本科生毕业设计（论文）开题报告
题 目:4110型柴油机总体改型设计及发动机工作过程模拟
学 院 机电学院 系 动力工程 专 业： 热能与动力工程 班 级： 热能101 学 号： 5902110053 姓 名： 赵丁丁 指导教师： 曾 文 填表日期： 2014 年 3 月 25 日
一、选题的依据及意义
江河湖泊众多，在这星罗密布的河流上航行着许多小型船舶。特别近几年来，由于经济体制的改革和市场经济的迅速发展，运输行业也随着蓬勃发展。小型船舶的需求量与日俱增，这给小型船用柴油机带来了无限商机。但与此同时，原来的船用单缸机，由于振动大，噪声响，排放也较差，已不适合当前经济发展和客户需求。此时客户普遍需求一种振动小，噪音低，排放好，体积小，功率大，结构紧凑，起动好，烟度小，燃油消耗率低的船用柴油机。4110型柴油机是转速为2200r/min的船用柴油机，可作船用主机。本设计任务主要是在原机的基础上，进行发动机总体改型设计,对发动机的性能进行模拟，为提升发动机性能提供参考依据。
二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）
柴油机由于具有经济性、耐久性优良和CO2排放量低的优点，因此在21世纪作为交通运输领域主要动力的地位将继续保持下去，但其发展受到了NOx和颗粒排放高、噪声排放大等因素的挑战。面对世界各国日益严格的排放法规，柴油机除了应降低机油消耗、优化涡轮增压系统和发展先进的排气后处理外，还需进一步改善燃烧过程。而且目前看来，柴油机降低排放的对策主要是改善燃烧（柴油机的富余氮气较多，排放后处理难以使用三元催化剂，另外提高后处理装置的可靠性和耐久性难度也很大）。而喷油系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素。一个理想的喷油系统应具有如下性能：高喷油压力（100MPa以上）且值大小可根据工况需求灵活调整；精确而灵活的控制喷油定时和喷油量；喷油率的优化控制；与整体匹配灵活。实现以上柔性控制功能是燃烧喷油系统发展的必然趋势。高压共轨喷油系统正式顺应以上需求而诞生。
1.高压油泵
高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计。
大部分公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135MPa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。
2. 高压油轨（共轨管）
共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。
高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。
3. 电控喷油器
电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。
为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。
此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。
但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。
由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×6，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。
对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。
4. 高压油管
高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。BOSCH公司的高压油管的外经为6mm，内径为2.4mm，日本电装公司的高压油管的外经为8mm，内径为3mm 。
三、本课题研究内容
（1）在X6110柴油机的基础上改型设计出4110型柴油机，即将六缸柴油机改为四缸柴油机。 （2）改型后的4110柴油机的性能指标为：
型式：直列、水冷、四冲程、直喷式 气缸数：4
缸径×行程（mm）：110×130
标定功率/转速（kw/r/min）：62.2/2200 标定工况燃油消耗率（g/kw.h）:<210
机油消耗率（g/kw.h）：2.71（磨合后为2.04）
在满足上述性能指标的前提下进行4110型柴油机的总体设计。用AutoCAD软件进行
4110柴油机的总体改型设计，运用AVL软件进行其工作过程模拟。 从而实现对4110型柴油机的总体改性设计及工作过程模拟。
四、本课题研究方案
（1） 熟悉发动机的整体构造，及其原理。掌握当今国内外高压共轨高新技术及研究方向 （2） 用CAD软件画出柴油机总体纵横剖面图，实现4110型柴油机的总体改型设计。 （3） 用AutoCAD软件进行4110柴油机的总体改型设计，运用AVL软件进行其工作过程模
拟。（具体是通过使用高压共轨相关技术达到喷油系统的喷油量，从而提高柴油机总体性能和降低燃油消耗率）
（4） 分析相关数据和参数，对柴油机总体设计及曲轴进行更进一步的修改和模拟。
五、研究目标、主要特色及工作进度
研究目标：了解并掌握CAD、PRO/E、AVL软件的基本用途。掌握柴油机设计基本原理及发达国家柴油机先进技术。
特色：用AutoCAD软件建立柴油机整体模型，进行相关参数计算，并通过AVL软件对设计好的柴油机进行工作过程模拟，获得其工作过程的运动规律和受力情况，进一步改进柴油机整体机构及相关参数。 工作进度： 序号 1 2 3 4 5 6 各阶段工作内容 查阅相关资料，翻译外文资料等 撰写开题报告 用CAD软件画出柴油机装配图 用AVL软件进行柴油机工作过程模拟 撰写毕业设计说明书 毕业答辩 起讫日期 3.15-4.1 4.1-4.20 4.20-5.1 5.1-5.7 5.7-5.13 5.13-5.18 六、参考文献
[1 ] 《内燃机学》 机械工业出版社 周龙保 主编 [2 ] 《内燃机设计》 机械工业出版社 袁兆成 主编
[3] 《柴油机设计手册》 中国农业机械出版社 柴油机设计手册编辑委员会 [4] 王钧效 陆家祥 柴油机高压共轨喷油系统的发展动态 2001年第5期
[5] 冯兵兵 基于ADAMS的柴油机曲轴主轴承载荷分析方法研究 武汉理工大学硕士学位论文, 2008, 5
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