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高功率密度柴油机连杆www.mg4355cc.com手机版

发布于:2019-04-10 21:42
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      功率密度是热能动力机械的重要性能指标之一,特别是在空间尺寸要求严格的车辆上,采用高功率密度(HPD)的发动机尤为重要。近年来国外推出的高功率密度柴油机已经达到很高的水平,最具代表性的是德国MTU公司的MT890系列柴油机。115缸径的直列4缸柴油机单缸功率为102.5 kW,比重量为1.098 kg/kW,升功率为93.2 kW,109缸径的V型6缸机单缸功率为91.7 kW,比重量为0.945 kg/kW,升功率也达91.7 kW,这几乎是商务车用柴油机的3倍,先进轿车柴油机的2倍。而这两种柴油机的体积分别只有约0. 45和0. 82。在非常紧凑的体积内实现如此高的功率密度,必然使运动零部件的机械负荷大幅增加。这不仅源于HPD柴油机非常高的最高燃烧压力(MT890系列柴油机最高燃烧压力达21 MPa,而且还源于HPD柴油机高的标定转速4250 r/min。极高的气体压力和运动部件高速运动产生的惯性力作用在曲柄连杆机构上,按常规设计思想设计的运动部件能否承受这样的机械负荷,运动部件的最大工作应力是多少,应力如何分布,负荷的增加与应力的增加有什么对应关系,常规材料能否满足运动部件的强度要求?这些问题是高功率密度柴油机结构设计首先须解决的。曲柄连杆机构中连杆作复杂的平面运动,受相当大的交变载荷,工作条件比较恶劣。本文首先利用柴油机工作过程仿真分析的方法,计算HPD柴油机的工作过程,得到HPD柴油机连杆的机械负荷。然后采用www.mg4355cc.com手机版方法对高功率密度柴油机连杆强度和刚度进行分析。希望对HPD柴油机的研究和设计提供参考。
      由于技术保密,且国内目前还没有相近水平的柴油机,无法得到实测性能数据。根据MTU公司公布的基本参数位口活塞行程、缸径、压缩比、增压比等无参考相同缸径的常规功率密度柴油机结构参数,建立了HPD柴油机工作过程一维计算模型。并以MT890系列柴油机性能参数为目标,利用仿真软件计算了高功率密度柴油机的工作过程,得到不同转速条件下的示功图。标定工况下原机型主要控制参数与仿真计算结果的对比列于表中。升功率、平均有效压力、最高燃烧压力等性能参数的计算值与原机型参数值相差不多。作为对比,也计算分析了常规功率密度,TPD柴油机模型高转速范围为扩展仿真计算结果,是为了与H PD柴油机按相应转速对比。
      根据示功图数据和曲柄连杆机构惯性质量,可计算出一个工作循环内连杆所受载荷。2500 r/min时连杆大头轴承载荷比较如图所示。    分别取各转速下连杆所受压缩载荷最大值和拉伸载荷最大值连成曲线,如图所示。从图中可以看出,两种柴油机连杆所受最大压缩载荷均在某一转速达到极值(HPD柴油机出现在2500 r/min,TPD柴油机出现在2000 r/mn附近)。这显然是气体力与惯性力综合作用结果,且气体力起主要作用。随着转速的加大,惯性力增加,可抵消掉较大部分的气体力作用涟杆受最大压缩载荷工况下惯性力与气体力方向相反)。相同转速下HPD柴油机连杆最大压缩载荷相比TPD柴油机连杆最大压缩载荷要大0.5~2倍以上,且随着转速的增大两者差距增大。而两种柴油机连杆的最大拉伸载荷则是随转速的增加而增大,且两者相差极小。可见连杆最大拉伸载荷中惯性力起主要作用,气体力的影响微乎其微。
      获得了连杆所受载荷,就可利用www.mg4355cc.com手机版方法对连杆强度和刚度进行分析计算。计算模型中建立了连杆、盖、活塞销、曲柄销、小头衬套和大头轴瓦的三维几何模型涟杆各部分尺寸在保证重量不变的前提下,计算过程中曾多次修正。修改设计在CAD软件Pro/E中实施,改进后的连杆尺寸、质量、质心位置等参数在三维模型上测量获得。有限元计算模型采用10节点四面体单元,共划分有76746个单元,118464个节点,有限元模型如图所示。


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