响。燃油与空气的混合是影响柴油机燃烧过程的重要因素，燃油与空气混合良好，不仅可以缩短燃烧持续期，提高经济性和动力性，并且对发动机某些排放指标的改善也起重要作用。采用收口燃烧室可以提高上止点附近缸内的气体流动运动速度，并且能在更宽的曲轴转角范围内维持较高的气流速度。燃烧室偏心导致燃烧室内部的气体流动不对称，并且在上止点前后呈现不同特点，使喷雾和燃烧过程组织更困难。采用适当收口的燃烧室可以缩短着火落后角，提高燃烧速度，缩短燃烧持续期。但过大的收口使燃烧室内表面积增大，传热量增大，反而使着火落后角增大，对燃烧过程不利。3.5增压技术的运用柴油机增压是利用专门的装置增加进入气缸前的空气压力，使空气密度增加，以增加进入气缸的空气质量，从而提高柴油机功率。一般而言，增压后的功率可比原机提高40%60%甚至更多，发动机平均有效压力可达到3Mpa。整机的比质量减小，升功率相应增大。燃烧、排气噪声也有所降低。各种排放水平呈现总体上下降的趋势。柴油机增压的技术措施：1、燃烧室和压缩比 目前，增压柴油机大多采用直