YZ6102柴油机定压中冷毕设

1、 华中科技大学文华学院 毕业设计（论文） 论文题目：YZ6102柴油机定压加中冷的研究 目 录 摘 要3关键词3Abstract4Key words4前 言5第一章 方案设计与工作安排61.1增压柴油机的发展现状61.2脉冲涡轮增压柴油机结构图7第二章 所研究柴油机主要规格参数与数据计算82.1柴油机的基本参数82.2涡轮参数计算8第三章 柴油机定压涡轮增压达到180KW功率后，选配涡轮增压器 103.1关于涡轮增压器11 3.2涡轮增压器的选配 11 3.3确定涡轮增压器的布置方案12 3.4脉冲涡轮增压系统的排气管分支设计12 3.4脉冲涡轮增压系统的排气管分支设计13第四章 设计中冷器1

2、44.1中冷器的计算144.2原始参数154.3中冷器冷却面积的计算16第五章 增压后燃烧和供油系统的适应性分析165.1增压后燃烧系统的适应性分析175.2增压后供油系统的适应性分析18结束语19参考文献21致谢22YZ6102柴油机定压涡轮增压加中冷使功率达到180KW的研究摘 要 本论文的主要内容是YZ6102柴油机定压涡轮增压使功率达到180KW时，配套的排气管设计，涡轮增压器的选配和布置方案以及增压后燃烧和供油系统的适应性分析。本论文主要论述的是包括如何利用定压涡轮增压原理，使YZ6102柴油机达到180KW功率的；确定参压参数，中冷器的设计和增压后采用定压涡轮增压系统的排气管设计问

3、题；涡轮增压器的选配问题，增压器的布置问题，增压后燃烧和供油系统的适应性分析问题。关键词：柴油机，定压涡轮增压，排气管，增压器，燃烧系统，供油系统YZ6102 diesel pulse turbo power of 150KW research Abstract The main content of this paper is YZ6102 diesel pulse turbocharged power to achieve 150KW, supporting the exhaust pipe branch design, the turbocharger matching and layo

4、ut programs as well as pressurized combustion and fuel supply system adaptation analysis.Of this thesis is discussed including how to use pulse turbo principle YZ6102 diesel engine of 150KW power; pressurized pulse turbocharging system exhaust pipe branch; the matching of the turbocharger, superchar

5、gerThe layout of the device, pressurized combustion and fuel supply system, adaptive analysis of the problem.Keywords: diesel engine, pulse turbo, exhaust pipe, turbocharger, combustion system, fuel syste前言随着国民经济的发展，用户对所选取的发动机的动力性、经济性、可靠性和排放指标都提出了越来越高的要求。中冷器在工业生产中的应用极为普通，例如涡轮增压的发动机为何会比普通发动机拥有更大的动力，其

6、中原因之一就是其换气的效率比一般发动机的自然进气更高。当空气进入涡轮增压后其温度会大副升高，密度也相应变小，而中冷器正是起到冷却空气的作用，高温空气经过中冷器的冷却，再进入发动机中。如果缺少中冷器而让增压后的高温空气直接进入发动机，则会因空气温度过高导致发动机损坏甚至死火的现象。所以现在增压中冷器的发展已经越来越显著的影响到柴油机的工作效率热交换器的应用方面还有动力工业中锅炉设备的过热器、省煤器、空气预热器在各个生产领域中，要挖掘能源利用的潜力，必须合理组织热交换过程并利用和回收余热，这往往和正确地设计与使用热交换器密不可分。随着生产规模的扩大和生产技术的现代化，热交换器技术的研究必须满足各种

7、情况特殊而又条件苛刻的要求。因而各国在组织大规模工业生产的同时,都很重视热交换器的研究。并组织了较强的专业研究中心。例如早在20世纪60年代就在传热工程领域内出现了有影响的两大国际性研究集团，即1962年成立的美国传热研究公司(H eat Transfer Research Inc，简称HTRl)和l968年成立的英国传热及流体流动服务公司(HeaI Transfer & Fluid Flow Service，简称HTPS。)在我国也有兰州石油机械研究所、通用机械研究所等一些单位。在热交换器的研究和设计方面进行了多年的工作，推动了我国热交换器的设计和改进、技术标淮的制订和推广.内燃机为人类做出

8、了巨大的贡献，但排放也污染了大气。增压是内燃机解决排放的根本技术措施之一，大力推广增压技术将成为我国步人工业先进国家行列的重要标志，其中中冷器的作用很关键第一章 方案设计与工作安排1.1增压柴油机的发展现状 柴油机的增压技术主要谐波增压、机械增压和废气涡轮增压。涡轮增压技术利用柴油机排出废气中的能量，基本上不消耗柴油机的功率，以其较高的热效率和机械效率而得到大部分柴油机制造商的应用。在废气涡轮增压技术中，有等压涡轮增压，脉冲涡轮增压等具体形式。为了满足柴油机各工况对增压空气的要求，涡轮增压器的废气旁通技术和可变喷嘴技术在近期得到了充分利用。脉冲涡轮增压因其在较低增压压力工况下更高的排气总效率而

9、得到各柴油机厂商的利用。与其他增压方式相比，涡轮增压的主要优点有：（1） 在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情况下，即可提高功率（2050）%，而且容易实现高增压。（2） 由于压气机消耗的功是涡轮从废气中回收的一部分能量，故涡轮增压后内燃机的经济性有明显的提高。再加上相对地减少了机械损失和散热损失，提高了机械效率和热效率，使内燃机涡轮增压后油耗率g可降低（510）%，甚至更多。（3） 可降低排气噪音和烟度，排气中的有毒成分也可减少，因而减少了对环境的污染。1.2 增压柴油机结构图第2章 所研究柴油机主要规格参数与数据计算2.1柴油机的基本参数项目 机型 YZ6102型式四冲程直列、水冷、

10、直喷燃烧室汽缸直径mm 102活塞行程mm 118活塞总排量L25.785额定转速r/min 3000额定功率KW 99.3工作转速范围r/min 1800-3000燃油消耗率克/KW小时 271.9全负荷最低油耗克/KW小时 251.5最大扭矩牛/米1800-2000r/分时367.8气缸发火顺序1-5-3-6-2-4注：1马力=735.498752.2 涡轮增压参数计算2.2.1基本参数的选取（1）过量空气系数的选取：对于增压中速四冲程柴油机 =1.7-2.1。但值小，往往会引起柴油机燃烧不完全，气缸热负荷增大，排气温度增高，热效率下降等。而值大则与上述情况正好相反。增压柴油机采用较高的值

11、是为了降低热负荷，用更多的空气以扫气的方式带走燃烧室部件的热量。所以综合考虑选取=2.0（2）扫气系数的选取：增压后柴油机进气管压力大于排气管压力，有时进排气门叠开期加大，若排气压力波组织合理，扫气效果更佳。因此，增压后的扫气质量改善，扫气系数大于1。对于一般增压四冲程柴油机，增压后扫气系数=1.1-1.25。增压后扫气质量提高，则扫气系数较非增压降低。增压后扫气系数取为=1.15。（3）充量系数的选取：充量系数是表征实际换气过程完善程度的一个重要参数。增压后，固然缸内温度升高，但增压空气温度升高的更多，使缸盖缸壁活塞顶与新鲜充量的温度差减小，进气压力较高。这均使增压后的充量系数较非增压的高。

12、一般增压高速四冲程柴油机，有扫气的情况下的充气系数为0.91.0，则取其为0.99。2.2.2空气流量的计算涡轮增压柴油机所需的空气量可按下列公式计算： /s （2-1） 其中增压后油耗率=260g/kwh ；增压后功率=180kw ；=14.3 ；利用（2-1）式计算得空气流量：=0.42/s2.2.3增压压力的计算增压压力： =+（0.0030.005）MPa (2-2)增压后有效功率： kw （2-3）其中-气缸数；-气缸工作容积()； -平均有效压力(MPa)；-工作转速（r/min）；-冲程系数，对于四冲程为2，对于二冲程为1。 MPa （2-4）其中-柴油机进气温度，一般增压四冲程

13、柴油机=273+（4060）K,取=312.4K。-充量系数。其余参数见开头选取值。利用（2-3）式算得增压后平均有效压力 Pe=1.3MPa ,再带入（2-4）式求的=0.204MPa,将带入（2-2）式得=0.208MPa 。即增压压力=0.208MPa ，则增压比=0.208/0.101=2.06 。2.2.4增压空气温度的计算增压空气温度： （3-5）为环境压力；-压气机效率，一般=0.720.78，取0.76。增压比=0.208/0.101=2.06 。则由（3-5）式算得增压空气温度=370K，即=97。第3章 柴油机定压涡轮增压达180KW功率后，选配涡轮增压器3.1关于涡轮增压

14、器 涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。3.2涡轮增压器的选取 涡轮增压器的基本结构包括涡轮部分和压气机部分。 对于废气涡轮增压系统，其工作的基本原理是：柴油机气缸排出的废气经过排气管流进涡轮部分，推动涡轮的旋转工作，涡轮的转动直接带动压气机的压缩机轮的转动，

15、压气机将新鲜空气压缩并送入进气管。即废气的脉冲能转换为涡轮的动能，涡轮的动能直接传递给压气机的压缩机轮，由此带动压气机作功。涡轮增压器的基本结构示意图如下图所示： 图1-1 涡轮增压器的基本结构示意图关于涡轮增压器与柴油机的匹配：柴油机与涡轮增压器的匹配包括三个方面，即柴油机与压气机的匹配，柴油机与涡轮的匹配和压气机与涡轮的匹配，但是本次设计选取的涡轮增压器为固定型号的，则压气机与涡轮的匹配不考虑。柴油机与压气机的匹配：压气机不但要达到预定的增压比，而且要具有足够高的效率。不同用途的柴油机对压气机特性的要求是不同的，对于发电用的固定柴油机和船用柴油机，一般的压气机特性均能满足要求，而车用柴油机

16、的转速范围宽广，要求相应的压气机具有宽广的流量范围和具有较宽的压气机高效区。如果要求柴油机的扭矩系数越宽，也就要求压气机流量范围越宽和高效区越宽，但压气机在高压比下得到宽广的流量范围和高的效率是相当困难。柴油机与压气机的匹配，要有压气机流量特性和柴油机的流通特性，将两种特性相叠合就可以看出其匹配情况，良好的匹配应是柴油机特性线穿过压气机的高效区，且最好使柴油机运行线与压气机等效线相平行，应防止柴油机耗气特性线处于压气机的低效区或过于接近喘振线，甚至穿过喘振线，使柴油机与增压器联合工作时出现工作不稳定。一般要求柴油机低速时的耗气特性线离开喘振线的距离（即喘振裕度）约10%的喘振流量。柴油机与涡轮

17、的匹配：涡轮应具有合适的流通能力，并在柴油机运行的范围内具有较高的效率。实践证明涡轮流通能力的大小对匹配性能是十分敏感的，柴油机与涡轮的匹配是否良好主要看涡轮流通能力的选择是否合适。其方法是在涡轮流通特性上标上柴油机的工作特性线 ，如果柴油机工作线偏离该型涡轮的流通特性，就应选择较大型号或较小型号的涡轮变型，如果柴油机和涡轮两者流通特性相差不大，也可变换涡轮喷嘴环面积来改变涡轮的流通能力，以达到良好匹配。一般在柴油机与涡轮的匹配中能找到一个最佳的喷嘴环面积，此时柴油机排气温度最低。 涡轮增压器的选取：根据上面算得的空气流量0.42 kg/s以及增压比为2.0。则可以选取涡轮增压器的型号，我选取

18、的是无锡动力厂110J的涡轮增压器，其流量范围为0.260.62kg/s，增压比为2.0，空气流量靠近最小的流量范围值，是为了有较高的效率，但是变工况后如果流量太低又会引起柴油机喘振，所以与最低流量范围值保持一定差距。而因为存在变工况，所以增压比比最高增压比小且保持一定差距。3.3确定涡轮增压器的布置方案涡轮增压器的布置方法因柴油机的不同而不同，本论文所研究的YZ6102柴油机为直列式柴油机。在直列式柴油机中，往往将增压器布置在柴油机的侧面，涡轮增压器不用支架而直接支撑在排气管上。或在高度允许时，也可讲涡轮增压器布置在汽缸盖上方，这种布置可以缩短排气管长度，有利于废气能量的利用与扫气。这里我们

19、选择将涡轮增压器布置在柴油机的侧面。3.4定压涡轮增压系统的排气管设计在多缸机上，各缸之间的发火间隔角应小于排气持续角，为了避免相邻气缸排气的互相干扰，需要对排气管进行分支。分支的原则是，一根排气管所连各缸的排气相位必须互不重迭，或者重迭很小，由于一般四冲程柴油机排气门开启持续时间约为（240280）A，二冲程柴油机约为120A。因此，一根排气管所连接的气缸数目一般不超过三个，同时这三缸的排气相位必须相互均匀错开。本论文所研究的柴油机YZ6102的发火顺序为1-5-3-6-2-4。故此柴油机的排气管分支方案设计如图4-2所示 图4-2YZ6102柴油级采用定压涡轮增压后排气管设计 1,6 曲柄

20、位置如图4-3所示 3,4 5,2 图4-3 曲柄位置示意图而排气管的容积和截面积的设计方案如下对于脉冲涡轮增压系统，每根排气支管的容积与一个气缸容积的比值，一般小于1.5，即 （4-1）或按经验公式进行估算 （4-2）式中，为支管截面积，；为排气门开启最大流通面积，。或按下式估算 （4-3）式中，为支管直径，m;为气缸直径，m。后面常数值取0.35由公式（4-3）计算，得 = 41.3 mm第四章 中冷器参数的计算4.2.1中冷器的计算中冷器的计算主要是为了计算中冷器出口增压空气温度以及中冷器出口空气压力，为了简化计算，引入中冷器热力效率， = （）/( )即 = -（） （4-1）式中，为

21、中冷器出口空气温度；为压气机出口（中冷器入口）空气温度；为中冷器冷却水进口温度。根据式（4-1）计算中冷器出口空气温度，需要选取中冷器热效率。一般=0.700.90。取环境温度=25 即=298k因为=376.25k =370-0.8（370-298）=312.4k所以中冷器出口空气温度为=（312.4-273）=39.4因为冷却介质出口温度比中冷器出口空气温度低。取冷却介质出口温度=404.2.2 计算参数增压空气流量=0.42kg/s中冷器进口空气压力=208K中冷器出口空气压力=204K中冷器进口空气温度=370k中冷器出口空气温度 Ts=312.4k 冷却介质进口温度= 298k 冷却

22、介质出口温度=313k增压空气压力损失容许值pb=3000 (Pa) （根据柴油机性能参数）冷却空气压力损失容许值=3000 (Pa) （同上）增压空气比热容 Cpb=1009 (J/kgK) （中冷器进出口温度，利用线性差查书高等教育出版社工程热力学）冷却介质比热容 Cpa=4.174(KJ/kgk） （同上）4.2.3中冷器冷却面积的计算（1）. 中冷器的换热量 (4-2)代入数字解得 =0.421.009（370-312.4）=24.4kw（2）.冷却介质的吸热量 = （4-3）根据能量守恒得 Q=代入数字解得 =24.4/4.174（313-298）=0.4kg/s(3).传热系数 （

23、4-4）式中，分别为增压空气和冷却介质的散热系数，为壁厚；为热传导率。在水-空中冷器中，20，故上式简化为 （4-5）查工程传热学可知 =98w/（kgk）代入式（4-5）得 =94.231kw/（k）（1） 平均对数温差 （4-6）将数值代入上式得=30.95k（2） 中冷器冷却面积 （4-7）将各项数据代入上式解得 由于我选取管片式中冷器，管为铜管。取12mm管径，管厚2mm，管长为0.7m。则内径为8mm。又因为 F=N=0.0080.7N=8.367 N=475.5根 取整 N=476根所以冷却水的流速为 =代入数字解得 =4.17m/s第五章 增压后燃烧和供油系统的适应性分析5.1

24、增压后燃烧系统的适应性分析增压柴油机的燃烧系统除了对一般燃烧过程相同的要求外，还有它的特点和特殊要求：极力控制缸内的及，在不太大（一般比非增压略有加大）情况下保持燃烧良好，且要确保有高的热效率。对增压柴油机燃烧过程的研究表明，燃烧持续期、放热率峰值和爆压是提高内燃机热效率的关键。在增压特别是高增压柴油机上为了控制从而控制机械负荷的过度增长，常不得不适当降低压缩比。 本论文所研究的柴油机YZ6102在增压后功率增大了50%，中冷前新鲜充量的温度是压气机出口温度的函数，比非增压时高的多。压缩始温德增加，必然造成柴油机工作循环各特征温度相应提高。同时，循环供油量增加以后，固然用于转变为有用功的热量增

25、加了，但与此同时，损失的热量也随之增多。这表现为在机油温度，冷却水温度及排气温度均显著提高。这对柴油机和涡轮增压器都存在热负荷过大的问题，会出现气缸盖“鼻梁骨”断裂，燃烧室镶块烧结，活塞环烧结卡死及活塞烧裂等现象。 为了降低热负荷，可以相应改善燃烧系统，即促进燃烧室内的油气混合。增压后缸内油和气均增多了，但混合的时间不变，因而要按时燃烧完循环油量，必须强化油气混合。如加强进气涡流，适当提高喷油压力，调整油嘴安装深度和改善燃烧室形状，可加强油气间的扰动，细化油粒和改善油气间的均匀分布，从而促进雾化混合，减少后燃。还有可以增加过量空气系数，增加过量空气系数可有效降低最高燃烧温度，既有利于改善排放，

26、又能减小热负荷。5.2 增压后供油系统的适应性分析 一般情况下随着增压柴油机功率的增长，循环供油量相应增加，故需适当假打喷油泵的柱塞直径。同时喷油嘴喷孔孔径、孔数、喷油嘴进油孔径甚至高压有关的管径都要相应增加 因此需要调整供油规律：循环供油量增加后，应适当加粗喷油泵柱塞直径，增加喷孔数或喷孔孔径，适当调整油泵凸轮形线。既要保证滞燃期内喷油量适度，使速燃期内燃烧比较平稳，有较合理的压力升高比，又要保证余下的循环供油量在速燃期内以合理的规律尽可能全部喷入，使燃烧在上止点附近完成，效率较高，后燃较少，排气温度低。还需要合理调整供油提前角：供油提前角对排气温度的影响十分显著。减小供油提前角对降低柴油机爆发压力有利，但供油过迟会加剧后燃，使排气温度升高。增压柴油机由于介质和燃烧室壁温较高，滞燃期短，因此供油提前角应比非增压时略有减小。同时适当减小供油提前角还可以缓解柴油机的机械负荷。 结束语在导师吴承雄教授和众多师长同学的帮助下，这篇毕业论文终于完成了。在整个毕业设计期间，我不仅巩固了四年来所学的知