四缸增压中冷柴油机配气机构优化设计与试验研究

摘要

配气机构是发动机主要机构之一，其设计是否合理与发动机的经济性、可靠性以及排放性等性能有着密切联系。随着现代化发动机向低排放、低油耗、高速化方向发展，对发动机的性能提出了更高的要求，要求发动机在高转速下能够可靠、平稳地运行，因此，对发动机配气机构的要求也越来越高。配气凸轮型线的设计是配气机构优化设计中至为关键的部分，在确定了整个机构参数后，最为重要的是根据发动机的性能和用途，合理地选择凸轮型线类型和凸轮参数。
　　本文以某四缸增压中冷柴油机配气机构为研究对象，通过模拟计算和试验研究来优化改进发动机配气机构。首先，采用进气系统模拟软件，建立原机配气机构运动学和动力学模型，对原机配气机构凸轮型线进行了计算分析，结果表明原机配气机构在运动学计算中进气门加速度曲线跃度较大;在动力学计算中，进气门在开启和关闭瞬间加速度存在较大波动，以及进气门落座时落座力较大，易导致气门落座瞬间有明显振动、气门长时间工作造成反跳及气门座磨损。针对原配气机构存在的问题，结合发动机性能匹配的要求，运用多项动力凸轮设计方法为原柴油机重新设计了进气凸轮型线。
　　其次，利用Boost软件建立原柴油机整机工作过程模型，并通过试验验证了模型的准确性，在此基础上，对原机配气相位进行优化计算，分析了进气迟闭角、排气提前角以及气门重叠角对柴油机性能的影响，总结了在各个工况下柴油机经济性、动力性等随配气相位的变化规律，确定了该机最佳配气相位。计算结果显示，在各个工况下，采用优化后凸轮型线和配气相位的柴油机在燃油经济性无大幅度变化前提下，有效降低了柴油机泵气损失，提高了柴油机充气效率和动力性能。
　　最后，对优化后的型线凸轮进行了样件加工，将试验样机原凸轮更换为优化后凸轮，进行凸轮优化前后柴油机台架性能试验对比。结果表明，凸轮优化后柴油机性能在低转速工况下较原机相差不大，然而在中高转速工况下功率最大提高1.8％，有效燃油消耗率最大降低4 g/(kW·h)，充气效率最大提高3-5％，烟度最大下降0.2 BSU，氮氧化物比排放量最大下降2.8 g/(kW·h)，涡后排气温度最大降低35℃。凸轮优化后柴油机在兼顾低速性能的同时中高速性能较原机有明显改善。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 配气机构的发展状况

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文研究的主要内容

第二章 配气机构计算分析理论概述

2．1 凸轮型线设计方法

2．2 凸轮型线设计准则及评价标准

2．3 配气机构动力学计算模型

2．3．1 单质量模型

2．3．2 双质量模型

2．3．3 多质量模型

2．3．4 有限元模型

2．4 本章小结

第三章 配气机构模拟计算与分析

3．1 配气机构专业分析软件简介

3．2 配气机构计算参数设置

3．2．1 Pro／E计算质量

3．2．2 有限元法计算刚度

3．3 配气机构运动学计算

3．3．1 配气机构运动学建模计算

3．3．2 配气机构运动学结果分析

3．4 配气机构动力学计算

3．4．1 配气机构动力学建模计算

3．4．2 配气机构动力学结果分析

3．5 本章小结

第四章 凸轮型线优化设计及模拟计算分析

4．1 凸轮型线优化设计

4．1．1 凸轮型线设计思路

4．1．2 工作段设计

4．1．3 缓冲段设计

4．2 优化后凸轮型线评价及分析

4．2．1 优化后凸轮型线运动学计算与分析

4．2．2 优化后凸轮型线动力学计算与分析

4．3 优化后气门与活塞相碰验证

4．4 本章小结

第五章 发动机循环模拟计算

5．1 发动机模型建立及验证

5．1．1 Boost软件简介及模型建立

5．1．2 模型验证

5．2 发动机换气过程仿真优化及设计参数确定

5．2．1 进气迟闭角对发动机性能的影响

5．2．2 排气提前角对发动机性能的影响

5．2．3 气门重叠角对发动机性能的影响

5．3 优化后与原机模拟结果对比

5．4 本章小结

第六章 发动机试验

6．1 试验研究对象

6．2 试验仪器及设备

6．3 发动机试验台架

6．4 试验设计方案及方法

6．5 优化前后试验结果分析

6．6 本章小结

第七章 全文总结与工作展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

研究生学习期间发表的论文