柴油氣缸
關注創建者：dangjiao9445 創建時間：2019-03-25
柴油氣缸的實例教程
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研究背景
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目前，法國正在運行的34個900MWe級反應堆中均設置了兩組應急柴油發電機，以保證核電站在外部電力中斷的情況下各類應急設備的正常工作從而確保核電站的安全。作為預防性維護的一部分，有關部門對發電機進行了定期測試和檢查。
在檢查中，氣缸蓋的氣門橋處觀察到了裂紋（圖1，2）。EDF和柴油發電機制造商兼設計者瓦錫蘭公司40年的經驗反饋表明，這些裂紋是在定期測試中發電機的周期性啟動和停止（低頻熱疲勞）導致的，對其運行沒有影響。反饋還表明，裂紋不會擴展到水冷回路區域，從而不會導致發電機的停機。
圖1 氣缸蓋氣門橋處的裂紋
圖2 某破裂面上的裂紋
盡管有大量的經驗反饋作為支撐，法國核安全局（Autorité de S?reté Nucléaire, ASN）仍要求EDF嚴格證明這些裂紋的無害性。因此，EDF的核電部中負責制定和優化核反應堆維護策略的國家運營工程部（UNIE）指示研發部門通過數值模擬對裂紋擴展過程進行論證，關鍵在于通過增大檢查間隔時間的方式來減輕氣缸蓋的維護負擔，同時還要避免因出現裂紋而被拒收的氣缸蓋的早期更換。
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材料實驗
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由于氣缸蓋材料（層狀石墨鑄鐵GJL-300）原本不存在于EDF的數據庫中，因此該材料的熱力學參數必須通過實驗從反應堆中廢棄氣缸蓋上采集的樣品中提取。EDF在20℃，220℃和420℃下對氣缸蓋材料進行了單向拉伸實驗、循環拉/壓實驗和疲勞裂縫發展實驗，并獲得了相應的材料力學參數（圖3，4，5）。
展開 柴油機使用的燃料是柴油，由于柴油比汽油粘度大，蒸發性差，所以在柴油機工作時，必須采用高壓噴射的方法在壓縮行程活塞接近上止點時，將柴油以霧狀噴入燃燒寶，直接在氣缸內部形成可燃混合氣，并借助氣缸內空氣的高溫自行發火燃燒。
柴油機燃油系統同時要完成柴油供給和空氣供給以及可燃混合氣的形成、燃燒和廢氣的排出任務。
要求
根據可燃混合氣形成特點
燃料與空氣的混合是在氣缸內進行的。柴油蒸發性和流動性都比汽油差，不能在氣缸外部形成混合氣。接近壓縮行程終點時，把柴油噴入氣缸，受熱、蒸發、擴散，與空氣混合。混合氣形成的時間很短(15~35 °CA)，燃燒室各處混合氣成分不均勻，且隨時間變化。柴油粘度大，不易揮發，必須用高壓以霧狀噴入。
可燃混合氣的形成和燃燒過程是同時、連續重疊進行的，即邊噴射、邊混合、邊燃燒(擴散燃燒)。必須要有足夠的空氣和柴油混合:α=1.2~2.2。理論空燃比14.5。進氣道、燃燒室、燃油系統要相互匹配。噴油提前角:是指從噴油器噴油開始，到活塞運行至上始點時曲軸轉過的角度。
根據噴油提前角
柴油噴入氣缸后，要經過一定時間的物理化學過程后才能著火燃燒。要在上止點附近著火，就要在上止點之前噴油。氣缸內柴油著火前的物理化學過程準備時間基本不變，但轉速越高，同樣時間所占曲軸轉角就越大。所以，噴油提前角應隨發動機轉速增高而加大。
自動調速
柴油機高壓供油系統中，只能控制噴入氣缸的油量，但油量控制裝置與發動機負荷沒有直接聯系(汽油機用節氣門控制進入缸內的空氣量)。負荷增加時，如果每循環油量不變，則發動機轉速降低，甚至熄火;負荷減小時，若油量不變，則發動機轉速增大，甚至可能超速。發動機轉速不穩，隨負荷而變。需要設置自動調速裝置，使之根據負荷變化，自動調整噴油泵循環供油量，以使柴油機穩定轉速運行。
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展開 來源：數字仿真聯盟
作者：溫世杰，張曉靜
（中國北方發動機研究所 山西 大同 037036）
摘要：某小缸徑柴油機在樣機設計階段的有限元計算和部件裝配試驗中發現預緊狀態下缸套變形過大。為滿足設計指標要求，應用CAE技術對氣缸套變形的影響因素進行計算仿真分析，找出影響該機型缸套變形的主要因素，并進行改進設計，計算數據和部件試驗證明了改進方案的有效性。
關鍵詞：柴油機，缸套, 變形，有限元分析
1 概述
研發某新型小缸徑V型柴油機，在高爆壓、高轉速狀態下，為避免出現缸套變形過大而導致的早期磨損、漏氣量大而影響功率指標、甚至導致拉缸等嚴重故障的出現，對在裝配狀態下氣缸套的變形量有嚴格的技術指標要求，其最大橢圓度值應低于25um。
在原理樣機設計階段進行的計算仿真分析和部件變形測量試驗的結果，發現氣缸套在冷機裝配狀態下的變形遠遠超出了設計指標的要求，缸套上、中、下三個部位的橢圓度值分別為38.3、20.0、-31.2um，這一結果證明機體以及氣缸套的方案設計遠沒有達到技術指標的要求，必須進行改進設計。
初步判斷導致該機型缸套變形超標的因素有：鋁合金彈性模量較低（僅為灰鑄鐵的二分之一左右）導致機體整體剛度不足，且缸套支撐部位剛度分布不均勻，在預緊狀態下整體變形過大，局部的扭曲導致缸套受力不均勻；高爆壓使氣缸蓋緊固螺栓預緊力設計值偏高，缸套受力過大；緊固螺栓的布置對氣缸套上端面受力均勻性的影響。
此外，影響缸套變形的直接因素還有：
氣缸套的壁厚、結構型式和剛度；機體與缸套之間的支撐結構型式，機體與缸套之間的裝配間隙；機體與缸蓋之間的密封形式及氣缸墊的結構型式等。
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蠕墨鑄鐵廣泛應用的巨大潛在市場是在汽車業，其主要產品則是發動機氣缸體和大功率柴油機氣缸蓋鑄件。隨著汽車輕量化和比功率（kW/排量）的提高，氣缸體和氣缸蓋的工作溫度越來越高，許多部位的工作溫度超過200 ℃，在此溫度下，鋁合金的強度大幅度下降，而蠕鐵則具有很大的優勢。
球墨鑄鐵技術
球墨鑄鐵由于其高強度、高韌性和低價格，所以在汽車市場上仍有很大發展。
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2.2 高壓共軌燃油系統
不同于汽油機的均質預混合氣燃燒，柴油機使用擴散燃燒，柴油直接噴入氣缸，與空氣逐漸混合的同時燃燒放熱。若柴油燃燒不完全，一方面直接導致燃燒效率低，另一方面也導致放熱過程滯后，循環熱力學效率降低。
不同之處主要是，柴油發動機氣缸中的混合氣是壓燃的，而不是點燃的。柴油發動機工作時進入氣缸的是空氣，氣缸中的空氣壓縮到終點時，溫度可達500-700℃，壓力可達40—50個大氣壓。
因此柴油在噴入氣缸后，在很短時間內與空氣混合后便立即自行發火燃燒。氣缸內的氣壓急速上升到6-9MPa，溫度也升到2000-2500K。在高壓氣體推動下，活塞向下運動并帶動曲軸旋轉而作功，廢氣同樣經排氣管排入大氣中。
普通柴油機的是由發動機凸輪軸驅動，借助于高壓油泵將柴油輸送到各缸燃油室。這種供油方式要隨發動機轉速的變化而變化，做不到各種轉速下的最佳供油量。
對于單體泵而言，噴油泵與噴油嘴之間用一根很短的高壓油管相連，而對于泵噴嘴而言，噴油泵與噴油嘴組合為一體，直接安裝在柴油機氣缸蓋上，由頂置凸輪軸驅動。它們的最大優點是能夠減輕或者消除在柴油流動和噴射的過程中，在高壓油管內所形成的壓力波影響。因為這個壓力波會妨礙著噴油系統與負荷、轉速的良好匹配，并會隨著高壓管的長度增長而增大。
根據噴油提前角
柴油噴入氣缸后，要經過一定時間的物理化學過程后才能著火燃燒。要在上止點附近著火，就要在上止點之前噴油。氣缸內柴油著火前的物理化學過程準備時間基本不變，但轉速越高，同樣時間所占曲軸轉角就越大。所以，噴油提前角應隨發動機轉速增高而加大。
自動調速
柴油機高壓供油系統中，只能控制噴入氣缸的油量，但油量控制裝置與發動機負荷沒有直接聯系(汽油機用節氣門控制進入缸內的空氣量)。
配氣機構
配氣機構的作用是根據發動機的工作順序和各缸工作循環的要求，及時地開啟和關閉進、排氣門，使可燃混合氣（汽油發動機）或新鮮空氣（柴油發動機）進入氣缸，并將廢氣排入大氣。
一、類型及工作原理
四沖程發動機廣泛采用氣門凸輪式配氣機構，它由氣門組和氣門傳動組兩部分組成。
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關于Code_Aster
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Code_Aster為法國電力集團（EDF）自1989年起開始研發的通用結構和熱力耦合有限元仿真軟件。Code_Aster可用于力學、熱學和聲學等物理現象的仿真分析，以及進行上述現象的耦合仿真分析。作為一款有限元仿真軟件，Code_Aster可進行靜力學、動力學和振動、子結構分析、土-結構相互作用、流固耦合、熱學等問題的仿真分析，
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