汽油機(jī)廢氣渦輪增壓器設(shè)計(jì)[3張cad圖紙+文檔全套資料]

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Have introduced petrol machine turbine pressurization systematic composition and principle of waste gas in this text, and design and calculate each part of the pressurized system of waste gas turbine of the petrol making up machine. Install obstacle and countermeasure of the turbocharger of the waste gas additional. Repack 200 petrol machine of Audi into the turbine pressurization type by the inhaling type naturally, has matched to calculate to blower and engine. Keyword: Turbine pressurization of the waste gas; Petrol machine; Obstacle; Countermeasure 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1汽油機(jī)增壓國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 1 1.2影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率的因素 2 1.3汽油機(jī)增壓可帶來(lái)以下幾方面的收益： 3 1.4自然吸氣與增壓機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)比較： 3 第2章 汽油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的組成 4 2.1渦輪增壓器 4 2.2中冷器 8 2.3進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥 9 2.4進(jìn)氣管 11 2.5排氣管 12 2.6發(fā)動(dòng)機(jī) 12 2.7汽油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的原理 12 第3章 加渦輪增壓器的障礙及解決措施 15 3.1車(chē)用汽油機(jī)采用廢氣渦輪增壓的特點(diǎn) 15 3.2汽油機(jī)增壓主要障礙 16 3.3汽油機(jī)渦輪增壓的對(duì)策 16 第4章 汽油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 20 4.1已知條件及要求指標(biāo) 20 4.2汽油機(jī)熱力參數(shù)選擇 20 4.3渦輪增壓器主要性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算 20 第5章結(jié)論 23 參考文獻(xiàn) 25 附錄1 26 31 第1章 緒 論 1.1汽油機(jī)增壓國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 早在20年代賽車(chē)就開(kāi)始采用機(jī)械增壓，后來(lái)逐漸過(guò)渡到渦輪增壓，從1968年以來(lái)幾乎所有的賽車(chē)都安裝了渦輪增壓器。70年代以來(lái)，世界上許多大公司和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了車(chē)用汽油機(jī)增壓的研究工作，使汽油機(jī)增壓技術(shù)不僅僅局限于賽車(chē)和高原功率的恢復(fù)等特殊領(lǐng)域。特別是隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)格，為滿(mǎn)足排放的要求，不得不在性能上做出妥協(xié)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的功率下降。如采用廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)、三元催化裝置后，滿(mǎn)足了排放法規(guī)的要求，但發(fā)動(dòng)機(jī)的功率會(huì)下降20%左右，而采用渦輪增壓可以彌補(bǔ)這一損失。采用EGR和三元催化并增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)和相同功率的非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比，增壓汽油機(jī)的排放得到了改善。自80年代中期以來(lái)，國(guó)外汽油機(jī)增壓技術(shù)發(fā)展迅猛，隨著中冷器技術(shù)、多氣門(mén)技術(shù)、復(fù)合增壓技術(shù)、稀薄燃燒技術(shù)、可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)的發(fā)展、電子控制技術(shù)和增壓技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上共同的應(yīng)用，使汽油機(jī)正日益獲得新生。如日本三菱公司采用缸內(nèi)直噴稀薄燃燒技術(shù)、汽油機(jī)的增壓技術(shù)和復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)為低壓縮高膨脹循環(huán)，使汽油機(jī)的熱效率大大提高，尾氣排放也大大降低，達(dá)到部分零排放的要求。增壓技術(shù)首先在柴油機(jī)領(lǐng)域得到發(fā)展，目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家大、中功率柴油機(jī)己全部采用增壓技術(shù)，中小型車(chē)用柴油機(jī)增壓也達(dá)70%。汽油機(jī)增壓的發(fā)展相對(duì)較晚，技術(shù)水平也落后于柴油機(jī)，七十年代末國(guó)外汽油機(jī)開(kāi)始逐漸采用增壓技術(shù)，并得到了迅速的發(fā)展和完善，1990年美國(guó)生產(chǎn)的汽油機(jī)已有1/4采用了增壓技術(shù)，1992年國(guó)際市場(chǎng)上出售的汽油機(jī)有15%采用增壓技術(shù)。目前國(guó)外的汽油機(jī)增壓正處于完善和推廣應(yīng)用階段，內(nèi)燃機(jī)增壓的先進(jìn)技術(shù)主要集中于美國(guó)，德國(guó)和日本。目前我國(guó)大中型柴油機(jī)多數(shù)都已采用增壓技術(shù)，小功率柴油機(jī)及運(yùn)輸式車(chē)用汽油機(jī)也采用了渦輪增壓技術(shù)，而轎車(chē)汽油機(jī)渦輪增壓技術(shù)還比較落后，國(guó)產(chǎn)高檔轎車(chē)中采用這一技術(shù)的幾乎清一色地是合資品牌，如奧迪、帕薩特、寶來(lái)的1.8T發(fā)動(dòng)機(jī)等。近年來(lái)，這一技術(shù)國(guó)產(chǎn)品牌的轎車(chē)也有所突破，華晨汽車(chē)聯(lián)手世界三大權(quán)威內(nèi)燃機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)之一一一德國(guó)FEV發(fā)動(dòng)機(jī)公司歷時(shí)三年，已經(jīng)成功研制了華晨1.8T系列發(fā)動(dòng)機(jī)，并于2006年6月26日在沈陽(yáng)正式批量生產(chǎn)，它的最大功率為125kw/5500(r/min)，在轉(zhuǎn)速2000一5000r/min的范圍內(nèi)保持發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩235N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)最低油耗率小于245g/kwh，功率接近70kW，各項(xiàng)動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)良好。 1.2影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率的因素 影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率大小的因素有很多，具體可由下式表示： （1—1） 式中 一一有效功率； 一一氣缸數(shù)； 一一氣缸工作容積； 一一燃料低熱值； 一一燃燒Ikg燃料所需的理論空氣量； 一一沖程數(shù)，四沖程=4，二沖程=2； 一一沖量系數(shù)； 一一指示熱效率； 一一過(guò)量空氣系數(shù)； 一一機(jī)械效率； 一一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； 一一發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的空氣密度。 由式（1—1）可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)排量不變的前提下，通?？梢圆扇∫韵氯齻€(gè)方面的措施來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率： (l) 增加單位時(shí)間內(nèi)的工作循環(huán)數(shù)。提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或采用二沖程工作過(guò)程都可以增加單位時(shí)間內(nèi)的工作循環(huán)數(shù)。但過(guò)高的轉(zhuǎn)速不僅給改善工作過(guò)程帶來(lái)困難，增加摩擦損失，而且運(yùn)動(dòng)件由此產(chǎn)生較大的慣性力，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性、使用壽命受到影響。采用二沖程則因降低換氣質(zhì)量而影響熱效率的提高。 (2) 提高機(jī)械效率。通過(guò)減少摩擦副的摩擦損失，降低水泵、油泵等附屬機(jī)械的消耗功率，改善潤(rùn)滑、冷卻等措施可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率，但其效果有限。 (3)提高平均有效壓力。可以采取提高沖量系數(shù)，改善燃燒過(guò)程中優(yōu)化空燃比等方法來(lái)提高平均有效壓力。 1.3汽油機(jī)增壓可帶來(lái)以下幾方面的收益： (1)使發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸更加緊湊，比功率增加，比重量降低，從而減小其尺寸及重量，尤其是對(duì)小排量車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高具有決定性的意義。 (2)可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能及燃油經(jīng)濟(jì)性，提高總體效率，節(jié)約能源消耗。 (3)可一定程度上降低排氣噪聲，減少?gòu)U氣中有害成份的含量。 (4)與電子控制技術(shù)相結(jié)合，可全面提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能并改善汽車(chē)駕駛性。 1.4自然吸氣與增壓機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)比較： 轉(zhuǎn)速r/min 壓縮比 Pme/ kPa PL/ kW/L me/ Kg/kW be/ g/（kW.） vm/ m/s 自然吸氣 4500-7500 8 - 12 800-1100 35-65 3 - 1 350-250 9 -16 增壓機(jī)型 5000-7000 7 - 9 1100-1500 50-100 3 - 1 380-280 9 -16 第2章 汽油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的組成 汽油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)是由渦輪增壓器、中冷器、進(jìn)氣管、排氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)、增壓限制電磁閥等組成。 2.1渦輪增壓器 渦輪增壓器主要由渦輪和壓氣機(jī)組成。壓氣機(jī)有軸流式和離心式之分。由于離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕以及在較寬的流量范圍內(nèi)能保持較好的效率，且對(duì)于小尺寸壓氣機(jī)，效率優(yōu)于軸流式。因此渦輪增壓器都采用離心式壓氣機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1—1所示。 圖1—1 1--渦輪蝸殼 2--中間體 3--浮動(dòng)軸承 4--渦輪葉輪 5--隔熱板 6--壓氣機(jī)蝸殼 7--壓氣機(jī)葉輪 8--進(jìn)氣道 9--擴(kuò)壓器 2.1.1 離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu) 離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1—1所示，由進(jìn)氣道、葉輪、擴(kuò)壓器和壓氣機(jī)蝸殼等部件組成。 1、進(jìn)氣道 進(jìn)氣道的作用是將外界空氣導(dǎo)向壓氣機(jī)葉輪。為降低流動(dòng)損失，其通道為減縮形。進(jìn)氣道可分為軸向進(jìn)氣道和徑向進(jìn)氣道兩種基本形式。 軸向進(jìn)氣道是氣流沿轉(zhuǎn)子軸向不轉(zhuǎn)彎進(jìn)入壓氣機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單流動(dòng)損失小。中、小形渦輪增壓器多采用這種結(jié)構(gòu)。 徑向進(jìn)氣道的氣流開(kāi)始是沿徑向進(jìn)入進(jìn)氣道，然后轉(zhuǎn)為軸向進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪，其流動(dòng)損失較大。一般僅在軸承外置的大型渦輪增壓器或空氣濾清器等裝置的空間布置受限時(shí)，才采用這種形式。 2、壓氣機(jī)葉輪 壓氣機(jī)葉輪是壓氣機(jī)中唯一對(duì)空氣做功的部件，它將渦輪提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ芎蛣?dòng)能。壓氣機(jī)葉輪分為導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪兩部分，中、小型渦輪增壓器兩者裝配在一起。 導(dǎo)風(fēng)輪是葉輪入口的軸向部分，葉輪入口向旋轉(zhuǎn)方向前傾，直徑越大處前傾越多，其作用是使氣流以盡量小撞擊進(jìn)入葉輪。壓氣機(jī)葉輪按葉片的長(zhǎng)短可分為全長(zhǎng)葉片葉輪和長(zhǎng)短葉片葉輪。全長(zhǎng)葉片葉輪進(jìn)口流動(dòng)損失小，效率高，但對(duì)于小直徑葉輪，進(jìn)口處氣流阻塞較為嚴(yán)重。因此，小型渦輪增壓器中采用長(zhǎng)短葉片葉輪。 3、擴(kuò)壓器 擴(kuò)壓器的作用是將壓氣機(jī)葉輪出口高速空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋０磾U(kuò)壓器中有無(wú)葉片可分為無(wú)葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器。 無(wú)葉擴(kuò)壓器是一環(huán)形通道。氣流在擴(kuò)壓器中近似沿對(duì)數(shù)螺旋線(xiàn)的軌跡流動(dòng)，即氣流流動(dòng)跡線(xiàn)在任意直徑處與切向的夾角基本不變。由于這一特點(diǎn)，氣流的流動(dòng)路線(xiàn)長(zhǎng)，流動(dòng)損失大，效率低，擴(kuò)壓器出口流動(dòng)面積小，擴(kuò)壓能力低，在同樣的擴(kuò)壓能力下，擴(kuò)壓器出口直徑較大。但無(wú)葉擴(kuò)壓器流量范圍寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，在經(jīng)常處于變工況運(yùn)行的小型渦輪增壓器上得到廣泛應(yīng)用。 葉片擴(kuò)壓器是在環(huán)形通道上加若干導(dǎo)向葉片，使氣流沿葉片通道流動(dòng)。由于氣流流動(dòng)路線(xiàn)短，流動(dòng)損失小，故效率高。當(dāng)流量偏離設(shè)計(jì)工況，葉片入口氣流角不等于葉片構(gòu)造角時(shí)，將產(chǎn)生撞擊損失，使效率急劇下降。在汽油機(jī)上所以采用無(wú)葉擴(kuò)壓器。 4、壓氣機(jī)蝸殼 壓氣機(jī)蝸殼的作用是收集從擴(kuò)壓器出來(lái)的空氣，將其引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管。由于擴(kuò)壓器出來(lái)的空氣仍有較大的速度，在蝸殼中還將進(jìn)一步把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，因此，壓氣機(jī)蝸殼也有一定的擴(kuò)壓作用。壓氣機(jī)蝸殼按流道沿圓周變化與否，可分為變截面蝸殼和等截面蝸殼。變截面蝸殼的截面面積沿周向越接近出口越大，符合越接近出口收集的空氣越多這一規(guī)律。因此，流動(dòng)損失小，效率較高。變截面蝸殼的最大優(yōu)點(diǎn)是外形尺寸小，對(duì)渦輪增壓器尺寸的小型化非常有利，因而北廣泛應(yīng)用。等截面蝸殼的流道截面沿周向是不變的，截面積按壓氣機(jī)的最大流量確定。其流動(dòng)損失大，效率低，故用的較少。 2.1.2離心式壓氣機(jī)的工作原理 空氣流經(jīng)壓氣機(jī)通道時(shí)，壓力P、速度C和溫度T的變化趨勢(shì)如圖2—1所示。 在進(jìn)氣道入口，空氣從環(huán)境狀態(tài)進(jìn)入，壓力、速度、溫度分別為Pa、Ca、Ta。由于進(jìn)氣道是漸縮形通道，少部分壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。因此，在進(jìn)氣道中，空氣的壓力略有降低，速度略有升高。由于壓力降低，溫度隨之降低。在進(jìn)氣道出口，亦即葉輪入口，空氣的壓力、速度、溫度分別為P1、C1、T1。 在壓氣機(jī)葉輪中，葉輪對(duì)空氣做了功，使空氣的壓力、溫度和速度都升高。在葉輪出口，亦即擴(kuò)壓器出口，空氣的壓力、速度、溫度分別為P2、C2、T2。 在擴(kuò)壓器中，由于擴(kuò)壓器流通面積漸擴(kuò)，使氣體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。因此， 空氣的速度降低，壓力升高，溫度亦隨壓力而升高。在擴(kuò)壓器出口，亦即蝸殼的入口，空氣的壓力、速度、溫度分別為P3、C3、T3。 在壓氣機(jī)蝸殼中，仍有部分動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為壓力能，使空氣的速度進(jìn)一步降低，壓力和溫度升高。在蝸殼出口，亦即整個(gè)壓氣機(jī)出口，空氣的壓力、速度、溫度分別為Pb、Cb、Tb。 在壓氣機(jī)的通道中，只有葉輪是唯一對(duì)空氣做功的元件，其他部位都不對(duì)空氣做功，而只進(jìn)行動(dòng)能和壓力能之間的相互轉(zhuǎn)化。 Tb T3 T2 Ta T1 C2 C3 Cb Ca C1 P3 Pb Pa P2 P1 壓氣機(jī) 壓氣機(jī) 進(jìn)氣道 葉輪 擴(kuò)壓器 蝸殼 壓氣機(jī)通道中氣體狀態(tài)的變化 圖2—1 2.1.3渦輪的結(jié)構(gòu) 渦輪增壓器中渦輪的工作過(guò)程與壓氣機(jī)相反，它是把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功來(lái)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)葉輪的一種原動(dòng)機(jī)。渦輪增壓器的性能，在很大程度上取決于渦輪的性能。渦輪可分為徑流式渦輪、軸流式渦輪和混流式渦輪。由于徑流式渦輪結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小，在小流量范圍內(nèi)渦輪效率較高，且葉輪強(qiáng)度好，能承受很高的轉(zhuǎn)速，在中、小型渦輪增壓器上廣泛應(yīng)用。 渦輪是由進(jìn)氣殼、噴嘴環(huán)、工作葉輪和排氣殼等部件組成。進(jìn)氣殼的作用，是把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的具有一定能量的廢氣，以盡量小的流動(dòng)損失和盡量均勻的分布引導(dǎo)到渦輪噴嘴環(huán)的入口。 噴嘴環(huán)又稱(chēng)導(dǎo)向器，流通截面程漸縮形，其作用是使具有一定壓力和溫度的燃?xì)馀蛎浖铀俨匆?guī)定的方向進(jìn)入葉輪。工作葉輪是唯一承受氣體做功的元件，它與壓氣機(jī)葉輪同軸，把氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功向壓氣機(jī)輸出。排氣殼收集葉輪排出的廢氣并送入大氣。為了降低葉輪的背壓，使氣體在葉輪中充分膨脹做功，排氣殼是一個(gè)間擴(kuò)型管道。 2.1.4徑流式渦輪的工作原理 在渦輪蝸殼的入口即發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管出口，氣體具有較高的壓力、溫度和一定的速度。由于進(jìn)氣殼有一定的膨脹、加速作用，而在噴嘴中又有相當(dāng)多的壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因此在蝸殼和噴嘴中，氣體的壓力和溫度降低，速度迅速升高，到噴嘴出口時(shí)，氣體的速度達(dá)到最高。在葉輪中，氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，使速度大幅度降低。由于氣體的膨脹已在噴嘴中基本完成，因而在葉輪中壓力和溫度降低很少。從葉輪出來(lái)的氣體通過(guò)排氣殼后排入大氣。 2.2中冷器 渦輪增壓器吸進(jìn)的空氣經(jīng)壓縮溫度會(huì)增高，空氣在流動(dòng)過(guò)程中與進(jìn)氣管壁摩擦還會(huì)進(jìn)一步升溫，這樣不僅影響充氣效率，還容易產(chǎn)生爆燃。因此要裝置降低進(jìn)氣溫度的設(shè)備，這就是中間冷卻器。它安裝在渦輪增壓器出口與進(jìn)氣管之間，對(duì)進(jìn)入氣缸的空氣進(jìn)行冷卻。中間冷卻器就象散熱器，用風(fēng)冷卻或者水冷卻，空氣的熱量通過(guò)它而逸散到大氣中去。據(jù)測(cè)試，性能良好的中間冷卻器不但可以使發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比能保持一定比值而不會(huì)產(chǎn)生爆燃，同時(shí)降低了溫度也可提高進(jìn)氣壓力，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率。 2.2.1中冷器的冷卻方式 目前采用的中冷器都屬錯(cuò)流外冷間壁式冷卻方法，根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，有水冷式和風(fēng)冷式兩大類(lèi)。采用增壓中冷可以通過(guò)采用最佳供油定時(shí) ,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率 ,減少尾氣中的 NOx 排放 ,冷卻高溫機(jī)件 ,并可以延長(zhǎng)零部件的使用壽命。 目前采用的中冷系統(tǒng)有以下幾種 : (1)用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水冷卻的水冷卻器系統(tǒng) ； (2)與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水分開(kāi)的水循環(huán)冷卻系統(tǒng) ,使汽油機(jī)在高速高負(fù)荷工況下 能得到較好的經(jīng)濟(jì)性和功率輸出 ,并降低其熱負(fù)荷 ； (3)冷卻器和散熱器共用同一個(gè)風(fēng)扇的空空中冷系統(tǒng) ； (4)由自由渦輪帶動(dòng)風(fēng)扇冷卻器的分隔式空空中冷系統(tǒng)。 由于第三種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較好，所以普遍采用第三種。 2.2.2水冷式中冷器 水冷式中冷器的結(jié)構(gòu)目前普遍使用的水冷式中冷器采用管片式結(jié)構(gòu)。管片式中冷器是在許多的水管上套上一層層的散熱片，經(jīng)錫焊接或堆錫焊焊接在一起。冷卻水管和散熱片采用紫銅或黃銅制造。中冷器冷卻元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)中冷器性能影響很大。由于水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)通常是氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)的10倍以上。無(wú)論水側(cè)還是氣側(cè)，流通面積越小，則流速越大，對(duì)流換熱系數(shù)越大，但流動(dòng)阻力損失也越大。橢圓水管中冷器冷卻元件結(jié)構(gòu)參數(shù)為： 水管斷面尺寸：2a2b=17mm5mm 管壁后取0.5mm 管束橫向間距：S1=15m 管排縱向間距：S2=23mm 散熱片厚度： d=0.10-0.15mm 散熱片間距： h=2-2.7mm 2.3進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥 此閥是由排氣管排出的廢氣經(jīng)傳感器，再由ECU檢測(cè)到廢氣壓力很高時(shí)，增壓壓力限制電磁閥使經(jīng)壓氣機(jī)流向中冷器的空氣管與連接進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥的空氣管相通，此時(shí)閥門(mén)打開(kāi)，廢氣旁通經(jīng)渦輪增壓的空氣減少。反之，增加。 構(gòu)成此閥的主要部件是彈簧，所以?xún)H對(duì)彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)。彈簧是一種應(yīng)用很廣的彈性零件，它具有易變形、彈性大等特性。在機(jī)器中的主要公用如下： （1)緩和沖擊和吸收振動(dòng)。這類(lèi)彈簧具有較大的彈性變形能力，可吸收振動(dòng)和沖擊能量。 （2）控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)彈簧要求在某一定變形范圍內(nèi)的剛度變化不大。 （3）儲(chǔ)存能量。這種彈簧既要求有較大的彈性，又要求作用力較穩(wěn)定。 （4）測(cè)量力的大小。這類(lèi)彈簧要求其受力與變形呈線(xiàn)性關(guān)系。 2.3.1彈簧的應(yīng)力 根據(jù)彈簧的重要程度和載荷性質(zhì)，彈簧可分為三類(lèi)： Ⅰ類(lèi)——用于承受載荷循環(huán)次數(shù)在次以上的變載荷彈簧； Ⅱ類(lèi)——用于承受載荷玄幻次數(shù)在～次之間的變載荷或承受動(dòng)載荷的彈簧和承受靜載荷的重要彈簧； Ⅲ類(lèi)——用于承受載荷玄幻次數(shù)在次一下的變載荷彈簧和承受靜載荷的一般彈簧。 2.3.2進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算 已知預(yù)調(diào)壓力F1=384N、壓縮量=12mm、h=2mm彈簧中徑D=25mm 解： （1）選擇材料并確定許用應(yīng)力。閥用彈簧載荷次數(shù)多，要求工作可靠，動(dòng)作靈敏，故可按Ⅰ類(lèi)彈簧設(shè)計(jì)。選用Ⅰ組碳素彈簧鋼絲。 因d=當(dāng)C=5-8時(shí) d=5-3.125 可估取鋼絲直徑d=4mm 由表査取=1600MPa 再根據(jù)表知Ⅰ類(lèi)彈簧/MPa=0.3=0.31600=480 G=80000MPa 根據(jù)強(qiáng)度條件確定鋼絲直徑，因C===6.26 由式得K=+=1.24 F2/N=F1=F1=384=448 d，/mm1.6=1.6=4.22 取標(biāo)準(zhǔn)鋼絲直徑d=4mm與原估取值一致故可用 根據(jù)變形條件確定工作圈數(shù)。由式知 n===5.79 取n=6圈 由式知，此時(shí)彈簧的剛度為 實(shí)際最大工作載荷F2為 （2） 計(jì)算彈簧的極限變形量，并驗(yàn)算極限切應(yīng)力。 由F20.8Flim則取 同理取由式計(jì)算極限切應(yīng)力 對(duì)1類(lèi)彈簧 1.67滿(mǎn)足要求 （3） 計(jì)算彈簧其它尺寸 外徑 D2/mm=D+d=27 內(nèi)徑 D1/mm=D-d=21 支撐圈數(shù) n2/圈=2 總?cè)?shù) n1/圈=n+n2=7 彈簧間隙 取 節(jié)距 P/mm=d+=7 自有高度 H0/mm（n1-0.5）d=26 總變形量 彈簧螺旋升角 在5o-9o之間故合適 鋼絲展開(kāi)長(zhǎng)度 L/mm= （4） 驗(yàn)算穩(wěn)定性 高徑比b= 故不需進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算 2.4進(jìn)氣管 為了改善掃氣效果，進(jìn)氣管壓力應(yīng)力求穩(wěn)定，其容積較大，直列發(fā)動(dòng)機(jī)可按下列比值來(lái)確定進(jìn)氣管截面積， 式中 ——進(jìn)氣管截面積 ——活塞面積 對(duì)增壓汽油機(jī)的進(jìn)氣管設(shè)計(jì)必須充分考慮排氣熱量對(duì)進(jìn)行沖量的影響。因?yàn)樵鰤浩蜋C(jī)不同于非增壓汽油機(jī)，經(jīng)過(guò)增壓器壓縮后的可燃混合氣溫度較高，不必象非增壓那樣，為改善起動(dòng)性能而用排氣預(yù)熱進(jìn)行充量。增壓的正好相反，應(yīng)避免排氣熱量對(duì)進(jìn)氣充量的溫度影響，以確保足夠的進(jìn)氣充量。因此，在結(jié)構(gòu)布置上，進(jìn)氣管置于排氣歧管下面為宜。有條件時(shí)應(yīng)與排氣歧管分別置于汽缸兩側(cè)。當(dāng)然，在嚴(yán)寒地區(qū)，冬季冷起動(dòng)和小負(fù)荷時(shí)混合氣均布問(wèn)題應(yīng)適當(dāng)考慮。 2.5排氣管 對(duì)脈沖增壓的排氣管，為充分利用脈沖能量每個(gè)排氣歧管的容積與一個(gè)氣缸的工作容積的比應(yīng)在1.3-1.5之間即 也可根據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定排氣歧管的截面積 式中，為排氣歧管通流面積；為排氣門(mén)最大開(kāi)啟面積。或者按下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定排氣歧管的直徑 式中，為排氣歧管直徑；為氣缸直徑。 2.6發(fā)動(dòng)機(jī) 本設(shè)計(jì)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)為奧迪200發(fā)動(dòng)機(jī) 主要技術(shù)參數(shù)為 缸徑/mm 81 行程/mm 86.4 排量/L 1.8 最大功率/（kW/（r/min）） 90/5700 最大扭矩/（N.m/（r/min)) 190/1750-4600 2.7汽油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的原理 圖2—7 1--渦輪增壓器 2--排氣管 3--進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥 4--進(jìn)氣管 5--電磁閥 6--增壓壓力限制電磁閥 7--空氣濾清器 8--發(fā)動(dòng)機(jī) 9--進(jìn)氣壓力傳感器 10--中冷器 基本原理： 從排氣管排出廢氣溫度和壓力都比較高，經(jīng)排氣管進(jìn)入渦輪殼里到達(dá)噴嘴環(huán)。由于噴嘴環(huán)的通過(guò)面積是逐漸收縮的，因而廢氣的壓力和溫度下降，速度被提高，使其動(dòng)能增加。這股高速?gòu)U氣流，按一定的方向沖擊渦輪，使其高速旋轉(zhuǎn)。廢棄的溫度、壓力和速度越高、渦輪轉(zhuǎn)的就越快，通過(guò)渦輪的廢氣最后排入大氣。 因渦輪和離心式壓氣機(jī)葉輪故裝在同一轉(zhuǎn)子軸，所以?xún)烧咄叫D(zhuǎn)。這樣就將壓氣機(jī)從空氣濾清器進(jìn)來(lái)的氣經(jīng)濾清后，進(jìn)入渦輪增壓器的壓氣機(jī)部分，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪把空氣甩向葉輪的外緣，使其速度和壓力增加，并進(jìn)入擴(kuò)壓器。擴(kuò)壓器的形狀做成進(jìn)口小出口大，因此氣流的流速下降、壓力升高，這些壓縮的空氣經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸。經(jīng)壓氣機(jī)增壓后的空氣，溫度和壓力都有所升高。 從低負(fù)荷轉(zhuǎn)向高負(fù)荷時(shí)，氣缸內(nèi)需要更多的空氣與，此時(shí)，溫度和壓力都不能迅速達(dá)到所需要的值，通過(guò)進(jìn)氣壓力傳感器測(cè)得的信號(hào)傳給ECU，使電磁閥打開(kāi)，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮的部分空氣再經(jīng)壓氣機(jī)壓縮，使其溫度和壓力迅速升高。 從高負(fù)荷轉(zhuǎn)向低負(fù)荷時(shí)，汽缸內(nèi)需要較少的空氣，同時(shí)，需要壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，也就是渦輪的轉(zhuǎn)速下降，那么就需要使排氣管排出的廢氣較少的經(jīng)過(guò)渦輪，通過(guò)進(jìn)氣壓力傳感器測(cè)得的信號(hào)傳給ECU，使增壓壓力限制電磁閥打開(kāi)，從而使進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)閥打開(kāi)，部份廢氣便經(jīng)旁通到排氣消聲器。 第3章 加渦輪增壓器的障礙及解決措施 3.1車(chē)用汽油機(jī)采用廢氣渦輪增壓的特點(diǎn) 汽油機(jī)增壓后動(dòng)力性能得到較大的提高，對(duì)高原地區(qū)工作的適應(yīng)性、CO和 HC的排放、噪音等性能均能得到不同程度的改善。與柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓相比,汽油機(jī)采用廢氣渦輪增壓的特點(diǎn)是: 3.1.1 發(fā)火機(jī)理不同 柴油機(jī)為壓縮自燃發(fā)火，在壓縮過(guò)程中被壓縮的是純空氣，壓縮終點(diǎn)不會(huì)發(fā)生爆燃，汽油機(jī)在壓縮過(guò)程中被壓縮的是油氣混合物，壓縮終了溫度過(guò)高就會(huì)產(chǎn)生爆燃，這給汽油提高增壓比πk 帶來(lái)了嚴(yán)格的限制。 3.1.2 混合氣形成方式不同 柴油機(jī)混合氣形成是通過(guò)劇烈的空氣攪動(dòng)和高噴射率的噴油泵在壓縮上止點(diǎn)附近很短的時(shí)間內(nèi)完成的，且邊噴油、邊混合、邊燃燒；汽油機(jī)混合氣的形成是依靠化油器喉管所造成的真空吸力和汽油的蒸發(fā)、擴(kuò)散、霧化作用混合(化油器式燃油供給系統(tǒng)) 或電磁式噴油器在進(jìn)氣過(guò)程噴油并與空氣在整個(gè)進(jìn)氣過(guò)程中混合完成(汽油噴射式燃油供給系統(tǒng))的。 3.1.3 壓縮比和過(guò)量空氣系數(shù)范圍不同 汽油機(jī)壓縮比ε< 10 ,過(guò)量空氣系數(shù)= 0.85～1.15 ，如果ε及超出這些范圍。汽油機(jī)的工作會(huì)不正常，如起動(dòng)困難、怠速不穩(wěn)、中速經(jīng)濟(jì)性差、加速不良等。在汽油機(jī)增壓后的變工況情況下，要控制ε和范圍就必須精心地調(diào)整燃油供給系統(tǒng)的供油特性曲線(xiàn),進(jìn)行增壓器與汽油機(jī)的良好匹配。 3.1.4 掃氣不同 進(jìn)入汽油機(jī)氣缸的是油氣混合物，不能象柴油機(jī)那樣可以通過(guò)增大氣門(mén)疊開(kāi)角δm (δm =+β,—進(jìn)氣提前角;β—排氣延遲角) 來(lái)盡可能地掃除氣缸內(nèi)殘余的廢氣。因而汽油機(jī)不能組織合理的掃氣，與柴油機(jī)相比會(huì)使缸內(nèi)廢氣量增加，同時(shí)也不利于高溫機(jī)件(如活塞頂部、氣門(mén)、氣缸)熱負(fù)荷的降低。 3.1.5發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍不同 汽油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較寬，一般為 800～6000 r/ min ;而柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍在為 800～4000 r/ min 之間，給增壓器性能及增壓器與汽油機(jī)的匹配帶來(lái)了新的要求。 3.2汽油機(jī)增壓主要障礙 3.2.1汽油機(jī)增壓易發(fā)生爆燃 增壓使壓縮終了混合氣的溫度、壓力趨于升高，致使爆燃的傾向增大。汽油機(jī)由于受爆燃限制，壓縮比ε較低,因而造成膨脹不充分，致使排氣溫度較高，熱效率下降。 3.2.2汽油機(jī)增壓熱負(fù)荷大 汽油機(jī)混合氣的濃度范圍窄(過(guò)量空氣系數(shù)=0.85～1.15)，燃燒時(shí)的過(guò)量空氣少，造成單位數(shù)量混合氣的發(fā)熱量大；同時(shí)，汽油機(jī)又不能通過(guò)提高氣門(mén)重疊角δm 加大掃氣來(lái)冷卻受熱零件(如氣門(mén)、燃燒室等)，造成汽油機(jī)在增壓后的熱負(fù)荷偏高。汽油機(jī)增壓后熱負(fù)荷大又促使爆燃傾向的發(fā)生。 3.2.3 汽油機(jī)與增壓器匹配困難 與柴油機(jī)相比，汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍寬，從低速到高速混合氣質(zhì)量流量變化大。當(dāng)節(jié)氣門(mén)突然開(kāi)大時(shí)，增壓器響應(yīng)滯后造成動(dòng)力響應(yīng)的滯后；汽油機(jī)增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度高，易造成增壓器損壞，并出現(xiàn)低速時(shí)增壓力不足，高速時(shí)增壓壓力過(guò)高及壽命降低的情況。 3.3汽油機(jī)渦輪增壓的對(duì)策 3.3.1汽油機(jī)增壓爆燃的解決措施 要解決汽油機(jī)增壓存在的障礙，首先要在不能影響汽油機(jī)的其它性能的條件下防止爆燃和控制增壓壓力。引起汽油機(jī)爆燃的原因是由于壓縮終了溫度 Ta過(guò)高，末端混合氣受已燃混合氣的加熱和輻射，自身溫度、壓力升高 ,在火焰前鋒到達(dá)前達(dá)到自身燃點(diǎn)而發(fā)生自燃現(xiàn)象。因而一切能夠降低壓縮終了溫度 Ta 的 方法均可以達(dá)到限制爆燃的目的。其具體措施有 : 1)降低壓縮比ε 降低壓縮比ε可以降低壓縮終了混合氣的溫度Ta ,控制爆燃的發(fā)生，這是增壓后解決爆燃的常用方法。但是，降低壓縮比ε會(huì)使膨脹功減，廢氣余量增加，排氣溫度相對(duì)升高，熱效率下降的問(wèn)題可以通過(guò)廢氣的能量在渦輪中得到回收利用來(lái)補(bǔ)充。對(duì)于增壓汽油機(jī)適當(dāng)降低壓縮比ε，并利用爆燃傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃情況，由 ECU 適時(shí)地根據(jù)爆燃強(qiáng)度推遲點(diǎn)火定時(shí)，可以使燃燒最高壓力相對(duì)降低，使發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷不致過(guò)高。 2)增壓中冷 增壓后增壓器出口溫度 (進(jìn)入氣缸的進(jìn)氣溫度)與自然吸式進(jìn)氣溫度 (接近大氣溫度) 相比要高很多。增壓中冷就是在增壓器出口與進(jìn)氣管之間加裝中間冷卻器，對(duì)進(jìn)入氣缸的空氣進(jìn)行冷卻。通過(guò)增壓中冷可以有效地降低壓氣機(jī)后氣體的溫度，提高氣體密度，增加混合氣的濃度。采用增壓中冷可以通過(guò)采用最佳供油定時(shí)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，減少尾氣中的 NOx 排放，冷卻高溫機(jī)件，并可以延長(zhǎng)零部件的使用壽命。 目前采用的中冷系統(tǒng)有以下幾種 ： (1)用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水冷卻的水冷卻器系統(tǒng)； (2)與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水分開(kāi)的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，使汽油機(jī)在高速高負(fù)荷工況下能得到較好的經(jīng)濟(jì)性和功率輸出 ，并降低其熱負(fù)荷； (3)冷卻器和散熱器共用同一個(gè)風(fēng)扇的空-空中冷系統(tǒng)； (4)由自由渦輪帶動(dòng)風(fēng)扇冷卻器的分隔式空-空中冷系統(tǒng)。 上述4種冷卻方案中，第1種方案最簡(jiǎn)單 ,但效率也低；第2種方案最先進(jìn) ;方案4 的最大優(yōu)點(diǎn)是中冷器布置的靈活性,特別是對(duì)于原機(jī)改進(jìn)增壓設(shè)計(jì)比方便。 3)其他措施 如改善燃燒室結(jié)構(gòu),縮短火焰行程的距離，使火焰前鋒到達(dá)末端混合氣的時(shí)間變短;燃用高辛烷值的汽油，提高發(fā)動(dòng)機(jī)抗爆性；減小點(diǎn)火提前角θ；采用雙火花塞提高點(diǎn)火能量等，這些措施均可以在一定程度上降低汽油機(jī)增壓后發(fā)生爆燃的可能性。 目前，有效的措施是采用爆燃傳感器反饋控制的電子控制汽油噴射系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火正時(shí)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火正時(shí)的最優(yōu)化，有效地防止爆燃。 3.3.2汽油機(jī)增壓熱負(fù)荷高的對(duì)策 汽油機(jī)增壓后溫度要比自然吸式的高出幾十度甚至上百度，這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增加，使爆燃傾向增加；使進(jìn)氣密度下降，每循環(huán)進(jìn)氣量減少，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降；同時(shí)，增壓熱負(fù)荷高，要求提高增壓器渦輪材料性能，即具有耐高溫性，并且熱膨脹系數(shù)要小。 現(xiàn)在解決熱負(fù)荷高的辦法有 : (1)渦輪轉(zhuǎn)子和壓氣機(jī)采用耐熱材料。渦輪轉(zhuǎn)子的陶瓷化材料具有良好的高溫強(qiáng)度、高耐蝕性、高耐磨性、低膨脹系數(shù)和低密度(約等于鋼鐵的1/ 2) 等特點(diǎn)，可以有效地提高熱效率，降低能耗。目前，應(yīng)用陶瓷材料代替 Ni 基耐熱合金制造渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子，利用碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂 PKU 制造壓氣機(jī)葉綸，以代替以往使用的鋁合金材料，它具有良好的耐蠕變性、耐腐蝕性、耐磨損性和熱伸縮性小 (- 65～105 ℃之間無(wú)伸縮) 等特點(diǎn)，適合于壓氣機(jī)葉輪的使用環(huán)境，并且取得了良好的效果。 (2)安裝中冷裝置可以降低壓氣機(jī)出口溫度，并可減少 NOx 排放。 (3)采用汽油直接噴射(缸內(nèi)噴射)技術(shù)(如三菱公司生產(chǎn)的 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)) 可以提高氣門(mén)疊開(kāi)角δm，利用新鮮氣體對(duì)高溫機(jī)件進(jìn)行吹洗冷卻，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷。汽油機(jī)爆燃和熱負(fù)荷問(wèn)題彼此之間相互聯(lián)系，又相互影響，最常用最可靠的措施是安裝中冷器。安裝中冷器，既可以降低渦輪增壓器出口溫度 Tk ，使壓縮終了溫度Ta降低，降低爆燃傾向；還可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷，提高增壓器使用壽命；同時(shí)，Ta 的降低，有利于降低燃燒最高溫度，減少 NOx 的排放。 3.3.3汽油機(jī)與增壓器匹配的對(duì)策 汽油機(jī)與增壓器要良好匹配需要解決幾個(gè)問(wèn)題: 1）需要對(duì)增壓壓力進(jìn)行控制 車(chē)用汽油機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍較寬，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量的變化范圍也較寬，這就要求增壓器具有較寬廣的流量范圍，以適應(yīng)車(chē)用汽油機(jī)的要求。車(chē)用汽油機(jī)增壓要求在部分負(fù)荷和部分轉(zhuǎn)速工況下具有良好的扭矩特性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，要求汽油機(jī)在匹配渦輪增壓器時(shí)其基本匹配點(diǎn)必須選擇在部分工況，然而這會(huì)導(dǎo)致額定工況時(shí)增壓壓力過(guò)高。因此，要使車(chē)用汽油機(jī)在渦輪增壓后能在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持一定的扭矩儲(chǔ)備，避免低效率壓縮而導(dǎo)致進(jìn)氣溫度過(guò)高，而且又能在額定增壓壓力下溫度不致于過(guò)高而引起爆燃，因此需要對(duì)增壓壓力進(jìn)行控制。 對(duì)增壓壓力進(jìn)行控制可以采用： (1)采用進(jìn)氣減壓閥和排氣放氣閥，這種方法可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的全部工況幾乎處在增壓器壓氣機(jī)的高效率區(qū)內(nèi)。 (2)采用變截面的渦輪，改變渦輪進(jìn)口廢氣壓力來(lái)改變?cè)鰤浩鞯霓D(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓壓力的控制。 (3)排氣管?chē)娝?，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷時(shí)，向排氣管?chē)娙脒m量的水，通過(guò)冷卻水的汽化吸熱來(lái)降低排氣溫度，使增壓器轉(zhuǎn)速降低，降低增壓壓力。 (4)采用雙渦輪增壓器。 2）渦輪增壓器響應(yīng)滯后的對(duì)策 渦輪增壓汽油機(jī)在響應(yīng)滯后方面比柴油機(jī)更突出，原因是： (1)汽油機(jī)質(zhì)量較輕、體積較小 ,較輕的飛輪使汽油機(jī)速度比柴油機(jī)響應(yīng)更靈敏，而渦輪增壓器質(zhì)量大、慣性大，這增加了汽油機(jī)混合氣供給的延遲，造成了渦輪增壓器響應(yīng)的滯后，稱(chēng)為“慣性滯后”。 (2)汽油機(jī)從節(jié)氣門(mén)關(guān)閉的低怠速到節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的全速，其進(jìn)氣質(zhì)量流量范圍非常寬廣。節(jié)氣門(mén)突然打開(kāi)時(shí)，空氣流量應(yīng)能迅速地增加，渦輪增壓器不能立即提高轉(zhuǎn)速以提供足夠壓力容積(足夠質(zhì)量)的混合氣充滿(mǎn)進(jìn)氣管，造成“熱滯后”。消除渦輪增壓器響應(yīng)滯后的措施應(yīng)對(duì)渦輪增壓器的慣性、點(diǎn)火正時(shí)、增壓壓力控制系統(tǒng) ,進(jìn)排氣系統(tǒng)的長(zhǎng)度和直徑以及節(jié)氣門(mén)位置進(jìn)行良好匹配。如節(jié)氣門(mén)置于壓氣機(jī)之前的響應(yīng)能力與置于其后相比，可以防止當(dāng)車(chē)輛突然換檔發(fā)動(dòng)機(jī)被拖動(dòng)時(shí)壓氣機(jī)發(fā)生喘振；選擇較小的渦輪進(jìn)口截面，減少節(jié)氣門(mén)和進(jìn)氣門(mén)管道之間的容積，即減少進(jìn)氣系統(tǒng)容積，可以改善增壓器的響應(yīng)。 第4章 汽油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.1已知條件及要求指標(biāo) 標(biāo)定功率 標(biāo)定轉(zhuǎn)速n=3000r/min 缸徑D=0.081m 行程S=0.0864m 平均有效壓力1.5MPa 活塞平均速度Cm==8.64m/s 有效油耗率=0.30kg/（kW..h） 渦輪前排氣溫度T=820k 4.2汽油機(jī)熱力參數(shù)選擇 大氣壓力=0.101MPa 大氣溫度=303K 渦輪后背壓=0.105MPa 中冷器后空氣溫度=335K 氣缸充量系數(shù)=1.00 渦輪增壓器效率=0.55 4.3渦輪增壓器主要性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算 機(jī)械損失壓力0.206MPa 式中，D為氣缸直徑(m);為活塞平均速度(m/s);為平均有效壓力(MPa)。 由算得機(jī)械效率=0.88 指示油耗率0.26kg/（kW.h） 初選進(jìn)氣管中氣體壓力=0.25MPa 選擇燃燒過(guò)量空氣系數(shù)=0.8 =316.08 式中，為燃燒過(guò)量空氣系數(shù)；為指示油耗率；為活塞平均速度（m/s）；為氣缸直徑；S為活塞行程（m）；為汽油機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；汽油機(jī)進(jìn)氣管空氣壓力（MPa）；為汽油機(jī)進(jìn)氣管空氣溫度（K）。 熱量利用系數(shù)=0.73 總過(guò)量空氣系數(shù) =2.4 空氣流量==0.19kg/s 進(jìn)氣管內(nèi)壓力0.13MPa 這與前面的初選值相近，不再重算； 增壓器出口壓力0.133MPa 燃?xì)饬髁?.193kg/s 渦輪前排氣壓力 =0.19 式中，為排氣流量，和為大氣壓力與溫度；。 有效渦輪當(dāng)量通流面積 =743.5 第5章結(jié)論 論并使動(dòng)力性能得到較大的提高，對(duì)高原地區(qū)工作的適應(yīng)性、CO和 HC的排放、噪音等性能均能得到不同程度的改善。在本設(shè)計(jì)中，我分別對(duì)汽油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的組成及原理和組成汽油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。由于汽油機(jī)與柴油機(jī)發(fā)火機(jī)理不同、混合氣形成方式不同、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍不同等等，加裝廢氣渦輪增壓器具有一定的障礙，對(duì)此我進(jìn)行了分析和解決。將奧迪200汽油機(jī)由自然吸氣式改裝成渦輪增壓式，對(duì)加裝的增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了匹配計(jì)算，汽油機(jī)熱力參數(shù)選擇，渦輪增壓器主要性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算等。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)到了很多知識(shí)，鞏固了以前的專(zhuān)業(yè)知識(shí)及了解了一些新知識(shí)，收獲很大，感覺(jué)到知識(shí)的重要性，真正體會(huì)到了學(xué)無(wú)止境。 致 謝 在設(shè)計(jì)即將付梓之際，我要感謝很多人。我要感謝趙建新老師，雖然我不是您出色的學(xué)生，而您卻是我尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，平易近人的同時(shí)也不忘鞭策激勵(lì)懶散的我，為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。授人以魚(yú)不如授人以漁，您使我認(rèn)識(shí)到了一個(gè)人必須奮發(fā)努力，同時(shí)也教會(huì)了我怎么去做人，從設(shè)計(jì)題目的選定到最后的指導(dǎo)，經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥與鼓勵(lì)，方能有最終的成績(jī)。此外我要感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)支持過(guò)我和幫助過(guò)我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。真誠(chéng)地謝謝您們。 參考文獻(xiàn) 郭新華 汽車(chē)構(gòu)造 高等教育出版社 2004 陳鐵鳴 機(jī)械設(shè)計(jì) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2006 陸家祥 柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 1999 陸家祥 車(chē)用內(nèi)燃機(jī)增壓 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 顧宏中 渦輪增壓柴油機(jī)性能研究 上海交通大學(xué)出版社 1998 劉崢 王建晰 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理教程 清華大學(xué)出版社 2001 黃金陵主編 汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社2007 王連明 宋寶玉 課程設(shè)計(jì) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 HongZhong Yang. Turbine pressurized system research current situation and progress of the diesel engine. Diesel engine, 2001. 附錄1 車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展回顧、現(xiàn)狀及展望 引言 自渦輪增壓技術(shù)概念提出至今已有百年時(shí)間，在這百年的時(shí)間里，渦輪增壓技術(shù)經(jīng)歷了軸流式、徑流式、混流式及配置放氣閥、電機(jī)等自身的不斷改進(jìn),其在航天、航海及陸地機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。特別是車(chē)輛的廣泛應(yīng)用及當(dāng)前人們對(duì)車(chē)輛節(jié)能、功率和環(huán)保要求的不斷提高，為車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展和進(jìn)步提供了廣闊的空間和需求。 1.1回顧 早在 1905年，瑞士的 A lfred J. Buchi博士就對(duì)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)這一裝置申請(qǐng)了專(zhuān)利，并于 1909 ～1912年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了世界上第一臺(tái)廢氣驅(qū)動(dòng)的軸流式, 渦輪增壓器進(jìn)而于 1915年首先策劃了將渦輪增壓器應(yīng)用于柴油動(dòng)力機(jī)。但是,由于不能獲得足夠的壓縮空氣壓力，這一創(chuàng)新并沒(méi)有得到認(rèn)可和重視。渦輪增壓技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用最先在第一次世界大戰(zhàn)。007期間的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上取得了一定的成功。隨后在 20世紀(jì) 30～40年代的歐洲和美國(guó)，渦輪增壓技術(shù)進(jìn)入了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的階段。軸流式渦輪增壓器被大量應(yīng)用在航海、鐵路、電廠和航空領(lǐng)域。特別是在美國(guó)，通用公司為軍用飛機(jī)研制的渦輪增壓器，被數(shù)以萬(wàn)計(jì)地應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)上。當(dāng)時(shí)，渦輪增壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了許多新技術(shù)、新工藝的產(chǎn)生和發(fā)展，其中主要包括: 1)對(duì)材料耐熱性的研究和開(kāi)發(fā)； 2)對(duì)材料高溫精確鑄造技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)； 3)促使人們對(duì)徑流式渦輪增壓器的研發(fā)，并使之在小功率發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用。 20世紀(jì) 40年代末 50年代初蓋瑞特 (Garret)公司開(kāi)始從事 20～90PS (15 ～67kW)的小功率引擎的渦輪增壓器的研究，并取得了成功。蓋瑞特公司開(kāi)發(fā)出良好的渦輪增壓器殼體的鑄造技術(shù)、高速密封技術(shù)、徑流式渦輪和離心式壓縮機(jī)技術(shù)。1954 年蓋瑞特公司成立了空氣學(xué)工業(yè)研發(fā)部 (A ir - Research IndustrialD ivision)也就是后來(lái)的蓋瑞特引擎公司 (GarrettAuto2motive),專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)渦輪增壓器，這對(duì)于現(xiàn)代渦輪引擎的產(chǎn)生和發(fā)展具有劃時(shí)代意義。在這期間，小型渦輪增壓器首先在賽車(chē)上取得了驚人的成功，渦輪增壓器所提供的大功率、大扭矩滿(mǎn)足了人們當(dāng)時(shí)的需求。隨后小型渦輪增壓器大量應(yīng)用于大型拖拉機(jī)、載重卡車(chē)和小型汽車(chē)上。時(shí)至今日，幾乎所有的卡車(chē)都搭載了渦輪增壓器的引擎。在小型車(chē)領(lǐng)域， 20 世紀(jì) 70 年代是渦輪增壓器一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。保時(shí)捷 911(帶蓋瑞特廢氣門(mén)的KKK渦輪增壓器 )轎車(chē)于 1975年面世。1977 年紳寶99通過(guò)一個(gè)帶渦輪增壓器的 2. 1L 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)獲得了與無(wú)渦輪增壓的 3. 0L發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的性能，使更多的人認(rèn)識(shí)和接受了渦輪增壓技術(shù)。隨后的奔馳推出了300 Turbo diesel渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轎車(chē)，其能為駕車(chē)者提供最大的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性。別克公司接著宣布 1978年的別克君威和利蒙斯運(yùn)動(dòng)型雙門(mén)跑車(chē)配置渦輪引擎。在近 20年里，汽車(chē)生產(chǎn)廠家不斷開(kāi)發(fā)出具有渦輪增壓技術(shù)的小型轎車(chē)。在卡車(chē)領(lǐng)域，蓋瑞特 T04渦輪增壓器最早應(yīng)用在迪爾農(nóng)業(yè)機(jī)械上。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家逐漸認(rèn)識(shí)到渦輪增壓器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況、最大扭矩和燃油經(jīng)濟(jì)性提高的巨大貢獻(xiàn)， T04 型渦輪增壓器具有了更加廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì) 70年代卡車(chē)渦輪增壓時(shí)代正慢慢形成。今天，中、重型車(chē)輛已經(jīng)普遍選用柴油機(jī)作為動(dòng)力。在西歐，轎車(chē)選用柴油機(jī)的比例逐年上升，其中柴油機(jī)轎車(chē)市場(chǎng)占有率已達(dá) 30% ～50%?，F(xiàn)代柴油機(jī)已是高新技術(shù)產(chǎn)品的代表之一，現(xiàn)代柴油機(jī)具有節(jié)能、低污染的先天優(yōu)勢(shì)，能滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，這得益于普遍采用了渦輪增壓技術(shù)。通過(guò)采用渦輪增壓及渦輪增壓中冷技術(shù)可提高氣缸充量容積效率，提高空燃比，大大增加功率；如功率保持不變，可降低廢氣煙度、廢氣溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷。在內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷程中，渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用在提高內(nèi)燃機(jī)的比功率和燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放等方面發(fā)揮了重要的作用，被譽(yù)為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上的第二個(gè)里程碑。 2.1現(xiàn)狀 近 20年，隨著渦輪增壓技術(shù)的普及、深入， 有關(guān)渦輪增壓方面的新技術(shù)、新工藝、新材料、新理念開(kāi)始不斷涌現(xiàn)?？梢哉f(shuō)，正是由于各種排放、噪聲法規(guī)的大量出臺(tái)和人們對(duì)渦輪增壓技術(shù)的更高要求，特別是渦輪增壓技術(shù)對(duì)高原發(fā)動(dòng)機(jī)的功率補(bǔ)償，車(chē)用渦輪增壓技術(shù)迎來(lái)了發(fā)展的黃金時(shí)期。 2.1.1車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的特征 總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)今的車(chē)用渦輪增壓技術(shù)主要具有以下 5點(diǎn)特征: 1)小型化 在發(fā)動(dòng)機(jī)重量及體積增加很少的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要做重大改變，即很容易提高功率 20% ～50%。由于不像機(jī)械增壓時(shí)壓比受到限制，故近年來(lái)高增壓的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。高增壓時(shí)，功率提高甚至可大于100%。因此，采用渦輪增壓技術(shù)，可在功率保持不變的前提下，大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及車(chē)輛的小型化、輕量化和降低成本有巨大的吸引力。 2)節(jié)能 渦輪增壓器的原理是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)同軸的壓氣機(jī)工作，壓氣機(jī)對(duì)將進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣進(jìn)行壓縮，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓后耗油率可降低 5% ～10%。因此我們能用小功率的帶渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)代替大功率的自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。一臺(tái) 1. 65L排量的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等于一臺(tái) 3. 78L排量的非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。 3)環(huán)保 渦輪增壓器能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能，必將降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體和 CO2 的排放量。但增壓在汽油機(jī)和柴油機(jī)對(duì)排放的影響是有所區(qū)別的。對(duì)汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，由于過(guò)量空氣系數(shù)接近于 1,增壓對(duì)汽油機(jī)排放的影響局限于節(jié)能部分。柴油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)本來(lái)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超7 6 第 1期 張俊紅等 : 車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展回顧、現(xiàn)狀及展望過(guò),增壓使柴油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)一步提高，對(duì)排放產(chǎn)生了明顯的影響。若把自然吸氣柴油機(jī)改成同樣排量的增壓柴油機(jī)，因其空氣供應(yīng)充足，碳煙和 CO 的排放大幅度減少；由于燃燒充分，燃燒溫度升高，燃燒室的化學(xué)反應(yīng)更趨強(qiáng)烈， HC化合物的排放也會(huì)降低。但吸入氣缸的空氣量增加和燃燒室溫度升高，使平均有效 NOx 的排放量增加。因增壓柴油機(jī)能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，有時(shí)可放棄部分在燃油經(jīng)濟(jì)性的好處來(lái)?yè)Q取全面降低排放。同時(shí)，提高了充量溫度，縮短了滯燃期，降低了燃燒噪聲。這可使重型柴油機(jī) N0x 降低80%，微粒減少 90%，比油耗改善 16%。 4)高原功率補(bǔ)償 在高原條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸進(jìn)氣流量減少，降低了含氧量，使燃燒過(guò)程惡化，后燃現(xiàn)象加重，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，冒煙加重。為了更好地組織燃燒，提高氧的利用率，采用渦輪增壓技術(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，補(bǔ)償因進(jìn)氣不足而損失的功率。 5) 渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)多種匹配方式 為了最大限度地發(fā)揮渦輪增壓技術(shù)的潛力和不同目的的需求，人們研究出了多種渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配方案。有高工況放氣系統(tǒng)、低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)、可調(diào)渦輪噴嘴截面增壓系統(tǒng)、電動(dòng)放氣渦輪增壓系統(tǒng)、增壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和帶電機(jī)的渦輪增壓器。此外，還有超高增壓系統(tǒng) (HYPERBAR)、掃氣旁通系統(tǒng) (SCA2BY)及諧振復(fù)合增壓系統(tǒng)等，這些在中、小功率車(chē)用柴油機(jī)上應(yīng)用不多。 2.12改進(jìn) 　 車(chē)用渦輪增壓器零部件改進(jìn)與革新與此同時(shí)，渦輪增壓器的零部件也做了許多改進(jìn)，主要有: 1)薄鋼板渦輪殼體 滿(mǎn)足歐 Ⅲ及更嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)，都必須安裝催化轉(zhuǎn)化器。而催化轉(zhuǎn)化器的有效工作條件之一是必須達(dá)到一定的工作溫度。渦輪殼體一般為鑄件，質(zhì)量及熱慣性均較大。為了減少排氣系統(tǒng)的熱慣性，開(kāi)發(fā)了薄鋼板渦輪殼體，其質(zhì)量小，熱慣性也小，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后從排氣系統(tǒng)吸收的熱量較少，能夠較快地使催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到工作溫度，改善催化轉(zhuǎn)化器的凈化效果。 2)軸承支承方式改進(jìn) 渦輪增壓器支承轉(zhuǎn)子的軸承為兩個(gè)，若兩個(gè)軸承位于轉(zhuǎn)子兩個(gè)葉輪的外側(cè)稱(chēng)外支承式；若兩個(gè)軸承位于轉(zhuǎn)子兩個(gè)葉輪的內(nèi)側(cè)稱(chēng)內(nèi)支承式；若一個(gè)在內(nèi)側(cè)，另一個(gè)在外側(cè)則稱(chēng)內(nèi)外支承式。外支承式軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性好，維護(hù)管理方便，便于拆裝，軸承距離較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)子受高溫氣體的影響較小，便于布置與安裝軸封裝置，軸承直徑小，軸頸線(xiàn)速度低，摩擦損失小，軸承的壽命長(zhǎng)，因此過(guò)去大多數(shù)增壓器采用這種方式。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，跨距大，增壓器轉(zhuǎn)子粗重，壓氣機(jī)等不便于軸向進(jìn)氣。而內(nèi)支承式軸承軸向尺寸小，軸承距離短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易采用非冷卻式殼體及軸向進(jìn)氣，便于清洗流道，但回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差，若采用滾動(dòng)軸承，軸承直徑大，軸頸線(xiàn)速度高，軸承易損壞，拆裝不方便。近年來(lái)，各大渦輪增壓器廠家逐漸采用內(nèi)置式軸承支撐方式，在實(shí)際應(yīng)用上取得了良好的效果。 3)軸承系統(tǒng)性能的提高 在小型車(chē)用渦輪增壓器上采用滾動(dòng)軸承代替滑動(dòng)軸承，其機(jī)械效率可達(dá) 95%以上，增壓器總效率可提高 5% ～7%，在小流量時(shí)甚至可提高 20%，這可大大改善車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的低速工況性能；另外由于軸承中摩擦小，使得增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)非常靈活，可