车用发动机的废气涡轮增压器设计说明书

车用发动机的废气涡轮增压器设计 要 目前，由于排放标准变的更加严格，欧洲的 80%的内燃机车是经过涡轮增压的，在不久的将来，这个数字有望接近 100%。本论文根据柴油机的已知参数，设计出最优化的涡轮增压器，并对设计出的涡轮增压器进行校核计算，得出最佳的设计型号。同时，在理论上分析出使用涡轮增压器对柴油机主要参数的影响，从而得出使用涡轮增压器可以降低柴油机排放。 关键词 ： 柴油发动机，涡轮增压，汽车，扭矩，排放 车用发动机的废气涡轮增压器设计 80 as is to 00 in In we s to of In we of in 用发动机的废气涡轮增压器设计 录 第一章 前 言. I 究背景 .究意义 .作原理 .术探讨 .二章 涡轮增压器选型.知参数 .零部件型号确定 .三章 设计计算.气机的设计计算 .流式涡轮的计算 .四章 设计分析及展望.压对柴油机主要参数的影响 .景展望 . 考 文 献. 33 致 谢. .用发动机的废气涡轮增压器设计 一章 前 言 究背景 由于中国巨大的汽车市场的迅速成长，汇合科技进步成果，将引领汽车行业新的大发展。在环境保护压力下，当代汽车发动机电子技术、涡轮增压技术的迅猛发展与涡轮增压器制造技术的发展互相作用， 促进了涡轮增压器行业的迅速发展。今天的涡轮增压器行业已经是一个年产值几十亿美元的技术密集、资金密集产业，它已经影响、而且必将不断影响我们的生活。 内燃机涡轮增压技术的应用至今已有 70 多年的历史。早在 1923 年，瑞士使该发动机功率陡然提高了 40%，一时引起各方面很大的兴趣。但是直到 50 年代初，涡轮增压技术才开始进入汽车发动机领域。1953年，美国葛瑞特（司的涡轮增压技术在提高柴油机功率、改善燃油经济性方面前景十分广阔。 从 60 年代起，国外开始在汽车用柴油机上大量采用涡轮增压技术的研究，并取得了一定的进展。 例如美国的葛瑞特公司在1962年生产了一种装在奥滋莫比汽车发动机上，使其功率从自然进气的11660年代末到70年代，以美国为代表的发展国家开始逐步健全和贯彻严格的汽车排放法规， 这强制地推动了汽车涡轮增压技术以及后来出现的增压中冷技术的应用和发展，客观上有效地改善了汽车柴油机的效率，降低了尾气中 70 年代后期，国外汽油机涡轮增压技术取得了突破性的进展， 可调增压和电控燃油喷射等新技术的应用有力地促进了涡轮增压技术在车用汽油机上的应用和发展。例如 1979 年，日本开始正式销售以增压汽油机为动力的轿车，并于80年代中期得到大量推广与应用。 从 80 年代开始，涡轮增压技术在汽车上的应用领域稳步扩大，使车用发动机在增压器设计、制造和材料等方面都取得了长足的发展。这一阶段，世界主要的小型涡轮增压器生产商相继推出了一系列新技术，例如前倾后弯压气机叶轮、各种废气放气阀、可变几何涡轮增压器等，都是这一时期的产物。它们一出现就在实际中推广应用并得到迅速完善。 进入 90 年代后，上述涡轮增压技术的应用和发展进一步成熟，其性能和可靠性指标均有较大提高，逐步进入商品阶段。同时。其它形式的增压技术也得到了相应的发展。 例如气波增压等技术也开始逐步在小排量发动机和有特殊要求的发动机上得到应用。气波增压器经过不断改进后，近年来已经从过去主要用于拖车用发动机的废气涡轮增压器设计 机、货车、工程机械等领域，逐步向轿车柴油机领域发展，并取得了引人注目的成功。由于取消了皮带传动，其燃油经济性可与涡轮增压器相媲美，在发动机低速工况下的热效率甚至高于涡轮增压器的压气机效率。例如，奔驰公司的发动机上使用气波增压器后，其低速性能明显改善，排放烟度有所降低。90年代的另一个发展动态是机械增压器的“回潮” 。因为汽油机转速范围不断拓展，涡轮增压器与之匹配有一定困难，而且在应用于轿车上的时候，轿车对于发动机的加速性能要求很高，所以机械涡轮增压器又开始显示出一定的优势，同时技术发展为机械涡轮增压器在轿车发动机上应用提供了可能。 总之，近 20 年来，车用发动机涡轮增压技术发展和应用的速度是十分惊人的。目前，美国、日本、澳大利亚和欧洲发达国家生产的重型汽车柴油机，使用增压器的比例已经达到了 100%，中小型汽车柴油机采用增压器的比例也平均达到80%以上，轿车柴油机采用涡轮增压器的比例也在持续增长。据统计，目前世界上的各种增压器的年产量约 460 万台，它们主要由美国联信涡轮增压系统公司、施韦策公司、康明斯公司，德国的本的三菱重工、小松制作所、丰田、日立、日产，瑞士的们不仅在规模上占据了世界领先地位，而且在技术开发上也位居世界前列。 究意义 带有废气涡轮增压器的发动机，不仅提高输出功率，改善燃油经济性，节约能源，而且还可以降低发动机的噪音及废气中的有害成分。今年来，增压技术在发动机上得到了广泛的应用，装有增压器的柴油机也越来越多。 其实涡轮增压主要是为了提高发动机的进气量， 从而提高发动机的功率和扭矩，让车子更有劲。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器的相比，可增加大约40%，甚至更多。这意味着一台尺寸和重量相同的发动机经增压后可以产生较多的功率，或者说，一台小排量的发动机经增压后，可以产生较大排量发动机相同的功率。另外，发动机在采用了增压技术后，还能提高燃油经济性和降低尾气排放。 鉴于以上优点，对涡轮增压器的研究有很大的实际意义。不过，发动机在采用废气涡轮增压技术后，工作中产生的最高爆发压力和平均温度将大幅度提高，从而使发动机的机械性能、润滑性能都会受到影响。为了保证增压发动机在较高的机械负荷和热负荷条件下，能可靠耐久地工作，必须在发动机主要热力参数的选取、结构设计、材料、工艺等方面做必要的改进，在润滑油的选择上也应提高质量级别，而不是简单地在发动机上装一个增压器就行了。 车用发动机的废气涡轮增压器设计 作原理 图 气涡轮增压器主要由左端的叶轮和右端的涡轮组成，当发动机正常工作时，从发动机排气门排出的废气及排气管进入到废气涡轮增压器右端，从而吹动涡轮高速旋转。涡轮转速高的可达 10 万转，而日本一些废气涡轮增压器的涡轮转速可达12万转。 与涡轮同轴的左端叶轮也同时做高速旋转， 叶轮左端的黑色箭头代表从空气滤清器过来的新鲜空气形成增压。增压后的新鲜空气要首先经过中冷器进行冷却，因为叶轮的搅动升高了空气的温度，从而降低了空气的密度，为了保证进气量，因此必须对增压后的高温气体实行冷却。 经过中冷器的空气在经过进气管后再进入汽缸开始工作。 涡轮增压由于进气压力高，因此在排气过程中能够充分扫清上一循环工作过程中的残余废气，达到了排气干净的目的，并能为下一次燃烧做好准备，也利于下一次燃烧充分，从而减少有害物质的排放。这是它的另一个非常突出的优点。 术探讨 由于经过涡轮增压器增压后的气体，温度、压强都较高，涡轮增压器多数情况下应用在柴油机上。柴油机采用涡轮增压器可以提高柴油机的功率、改善经济车用发动机的废气涡轮增压器设计 、减小机器单位马力体积和降低单位马力重量。 现有的增压器，一般采用离心式压气机，故可根据采用涡轮机型号的不同，把涡轮增压器分为两大类：轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器。 轴流式涡轮机 气体在其中是沿着平行于工作轮旋转轴的方向运动。 径流式涡轮机 气体在其中是沿着垂直于工作轮旋转轴的方向运动。 当气体沿着旋转轴中心向工作轮缘方向运动时，称为离心式涡轮机；当气体由工作轮外缘向转轴中心方向运动时，则称为向心式涡轮机。 因为在相同的条件下，径流式涡轮机比离心式涡轮机的效率高，且能发出较大的功率，所以，在径流式涡轮增压器中，一般采用径流向心涡轮机。径流向心涡轮机还可以按其工作轮叶片形状分为：具有径向叶片的向心涡轮机；具有弯曲叶片的向心涡轮机。 此外，涡轮增压器按其能量的利用方式可分成等压增压和脉冲增压两种： （1） 等压增压 等压增压就是将所有各缸的废气首先排到一个容积较大的排气总管中，再由排气总管流入废气涡轮。由于排气总管起到稳压器的作用，进入涡轮前的气体压力脉动较小。这种增压方式不能将废气能量全部利用，只能利用废气在涡轮中的膨胀功。等压增压的优点是排气管结构简单，并能保证涡轮有较高的效率。这种增压方式一般用于大型高增压柴油机。 （2）脉冲增压 脉冲增压是将排气管做成分支型式，各分支的排气管分别与涡轮进口相连接，因此脉冲增压的涡轮有多个进气口。 目前在作柴油机的低、中增压设计时，广泛采用脉冲涡轮，有时还在高增压设计中采用，以改善柴油机低负荷时的性能，但脉冲涡轮的效率较低。 车用发动机的废气涡轮增压器设计 二章 涡轮增压器选型 知参数 丰田柴油机主要技术参数： 缸径 96量 2982 最大功率 kw(r/ 96(3600) 最大扭矩 N.m(r/ 290(2000) 汽缸数及分布 定工况平均有效压力 柴油机属于中、小型的，故用单级涡轮增压，采用径流式涡轮、离心式压气机，有四个汽缸故选用脉冲增压。 零部件型号确定 心式压气机 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，对于小尺寸压气机，效率优于轴流式。因此，采用离心式压气机。 图 2心式压气机结构 1 2用发动机的废气涡轮增压器设计 气道 轴向进气道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，故采用此种方式。 气机叶轮 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做成一体。半开式叶轮只有轮盘，没有轮盖，其性能介于开式和闭式之间。但其结构简单，制造方便，且强度和刚度都较高，故采用半开式叶轮。 图 2气机叶轮的结构形式 a） 开式 b）半开式 c）闭式 d）星形 前倾后弯式叶片,其叶片沿径向后弯的同 时还向旋转方向前倾。这种叶轮不仅压气机效率高，而且效率范围宽广，故采用此种 图 2倾后弯式叶轮 压器 车用发动机的废气涡轮增压器设计 工况范围变化不大的大、中型涡轮增压器上，常采用无叶扩压器和叶片扩压器的组合形式。气流先经过无叶扩压器，再进入叶片扩压器，气流的动能主要在叶片扩压器中转化为压力能。故本次采用无叶扩压器和有叶扩压器结合的装置。 气机涡壳 变截面涡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，流动损失小，效率较高。变截面涡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，因而采用此种。 图 2截面涡壳 轮 流式涡轮 燃气的流动方向是近似沿径向由叶轮轮缘向中心流动， 在叶轮出口处转为轴向流出。径流式向心涡轮有较大的单级膨胀比，因此结构紧凑、质量轻、体积小，在小流量范围涡轮效率较高，且叶轮强度好，能承受很高的转速，在中、小型涡轮增压器上应用广泛。 车用发动机的废气涡轮增压器设计 2流式涡轮 涡轮主要由进气壳、喷嘴环、工作叶轮和排气壳等部件组成。 气壳 径流式向心涡轮的进气壳，一般与排气壳连在一起。进气道设置在喷嘴环径向的周围，离进气口越远，流通截面越小，以使流量沿圆周均匀地分布。由于切向进气流动损失小，因此多采用切向进气方式。由于本次设计的是脉冲增压，故选用双通道360度全周进气，如下图： 图 2通道 360 度全周进气 嘴环 径流式向心涡轮的喷嘴环，根据有无喷嘴叶片分为无叶喷嘴环和有叶喷嘴环。采用有叶喷嘴只需更换喷嘴就可得到适应不同发动机要求的变型产品，有利于涡轮增压器的系列化，故采用有叶喷嘴环。 车用发动机的废气涡轮增压器设计 2叶喷嘴环结构 作叶轮 径流式向心涡轮的叶轮，一般采用半开式，故选用半开式，叶型采用抛物线型 气壳 为了减小气体的余速损失，提高涡轮效率，涡轮排气壳为一扩压段。扩压段的形状与尺寸由叶轮出口的叶轮直径和轮毂直径决定，扩张角一般为810度 。 承 承的布置 轴承在涡轮增压器上的布置形式， 决定了涡轮和压气机工作轮以及轴承的相互位置。一般有四种布置形式，如下图 ： 图 2承在涡轮增压器上的布置方式 a） 外支撑 b）内支撑 c） d）内外支撑 e）悬臂支撑 车用发动机的废气涡轮增压器设计 支撑轴承分布主要优点是： 涡轮增压器的结构较简单， 质量和尺寸都较小；压气机能轴向进气，流阻损失减小；清洗两工作比较容易，且不会因轴承而破坏转子的平衡。综合考虑故选用内支撑轴承分布。 承的选择 浮动轴承又称浮动环。浮动轴承工作时，浮动环和轴颈、浮动环和轴承座之间都有一定间隙并均充满油膜，轴承上有孔使内外油膜相通。浮动环内外都有间隙，可以增加润滑油量，以降低轴承工作温度。同时，由于浮动环内外都有油层存在，因而具有弹性，可以削减转子的振动。由于浮动环转动，降低了相对于转轴的运动速度，因而更适合于高转速下工作，在小型高速径流式涡轮增压器中得到广泛应用，因此选用浮动轴承。另外润滑方式选用压力润滑方式，和柴油机共用润滑系统。 图 2动轴承工作示意图 1 2 3封装置 本次设计的是小型涡轮增压器，由于结构紧凑，不利于安排迷宫式，因此采用密封环密封辅以甩油盘和挡油盘相结合的密封装置。见下图： 车用发动机的废气涡轮增压器设计 2a）涡轮端密封结构 b）压气机端密封结构 1 2 3 4橡胶密封圈 56 7 8 9车用发动机的废气涡轮增压器设计 三章 设计计算 气机的设计计算 已知 空气流量 Kg/s 压缩比 境压力 05境温度 93K 风轮计算 等熵压缩功 11 =93(=) 选取压头系数 工作轮外径处圆周速度 u2=45.5(导风轮进口前轴向气流速度 导风轮进口前气流温度 0) 选取进气道多变指数 风轮进口前气体压力 p1=11104(导风轮进口前气体比重 1= 导风轮进口前截面面积 1160(选取导风轮叶片数 8 堵塞系数 风轮进口后气流轴向速度 c1a=11取轮径比 210 21径比 21)()(2212210作轮外径 22102211)()(4=210(车用发动机的废气涡轮增压器设计 气机转速 260=31438(轮毂直径 2(210=21044(导风轮进口外径 1=210149(导风轮进口平均直径 1=210110(导风轮进口外径周速 1245(导风轮进口平均直径外周速 1182(轮毂处周速 1072(导风轮进口外径处相对速度 W1H=2121 = =274(马赫数 M11=导风轮进口气流角= 导风轮进口气流角01= 作轮计算 工作轮叶片数 H =18 功率系数 =221)(=+=作轮出口气流周向分速 297(选取工作轮出口阻塞系数 定叶轮出口气体比重 2 = 叶轮出口气流径向分速 10.6(叶轮出口叶片宽度 222=15(叶轮出口气流速度 222 = =316.9(气流角2 =00选取工作轮摩擦系数 =轮出口气流温度 1+( +200522u=) 选取叶轮多变功率2=数 1222=轮出口气体压力 1222(车用发动机的废气涡轮增压器设计 算叶轮出口气体比重2 =22= 马赫数 2= 无叶扩压器计算 选取轮径比23叶扩压器出口直径 232=210248(无叶扩压器出口气流速度 2(23=68.5(无叶扩压器出口气流温度 2+20102322=) 无叶扩压器长度 l=( 2)/2 =(2482 车用发动机的废气涡轮增压器设计 19(选取无叶扩压器多变效率1数 133叶扩压器出口气流压力 2(233305(05(无叶扩压器出口气体比重3 =33= 选取无叶扩压器出口宽度 8(无叶扩压器出口气流径向分速 33 气流周向分速 323 = =255.5(无叶扩压器出口气流角3 =片扩压器计算 选取轮径比24用发动机的废气涡轮增压器设计 片扩压器出口直径 2410 =359(叶片扩压器出口宽度 b4=8(选取叶片扩压器进口气流冲角 i=3 +i=150选取叶片扩压器进口堵塞系数3 =取叶片扩压器进口流通面积 = =60.2(选取叶片扩压器进口喉部宽度 3=11.5(选取扩压器叶片数 取叶片扩压器进口喉部宽度 3选取2数144=用发动机的废气涡轮增压器设计 4=0102423311434344334)(4=) 15(叶片扩压器出口气体压力 3(344405(叶片扩压器出口气体比重4 =44= 壳计算 选取涡壳气流速度 0(涡壳出口气体温度 010224 =0106011522=) 指数 )15555=壳出口气体压力 4(4555)0 =(车用发动机的废气涡轮增压器设计 重 )(= 涡壳出口面积 F )(=压气机出口滞止气流温度 T =*(=+ 压气机出口滞止气流压力 P*c=Pc(15)0 =(核计算 增压比0 =熵压缩功 1(10 = =) 压头系数 =+=流式涡轮的计算 已知 压缩机等熵压缩功缩机等熵效率气流量s 车用发动机的废气涡轮增压器设计 轮前燃气温度13K 涡轮出口气体压力轮增压器转速1438r/ 涡轮的计算 选取涡轮的等熵效率轮增压器综合效率轮的等熵功 =) 涡轮的温降1=146(K) 涡轮的膨胀比(*111=轮前气体压力 P*T=2=(选取速度比 想速度 C*0= =542(m/s) 车用发动机的废气涡轮增压器设计 作轮进口圆周速 =355(m/s) 工作轮进口直径 D =嘴的计算 选取喷嘴出口气流角1 =180选取工作轮进口相对气流角1 =9001121 三式联立求得速度 55(m/s) 速度 2(m/s) 喷嘴出口气流速度 52m/s 喷嘴中的等熵功 212C( = 喷嘴中温降) 喷嘴出口温度 * = =751(K) 喷嘴中的膨胀比1*)11(车用发动机的废气涡轮增压器设计 嘴出口压力 P1=(喷嘴出口比重1 =111=3) 比转速 ns= 3=嘴出口通流截面 1=74(喷嘴叶片高度 n/11=35(涡轮叶片进口宽度 1=36(喷嘴出口直径 1+D(D=8=224(车用发动机的废气涡轮增压器设计 嘴进口直径 1=296(喷嘴中能量损失 1) 作轮的计算 传动比1作轮中的等熵功 L;= =77989(J) 工作轮进口相对速度 1109008.8(m/s) 轮径比 作轮出口平均直径 16 =108(工作轮出口相对速度 )1(2221211=+ 车用发动机的废气涡轮增压器设计 + =244(m/s) 工作轮出口气体温度 1(2212122 +=751=680(K) 工作轮出口气体比重 2=g/工作轮出口内径 D2= )12112=16 =38(工作轮出口外径 D )21122=16 =172(工作轮出口高度 22=238172 =67(工作轮出口面积 )(42222=220(车用发动机的废气涡轮增压器设计 作轮出口气流轴向分速 2 =353(m/s) 选取工作轮出口相对速度气流角2 =430工作轮叶片数 1 工作轮出口平均半径处周速 55 =177.5(m/s) 在平均半径处 = 工作轮出口气流速度 222 =353(m/s) 选取工作轮出口气流角2 =900工作轮中的损失 )11(2 )5402(J) 余速损失6230(J) 车用发动机的废气涡轮增压器设计 周效率1+=+=盘摩擦损失 )3(1075131216= =7364(J) 漏气损失效率轮等熵效率( )=(原估计的相近 ) 车用发动机的废气涡轮增压器设计 四章 设计分析及展望 压对柴油机主要参数的影响 柴油机增压后，进气参数由大气状态变成了压气机出口状态，引起了一系列热力参数的变化，下面就增压对标定工况下工作过程主要参数的影响进行讨论。 机械应力有关参数的影响 新鲜空气自进气管进入发动机汽缸，在进气门处有一定的压力损失，使压缩始压 b。增压后，进气管压力 着 气门的压力降 对压力降 相对进气压力 图 4进气惯性作用下 ,甚至 b。对四冲程增压柴油机，一般 图 4于缸内压缩终压 0存在着以下关系： (4式中， 为压缩比； 而最高爆发压力 这里压力升高率，所以压缩始压升高后，最车用发动机的废气涡轮增压器设计 爆发压力 数升高。由此可见，增压后， 以，增压后往要小一些。 热应力有关参数的影响 在无中冷器的情况下，增压后，发动机进口温度为压气机出口温度 a+式中， K)； ； 压气机绝热效率。 如果增压系统中有中冷器，则发动机进气温度应为中冷器出口的气体温度。不难理解，经过压缩机的温度较大气温度高得多。例如，增压比为 压气机，其出口温度 000C 左右。 缸内压缩始温可用下式计算 +1式中， 于进气温度 动机工作过程各特征点的温度均相应提高，残余排气温度也有所升高； 为残余排气系数，增压后，在有扫气的情况下， 有所下降； T 为新鲜充量进入气缸后，受缸盖、缸壁、活塞顶等受热件的加热，同时。充量本身动能部分转化为热能所导致的温升。一般情况下。增压四冲程发动机的 T 5100C。 综上所述，增压后柴油机的压缩始温较非增压的高。 缸内压缩终温可由下式计算 (4最高燃烧温度 在发车用发动机的废气涡轮增压器设计 机其他一些特征点温度都相应提高时，排气温度 标志着内燃机增压后热负荷增大，对发动机可靠性带来不利影响。 动力性有关参数的影响 增压后，发动机进气压力由大气状态 b，进气温度由 b，进气密度相应地由大到 在工作容积 气流量由 气流量的增大，在过量空气系数化不大的情况下，可以多喷油，从而使动力性提高。 对高速四冲程增压柴油机，增压比 ，平均有效压力 ， 景展望 近十年来，废气涡轮增压器的制造和研究工作取得了进一步的发展，使它成为一门成熟的专门技术，但还在继续向前发展，主要表现的下列几个方面： 不断提高涡轮增压器的增压比，正在向超高增压的方向发展 随着增压技术的日益发展，增压比越来约高，出现了超高增压的柴油机。目前研制和实验的超高增压系统主要有两种： 补燃超高增压系统和非补燃的两极涡轮增压系统。 不断完善涡轮增压器的空气动力性能，以提高涡轮增压器的效率 涡轮增压器的效率对柴油机，特别是对二冲程柴油机的性能有很大影响。而涡轮增压器的效率又随着增压比的显著提高而有所下降， 这主要是因为离心式压气机的效率随着增压比的增加而降低。涡轮的效率随膨胀比的增加，一般也是降低的。因此，在不断提高增压比的情况下，就必须重视改善