（化工过程机械专业论文）车用双侧涡旋增压器的设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 车用增压器可以有效的提高发动机的效率，节约能源；同时还可以减少未充分燃烧 气体的排放，改善大气环境。目前车用增压器使用最普遍的是废气涡轮增压器，但这种 增压器在使用时有着它的局跟性。涡旋机械由于其结构简单、效率高、体积小、噪声低、 运转平稳等特点被应用于车用增压器技术中。 分析了涡旋机械的国内外研究现状，介绍了现有发动机增压方式和涡旋式增压器的 结构，在综合了涡轮增压和涡旋压缩机优点的基础上提出了车用发动机用涡轮驱动涡旋 压缩机的增压器方案。考虑到车用增压器大气量低增压比的特点，在g 增压器的结构基 础上，用圆的渐开线为型线的双侧单涡圈压缩机作为增压器的压气机。根据涡旋增压器 工作时的特点，建立了涡旋增压器的热力学模型，对模型进行了分析，描述了涡旋增压 器的热力过程。由于压缩机的动涡盘需要打孔穿轴和双侧完全对称的涡旋齿形状，它的 几何和受力状况就有别于传统的涡旋压缩机。文章从其结构分析出发进行了双侧涡旋压 缩机的几何分析并从几何关系出发得出了齿端渐开角的计算方法，和涡盘中心打孔区域 的计算方法。结合增压器的加速响应能力，首次提出了以动涡盘的转动惯量为目标函数 的涡旋参数优化选取原则并给出了转动惯量的计算方法和优化方法。结合曲柄销机构的 防自转机构原理，给出了由齿型皮带驱动的副轴防自转机构设计方法，通过动涡盘的受 力分析和主轴的平衡设计给出了主轴和副轴的力学模型，为主轴和副轴的设计提供了条 件。 关键词；涡旋压缩机增压器渐开角转动惯量防自转机构 车用双侧涡旋增压器的设计研究 a b s t r a c t s u p e r c h a r g e dv e h j d em 舀n ec a ne f f b 唧d yi l l q a s et h ee 伍c i 明c yo f m em 拙，s a v e 豇嗽g y ；a tm es 锄et i i l l 包i tc a na l s or e d u c em ee x h a u s tg a sa n di i n p r o v ea 恤o s p h e r e c i l v 主r o n m 吼a tp r e s 刚，w a s 悟g a sn r b os u p e r c h a r g c de n 垂n ei s 奶d e l yu s c di na i lb n d so f v e m c i e ，b u tm i sk 锄o fs u p e r c h a f 删v e h j c l ee n 舀n eh 船i t sl i r i t s s c r o l lm a c h i n ew h i c h p o s s e s sc h 甜删s t i c so f b i g le 伍c i e n c y ，s m a ub u kh g h tw d g h t ，l o wn o i s e ，s h p l c 曲m g c u r e 枷w o r k i n gs m o o t l l l ye t c ，i su s e di ns u p e r c h a r g e dv e h i c l ee n 西n e t h ca n a l y s i so nb a 政孕o u n d so fs c r o l lm a c 垴i l ei ss 协i e d ，t h ew a yh o wt h ee n 百n ei s s u p e r c h a 增e da n dt h es 衄】c t 疆eo f 吐l es c r o l ls u p e r c h a r g e ra r ei n t r o d u c e d b a s e do nm em 甜t s o f b o t ht h e 仙b o c h a r g e ra n ds c r o uc o m p r e s s o rac a re 【l 咖e 劬b i n e d r i v e l ls c r o i lc o m p r e s s o r s u p e fc _ 姆fp 铲a 珏强零i sd e s i g 嘲，t a k e 洫幻疆渤u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e h i d e s u p e r c h a r g e r sl a r g c a t m o s p h e r i c 赳l dl o w p r c s s u r e ，d o u b ks i d ec i r c l ei n v o l u t el i n e s c r 0 1 l c o n 巾r e s s o ri su s e di nt h et i 】 b o c h a r g e ro nm eb a s i co fg 吗u p e r c h a r 寥la c c o r d n gt o 血e s c r o l lc o m p r e s s o r sw o r k i n gp r o c e s sc h a r a c t e i t sm 唧o d y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e da n d a n a l y 2 e d ，a n di t st h e 咖o d y f l a 觚cp r o c e s si sg o t s i n c ed l e r ei sah o i ef o rt l l ca x i si nm ep l a t e a f l dt h ef i l l l ys y m m e m cs c r o l lt o o 吐1s h a p e ，n sg e o m e h _ ya n df o r c ea f ed i 琢玎锄t 丘d mm e s i t l l a t i o no ft h e 仃a d m o n a ls c r o l lc o m p r e s s o r 丘o mm ea n a l y s i so ft h es t m c t i l r e ，l es c m l l c o m e s s 。fg m e t r i c ，i 飞秽i sg o ta b d 舶mt h ea n a y 茧so f 出霉g e 。m e 圭r i cf d a t i 。n s 坷芦t h e c a i 伽d a d o nm 锄o do f b o 也也ea r e af o rm eh 0 1 ei 1 1 v o l u t ee 1 1 da n db e g i i la l l 甜ei sg o t ， w i t l lm e a b i l i t yo ft l l es 1 1 p e r c h a r g c rs p e e d i n gu pr e s p o i l s e ，f i r s t 缸em eo p t i m i z a t i o n 呻c i p l et l l 越 棚o v 洒gs c r o 儿p l a n t 幻e f t i am 砌e n ta sm eo b j e c t i v e 如n c t i o nt os e l e c tp a r a m e t 盯sf o rs c f 0 1 l p l a n ti sp u lf b 九v 盯da dm em e t h o do fc a 王c u l a t m gm o m e i l to fi e n i ai s 百v e l l w i mt i l e p 咖c i p l eo f ( r a n kp i l la n 矗r o t a t i o nm c c h a 血s m ，t 1 1 ed e s i 鲈m 甜l o do f a s s i s t a n ts h a f t “b y m et e c i hb e l ta s 踟t i r o t a t i o nm e c h a i l i s mi sp r e s e n t c d e d d yw a st h r o u 曲m o v i n gs c r 0 1 lp l a l l t 妣e 蠲a l 筘i sa n dt h 簪m 咖a x i sk l 蹈d e s i 孕，m a i na x i s 勰da s s i s t a n ta x i sm e c h a n i c a l m o d c la r c 口r e s c n t e d ，i ti s ( h ec o n d i t i o nf o rm a i na 】【i s 趿d 鹳s i s t a n t 耐st of h r t 晒d c s i g n k e y w o r d s ：s c r o c o m p 瑚s o rs u p e r c h r g e r m o m e n to fl 聃硝叠 i v o l u t e 柚g l e a n t i r o t a t i o nm e c h a n i s m i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名刁静恕奄 日期：7 “召年乌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 日期舢眸6 月fo 日 ， 日期：7 硼8 年月p 日 2 o m p ) 2 2 车辆用发动机的增压方式 1 机械增压 结构：机械增压器由发动机曲轴经齿轮增速器驱动，或由曲轴齿形传动带轮 经齿形传动带及电磁离合器驱动 特点：机械增压能有效地提高发动机功率，与涡轮增压相比，其低速增压效 果更好。另外，机械增压器与发动机容易匹配，结构也比较紧凑。但是，由于驱 动增压器需消耗发动机功率，因此燃油消耗率比非增压发动机略高。 2 气波增压 结构：由曲轴经传动带驱动气波增压器转子，利用排气压力波使空气受到压 缩，以提高进气压力。 特点；气波增压器结构简单，加工方便，工作温度不高，不需要耐热材料， 也无需冷却。与涡轮增压相比，其低速转矩特性好，但是体积大，噪声水平高， 安装位置受到一定的限制。目前，这种增压器还只能在低速范围内使用。由于柴 油机最高转速比较低，因此多用于柴油机上。 3 废气涡轮增压 利用发动机排出的废气能量来驱动增压器的涡轮，并由涡轮带动压气机工作 车用双侧涡旋增压器的设计研究 称为废气涡轮增压。废气涡轮增压器为一单独的附件，只与发动机之间有气动联 系，没有机械联结。随着发动机负荷及转速的变化废气涡轮增压器的工作参数也 自动地改交，达到新的平衡状态；而压气机所消耗的功率完全由涡轮提供，不再 消耗发动机本身的功率，从而有助于提高发动机的经济性。当发动机功率由于采 用废气涡轮增压而提高3 卜4 0 时，它的燃油比消耗量可降低5 左右。当增压压 力较高时，可在压气机出口与发动机进气管之间装置中冷器，以降低进入发动机 的空气温度。 废气涡轮增压发动机在高原或高温地区工作远比不增压的发动机功率下降要 小得多。另外，废气涡轮增压器还可降低发动机的噪音及废气中的有害成分。 4 复合增压 在增压系统中既采用废气涡轮增压，又采用机械增压；无论两者是串联或并 联的形式，都称为复合增压。 在串联增压时，第一线是废气涡轮增压，第二级是机械增压，以保证低转速 和低负荷时发动机仍有必要的增压扫气压力。美国a v c r 一1 3 6 0 坦克柴油机采用 了这种增压方式在二冲程柴油机上也多用这种增压方式。 并联增压则利用机械增压补充废气涡轮增压供应不足的空气量。 此外，还有一种称为机械传动的涡轮增压复合系统。发动机的曲轴与废气涡 轮的轴用机械联结。当涡轮功率小于压气机所需功率时，经过齿轮系统由发动机 给涡轮补充能量；如果两者平衡时，机械传动脱开，使发动机的机械效率提高。 这种方案常在一些二冲程发动机上采用，如日本l o z f 坦克柴油机就采用这种方案。 2 3 涡旋增压器的研究 1 废气涡旋增压 目前关于涡旋增压器的结构设计方案主要有两种，一种是废气涡旋增压器【4 4 1 ， 另外种是机械涡旋增压器。废气涡旋增压器结构简图如图2 1 所示，图中上半部 分主要有静涡旋盘l 和动涡旋盘9 组成空气压缩机的压气腔，其中2 为压气机的 排气口，3 为压气机的吸气口；下半部分主要有静涡旋盘6 和动涡旋盘9 组成膨胀 机的工作腔，其中8 为膨胀机的进气口，7 为膨胀机的出气口，5 为防转机构，主 要是用来防止动涡旋盘的自转。 废气涡旋增压器的原理如下：从内燃机内排除的高温废气通过膨胀机进气口 进入膨胀机的工作腔，形成封闭容积后开始膨胀作功，随着封闭容积的逐渐向外 移动，工作腔容积扩大，压力和温度逐渐降低，最后通过膨胀机排气口排出车外。 由于在这一过程中，会推动涡旋盘作公转平动，所以它另外一侧的压气机也将跟 着工作，新鲜空气通过压气机的吸气口进入压气机的工作腔内，形成封闭的容积 腔，随着动涡旋盘的运转，容积腔逐渐变小，一同时压力和温度逐渐升高，最后进 1 4 硕士学位论文 过压缩机排气口将压缩后的空气送入内燃机。因此在整个过程中，压缩机所消耗 的功，全部有膨胀机来提供，不需要在额外消耗功耗。 废气涡旋增压器系统使用发动机的废气作为动力来工作的，因此它几乎不浪 费发动机的功率( 实际上废气膨胀推动压气机工作，会增大发动机的排气背压， 也会造成功率的损失，由于比较小，故忽略) ，但是废气涡旋增压器的散热效果差， 因为它是由废气膨胀带动涡旋增压器，而废气都是高温气体，因此它的热量会传 给涡旋压气机，使得热量无法导出温度过高会使空气密度减少，即空气密度比的 上升远小于压比的上升，从而起不到预想的增压目的，必要的冷却系统的设计研 究是此增压器实用化的关键所在。 i23 9876 4 图2 1 废气涡旋增压器 1 静涡盘2 压气机排气口3 压气机吸气口4 螺栓 5 十字滑环6 静涡盘7 一膨胀机排气口8 膨胀机进气口9 一动涡旋盘 2g 增压器 机械涡旋增压器是通过皮带直接与发动机曲轴上的皮带轮相连，利用发动机 带动涡旋增压器动涡旋盘的运动，产生增压空气送入内燃机内，它的进气转子直 接与发动机曲轴驱动，所以只要发动机一起动，它就能起作用。现有的机械涡旋 增压器( 德国一g 型增压器) 作为增压器，比较典型的是汽车发动机用增压器， 德国大众公司在这方面进行了大量的探索，开发成功了著名的g 增压器，使得发 动机的功率提高了3 5 。涡旋增压装置在9 0 年代以后又被谷轮公司制造成医用空 气动力源，效果也比较理想，这类装置的共同特点是气体流量大，但压力比低， 一般不超过2 ：它的结构如图2 2 所示，该增压器有两个固定的静涡旋盘和一个动 涡旋盘组成，在动涡旋盘的左右两侧具有型线相同的涡旋齿，螺旋叶片的型线是 由两个接在一起的半圆构成 4 5 1 ，当机器运转时，动涡旋盘每旋转一周将形成8 个 车用双侧涡旋增压器