高效低污染非道路卧式柴油机关键技术研究

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非道路柴油机是我国农业机械、工程机械、林业机械、内河机动船、发电机组以及水泵等的主要配套动力,我国现有非道路卧式柴油机因售价低以及冷却方式和结构的限制,技术发展严重滞后,主要表现在:体积大、比质量大、升功率低,可靠性低、寿命短,冷却效果差,燃油经济性差、噪声和排放污染物严重。针对现有非道路卧式柴油机存在的技术问题,提出了开发高效低污染非道路卧式柴油机需解决的关键技术方案,开展了以下研究工作。(1)针对进气系统,研究了螺旋进气道结构及其流动特性的影响关系针对柴油机螺旋进气道复杂的自由曲面特征,通过建立螺旋段表面空间三维曲线方程组数学模型和启用曲线关联特性,研究了一种柴油机螺旋进气道正向设计方法。结合气道稳流实验,建立了气道流动仿真模型,研究了螺旋进气道直流段和螺旋段几何结构参数、进气门位置对气道和缸内气体流动特性的影响关系,分析了进气道的关键结构参数和敏感部位。(2)针对冷却系统,研究了卧式柴油机冷却水套结构及其流动特性针对新型高效低污染非道路卧式柴油机的技术要求,选择了强制冷却闭式循环系统,设计了冷却水套结构方案。在不同工况下试验测试了水套内冷却水流量、温度和压力,建立了冷却水流动的数值模拟仿真模型,分析了水套内冷却水流动性能,研究了不同结构参数对冷却水流动和换热的影响关系,优化了原方案冷却水套结构和水泵流量。(3)研究了活塞组动力学特性及其影响因素针对卧式柴油机活塞组件动力学特性,试验研究活塞、缸套热负荷作用下的温度场分布,建立了活塞组件动力学仿真模型。采用正交分析方法,研究了活塞和活塞环结构参数对活塞组二阶运动、机油耗以及漏气量等活塞组动力学特性的影响关系。(4)高效低污染非道路卧式柴油机的设计通过对燃烧系统的设计与优化匹配试验、冷却系统、润滑系统、活塞组件、配气机构等部件的设计与分析以及总体布置,设计了一款新型高效低污染非道路用卧式两缸柴油机,其结构特点及性能指标如下:(1)结构紧凑、重量轻。自然吸气柴油机产品总质量221kg,比质量6.05kg/kW;废气涡轮增压功率强化后2D25ZL总质量227kg,比质量4.54kg/kW。(2)燃油经济性好。自然吸气柴油机外特性最低燃油消耗达到224g/(kW·h),标定功率工况点有效燃油消耗率为234g/(kW·h);增压中冷柴油机外特性最低燃油消耗达到221g/(kW·h),标定功率工况点有效燃油消耗率为246g/(kW·h)。发动机最经济有效燃油消耗区宽广,动力适配范围宽。(3)润滑油消耗低。自然吸气柴油机标定功率工况下平均机油耗0.299 g/(kW·h),平均机油燃油消耗比为0.127%;增压中冷柴油机标定功率工况下平均机油耗0.293 g/(kW·h),平均机油燃油消耗比为0.119%。(4)排气污染物低,可靠性高。自然吸气柴油机满足非道路国Ⅱ排放限值的要求,并通过了1000小时可靠性试验检验。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-7页
第—章 绪论第12-28页
    1.1 课题研究的背景和意义第12-13页
    1.2 非道路卧式柴油机的发展现状第13-15页
        1.2.1 非道路卧式柴油机市场现状第13页
        1.2.2 非道路卧式柴油机技术现状第13-15页
        1.2.3 非道路柴油机面临的挑战第15页
    1.3 国内外相关理论和技术研究现状第15-26页
        1.3.1 螺旋进气道结构及燃烧系统匹配研究第15-19页
        1.3.2 冷却水套结构及其流动特性研究现状第19-22页
        1.3.3 活塞组件动力学特性研究进展第22-26页
    1.4 课题研究的主要内容第26-28页
第二章 螺旋进气道结构及其流动特性影响关系研究第28-50页
    2.1 螺旋气道参数化建模研究第28-31页
        2.1.1 螺旋段参数化建模方法研究第28-30页
        2.1.2 直流段参数化建模的研究第30-31页
        2.1.3 螺旋气道整体模型的生成第31页
    2.2 流体流动的基本控制方程第31-33页
    2.3 螺旋气道计算模型的建立及试验验证第33-37页
        2.3.1 气道计算网格模型的生成第33-34页
        2.3.2 边界条件与初始值的设置第34页
        2.3.3 进气道稳态流动试验及计算模型的验证第34-37页
    2.4 螺旋气道结构对流动特性影响关系研究第37-47页
        2.4.1 气道最小截面几何形状对气道流动特性的影响分析第37-39页
        2.4.2 气道入口形状和涡流室高度对气道流动性能的影响第39-41页
        2.4.3 螺旋段结构参数对气道流动特性的影响第41-44页
        2.4.4 进气门偏心率对进气道流动特性的影响第44-47页
    2.5 小结第47-50页
第三章 卧式柴油机冷却水套结构及其流动特性研究第50-70页
    3.1 卧式柴油机冷却水套结构设计第50-51页
    3.2 冷却水套水流实验第51-53页
        3.2.1 试验方案及测点布置第51-52页
        3.2.2 试验结果与分析第52-53页
    3.3 冷却水流动仿真模型的建立及试验验证第53-54页
        3.3.1 冷却水套有限元网格模型的生成第53页
        3.3.2 数学模型及初始和计算的边界条件第53-54页
        3.3.3 仿真模型的验证第54页
    3.4 CFD计算结果与分析第54-59页
        3.4.1 水套整体CFD分析第54-56页
        3.4.2 缸体水套CFD分析第56-58页
        3.4.3 缸盖水套CFD分析第58-59页
        3.4.4 缸盖上水孔流量分析第59页
    3.5 冷却水套结构对卧式柴油机冷却水流动影响第59-66页
        3.5.1 影响冷却水流动的结构参数分析第59-62页
        3.5.2 冷却水套结构参数对冷却水流场的分析第62-66页
    3.6 水套结构及水泵流量的优化第66-69页
        3.6.1 水套结构的优化第66-68页
        3.6.2 水泵流量的优化第68-69页
    3.7 小结第69-70页
第四章 活塞组动力学特性及其影响因素研究第70-104页
    4.1 相关理论简介第70-77页
        4.1.1 活塞动力学的控制方程第70-73页
        4.1.2 活塞环组动力学模型第73-75页
        4.1.3 润滑油消耗模型第75-77页
    4.2 活塞与缸套工作温度场测试第77-81页
        4.2.1 活塞工作温度场的测量第77-80页
        4.2.2 缸套工作温度场的测量第80-81页
    4.3 活塞组件动力学仿真模型的边界条件及试验验证第81-83页
        4.3.1 活塞体的径向刚度分布第81-82页
        4.3.2 活塞与缸套热态型面第82-83页
        4.3.3 缸内燃烧压力的测试第83页
        4.3.4 活塞环的表面形状第83页
        4.3.5 机油耗试验与仿真模型的验证第83页
    4.4 活塞结构参数的影响关系研究第83-91页
        4.4.1 配缸间隙的影响第83-85页
        4.4.2 活塞头部间隙的影响关系研究第85-86页
        4.4.3 活塞销偏心对二阶运动的影响第86-88页
        4.4.4 活塞裙部中凸点位置对二阶运动的影响第88-89页
        4.4.5 基于正交方法的多因素分析第89-91页
    4.5 活塞环组结构参数的影响关系研究第91-102页
        4.5.1 活塞环开口间隙的影响第91-93页
        4.5.2 活塞环切向弹力的影响第93-95页
        4.5.3 活塞环背隙的影响第95-97页
        4.5.4 活塞环侧向间隙对机油耗的影响第97-99页
        4.5.5 活塞环摩擦表面型线对机油消耗的影响第99-102页
    4.6 小结第102-104页
第五章 高效低污染非道路卧式柴油机的设计第104-126页
    5.1 设计原则与要点第104-105页
    5.2 新型非道路卧式柴油机的总体布置第105-106页
    5.3 燃烧系统设计与试验匹配研究第106-111页
        5.3.1 燃烧室的设计与试验匹配第106-108页
        5.3.2 喷油系统的试验匹配第108-109页
        5.3.3 进气道的设计与试验匹配第109-111页
    5.4 机体结构轻量化设计及研究第111-117页
        5.4.1 机体结构设计第111页
        5.4.2 机体结构刚度和强度研究第111-117页
    5.5 其它系统和结构的设计第117-121页
        5.5.1 冷却系统第117页
        5.5.2 润滑系统第117-118页
        5.5.3 活塞组第118-119页
        5.5.4 配气机构的设计与优化第119-121页
    5.6 发动机性能试验第121-122页
        5.6.1 外特性试验第121页
        5.6.2 万有特性试验第121-122页
        5.6.3 排放特性试验第122页
        5.6.4 可靠性试验第122页
    5.7 卧式双缸柴油机的功率强化第122-123页
    5.8 小结第123-126页
第六章 总结与展望第126-130页
    6.1 主要工作总结第126-128页
    6.2 论文的创新点第128-129页
    6.3 工作展望第129-130页
致谢第130-132页
参考文献第132-144页
附录第144-148页
    附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录第144-145页
    附录B 攻读学位期间获得的授权专利第145-146页
    附录C 攻读学位期间获奖情况第146页
    附录D 攻读学位期间参与的科研项目第146-147页
    附录E 攻读学位期间开发产品的主要证书第147-148页
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