（电气工程专业论文）内燃机车增压器轴承保护装置的研究.pdf

j e 塞窑垣太堂童些亟堂鱼论塞垦! 曼至 a b s t r a c t a b s t r a c t ：l o c o m o t i v es a f e t yi st h ek e yt ot r a f f i cs a f e t y ，a sl o c o m o t i v ee n g i n e ”l u n g ”s u p e r c h a r g e r , i st h ek e yt ol o c o m o t i v e t or e d u c el o c o m o t i v ef a u l tr a t ea n d i n c r e a s et h eu s eo fe f f i c i e n c yo fl o c o m o t i v es a f e t y , g r a s pl o c o m o t i v es u p e r c h a r g e rs t a l t w i t ht h er e l e v a n td e p a r t m e n t st o s t r e n g t h e nt h eo r g a n i z a t i o ns u p e r c h a r g e rf a i l u r e a n a l y s i s ，g r o p i n go v e r h a u l ，m a i n t e n a n c e ，f o r m u l a t i n gp r e v e n t i v em e a s u r e s ，a n dt h ej o i n t r e s e a r c hd e v e l o p e d ”j z b 一1d i e s e ls u p e r c h a r g e rl o c o m o t i v eb e a r i n gp r o t e c t i o nd e v i c e ” a n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s 皿ed e v i c em a i n l yc o m p o n e n t sb yt h es p e e ds i g n a ls a m p l i n gc i r c u i t c p uc o n t r o l c i r c u i t , d c d cp o w e rm o d u l e s ，s o l i ds t a t er e l a yo u t p u tc i r c u i t w h e nt h es y s t e m r u n n i n g , t h ed i e s e le n g i n es p e e da u t o m a t i ca c q u i s i t i o no fs t a t es i g n a li n p u ti n t o m i c r o p r o c e s s o r , t h e nt h ec p uj u d g ed i e s e le n g i n ec o n d i t i o n , w h e naj u d g ec p us p e e d d i e s e l i n gt ol e s st h a n1 5 0 | t i m e - o f - u s ea n dc o n t r o l l i n gp r o c e d u r e si s s u e di no r d e rt o c o n t r o lr e l a y s ，s u b s e q u e n t l yq b cc o n t a c t o rc o n t r o lm o v e m e n t i n g , s t a r t i n gq b dm o t o r r u n n i n gt i m e l y , t h a tt u r b o c h a r g e rb e a r i n g so i lp r e s s u r e , t oo v 部c o m et h et u r b o c h a r g e r b e a t i n g so i lo p e r a t i o n s c i r c u i ts e tu paw a t c h d o gc i r c u i ti no r d e rt ot h ec p ur e d u e t t i m d y ，a n de n s u r eu n i n t e r r u p t e dw o r kc i r c u i t b ya t 8 9 c 2 0 51 2 4 p la c c o r d i n gt ot h e s p e e dw h e t h e rc h a n g e s ，s c md e t e r m i n ew h e t h e ro u t p u ti nt h es p e e dl1 0 vv o l t a g e w h e nt h ed i e s e le n g i n es p e e ds i g n a lf e l lf r o m4 0 0 r m i nt o15 0 r m i n , s c mc o n t r o ls o l i d s t a t er e l a ys i m i l a r i t y , o r t r l u t + 11 0v o l t a g et ot h eq b c ，t h e nq b cc o n t a e t o rc o i lt o m o v ea n dm a i n t a i n2 m i n u s i n gs c mm a x 8 1 3 lw a t c h d o gc i r c u i tm o n i t o r i n gt ow o r k , w h e nw o r ki sn o tn o r m a l ，s c m ，m c ur e s e tt ow o r k i na d d i t i o n , as e l f - t e s tb u t t o no n t h ed e v i c ec a nd e t e c tw h e t h e rs c mi sn o r m a l 。 k e y w o r d s ：d i e s e ll o c o m o t i v e s ；s u p e r c h a r g e r ；a x l e t r e e ；p r o t e c t i o nd e v i c e c l a s s n o ：u 2 6 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月 e t签字日期：年月 e t j e 立窑垣友堂主些亟堂焦迨塞塾剑丝直明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年 月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘明光教授的悉心指导下完成的，刘教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢刘明光老师 对我的关心和指导。 感谢济南铁路局领导和路局干部处及原青岛分局干部分处的所有同志，是他 们以超前的眼光和极大的魄力完成了与北京交通大学的合作，给我们创造了一个 继续深造和发展的良好机会。也感谢段领导和各有关科室领导及同事们对我学习 的支持和在工作上的帮助。 感谢电气工程学院的各位老师，是他们不辞辛苦为我们授课讲解，使我们的 学业得以顺利完成。 感谢路局科研所的领导和工程师们在现场工作及撰写论文期间对我的技术指 导。黄歆高级工程师作为我的厂内指导教师从论文的选题和现场的实践都给予我 极大帮助，在此特向他表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们为我的学习付出了很多，他们的理解和支持使我 能够顺利完成学业。 j b 基窑垣鑫堂童些亟堂僮j 金塞i l直 1 1 柴油机发展趋势 1 引言 柴油机是目前世界上应用最广泛的一种动力机械。其使用范围之广，数量之 多，消耗原材料如消耗的燃油量，均居很大比重，对我国国民经济具有举足轻重 的影响。 纵观国外柴油机的现状和发展趋势不难看出西欧和日本等国家在日新月异的 发展，新的柴油机产品不断面市。这些机型的共同特点是性能更为优越和结构更 新颖。表现在发动机转速和强化程度的提高，转矩特性的完善，燃油消耗率的降 低，可靠性好，使用寿命长，废气有害排放成分和噪音低等。结构方面则突出整 机布置更紧凑，零部件在保证强度和刚度的前提下更为轻巧。新材料、新工艺及 新结构层出不穷，这种趋势必然给我国柴油机工业带来积极的影响，将推动我国 柴油机技术的进步。“七五”以来，我国从国步l - 2 j i 进了一批性能先进、结构新颖的 柴油机，这对于提高我国柴油机工业的整体水平也起了促进作用。 自从发明内燃机一百余年以来，在设计、制造和使用内燃机等方面取得了巨 大的进展。其热效率高、经济性好、动力性优、可靠耐久，以及机型之多是其它 热机不可相比的。近五十年来，由于内燃机增压技术的发展和电子计算机技术的 广泛应用，以及新技术、新材料和新工艺的采用推广和可靠性不断提高、开发和 制造技术的迅速发展，其动力经济性、耐久性和可靠性不断提高，升功率上升， 比质量下降。 随着改革开放方针的贯彻执行，通过引进技术和产品开发，我国柴油机的质 量和技术水平有了长足的进步，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 能耗得到进一步降低。这主要通过老产品的改革提高和开发新的节能节材 型柴油机。淘汰一些耗能高的落后产品。自1 9 8 1 年抓节能工作以来，使中小功率 柴油机的燃油耗平均降低了6 8 1 3 6 9 ( k w h ) ，机油耗平均降低了1 5 - 2 2 9 ( k w h ) 。 ( 2 ) 可靠性工作提到了重要的日程上来。 ( 3 ) 增压技术推广应用有了新的进展。通过技术引进和自行开发，发展了效率 高的涡轮增压器。 ( 4 ) 环保指标有了改善。新开发的产品对烟度、有害气体成分、噪声等指标都 提出了更为严格的要求。 j e 立奎重盔堂童、业亟堂僮诠塞i l直 ( 5 ) 节材工作有了新的进展。新开发研制的柴油机强化程度都有了提高，比质 量降低。 ( 6 ) 产品品种有了较大增加。 就行业目前生产的总体情况而言，我国的水平还远远落后于国外同类产品水 平。差距主要表现在： ( 1 ) 燃油消耗率高。我国多缸柴油机燃油耗为2 2 0 2 7 0 9 ( k w h ) ，国际先进水 平则在2 0 0 - 2 5 8 9 ( k w h ) ，一般比国外高1 0 1 5 9 ( k w h ) 。 ( 2 ) 增压技术推广应用缓慢。增压是大中缸径柴油机实现强化、节能节材、改 善环境污染、扩大功率覆盖范围的主要措施。 ( 3 ) 可靠性差，寿命短。目前国产柴油机无故障间隔时间仅为3 5 0 5 0 0 h ，国外 则为1 5 0 0 2 0 0 0 5 。 ( 4 ) 排放、烟度和噪声等环保指标均比国外差。 ( 5 ) 国产柴油机的比质量与国外相比差距较大。 ( 6 ) 基础件、配附件质量差，专业水平低。 目前，世界上发达国家的柴油机发展趋势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 计算机及测试技术的发展，对柴油机产品设计产生很大的变革。由传统的 类比设计，上升到利用计算机进行柴油机系统仿真、零部件结构分析、模态分析、 优化设计及可靠性设计等。 ( 2 ) 开展燃烧系统研究，使供油系统与燃烧室、进排气系统达到最佳配合，以 降低燃油消耗率，减少工作粗暴和排放。 ( 3 ) 采用增压技术，对提高功率、降低燃油耗及减低排放、噪声等方面均有显 著的效果。 ( 4 ) 应用电子技术。以微电脑为中心的电子技术，在产品设计研究、测试、制 造方面均已普遍应用，应用电子调速系统取代传统的机械或液压调速系统，燃油 电子喷射系统取代传统的机械喷射系统，己步入实用阶段：应用电子控制配气系 统取代传统的机械凸轮控制配气系统己在小型柴油机得到应用；计算机辅助制造、 计算机辅助试验、计算机辅助工艺设计技术发展迅速。 ( 5 ) 高柔性、高自动化制造技术。 ( 6 ) 应用研究新材料、代用燃料。 从世界范围来看，巨大的运输增长使公路运输和航空运输，己达至运输能力 的极限，尤其在较发达的国家中更是如此，因而给了铁路运输以新的活力和机遇。 在我国和其它的一些亚、非国家中，铁路运输则一直保持着重要的地位，并且由 于它的无法比拟的经济性和巨大的运输能力的优越性，铁路运输将仍然具有十分 巨大的潜力。 2 些塞銮垣盘堂童些亟堂焦丝塞 l直 世界各国的铁路运输大都采用内燃机车或电力机车，除欧洲因电力充足、工 业发达、人1 ：3 集中、路程短，大都采用电力机车外，亚洲、美洲、非洲和澳大利 亚则不同，因地域辽阔，发达地区与发达地区之间距离很远，所以多采用内燃机 车。 对于我国，虽然近年来电力牵引发展十分迅速，但内燃机车在我国铁路运输 中仍占有主导地位，全路内燃机车拥有量高达1 2 0 0 0 多台。 我国内燃机车的动力装置均采用四冲程废气涡轮增压柴油机。其主要机型为 2 4 0 系列和2 8 0 系列，另有少量的1 8 0 系列。 柴油机是内燃机车的心脏，随着铁路运输向“客运高速化、货运重载化”方 向发展，对机车柴油机提出了更新更高的要求。所以机车柴油机正不断更新和发 展。 当今，机车柴油机的发展趋势主要表现在追求下列技术指标： ( 1 ) 高的柴油机总效率。即为获得较低的运用费用，应达到更低的燃油消耗率， 而它的实现近年来主要是靠不断改善柴油机的增压系统来实现的。 ( 2 ) 高的柴油机比功率。以降低投资费用，使其造价更低，并减小柴油机所占 的空间。 ( 3 ) 为了获得较低的燃油费用和运营成本，要改善作功能力，并燃用劣质燃油。 ( 4 ) 为保证其具有较长的运用周期和较少的维修费用，应尽可能减少磨损和延 长检修周期。 ( 5 ) 在所有的工况条件下，柴油机应有较高的可靠性，以防止发生故障而引起 的额外费用。 ( 6 ) 提高柴油机的柔性。即在柴油机运用条件变化时，动力装置也能最经济地 运转。 1 2 增压器技术发展概况 发动机增压器最早应用于航空业，它可以在不增加引擎排气量的前提下，通 过引擎自身的力量来驱动一个增压器，将更高密度的空气送入汽缸内，从而大幅 提升引擎的输出功率，这项技术的发明使得发动机能够尽可能地轻量化，同时又 保持了相对较低的燃油消耗。随着增压技术的不断成熟，现在已经发展出机械、 涡轮、复合式、惯性增压等多种增压器，不过比较常见的还是机械增压器与涡轮 增压器。 ( 1 ) 机械增压器 其实最早的增压器基本上都是机械增压，所以在刚发明时都被称为 s u p e r c h a r g e ( 超级增压器) ，后来涡轮增压器问世了，为了区分两者，大家就开始 管涡轮增压器0 q t u r b o 。机械增压的驱动力来自引擎本身，一般都是由曲轴的运转 来驱动一个增压器，从而达到增压的目的。不过由于构造复杂，所以很少有人自 己改装机械增压。上世纪6 0 年代涡轮增压技术出现以前，机械增压是当时发动机 的主流增压技术。早在2 0 年代的赛车上就使用了该项技术来提高动力输出。机械 增压的压缩机直接被发动机的曲轴带动，它的优点是响应性好。但是它本身需要 消耗一部分能量，因此机械增压不能产生特别强大的动力，尤其是在高转速时， 因为它会产生大量的摩擦，损失能量，从而影响到发动机转速的提高。 ( 2 ) 涡轮增压器 说到涡轮增压器，它已问世了1 0 0 多年了，可也就是近1 0 年才被人们常常提 到。在1 9 0 5 年，s u l z e rb r o t h e r sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t 公司的a l f r e db u c h i 博 士申请了第一款涡轮增压器的专利动力驱动的轴向增压器，1 9 1 1 年在瑞士的 w i n t e r t h u r 增压器厂开工，在1 9 1 5 年制造出了原型航空器发动机增压器，利用发 动机废气驱动，主要目的是用来克服高海拔稀薄空气对动力的负面影响。 早在1 9 1 9 年，美国通用电气公司制造的增压器将飞行器升到了一万米高空。 当时的人们还没有完全认识到增压器的潜力，直到1 9 3 8 年第一款带增压的卡车发 动机面市。 虽然b u c h i 是涡轮增压器之父，可g a r r e t t 将它广泛推广。到了1 9 6 1 年，小轿 车才开始试探性地安装增压器，首先出现在o l d s m o b i l ef 8 5 上，并在1 9 6 2 年上市。 使用了增压技术的o l d s m o b i l ej e t f i r e 3 5 升v 8 发动机达到了2 1 5 马力，而非增 压的最好成绩只有1 8 5 马力。对于轿车，2 0 世纪7 0 年代是涡轮增压器的一个转折 点。带增压的p o r s c h e 9 1 1 于1 9 7 5 年面市。1 9 7 7 年s a a b9 9 又将涡轮增压器技术传 播得更广泛，使2 升发动机的动力性能与3 升发动机基本相同。接着是奔驰3 0 0 d t u r b o ，它的动力性能给人留下了很深的印象。 涡轮增压器能够提供更好的燃油经济性，因为增压会给燃烧室提供更多的空 气，使燃烧更彻底，排放更干净。对于汽油机，有涡轮增压器后，c 0 2 的排放与 相同功率的自然吸气发动机相比要少1 0 - 2 0 。在高海拔地区也能满足空气供给， 在冷启动时能使三元催化更快进入工作等。 今天在欧洲，涡轮增压器已经占到了5 0 ，在亚洲、美国也都在增长。由于 涡轮增压器的采用，也改变了人们对柴油机的看法，涡轮增压器已经成为提高动 力性能的主流方向。随着新的耐高温材料、新的平衡技术和微量润滑油轴承系统 及全新电子控制的使用，涡轮增压器对于2 1 世纪的汽车将起着重要的作用。 目前国内、外生产的机车柴油机几乎都已采用增压系统。 为了提高机车柴油机的功率，又不使柴油机的重量和体积随之增大，就需要 4 不断提高单位气缸容积所发出的功率，即所谓升功率。通过增大进入气缸的空气 密度来提高平均有效压力是提高柴油机功率的一条有效途径，它可以成倍地提高 功率并改善柴油机的各项经济技术指标。于是，通过增压提高进入气缸的空气密 度对柴油机来说是一个必然趋势。随着机车柴油机的发展，增压技术及其增压系 统对柴油机也就显得越来越重要了。 1 3 课题的背景和意义 增压器故障是制约各内燃机务段机车质量提高的瓶颈问题，在增压器故障中， 增压器轴承烧损又是件数最多的故障。柴油机增压器轴承惯性烧损问题，主要原 因是增压器轴承在缺油或无油润滑状态下的干摩擦惯性转动造成的，尤其是柴油 机在高负荷时，增压器的转子转速可达2 5 0 0 0 2 9 0 0 0 转分，柴油机因故突然停机， 主机油泵随即停止供油，机油压力降低，温度剧升，而增压器转子由于惯性仍在 高速、高温状态下飞速转动2 3 分钟才会停止，这段时间内轴承就处在高温、无 机油润滑的干摩擦状态，在这样恶劣的环境中高速转动，势必造成轴承严重的破 坏，出现拉伤、积碳、过热变形、支架破坏等问题，并伴有强烈异音、异味及机 体颤动，这就会为增压器转子的正常工作埋下隐患，随着运用时间的推移，就会 发生增压器转子、轴承固着烧损，甚至过热固死而出现故障，造成机破事故，影 响正常的运输生产，造成交路阻塞，影响其它交路的正常运转，尤其是造成客车 途停，会带来不良社会影响。同时因配件破损也增加了机车配件及设备维修费用， 增加了检修人员的劳动量。 为了解决内燃机车增压器轴承惯性烧损的问题，各机务段都开展了技术攻关， 并制定了相应的技术措施：如4 次、8 次小修时吊修增压器，下车增压器按中修范 围进行检修：增加更换滑油粗滤器滤芯和增压器机油滤清器滤芯的次数；启机前、 停机后闭合3 k 启动辅助滑油泵向柴油机和增压器供油不少于2 m i r a 更换波纹管 衬套；加装内燃机车增压器轴承保护装置：研制增压器故障诊断仪等。 因此，开展内燃机车增压器轴承保护装置的研制意义重大，可以有效地防止 机破故障的发生，确保铁路运输生产的正常进行。 1 4 本文的研制任务 本文以东风型内燃机车为例，对机车上的增压器轴承保护装置进行研究。本 文主要内容如下： 第一章对内燃机车的柴油机及增压器国内外情况进行分析研究。 韭宝銮适太堂童些亟堂鱼论 塞i l直 第二章首先介绍增压器的基本原理，主要讨论了涡轮增压、氮气增压、机械 增压以及气波增压。 第三章对增压器轴承保护装置进行了设计，其中包括：单片机部分，看门狗 电路，电源模块，参数设置电路，电压输出电路，信号采集整形电路部分，装置 与外部的连接线部分，面板定义等其他部分电路。 第四章介绍了系统安装与调试，重点讨论了系统的安装过程及系统的运用。 1 5 本章小结 本章对柴油机的发展，柴油机增压技术的发展进行了简要综述，明确了增压 技术的发展为柴油机的发展带来了广阔的前景，同时也指出，增压柴油机特别是 增压比较高的增压柴油机，在柴油机因故突然停机，增压器轴承在缺油或无油润 滑状态下的干摩擦惯性转动，势必造成轴承严重的破坏等急待解决的课题。 6 j e 峦銮道盔堂童些亟堂僮论塞擅匿墨鲍绮掏厦堡 2 增压器的结构原理 众所周知，车辆发动机是靠燃料在发动机气缸内燃烧从而对外输出功率。在 发动机排量一定的情况下，若想提高发动机的输出功率，除了多提供燃料燃烧， 就是提供更多的空气。 增压技术是一种提高发动机进气能力的方法。它通过采用专门的压气机，预 先对进入气缸的气体进行压缩，提高进入气缸的气体密度，增大进气量，更好地 满足燃料的燃烧需要，从而达到提高发动机功率的目的。 所谓增压是指提高柴油机吸入气缸新鲜空气的压力，即提高空气比重，这样 可以喷入更多的燃油，与新鲜空气充分混合，得到充分燃烧而提高平均有效压力， 以增大柴油机的功率输出和提高经济性。增压系统是指实现增加进入气缸的空气 压力，即提高空气比重的一个系统。 增压系统分为机械增压、废气涡轮增压、气波增压、复合增压。 1 、机械增压系统：这个装置安装在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接， 从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气支 道里。其优点是涡轮转速和发动机相同，因此没有滞后现象，动力输出非常流畅。 但是由于装在发动机转动轴里面，因此还是消耗了部分动力，增压出来的效果并 不高。 2 、气波增压系统：利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。这种系统增压性 能好、加速性好但是整个装置比较笨重，不太适合安装在体积较小的轿车里面。 3 、废气涡轮增压系统：这就是我们平时最常见的涡轮增压装置了，增压器与 发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。 它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的 叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。一般而言， 加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大2 0 - 3 0 。但是废气涡轮增压 器技术也有其必须注意的地方，那就是泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子， 发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。 增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工 作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见 的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承， 由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。 4 、复合增压系统：即废气涡轮增压和机械增压并用，这种装置在大功率柴油 机上采用比较多，其发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，只是结构太复 杂，技术含量高，维修保养不容易，因此很难普及。 7 j 塞窑亟太堂童些亟堂鱼迨塞缰匿噩的缝翅厦堡 2 1 涡轮增压 涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩。 一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增压器的时候相比可以增2 1 4 0 甚至更高。 发动机是靠燃料在汽缸内燃烧作功来产生功率的，由于输入的燃料量受到吸 入汽缸内空气量的限制，因此发动机所产生的功率也会受到限制，如果发动机的 运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入汽缸来 增加燃料量，从而提高燃烧作功能力。因此在目前的技术条件下，涡轮增压器是 唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。 不过在经过了增压之后，发动机在工作时候的压力和温度都大大升高，因此 发动机寿命会比同样排量没有经过增压的发动机要短，而且机械性能、润滑性能 都会受到影响，这样也在一定程度上限制了涡轮增压技术在发动机上的应用。 ( 1 ) 涡轮增压的原理 涡轮增压装置其实就是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加发动机的进气 量，一般来说，涡轮增压都是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的 涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增 压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就 压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增 加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。 ( 2 ) 涡轮增压的优缺点 涡轮增压的优点是显而易见的，在不增加发动机排量的基础上，可大幅度提 高功率和扭矩，其输出的最大功率大约可增加4 0 。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。 诚然，涡轮增压的确能够提升发动机的动力，不过它的缺点也有不少，其中 最明显的就是动力输出反应滞后。另外，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。这就是至今为止，增压技术在汽油机上得不到广泛应用 的主要原因。 优点：在不增加发动机排量的基础上，可大幅度提高功率和扭矩。 缺点：涡轮工作有迟滞现象，并且保养费用高。 ( 3 ) 废气涡轮增压器的结构 从柴油机气缸排出的高温高压的废气，进入废气涡轮中继续膨胀作功，然 后带动压气机旋转，空气经压气机压缩，压力升高，再经中间空气冷却器冷却， 使增压后的空气温度降低，密度增大后才进入气缸。由于涡轮与压气机连成一体， 所以这种增压器称为废气涡轮增压器，又由于涡轮增压器与柴油机之间没有任何 机械联系，仅靠柴油机排出的高温高压废气推动旋转，因此这种增压方式称为废 气涡轮增压。 废气涡轮增压器一般由单级离，t l , 式压气机和单级轴式涡轮机或径流式涡轮机 组成为机组，并分别称为轴流式废气涡轮增压器和径流式废气涡轮增压器。压气 机和涡轮机二者的工作轮装在同一根轴上，称为转子，转子由发动机排出的废气 驱动。这种涡轮增压器工作的条件，除压气机和涡轮机的转速相同外，在任何工 况下其效率也是相同的。 现在东风4 、东风5 、东风8 系列内燃机车上全部采用废气涡轮增压器，现简单 介绍一下东风4 c 型内燃机车使用的增压器结构。 东风4 c 型内燃机车柴油机采用江津增压器厂引进瑞- 士a b b 公司技术生产的 v t c 2 5 4 1 3 型增压器或天津机车车辆工厂生产的z n 2 9 0 型增压器。两种增压器的结 构相同。 该型增压器在结构上具有下列特点： 1 、内置式浮动套型滑动轴承，2 个轴承分别置于涡轮与压气机叶轮的内侧。 内置式布置轴承使增压器在轴向上有紧凑的结构，燃气进气壳不须冷却，可获得 小的外形尺寸，并可使压气机叶轮前有足够的进气道长度，以保证气流尽可能均 匀、平稳地进入叶轮。 浮动套型滑动轴承可以适应恶劣的工作环境，如机车动力间的较高环境温度 等。 2 、采用高效率的压气机 ( 1 ) 压气机采用后弯式叶轮，它具有低的噪声水平，良好的部分负荷和加速 度性能，宽广的压气机特性，叶轮叶片负荷小，使气流稳定并进入叶轮后稍有降 速。 ( 2 ) 导风轮采用长、短叶片，并优选了叶片的进口角。 ( 3 ) 优化了叶轮罩壳的型面设计，使压气机叶轮的子午面流道与扩压器有良 好的匹配。 3 、维修方便 ( 1 ) 工作时只需很少的照看。 ( 2 ) 大修时拆装方便，各部分零件易处理。 4 、涡轮壳体带有水冷夹层。冷却水的出口处的节流孑l , - - i 调节冷却水量。进、 出水温差约为8 l o c ，只要水腔内不产生蒸气，冷却水的允许温度可大于l o o c ， 水压允许高压，但不得超过o 4 7 m p a 。 9 j e 塞銮重盔堂主些亟堂焦垃塞缰匡墨笪缝翅厘垄 ”c 2 5 4 1 3 型增压器的总体布置图如图2 - 1 所示，涡轮增压器由压气机、涡轮 以及中间支撑体、燃气进排气壳、压气机进出气壳等构成。涡轮靠废气推动旋转、 经转子轴驱动压气机工作。压气机用于压缩空气，提高空气密度。中间体则起支 撑、密封、冷却、润滑等作用。 压气机部分由吸气弯头、导流壳、叶轮罩壳、导风轮、压气叶轮、扩压器、 蜗壳等构成。 涡轮部分由涡轮进气壳、喷嘴环、涡轮叶片、涡轮出气壳等构成。 增压器采用内置轴承，两个轴承布置在涡轮与压气机叶轮内侧，轴承组成如 图2 2 、2 - 3 所示。 图2 一lv t c 2 5 4 一1 3 型增压器结构图 卜消音器总成；2 一导风轮；3 一压气机叶轮：4 - 轴承座总成：5 - 转子轴；6 一空 气吸气弯头总成；7 一蜗壳；8 一扩压器总成；9 - 压气机端轴承总成；l o 一燃气 排气壳；1 1 一涡轮端轴承总成；1 2 一涡轮叶片：1 3 一喷嘴环；1 4 一燃气进气壳。 t o j b 廛窑道盔堂童些亟堂焦边塞增匡墨的结翅厘堡 图2 - 2 压气端轴承组成 卜油封环：2 一油封盖：3 一螺栓；4 锁紧垫片；5 一辅助轴承：6 - - 浮动套；7 一滑 动轴承；8 一推力轴承。 图2 - 3 涡轮端轴承组成 卜螺栓；2 一轴承座；3 一浮动套；4 一垫圈；5 一油封环；6 一油封盖；7 - 端盖 增压器的内支撑为悬臂式布置，转子支撑在压气机端和涡轮端的两个径向轴 承上。涡轮端轴承为单一的径向轴承，靠螺钉定位在轴承座上。压气机端由径向 轴承和推力轴承组成，具体结构为：径向轴承由螺钉定位在轴承座上：止推垫板、 推力轴承体、推力轴承端板和导流罩用螺栓固定在轴承座上；承受轴向力的主、 辅止推轴承，装于轴承座内侧的推力轴承端板与止推垫板间。这一结构具有紧凑、 体小、拆装方便的特点。 增压器的油封，采用活塞环结构。压气机端轴承的滑油密封由油封圈、安装 在油封圈上的弹性密封圈和甩油盘构成。涡轮端轴承的滑油密封由主轴的反螺纹 油封槽与气封圈内圆面构成。 增压器的气封，压气机端由气封圈和压气叶轮背面所组成的径向迷宫式气封 构成，涡轮端由气封圈的迷宫式气封槽与涡轮盘内侧凸肩构成。 j e 塞銮道太堂童些亟堂焦途塞擅匡墨的结趋厘堡 增压器的冷却，涡轮的冷却由涡轮出气壳承担。出气壳为双层水冷结构，主 要靠冷却水冷却，滑油兼作轴承冷却。 2 2 氮气增压 氮气增压不是靠提高空气密度获得高效率，而是靠汽油在氮气中的高燃烧值， 提高输出，所以原理上是完全不一样的，涡轮增压压缩的是空气，空气取之不尽 用之不绝，但是氮气增压的氮气是储存在钢瓶中的，数量有限，因此只能提供短 暂的爆发力，但这种爆发力确实是惊人的。 2 3 机械增压 机械增压其实是一种以马力换马力的装置。它是以发动机本身轴的转动带动 机械增压，从而换取马力，成本较高。 机械增压的最大优点是加速时没有时滞。它在很低转速时也可获得增压力。 因为增压器的启动与曲轴的转速同步，所以动力的输出更线性。机械增压引擎的 动力反应会随着转速的提高随之增强，因此机械增压引擎的操作感觉与自然进气 引擎的更为近似。但缺点是在高速后，机械增压由于是靠曲轴来驱动，所以反而 会损失一部分动力。不过，现在一些厂家又发明了双增压器，低速用机械增压， 高速后用涡轮增压器，这样就更好地解决了这一问题。 机械增压虽然消耗一部分机械能，但排气顺畅，没有迟滞且能根据发动机的 运转负荷变化增压大小，与产生的功率相比基本上可以不用计较。 机械增压在机车上的应用也较少，因为它的增压范围只应用在不超过0 1 5 7 0 1 6 7 l p a ，如增压压力再高，压气机所消耗的驱动功率很大( 超出指示功率的1 0 ) 造成整机的机械效率下降，油耗增加，所以机械增压多数用在小功率或二冲程柴 油机上，如东风型机车的动力装置二冲程的i o e 2 0 7 j 型柴油机即采用了机械增压系 统( 罗茨泵) 。 2 4 气波增压 气波增压器( c o m p r e xs u p e r c h a r g e r ) 是两种气体物质直接接触并通过压力 波来传递能量的压力转换器。它用于内燃机增压时利用内燃机废气能量使进入气 缸的气体增压。气波增压器由空气定子、 机进气管联通，燃气定子与排气管联通。 燃气定子和转子组成。空气定子与内燃 转子由内燃机曲轴通过皮带驱动。 气波增压器的工作原理。当转子转动时，转子上由叶片组成的轴向气道与高 压燃气入口接通，遂产生压缩波。压缩波以声速沿气道传播，并将燃气能量传递给 充满气道内的空气，使其压力和密度升高并向前流动。 气波增压器提供的增压压力在整个内燃机转速范围内变化不大，能量转换过 程也不受转子惯性的影响，因此气波增压器具有良好的速度和负荷响应特性，比 较适合于发动机增压的要求，增压压力与大气压力之比可达2 5 ：1 。但气波增压器 运转噪声大，结构不如涡轮增压器紧凑，故应用尚少。 2 5 本章小结 本章主要介绍了增压器的结构原理。在介绍的同时，着重阐述了涡轮增压器 的原理、优缺点、结构，详细介绍了一种机车用增压器的基本构造、特点。随后， 又简要介绍了其它种类增压器，诸如氮气增压器、机械增压器、气波增压器。 j e 塞窑垣盔堂主些亟堂僮诠毫丕缝结捡遮让 3 系统结构设计 “j z b 1 型内燃机车增压器轴承保护装置”的作用是在柴油机运转中正常或非 正常停机时，该装置自动识别柴油机是正常和非正常停杌，从而给出不同的辅助机 油泵延时工作时间指令，控制辅助机油泵运行9 0 秒或1 2 0 秒，及时给增压器供油， 保证增压器充分润滑，防止在柴油机已经停车而增压器惰转时增压器轴承因缺乏机 油润滑而引起非正常磨损。尤其是在柴油机高负荷运转时，柴油机非正常停机，正 处在高温、高速运转的增压器轴承因缺油容易造成烧损，此时该装置对增压器轴承 起到保护作用。 该装置的特点如下： ( 1 ) 采用单片机控制电路，实时监视柴油机运行状况，程序控制执行机构动作， 智能化程度高。 ( 2 ) 电源模块转换效率高，纹波小，整机抗干扰能力强，可靠性高。 ( 3 ) 该装置不影响机车原有控制逻辑。自动控制辅助机油泵电机q b d 运行、 延时断开。 ( 4 ) 该装置电路采用抗电磁干扰设计，符合铁道部t b t 3 0 2 1 2 0 0 1 铁道机车 车辆电子装置中规定的技术条件。 ( 5 ) 输入信号通过光耦隔离，输出信号采用隔离的无触点固态继电器，不同的 柴油机转速传感器可通过拨码开关进行选择，适用于不同型号的内燃机车。 ( 6 ) 响应时间快，柴油机转速降到1 5 0 r r a i n 以下后，装置立即控制辅助机油泵 工作，改变了依靠乘务人员手动开启辅助机油泵来对柴油机、增压器进行润滑的 工作方式。 ( 7 ) 对柴油机不同转速下停机所需的泵油延时时间进行分别控制，实现分时打 油，提高了保护功能。 ( 8 ) 装置具有自检功能，方便机务部门检修。 ( 9 ) 本装置的核心是单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 ，具有指令多，功能强，速度快等优点。 ( 1 0 ) 备有可供用户选择的参数开口条件：如装置控制辅助机油泵工作所响应 的柴油机转速可根据用户的要求进行调整：可在闭合蓄电池闸刀第一次启机前装 置控制辅助机油泵自动泵油1 2 0 秒。 4 j b 塞銮道盍堂童些亟堂焦迨塞丕统结控遮盐 3 1 工作原理 j z b - 1 型内燃机车增压器轴承保护装置是智能型仪器。使用单片机作为核心控 制部件，实时监视柴油机运行状况，程序控制执行机构动作。该装置主要由单片机 控制电路、参数设置电路、信号采集整形电路、d c d c 电源模块、固态继电器、电 压输出电路、看门狗电路及自检电路等部分组成。其硬件原理框图如图3 1 所示。 图3 1 增压器轴承保护装置原理框图 系统工作时，单片机实时采集柴油机转速信号，判断柴油机工作状态，当判断 出柴油机正常停机、突然停机或其它非正常情况下的停机后，控制程序发出指令控 制固态继电器导通，继而控制q b c 线圈动作，启动q b d 电机运转保证增压器轴承供 油压力，程序设置指令控制q b d 超前启动，并维持运行9 0 秒或1 2 0 秒，从而克服增 压器轴承缺油运转问题。参数设置电路的设计，使本装置可适用于各种型号的内燃 机车。该机具有自检功能。 3 1 1 单片机部分 该部分为装置的核心部分。能够实时监视柴油机运行状况，根据转速变化控制 执行机构动作。本装置单片机采用a t 8 9 c 2 0 5 1 2 4 p i ，根据转速的变化判断是否输出 l l o v 电压。当柴油机转速信号由4 0 0 r m i n 降到1 5 0 r m i n 时，单片机控制固态继电 器g z 4 一l 导通，输出+ ll o v 电压给q b c 线圈使q b c 接触器动作并维持2 m i n 。 j e 塞銮适太芏主些亟堂鱼途塞丕筮结控途让 a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含2 kb y t e s 的 可反复擦写的只读f l a s h 程序存储器和1 2 8b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ， 器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准m c s 一5 1 指令系统， 片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，功能强大的a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机可提供 许多高性价比的应用场合。它具有如下主要特性： 1 和m c s 一5 1 产品的兼容； 2 2 k 字节可重编程闪速存储器： 3 耐久性：1 ，0 0 0 写擦除周期； 4 2 7 v 6 v 的操作范围； 5 全静态操作：o h z 2 4 m h z ； 6 两级加密程序存储器； 7 1 2 8 8 位内部r a m ； 8 1 5 根可编程i 0 引线； 9 两个1 6 位定时器计数器； 1 0 六个中断源； 1 1 可编程串行u a r t 通道； 1 2 直接l e d 驱动输出； 1 3 片内模拟比较器； 1 4 低功耗空载和掉电方式。 a t 8 9 c 2 0 5 1 是一个功能强大的单片机，但它只有2 0 个引脚，1 5 个双向输入输出 ( i o ) 端口，其中p 】是一个完整的8 位双向i 0 口，两个外中断口，两个1 6 位可编 程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。 同时a t 8 9 c 2 0 5 1 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能， 系统的唤醒方式有r a m 、定时计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继 续工作状态。省电模式中，片内r a m 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作， 直至系统被硬件复位方可继续运行。 k r 8 9 c 2 0 5 1 有2 0 个引脚，引脚如图3 2 所示： 田 陬o c 曲陬1 x 讯上 】u 心嬲2 心i 1 1 ) 陬3 陬4 m 帆5 o d 图3 2a t 8 9 c 2 0 5 1 的外结构图 a t 8 9 c 2 0 5 1 芯片的2 0 个引脚功能为 1 v c c ：电源电压。 2 g n d ：地。 黜 7 6 5 4 3 2 1 0 7町凡凡凡凡凡凡凡凡忍 j e 塞至迪盔堂童些亟堂僮丝塞丕统绮捡遮盐 3 ，p 1 口：p l 口是一8 位双向i o 口。口引脚p 1 2 p 1 7 提供内部上拉电阻。p 1 o 和p 1 i 要求外部上拉电阻。p i 0 和p 1 1 还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入 ( a i n o ) 和反相输入( a i n lop l 口输出缓冲器可吸收2 0 m a 电流并能直接驱动l e d 显示。当p l 口引脚写入“1 ”时，其可用作输入端。当引脚p 1 2 p 1 7 用作输入并 被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。 p l 口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。 4 p 3 口：p 3 口的p 3 o p 3 5 、p 3 7 是带有内部上拉电阻的七个双向加引脚。 p 3 6 用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用i o 引脚而不可访问。 p 3 口缓冲器可吸收2 0 m a 电流。当p 3 口引脚写入“1 ”时，它们被内部上拉电阻拉 高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的p 3 口引脚将用上拉电阻而流出电 流o i l ) 。 p 3 口还用于实现a t 8 9 c 2 0 5 1 的各种功能，如下表3 1 所示。 p 3 口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 5 r s t ：复位输入。r s t 一旦变成高电平，所有的i o 引脚就复位到“1 ”。当 振荡器正在运行时，持续给出r s t 弓i 脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一 个机器周期需1 2 个振荡器或时钟周期。 6 x t a l i ：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 7 x t a l 2 ：