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汽油机废气涡轮增压器设计[3张CAD图纸和文档资料]

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摘要

　　　目前，废气涡轮增压技术已经成为提高发动机输出功率、扭矩以及降低油耗的主要方法之一。尤其对于小排量汽油发动机，采用涡轮增压技术更是得到了国内外的广泛关注。在本文中介绍了汽油机废气涡轮增压系统的组成及原理，并对组成汽油机废气涡轮增压系统的各个部件进行设计与计算。加装废气涡轮增压器的障碍及对策。将奥迪200汽油机由自然吸气式改装成涡轮增压式，对增压器和发动机进行了匹配计算。

关键词：废气涡轮增压；汽油机；障碍；对策

Abstract

　　 At present, the pressurized technology of the waste gas turbine has already become and improved one of the engine output power, torsion and main method to reduce oil consumption. Especially to the gasoline engine of small displacement, adopt the pressurized technology of the turbine to get the extensive concern both at home and abroad especially.

　　 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

第1章绪论 1

1.1汽油机增压国外发展状况 1

1.2影响发动机功率的因素 2

1.3汽油机增压可带来以下几方面的收益： 3

1.4自然吸气与增压机型发动机性能参数比较： 3

第2章汽油机废气涡轮增压系统的组成 4

2.1涡轮增压器 4

2.2中冷器 8

2.3进气压力调节阀 9

2.4进气管 11

2.5排气管 12

2.6发动机 12

2.7汽油机废气涡轮增压系统的原理 12

第3章加涡轮增压器的障碍及解决措施 15

3.1车用汽油机采用废气涡轮增压的特点 15

3.2汽油机增压主要障碍 16

3.3汽油机涡轮增压的对策 16

第4章汽油机废气涡轮增压系统的设计与计算 20

4.1已知条件及要求指标 20

4.2汽油机热力参数选择 20

4.3涡轮增压器主要性能参数及结构参数计算 20

第5章结论 23

参考文献 25

附录1 26

第1章绪论

1.1汽油机增压国外发展状况

早在20年代赛车就开始采用机械增压，后来逐渐过渡到涡轮增压，从1968年以来几乎所有的赛车都安装了涡轮增压器。70年代以来，世界上许多大公司和研究机构开展了车用汽油机增压的研究工作，使汽油机增压技术不仅仅局限于赛车和高原功率的恢复等特殊领域。特别是随着排放法规日益严格，为满足排放的要求，不得不在性能上做出妥协，使得发动机的功率下降。如采用废气再循环(EGR)技术、三元催化装置后，满足了排放法规的要求，但发动机的功率会下降20%左右，而采用涡轮增压可以弥补这一损失。采用EGR和三元催化并增压的发动机和相同功率的非增压发动机相比，增压汽油机的排放得到了改善。自80年代中期以来，国外汽油机增压技术发展迅猛，随着中冷器技术、多气门技术、复合增压技术、稀薄燃烧技术、可变气门正时技术的发展、电子控制技术和增压技术在发动机上共同的应用，使汽油机正日益获得新生。如日本三菱公司采用缸内直喷稀薄燃烧技术、汽油机的增压技术和复合动力系统将汽油发动机改进为低压缩高膨胀循环，使汽油机的热效率大大提高，尾气排放也大大降低，达到部分零排放的要求。增压技术首先在柴油机领域得到发展，目前工业发达国家大、中功率柴油机己全部采用增压技术，中小型车用柴油机增压也达70%。汽油机增压的发展相对较晚，技术水平也落后于柴油机，七十年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，并得到了迅速的发展和完善

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内容简介：: I 摘要目前，废气涡轮增压技术已经成为提高发动机输出功率、扭矩以及降低油耗的主要方法之一。尤其对于小排量汽油发动机，采用涡轮增压技术更是得到了国内外的广泛关注。在本文中介绍了汽油机废气涡轮增压系统的组成及原理，并对组成汽油机废气涡轮增压系统的各个部件进行设计与计算。加装废气涡轮增压器的障碍及对策。将奥迪200汽油机由自然吸气式改装成涡轮增压式，对增压器和发动机进行了匹配计算。关键词：关键词：废气涡轮增压；汽油机；障碍；对策 II Abstract At present, the pressurized technology of the waste gas turbine has already become and improved one of the engine output power, torsion and main method to reduce oil consumption. Especially to the gasoline engine of small displacement, adopt the pressurized technology of the turbine to get the extensive concern both at home and abroad especially. 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 III 目目录录第第 1 章章绪绪论论.1 1.1汽油机增压国外发展状况1 1.2 影响发动机功率的因素 2 1.3 汽油机增压可带来以下几方面的收益： 3 1.4 自然吸气与增压机型发动机性能参数比较： 3 第第 2 章章汽油机废气涡轮增压系统的组成汽油机废气涡轮增压系统的组成.4 2.1 涡轮增压器 4 2.2 中冷器 8 2.3 进气压力调节阀 9 2.4 进气管 11 2.5 排气管 12 2.6 发动机 12 2.7 汽油机废气涡轮增压系统的原理 12 第第 3 章章加涡轮增压器的障碍及解决措施加涡轮增压器的障碍及解决措施.15 3.1 车用汽油机采用废气涡轮增压的特点 .15 3.2 汽油机增压主要障碍 16 3.3 汽油机涡轮增压的对策 16 第第 4 章章汽油机废气涡轮增压系统的设计与计算汽油机废气涡轮增压系统的设计与计算.20 4.1 已知条件及要求指标 20 4.2 汽油机热力参数选择 20 4.3 涡轮增压器主要性能参数及结构参数计算 20 第第 5 章结论章结论.23 参考文献参考文献.25 附录附录 126 1 第 1 章绪论 1.1 汽油机增压国外发展状况早在 20 年代赛车就开始采用机械增压，后来逐渐过渡到涡轮增压，从 1968 年以来几乎所有的赛车都安装了涡轮增压器。70 年代以来，世界上许多大公司和研究机构开展了车用汽油机增压的研究工作，使汽油机增压技术不仅仅局限于赛车和高原功率的恢复等特殊领域。特别是随着排放法规日益严格，为满足排放的要求，不得不在性能上做出妥协，使得发动机的功率下降。如采用废气再循环(EGR)技术、三元催化装置后，满足了排放法规的要求，但发动机的功率会下降 20%左右，而采用涡轮增压可以弥补这一损失。采用 EGR 和三元催化并增压的发动机和相同功率的非增压发动机相比，增压汽油机的排放得到了改善。自 80 年代中期以来，国外汽油机增压技术发展迅猛，随着中冷器技术、多气门技术、复合增压技术、稀薄燃烧技术、可变气门正时技术的发展、电子控制技术和增压技术在发动机上共同的应用，使汽油机正日益获得新生。如日本三菱公司采用缸内直喷稀薄燃烧技术、汽油机的增压技术和复合动力系统将汽油发动机改进为低压缩高膨胀循环，使汽油机的热效率大大提高，尾气排放也大大降低，达到部分零排放的要求。增压技术首先在柴油机领域得到发展，目前工业发达国家大、中功率柴油机己全部采用增压技术，中小型车用柴油机增压也达 70%。汽油机增压的发展相对较晚，技术水平也落后于柴油机，七十年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，并得到了迅速的发展和完善，1990 年美国生产的汽油机已有 1/4 采用了增压技术，1992 年国际市场上出售的汽油机有 15%采用增压技术。目前国外的汽油机增压正处于完善和推广应用阶段，内燃机增压的先进技术主要集中于美国，德国和日本。目前我国大中型柴油机多数都已采用增压技术，小功率柴油机及运输式车用汽油机也采用了涡轮增压技术，而轿车汽油机涡轮增压技术还比较落后，国产高档轿车中采用这一技术的几乎清一色地是合资品牌，如奥迪、帕萨特、宝来的 1.8T 发动机等。近年来，这一技术国产品牌的轿车也有所突破，华晨汽车联手世界三大权威内燃机研发机构之一一一德国 FEV 发动机公司历时三年，已经成功研制了华晨 1.8T 系列发动机，并于 2006 年 6 月 26 日在沈阳正式批量生产，它的最大功率为 125kw/5500(r/min)，在转速 2000 一 5000r/min 的范围内保持发动机的最大扭矩 235Nm，发动机最低油耗率小于 245g/kwh，功率接近 70kW，各项动力、经济性指标良好。 2 1.2 影响发动机功率的因素影响发动机功率大小的因素有很多，具体可由下式表示：（11） bmitcuse n l HiVP 111 0 式中一一有效功率； e p 一一气缸数；i 一一气缸工作容积； s v 一一燃料低热值； u H 一一燃烧 Ikg 燃料所需的理论空气量； 0 l 一一冲程数，四冲程=4，二冲程=2；一一冲量系数； c 一一指示热效率； it 一一过量空气系数；一一机械效率； m 一一发动机转速；n 一一发动机进气管的空气密度。 b 由式（11）可知，在发动机排量不变的前提下，通常可以采取以下三个方面的措施来提高发动机的功率： (l) 增加单位时间内的工作循环数。提高发动机转速或采用二冲程工作过程都可以增加单位时间内的工作循环数。但过高的转速不仅给改善工作过程带来困难，增加摩擦损失，而且运动件由此产生较大的惯性力，使发动机的工作可靠性、使用寿命受到影响。采用二冲程则因降低换气质量而影响热效率的提高。 (2) 提高机械效率。通过减少摩擦副的摩擦损失，降低水泵、油泵等附属机械的消耗功率，改善润滑、冷却等措施可以提高发动机的机械效率，但其效果有限。 (3)提高平均有效压力。可以采取提高冲量系数，改善燃烧过程中优化空燃比等方法来提高平均有效压力。 3 1.3 汽油机增压可带来以下几方面的收益： (1)使发动机尺寸更加紧凑，比功率增加，比重量降低，从而减小其尺寸及重量，尤其是对小排量车用发动机功率的提高具有决定性的意义。 (2)可提高发动机的动力性能及燃油经济性，提高总体效率，节约能源消耗。 (3)可一定程度上降低排气噪声，减少废气中有害成份的含量。 (4)与电子控制技术相结合，可全面提高发动机性能并改善汽车驾驶性。 1.4 自然吸气与增压机型发动机性能参数比较：转速 r/min压缩比 Pme/ kPa PL/ kW/L me/ Kg/kW be/ g/（kW. ） vm/ m/s 自然吸气 4500 - 7500 8 - 12 800- 1100 35-653 - 1350-2509 -16 增压机型 5000 - 7000 7 - 9 1100- 1500 50-1003 - 1380-2809 -16 4 第 2 章汽油机废气涡轮增压系统的组成汽油机废气涡轮增压系统是由涡轮增压器、中冷器、进气管、排气管、发动机、增压限制电磁阀等组成。 2.1 涡轮增压器涡轮增压器主要由涡轮和压气机组成。压气机有轴流式和离心式之分。由于离心式压气机结构紧凑、质量轻以及在较宽的流量范围内能保持较好的效率，且对于小尺寸压气机，效率优于轴流式。因此涡轮增压器都采用离心式压气机，其结构如图 11 所示。图 11 1-涡轮蜗壳 2-中间体 3-浮动轴承 4-涡轮叶轮 5-隔热板 6-压气机蜗壳 7-压气机叶轮 8-进气道 9-扩压器 2.1.1 离心式压气机结构离心式压气机结构如图 11 所示，由进气道、叶轮、扩压器和压气机 5 蜗壳等部件组成。 1、进气道进气道的作用是将外界空气导向压气机叶轮。为降低流动损失，其通道为减缩形。进气道可分为轴向进气道和径向进气道两种基本形式。轴向进气道是气流沿转子轴向不转弯进入压气机，其结构简单流动损失小。中、小形涡轮增压器多采用这种结构。径向进气道的气流开始是沿径向进入进气道，然后转为轴向进入压气机叶轮，其流动损失较大。一般仅在轴承外置的大型涡轮增压器或空气滤清器等装置的空间布置受限时，才采用这种形式。 2、压气机叶轮压气机叶轮是压气机中唯一对空气做功的部件，它将涡轮提供的机械能转变为压力能和动能。压气机叶轮分为导风轮和工作叶轮两部分，中、小型涡轮增压器两者装配在一起。导风轮是叶轮入口的轴向部分，叶轮入口向旋转方向前倾，直径越大处前倾越多，其作用是使气流以尽量小撞击进入叶轮。压气机叶轮按叶片的长短可分为全长叶片叶轮和长短叶片叶轮。全长叶片叶轮进口流动损失小，效率高，但对于小直径叶轮，进口处气流阻塞较为严重。因此，小型涡轮增压器中采用长短叶片叶轮。 3、扩压器扩压器的作用是将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。按扩压器中有无叶片可分为无叶扩压器和叶片扩压器。无叶扩压器是一环形通道。气流在扩压器中近似沿对数螺旋线的轨迹流动，即气流流动迹线在任意直径处与切向的夹角基本不变。由于这一特点，气流的流动路线长，流动损失大，效率低，扩压器出口流动面积小，扩压能力低，在同样的扩压能力下，扩压器出口直径较大。但无叶扩压器流量范围宽，结构简单，制造方便，在经常处于变工况运行的小型涡轮增压器上得到广泛应用。叶片扩压器是在环形通道上加若干导向叶片，使气流沿叶片通道流动。由于气流流动路线短，流动损失小，故效率高。当流量偏离设计工况，叶片入口气流角不等于叶片构造角时，将产生撞击损失，使效率急剧下降。在汽油机上所以采用无叶扩压器。 4、压气机蜗壳压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的空气，将其引导到发动机进气管。由于扩压器出来的空气仍有较大的速度，在蜗壳中还将进一步把动能转化为压力能，因此，压气机蜗壳也有一定的扩压作用。压气机蜗壳按流道沿圆周变化与否，可分为变截面蜗壳和等截面蜗壳。变截面蜗壳的截面面积沿周向越接近出口越大，符合越接近出口收集的空气越多这一规律。因此，流 6 动损失小，效率较高。变截面蜗壳的最大优点是外形尺寸小，对涡轮增压器尺寸的小型化非常有利，因而北广泛应用。等截面蜗壳的流道截面沿周向是不变的，截面积按压气机的最大流量确定。其流动损失大，效率低，故用的较少。 2.1.2 离心式压气机的工作原理空气流经压气机通道时，压力 P、速度 C 和温度 T 的变化趋势如图 2 1 所示。在进气道入口，空气从环境状态进入，压力、速度、温度分别为 Pa、Ca、Ta。由于进气道是渐缩形通道，少部分压力能转化为动能。因此，在进气道中，空气的压力略有降低，速度略有升高。由于压力降低，温度随之降低。在进气道出口，亦即叶轮入口，空气的压力、速度、温度分别为 P1、C1、T1。在压气机叶轮中，叶轮对空气做了功，使空气的压力、温度和速度都升高。在叶轮出口，亦即扩压器出口，空气的压力、速度、温度分别为 P2、C2、T2。在扩压器中，由于扩压器流通面积渐扩，使气体的部分动能转化为压力能。因此，空气的速度降低，压力升高，温度亦随压力而升高。在扩压器出口，亦即蜗壳的入口，空气的压力、速度、温度分别为 P3、C3、T3。在压气机蜗壳中，仍有部分动能进一步转化为压力能，使空气的速度进一步降低，压力和温度升高。在蜗壳出口，亦即整个压气机出口，空气的压力、速度、温度分别为 Pb、Cb、Tb。在压气机的通道中，只有叶轮是唯一对空气做功的元件，其他部位都不对空气做功，而只进行动能和压力能之间的相互转化。 7 Tb T3 T2 Ta T1 C2 C3 Cb Ca C1 P3 Pb Pa P2 P1 压气机压气机进气道叶轮扩压器蜗壳压气机通道中气体状态的变化图 21 2.1.3 涡轮的结构涡轮增压器中涡轮的工作过程与压气机相反，它是把发动机排出的废气的能量转化为机械功来驱动压气机叶轮的一种原动机。涡轮增压器的性能，在很大程度上取决于涡轮的性能。涡轮可分为径流式涡轮、轴流式涡轮和混流式涡轮。由于径流式涡轮结构紧凑、质量轻、体积小，在小流量范围内涡轮效率较高，且叶轮强度好，能承受很高的转速，在中、小型涡轮增压器上广泛应用。涡轮是由进气壳、喷嘴环、工作叶轮和排气壳等部件组成。进气壳的作用，是把发动机排出的具有一定能量的废气，以尽量小的流动损失和尽量均匀的分布引导到涡轮喷嘴环的入口。喷嘴环又称导向器，流通截面程渐缩形，其作用是使具有一定压力和温度的燃气膨胀加速并按规定的方向进入叶轮。工作叶轮是唯一承受气体做功的元件，它与压气机叶轮同轴，把气体的动能转化为机械功向压气机输出。排气壳收集叶轮排出的废气并送入大气。为了降低叶轮的背压，使气体在叶轮中充分膨胀做功，排气壳是一个间扩型管道。 2.1.4 径流式涡轮的工作原理在涡轮蜗壳的入口即发动机排气管出口，气体具有较高的压力、温度和 8 一定的速度。由于进气壳有一定的膨胀、加速作用，而在喷嘴中又有相当多的压力能转化为动能，因此在蜗壳和喷嘴中，气体的压力和温度降低，速度迅速升高，到喷嘴出口时，气体的速度达到最高。在叶轮中，气体的动能转化为机械功，使速度大幅度降低。由于气体的膨胀已在喷嘴中基本完成，因而在叶轮中压力和温度降低很少。从叶轮出来的气体通过排气壳后排入大气。 2.2中冷器涡轮增压器吸进的空气经压缩温度会增高，空气在流动过程中与进气管壁摩擦还会进一步升温，这样不仅影响充气效率，还容易产生爆燃。因此要装置降低进气温度的设备，这就是中间冷却器。它安装在涡轮增压器出口与进气管之间，对进入气缸的空气进行冷却。中间冷却器就象散热器，用风冷却或者水冷却，空气的热量通过它而逸散到大气中去。据测试，性能良好的中间冷却器不但可以使发动机压缩比能保持一定比值而不会产生爆燃，同时降低了温度也可提高进气压力，进一步提高发动机的有效功率。 2.2.1 中冷器的冷却方式目前采用的中冷器都属错流外冷间壁式冷却方法，根据冷却介质的不同，有水冷式和风冷式两大类。采用增压中冷可以通过采用最佳供油定时 ,提高发动机的有效功率 ,减少尾气中的 NOx 排放 ,冷却高温机件 ,并可以延长零部件的使用寿命。目前采用的中冷系统有以下几种 : (1)用发动机冷却水冷却的水冷却器系统； (2)与发动机冷却水分开的水循环冷却系统 ,使汽油机在高速高负荷工况下能得到较好的经济性和功率输出 ,并降低其热负荷； (3)冷却器和散热器共用同一个风扇的空空中冷系统； (4)由自由涡轮带动风扇冷却器的分隔式空空中冷系统。由于第三种结构简单、效率较好，所以普遍采用第三种。 2.2.2 水冷式中冷器水冷式中冷器的结构目前普遍使用的水冷式中冷器采用管片式结构。管片式中冷器是在许多的水管上套上一层层的散热片，经锡焊接或堆锡焊焊接在一起。冷却水管和散热片采用紫铜或黄铜制造。中冷器冷却元件的结构参数对中冷器性能影响很大。由于水侧的对流换热系数通常是气侧的对流换热系数的 10 倍以上。无论水侧还是气侧，流通面积越小，则流速越大，对流 9 换热系数越大，但流动阻力损失也越大。椭圆水管中冷器冷却元件结构参数为：水管断面尺寸：2a 2b=17mm 5mm 管壁后取 0.5mm 管束横向间距：S1=15m 管排纵向间距：S2=23mm 散热片厚度： d=0.10-0.15mm 散热片间距： h=2-2.7mm 2.3进气压力调节阀此阀是由排气管排出的废气经传感器，再由 ECU 检测到废气压力很高时，增压压力限制电磁阀使经压气机流向中冷器的空气管与连接进气压力调节阀的空气管相通，此时阀门打开，废气旁通经涡轮增压的空气减少。反之，增加。构成此阀的主要部件是弹簧，所以仅对弹簧进行设计。弹簧是一种应用很广的弹性零件，它具有易变形、弹性大等特性。在机器中的主要公用如下：（1)缓和冲击和吸收振动。这类弹簧具有较大的弹性变形能力，可吸收振动和冲击能量。（2）控制机构的运动。这类弹簧要求在某一定变形范围内的刚度变化不大。（3）储存能量。这种弹簧既要求有较大的弹性，又要求作用力较稳定。（4）测量力的大小。这类弹簧要求其受力与变形呈线性关系。 2.3.1 弹簧的应力根据弹簧的重要程度和载荷性质，弹簧可分为三类：类用于承受载荷循环次数在次以上的变载荷弹簧； 6 10 类用于承受载荷玄幻次数在次之间的变载荷或承受动载荷的 3 10 6 10 弹簧和承受静载荷的重要弹簧；类用于承受载荷玄幻次数在次一下的变载荷弹簧和承受静载荷的一 3 10 般弹簧。 2.3.2 进气压力调节阀的设计与计算已知预调压力 F1=384N、压缩量=12mm、h=2mm 弹簧中径 D=25mm 1 解： 10 （1）选择材料并确定许用应力。阀用弹簧载荷次数多，要求工作可靠，动作灵敏，故可按类弹簧设计。选用组碳素弹簧钢丝。因 d=当 C=5-8 时 d=5-3.125 可估取钢丝直径 d=4mm l D 由表査取=1600MPa b 再根据表知类弹簧/MPa=0.3=0.3 1600=480 G=80000MPa b 根据强度条件确定钢丝直径，因 C=6.26 d D 4 25 由式得 K=+=1.24 44 14 C C C 615 . 0 F2/N=F1=F1=384=448 1 2 1 1 h 12 212 d，/mm1.6=1.6=4.22 CkF2 480 644824 . 1 取标准钢丝直径 d=4mm 与原估取值一致故可用根据变形条件确定工作圈数。由式知 n=5.79 2 3 8 FC Gd 3 64808 48000 14 取 n=6 圈由式知，此时弹簧的刚度为 04.37 68 480000 8 )./( 633 1 nC Gd mmNKF 实际最大工作载荷 F2为 56.5181401.37)(/ 12 hKNF F 48.44412 4 . 370/ 11 F KNF （2）计算弹簧的极限变形量，并验算极限切应力。由 F20.8Flim则取 lim2 8 . 0 5 . 17 8 . 0 14 8 . 08 . 0 12 lim h 同理取由式计算极限切应力 2 . 648 8 . 0 56.518 / 8 . 0lim 2 F NF 11 9 . 799 414. 3 252 .6488 24 . 1 / 3 8 lim 3 lim d DF KMPa 对 1 类弹簧 67. 1 lim 1.67满足要求 lim 8 . 133 （3）计算弹簧其它尺寸外径 D2/mm=D+d=27 内径 D1/mm=D-d=21 支撑圈数 n2/圈=2 总圈数 n1/圈=n+n2=7 弹簧间隙 5 . 3/ lim n mm 取4/mm 节距 P/mm=d+=7 自有高度 H0/mm（n1-0.5）d=26 总变形量 lim0 20/ bb HHmm 弹簧螺旋升角 o d P art09 . 5 tan 在 5o-9o之间故合适钢丝展开长度 L/mm=05.555 cos 1 dn （4）验算稳定性高径比 b=3 . 584 . 1 0 D H 故不需进行稳定性计算 2.4 进气管为了改善扫气效果，进气管压力应力求稳定，其容积较大，直列发动机可按下列比值来确定进气管截面积， 0 . 18 . 0 D f F f 式中进气管截面积 f f 活塞面积 D F 对增压汽油机的进气管设计必须充分考虑排气热量对进行冲量的影响。因为增压汽油机不同于非增压汽油机，经过增压器压缩后的可燃混合气温度较高，不必象非增压那样，为改善起动性能而用排气预热进行充量。增压的 12 正好相反，应避免排气热量对进气充量的温度影响，以确保足够的进气充量。因此，在结构布置上，进气管置于排气歧管下面为宜。有条件时应与排气歧管分别置于汽缸两侧。当然，在严寒地区，冬季冷起动和小负荷时混合气均布问题应适当考虑。 2.5 排气管对脉冲增压的排气管，为充分利用脉冲能量每个排气歧管的容积与 P V 一个气缸的工作容积的比应在 1.3-1.5 之间即 s V 5 . 13 . 1 s P V V 也可根据下面的经验公式来确定排气歧管的截面积 4 . 19 . 0 max ve P f f 式中，为排气歧管通流面积；为排气门最大开启面积。或者按下面 P f maxve f 的经验公式来确定排气歧管的直径 40 . 0 33 . 0 D dr 式中，为排气歧管直径；为气缸直径。 r d d 2.6 发动机本设计采用的发动机为奥迪 200 发动机主要技术参数为缸径/mm81 行程/mm86.4 排量/L1.8 最大功率/（kW/（r/min））90/5700 最大扭矩/（N.m/（r/min)190/1750-4600 2.7 汽油机废气涡轮增压系统的原理 13 图 27 1-涡轮增压器 2-排气管 3-进气压力调节阀 4-进气管 5-电磁阀 6-增压压力限制电磁阀 7-空气滤清器 8-发动机 9-进气压力传感器 10-中冷器基本原理：从排气管排出废气温度和压力都比较高，经排气管进入涡轮壳里到达喷嘴环。由于喷嘴环的通过面积是逐渐收缩的，因而废气的压力和温度下降，速度被提高，使其动能增加。这股高速废气流，按一定的方向冲击涡轮，使其高速旋转。废弃的温度、压力和速度越高、涡轮转的就越快，通过涡轮的废气最后排入大气。因涡轮和离心式压气机叶轮故装在同一转子轴，所以两者同步旋转。这样就将压气机从空气滤清器进来的气经滤清后，进入涡轮增压器的压气机部分，高速旋转的叶轮把空气甩向叶轮的外缘，使其速度和压力增加，并进入扩压器。扩压器的形状做成进口小出口大，因此气流的流速下降、压力升高，这些压缩的空气经进气管进入气缸。经压气机增压后的空气，温度和压力都有所升高。从低负荷转向高负荷时，气缸内需要更多的空气与，此时，温度和压力都不能迅速达到所需要的值，通过进气压力传感器测得的信号传给 ECU，使电磁阀打开，经压气机压缩的部分空气再经压气机压缩，使其温度和压力迅速升高。从高负荷转向低负荷时，汽缸内需要较少的空气，同时，需要压气机的 14 转速下降，也就是涡轮的转速下降，那么就需要使排气管排出的废气较少的经过涡轮，通过进气压力传感器测得的信号传给 ECU，使增压压力限制电磁阀打开，从而使进气压力调节阀打开，部份废气便经旁通到排气消声器。 15 第 3 章加涡轮增压器的障碍及解决措施 3.1 车用汽油机采用废气涡轮增压的特点汽油机增压后动力性能得到较大的提高，对高原地区工作的适应性、CO 和 HC 的排放、噪音等性能均能得到不同程度的改善。与柴油机采用废气涡轮增压相比,汽油机采用废气涡轮增压的特点是: 3.1.1 发火机理不同柴油机为压缩自燃发火，在压缩过程中被压缩的是纯空气，压缩终点不会发生爆燃，汽油机在压缩过程中被压缩的是油气混合物，压缩终了温度过高就会产生爆燃，这给汽油提高增压比 k 带来了严格的限制。 3.1.2 混合气形成方式不同柴油机混合气形成是通过剧烈的空气搅动和高喷射率的喷油泵在压缩上止点附近很短的时间内完成的，且边喷油、边混合、边燃烧；汽油机混合气的形成是依靠化油器喉管所造成的真空吸力和汽油的蒸发、扩散、雾化作用混合(化油器式燃油供给系统) 或电磁式喷油器在进气过程喷油并与空气在整个进气过程中混合完成(汽油喷射式燃油供给系统)的。 3.1.3 压缩比和过量空气系数范围不同汽油机压缩比 10 ,过量空气系数= 0.851.15 ，如果及 a 超出这些范围。汽油机的工作会不正常，如起动困难、怠速不稳、中速经 a 济性差、加速不良等。在汽油机增压后的变工况情况下，要控制和范围就必须精心地调整燃油供给系统的供油特性曲线,进行增压器与汽油机的良好匹配。 3.1.4 扫气不同进入汽油机气缸的是油气混合物，不能象柴油机那样可以通过增大气门叠开角 m (m =+,进气提前角;排气延迟角) 来尽可能地扫除气缸内残余的废气。因而汽油机不能组织合理的扫气，与柴油机相比会使缸内废气量增加，同时也不利于高温机件(如活塞顶部、气门、气缸)热负荷的降低。 16 3.1.5 发动机转速范围不同汽油机转速范围较宽，一般为 8006000 r/ min ;而柴油机的转速范围在为 8004000 r/ min 之间，给增压器性能及增压器与汽油机的匹配带来了新的要求。 3.2 汽油机增压主要障碍 3.2.1 汽油机增压易发生爆燃增压使压缩终了混合气的温度、压力趋于升高，致使爆燃的倾向增大。汽油机由于受爆燃限制，压缩比较低,因而造成膨胀不充分，致使排气温度较高，热效率下降。 3.2.2 汽油机增压热负荷大汽油机混合气的浓度范围窄(过量空气系数=0.851.15)，燃烧时的过量空气少，造成单位数量混合气的发热量大；同时，汽油机又不能通过提高气门重叠角 m 加大扫气来冷却受热零件(如气门、燃烧室等)，造成汽油机在增压后的热负荷偏高。汽油机增压后热负荷大又促使爆燃倾向的发生。 3.2.3 汽油机与增压器匹配困难与柴油机相比，汽油机的转速范围宽，从低速到高速混合气质量流量变化大。当节气门突然开大时，增压器响应滞后造成动力响应的滞后；汽油机增压后发动机排气温度高，易造成增压器损坏，并出现低速时增压力不足，高速时增压压力过高及寿命降低的情况。 3.3 汽油机涡轮增压的对策 3.3.1 汽油机增压爆燃的解决措施要解决汽油机增压存在的障碍，首先要在不能影响汽油机的其它性能的条件下防止爆燃和控制增压压力。引起汽油机爆燃的原因是由于压缩终了温度 Ta 过高，末端混合气受已燃混合气的加热和辐射，自身温度、压力升高 ,在火焰前锋到达前达到自身燃点而发生自燃现象。因而一切能够降低压缩终了温度 Ta 的方法均可以达到限制爆燃的目的。其具体措施有 : 1)降低压缩比降低压缩比可以降低压缩终了混合气的温度 Ta ,控制爆燃的发生， 17 这是增压后解决爆燃的常用方法。但是，降低压缩比会使膨胀功减，废气余量增加，排气温度相对升高，热效率下降的问题可以通过废气的能量在涡轮中得到回收利用来补充。对于增压汽油机适当降低压缩比，并利用爆燃传感器来监测发动机的爆燃情况，由 ECU 适时地根据爆燃强度推迟点火定时，可以使燃烧最高压力相对降低，使发动机的机械负荷不致过高。 max P 2)增压中冷增压后增压器出口温度 (进入气缸的进气温度)与自然吸式进气温度 k T (接近大气温度) 相比要高很多。增压中冷就是在增压器出口与进气管之间加装中间冷却器，对进入气缸的空气进行冷却。通过增压中冷可以有效地降低压气机后气体的温度，提高气体密度，增加混合气的浓度。采用增压中冷可以通过采用最佳供油定时，提高发动机的有效功率，减少尾气中的 NOx 排放，冷却高温机件，并可以延长零部件的使用寿命。目前采用的中冷系统有以下几种： (1)用发动机冷却水冷却的水冷却器系统； (2)与发动机冷却水分开的水循环冷却系统，使汽油机在高速高负荷工况下能得到较好的经济性和功率输出，并降低其热负荷； (3)冷却器和散热器共用同一个风扇的空-空中冷系统； (4)由自由涡轮带动风扇冷却器的分隔式空-空中冷系统。上述 4 种冷却方案中，第 1 种方案最简单 ,但效率也低；第 2 种方案最先进 ;方案 4 的最大优点是中冷器布置的灵活性,特别是对于原机改进增压设计比方便。 3)其他措施如改善燃烧室结构,缩短火焰行程的距离，使火焰前锋到达末端混合气的时间变短;燃用高辛烷值的汽油，提高发动机抗爆性；减小点火提前角；采用双火花塞提高点火能量等，这些措施均可以在一定程度上降低汽油机增压后发生爆燃的可能性。目前，有效的措施是采用爆燃传感器反馈控制的电子控制汽油喷射系统来自动控制发动机的点火正时，实现点火正时的最优化，有效地防止爆燃。 3.3.2 汽油机增压热负荷高的对策汽油机增压后温度要比自然吸式的高出几十度甚至上百度，这就使得发动机热负荷增加，使爆燃倾向增加；使进气密度下降，每循环进气量减少，造成发动机功率下降；同时，增压热负荷高，要求提高增压器涡轮材料性能，即具有耐高温性，并且热膨胀系数要小。现在解决热负荷高的办法有 : (1)涡轮转子和压气机采用耐热材料。涡轮转子的陶瓷化材料具有良好的高温强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数和低密度(约等于钢铁的 1/ 2) 等 18 特点，可以有效地提高热效率，降低能耗。目前，应用陶瓷材料代替 Ni 基耐热合金制造涡轮增压器的转子，利用碳纤维强化树脂 PKU 制造压气机叶纶，以代替以往使用的铝合金材料，它具有良好的耐蠕变性、耐腐蚀性、耐磨损性和热伸缩性小 (- 65105 之间无伸缩) 等特点，适合于压气机叶轮的使用环境，并且取得了良好的效果。 (2)安装中冷装置可以降低压气机出口温度，并可减少 NOx 排放。 (3)采用汽油直接喷射(缸内喷射)技术(如三菱公司生产的 GDI 发动机) 可以提高气门叠开角 m，利用新鲜气体对高温机件进行吹洗冷却，降低发动机的热负荷。汽油机爆燃和热负荷问题彼此之间相互联系，又相互影响，最常用最可靠的措施是安装中冷器。安装中冷器，既可以降低涡轮增压器出口温度 Tk ，使压缩终了温度 Ta 降低，降低爆燃倾向；还可以降低发动机的热负荷，提高增压器使用寿命；同时，Ta 的降低，有利于降低燃烧最高温度，减少 NOx 的排放。 3.3.3 汽油机与增压器匹配的对策汽油机与增压器要良好匹配需要解决几个问题: 1）需要对增压压力进行控制车用汽油机工作转速范围较宽，发动机进气质量流量的变化范围也较宽，这就要求增压器具有较宽广的流量范围，以适应车用汽油机的要求。车用汽油机增压要求在部分负荷和部分转速工况下具有良好的扭矩特性及动态响应特性，要求汽油机在匹配涡轮增压器时其基本匹配点必须选择在部分工况，然而这会导致额定工况时增压压力过高。因此，要使车用汽油机在涡轮增压后能在常用转速范围内保持一定的扭矩储备，避免低效率压缩而导致进气温度过高，而且又能在额定增压压力下温度不致于过高而引起爆燃，因此需要对增压压力进行控制。对增压压力进行控制可以采用： (1)采用进气减压阀和排气放气阀，这种方法可以使发动机的全部工况几乎处在增压器压气机的高效率区内。 (2)采用变截面的涡轮，改变涡轮进口废气压力来改变增压器的转速，实现对增压压力的控制。 (3)排气管喷水，在发动机处于高负荷时，向排气管喷入适量的水，通过冷却水的汽化吸热来降低排气温度，使增压器转速降低，降低增压压力。 (4)采用双涡轮增压器。 2）涡轮增压器响应滞后的对策涡轮增压汽油机在响应滞后方面比柴油机更突出，原因是： (1)汽油机质量较轻、体积较小 ,较轻的飞轮使汽油机速度比柴油机响应更灵敏，而涡轮增压器质量大、惯性大，这增加了汽油机混合气供给的延迟，造成了涡轮增压器响应的滞后，称为“惯性滞后” 。 (2)汽油机从节气门关闭的低怠速到节气门全开时的全速，其进气质量流量 19 范围非常宽广。节气门突然打开时，空气流量应能迅速地增加，涡轮增压器不能立即提高转速以提供足够压力容积(足够质量)的混合气充满进气管，造成“热滞后” 。消除涡轮增压器响应滞后的措施应对涡轮增压器的惯性、点火正时、增压压力控制系统 ,进排气系统的长度和直径以及节气门位置进行良好匹配。如节气门置于压气机之前的响应能力与置于其后相比，可以防止当车辆突然换档发动机被拖动时压气机发生喘振；选择较小的涡轮进口截面，减少节气门和进气门管道之间的容积，即减少进气系统容积，可以改善增压器的响应。 20 第 4 章汽油机废气涡轮增压系统的设计与计算 4.1 已知条件及要求指标标定功率kWPe85 标定转速 n=3000r/min 缸径 D=0.081m 行程 S=0.0864m 平均有效压力1.5MPa me p 活塞平均速度 Cm=8.64m/s 30 Sn 有效油耗率=0.30kg/（kWh） e b 涡轮前排气温度 T=820k 4.2 汽油机热力参数选择大气压力=0.101MPa a p 大气温度=303K a T 涡轮后背压=0.105MPa 0T p 中冷器后空气温度=335K S T 气缸充量系数=1.00 c 涡轮增压器效率=0.55 Tb 4.3 涡轮增压器主要性能参数及结构参数计算机械损失压力0.206MPa )0214 . 0 789 . 0 00855. 0( 2 . 0 mem pvDPmm 21 式中，D 为气缸直径(m);为活塞平均速度(m/s);为平均有效压力(MPa)。 m v me p 由算得机械效率=0.88 mm P me p m 指示油耗率0.26kg/（kW.h） mei bb 初选进气管中气体压力=0.25MPa s p 选择燃烧过量空气系数=0.8 a =316.08 22 . 0 78 . 0 6 . 15 . 0 2/5 . 0 s msia DpDn SDvTb R 式中，为燃烧过量空气系数；为指示油耗率；为活塞平均 a i b)./(hkWg m v 速度（m/s）；为气缸直径；S 为活塞行程（m）；为汽油机转速（r/min）；n 汽油机进气管空气压力（MPa）；为汽油机进气管空气温度（K）。 s p s T 热量利用系数=0.73R T 00096 . 0 028 . 1 总过量空气系数 =2.49 . 1 as saas s 空气流量=0.19kg/s mb q 3600 3 .14 aseeb P 进气管内压力0.13MPa sc esmesa s bTp p 7 .894 这与前面的初选值相近，不再重算；增压器出口压力0.133MPa003. 0 sb pp 燃气流量0.193kg/s mbmT qq015 . 1 涡轮前排气压力 1/ 175/ 1 1 175 /1 1/ 0 kk aba mb kk TT TT T TmT Tb ppRT k kq pp TR k kq TT =0.19 T pMPa 式中，为排气流量，;./287; 4 . 1;33 . 1 kkgJRkkT mTT qkkgJR;/286 22 和为大气压力与温度；;03. 102. 1 mbmT qq a p a T 。 0T p aa MPp005. 0002 . 0 有效涡轮当量通流面积 TTF =743.5 TTTT mT TT TR q F 2 2 mm 23 第第 5 5 章结论章结论论并使动力性能得到较大的提高，对高原地区工作的适应性、CO 和 HC 的排放、噪音等性能均能得到不同程度的改善。在本设计中，我分别对汽油机废气涡轮增压系统的组成及原理和组成汽油机废气涡轮增压系统的各个部件进行设计与计算。由于汽油机与柴油机发火机理不同、混合气形成方式不同、发动机转速范围不同等等，加装废气涡轮增压器具有一定的障碍，对此我进行了分析和解决。将奥迪 200 汽油机由自然吸气式改装成涡轮增压式，对加装的增压器和发动机进行了匹配计算，汽油机热力参数选择，涡轮增压器主要性能参数及结构参数计算等。本次毕业设计学到了很多知识，巩固了以前的专业知识及了解了一些新知识，收获很大，感觉到知识的重要性，真正体会到了学无止境。 24 致谢在设计即将付梓之际，我要感谢很多人。我要感谢赵建新老师，虽然我不是您出色的学生，而您却是我尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，平易近人的同时也不忘鞭策激励懒散的我，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，您使我认识到了一个人必须奋发努力，同时也教会了我怎么去做人，从设计题目的选定到最后的指导，经由您悉心的点拨与鼓励，方能有最终的成绩。此外我要感谢所有在毕业设计中曾经支持过我和帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。真诚地谢谢您们。 25 参考文献郭新华汽车构造高等教育出版社 2004 1 陈铁鸣机械设计哈尔滨工业大学出版社 2006 2 陆家祥柴油机涡轮增压技术机械工业出版社 1999 3 陆家祥车用内燃机增压机械工业出版社 1994 4 顾宏中涡轮增压柴油机性能研究上海交通大学出版社 1998 5 刘峥王建晰汽车发动机原理教程清华大学出版社 2001 6 黄金陵主编汽车车身设计机械工业出版社 2007 7 王连明宋宝玉课程设计哈尔滨工业大学出版社 8 HongZhong Yang. Turbine pressurized system research current situation and progress of 9 the diesel engine. Diesel engine, 2001. 26 附录 1 车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望引言自涡轮增压技术概念提出至今已有百年时间，在这百年的时间里，涡轮增压技术经历了轴流式、径流式、混流式及配置放气阀、电机等自身的不断改进,其在航天、航海及陆地机械上得到了广泛的应用。特别是车辆的广泛应用及当前人们对车辆节能、功率和环保要求的不断提高，为车用涡轮增压技术的应用、发展和进步提供了广阔的空间和需求。 1.1 回顾早在 1905 年，瑞士的 A lfred J. Buchi 博士就对涡轮机驱动压缩机这一装置申请了专利，并于 1909 1912 年设计开发了世界上第一台废气驱动的轴流式, 涡轮增压器进而于 1915 年首先策划了将涡轮增压器应用于柴油动力机。但是,由于不能获得足够的压缩空气压力，这一创新并没有得到认可和重视。涡轮增压技术的实际应用最先在第一次世界大战。007 期间的航空发动机上取得了一定的成功。随后在 20 世纪 3040 年代的欧洲和美国，涡轮增压技术进入了迅速发展和广泛应用的阶段。轴流式涡轮增压器被大量应用在航海、铁路、电厂和航空领域。特别是在美国，通用公司为军用飞机研制的涡轮增压器，被数以万计地应用在战斗机和轰炸机上。当时，涡轮增压技术的广泛应用也促进了许多新技术、新工艺的产生和发展，其中主要包括: 1)对材料耐热性的研究和开发； 2)对材料高温精确铸造技术的研究和开发； 3)促使人们对径流式涡轮增压器的研发，并使之在小功率发动机上得到了应用。 20 世纪 40 年代末 50 年代初盖瑞特 (Garret)公司开始从事 2090PS (15 67kW)的小功率引擎的涡轮增压器的研究，并取得了成功。盖瑞特公司开发出良好的涡轮增压器壳体的铸造技术、高速密封技术、径流式涡轮和离心式压缩机技术。1954 年盖瑞特公司成立了空气学工业研发部 (A ir - Research IndustrialD ivision)也就是后来的盖瑞特引擎公司 (GarrettAuto2motive),专门设计和生产涡轮增压器，这对于现代涡轮引擎的产生和发展具有划时代意义。在这期间，小型涡轮增压器首先在赛车上取得了惊人的成功，涡轮增压器所提供的大功率、大扭矩满足了人们当时的需求。随后小型涡轮增压器大量应用于大型拖拉机、载重卡车和小型汽车上。时至今日，几乎所有的卡车都搭载了涡轮 27 增压器的引擎。在小型车领域， 20 世纪 70 年代是涡轮增压器一个重要的转折点。保时捷 911(带盖瑞特废气门的 KKK 涡轮增压器 )轿车于 1975 年面世。 1977 年绅宝 99 通过一个带涡轮增压器的 2. 1L 汽油发动机获得了与无涡轮增压的 3. 0L 发动机同样的性能，使更多的人认识和接受了涡轮增压技术。随后的奔驰推出了 300 Turbo diesel 涡轮增压柴油发动机轿车，其能为驾车者提供最大的燃油经济性和驾驶性。别克公司接着宣布 1978 年的别克君威和利蒙斯运动型双门跑车配置涡轮引擎。在近 20 年里，汽车生产厂家不断开发出具有涡轮增压技术

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