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成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） 论汽车涡轮增压及取代涡轮增压技术 毕 业 设 计（论 文）论文题目： 论汽车涡轮增压及取代涡轮增压的技术教 学 点： 指导老师： 职 称： 讲师 学生姓名： 学 号: 1112418162专 业： 汽车检测与维修技术0 题目： 汽车涡轮增压及取代涡轮增压的技术任务与要求：通过对汽车涡轮增压的结构和工作原理的分析，判断出涡轮增压机的好 处和坏处，同时说明缸内直增技术的的工作原理，对比出涡轮增压和缸内直增的优劣。时间： 年 月 日 至 年 月 日 共 周教 学 点： 学生姓名： 学 号： 专业： 汽车检测与维修技术指导单位或教研室： 指导教师： 职 称：讲师毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字4月15日至4月20日准备*教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘 要我涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一种发动机，涡轮增压器(Tubro)实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40%甚至更多。涡轮增压有三种1、 废气涡轮增压2、 机械涡轮增压3、 电动涡轮增压气缸增压取代涡轮增压，实现小排量大功率。全新理念的气缸压缩供气系统增压发动机气缸增压系统的设计已经突破了传统压缩比的观念，根据发动机的需要，活塞气缸的压缩比范围从10倍到100倍之间可变，可以满足超高压直喷汽油均质压燃（HCCI）的发动机要求, 以往的可变压缩比，设计复杂，效率低下，我设计的这款可变压缩比，即高效又简洁而且同步，使发动机进入全新的设计理念时代成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） 论汽车涡轮增压及取代涡轮增压技术 AbstractReference to international standards (TOC), the economic evaluation of proposed methods of transformers, and gives examples of the calculation. The results showed that the use of S9-based type is more economic than S7; with S9 in service-type to replace the 64 and 73 series of high-loss transformers, investment return period of 23 years。Transformer economic operation is the transmission of electricity under the same conditions, the best to run through the best way to select and adjust the load so that minimum loss of power transformers. In other words, the economy is to give full play to the transformer performance, a reasonable choice of operation mode, thus reducing electricity consumption. Transformer economic operation depends not only on the way the economy, but also depends on the level of transformer manufacturing.In accordance with the regular load transformers can generally be divided into four cases: First, are often full or near full load operation of the transformer; second is most often set to run in the transformer; third less often run half load transformer; Fourth, often light or set of transformer no-load operation. As the excitation current generated in the transformer core to be caused by alternating magnetic hysteresis loss and eddy current losses。 Eddy current losses are induced currents in the core of the heat loss caused by the size of a core is inversely proportional to the resistance.Hysteresis loss is due to iron core of the magnetic domain in the role of alternating magnetic field so cyclical rotation of the core caused by fever, loss of the size of the hysteresis loop by the decision。KEY WORD ：Transformer-capacity laser sintering production costs目 录第一章 引言2第二章 涡轮增压器的种类及工作原理3第一节 汽车涡轮增压器的分类及优缺点3第二节 涡轮增压器的作用和构造以及工作原理3第三章 涡轮增压器的改进措施5第一节 现代化设计方法和制造技术方面5第二节 新材料的应用方面6第四章 发动机缸内直增工作原理7第一节 气缸压缩供气系统增压发动机7第二节 飞机发动机增压原理7结 论12谢 辞13参考文献14第一章 引言涡轮增压简称Turbo，如果在轿车尾部看到Turbo或者T，即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。涡轮增压器，一个近十年出现的词语。人们只知道汽车排量后面带T的车辆就是带有涡轮增压器的发动机，汽车的加速就会快，性能也好。涡轮增压器会产生更大的扭矩以满足驾驶乐趣。为了满足发动机不同转速下的需求，1989年出现了可变增压的涡轮增压器（VNT）。在发动机低速时，涡轮增压器减小喉口，提高增压；在发动机全速运转时，涡轮增压器喉口增大，保证增压不会超出需求。喉口可用真空管控制。优点是提高了发动机低速时的加速性能。目前，涡轮增压器已经占到了50%，在亚洲、美国也都在增长。现代涡轮增压器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。大家可能会觉得涡轮增压装置非常复杂，其实并不复杂，涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。首先是涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，排气口则接在排气管上。然后增压器的进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气歧管上，最后涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。这样一个整体的涡轮增压装置就做好，你的发动机就好像电脑CPU一样被“超频”了。发动机缸内直增是一种在维修涡轮增压发动机中总结和计算出的全新的一个实现小排量大功率的技术。气缸增压取代涡轮增压，实现小排量大功率。全新理念的气缸压缩供气系统增压，发动机气缸增压系统的设计已经突破了传统压缩比的观念，根据发动机的需要，活塞气缸的压缩比范围从10倍到100倍之间可变，可以满足超高压直喷汽油均质压燃（HCCI）的发动机要求, 以往的可变压缩比，设计复杂，效率低下，我设计的这款可变压缩比，即高效又简洁而且同步，使发动机进入全新的设计理念时代。第二章 涡轮增压器的种类及工作原理第一节 汽车涡轮增压器的分类及优缺点（一）汽车涡轮增压器的分类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岐道里。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。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，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。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20%30%。4.复合增压系统复合增压系统即废气涡轮增压和机械增压并用，机械增压有助于低转速时的扭力输出，但是高转速时功率输出有限；而废气涡轮增压在高转速时拥有强大的功率输出，但低转速时则力不从心。发动机的设计师们于是就设想把机械增压和涡轮增压结合在一起，来解决两种技术各自的不足，同时解决低速扭矩和高速功率输出的问题。这种装置在大功率柴油机上采用比较多，汽油机上采用双增压系统（复合增压系统）的车型还比较少，大众的1.4 TSI发动机（这款发动机兼顾了低速扭力输出和高速功率输出。（二）汽车涡轮增压器的优缺点诚然，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。即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即大脚踩油门加大马力，到叶轮转动将更多空气压进发动机获得更大动力之间存在一个时间差，而且这个时间还不短。一般经过改良的涡轮增压也要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出。如果需要突然加速的话，瞬间会有提不上速度的感觉。随着技术的进步，虽然各个使用涡轮增压的厂家都在对涡轮增压技术进行改进，但是由于设计原理问题，因此安装了涡轮增压器的汽车驾驶起来的感觉是和大排量的汽车有一定差异的。譬如说一辆1.8T的涡轮增压汽车，在实际的行驶之中，加速肯定不如2.4L的，只要过了那段等待期，1.8T的动力同样会窜上来，因此单单追求驾驶感觉的话，涡轮增压引擎并不合适，如果是跑高速之类的，涡轮增压才显得特别有用。如果车辆经常在城市内行驶，那么有必要考虑需要什么样的涡轮增压，因为涡轮并不是随时都在启动。对于那些启动转速高的涡轮增压发动机，例如斯巴鲁翼豹的涡轮增压，它的启动是在3500转左右，5档能上到3500转速度会破120，除非故意停留在低档位，否则不超过120公里的时速翼豹的涡轮增压根本无法启动。这时那些低转速启动的涡轮增压发动机更为合适，例如大众的1.4Tsi/1.8Tsi发动机，在1750甚至1500转的时候涡轮增就能介入，即使在20003000换档，也能保证换档前后转速保持在燃油应用效率更高的涡轮增压区域。此外涡轮增压还有维护保养方面的问题，例如宝来的1.8T，6万公里左右就要更换涡轮了，虽然次数不多，毕竟给自己的车无形之中又增加了一笔维护保养费，这个对经济环境还不是特别好的车主来说特别值得注意。第二节 涡轮增压器的作用和结构以及工作原理（一）作用涡轮增压器按增压方式分为废气涡轮增压器、复合式废气涡轮增压器和组合式涡轮增压器。他们的作用分别如下：1.废气涡轮增压器是利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀做功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作叶轮，在压气机中将新鲜空气压缩后再送入气缸。废气涡轮与压气机通常装成一体，便称为废气涡轮增压器。其结构简单，工作可靠，一般柴油机合理地加装废气涡轮增压系统后，可提高功率20% 30% ，降低比油耗 5% 左右，有利于改善整机动力性能、经济性能及排放品质，因而得到广泛应用。 2 .复合式废气涡轮增压器。 废气涡轮增压器是将废气动力涡轮与废气涡轮增压器串联起来工作，称为复合式废气涡轮增压器。在某些增压度较高的柴油机上，废气能量除驱动废气涡轮增压器外，尚有多余的能量用于驱动低压废气动力涡轮，该动力涡轮通过齿轮变速器及液力耦合器与发动机输出轴联接。这样，废气涡轮增压器达到增压的目的，而废气动力涡轮将废气能量直接变为功率送给曲轴。3.组合式涡轮增压器。组合式涡轮增压器由废气涡轮增压与进气惯性增压组合而成。在该增压系统中，除废气涡轮增压器外，还有由稳压箱、共振管、共振室等构成的进气惯性增压系统，利用压力峰值可进一步提高增压后的进气压力。 （二）构造废气涡轮增压器一般由单级离心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。涡轮增压器按转子的支承情况有各种不同结构方案，最常见的有几种：1.外双支承式即转子两端有支撑，这种方案亦称无悬臂式支承，在轴流式大型涡轮增压器上应用最广。 2.双内支承式即二个轴承都放在叶轮里面，所以又叫悬臂支承，这样可保证涡轮增压器的尺寸小、重量轻。这种结构形式在小型径流式涡轮增压器上应用最广。 3.单悬臂式支承即压气机的工作轮呈悬臂布置，转子支点在涡轮机工作轮的两侧。这种方案可使压气机进口损失最小和涡轮结构紧凑，因此应用也较广。4.悬臂支撑压气机和径流式涡轮机的工作轮紧挨着，像是两面部有叶轮的工作舱，所以又称单转子。上述几种方案中的支点可采用滑动轴承，也可采用滚动轴承。滚动轴承的摩擦损失不大，长度也小，但寿命不如滑动轴承。因此，国内外的增压器广泛采用滑动轴承。（三）工作原理涡轮增压器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。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。第三章 涡轮增压器的改进措施第一节 现代化设计方案和制造技术方面在涡轮增压器的设计方法上，利用计算机进行压气机和涡轮的空气动力学计算、流场分析和结构设计，在国外已展开多年。一些发达国家在20世纪60年代中后期就已开始利用计算机进行径涡轮的空气动力学与三元流场分析，随后又利用计算机进行离心式压气机的空气动力学计算、三元流场分析、叶轮及叶型设计和强度分析等。目前，国外主要增压器生产厂家都已拥有先进的CAD/CAM和CAT系统，并采用有限元法和先进的激光测试技术来进行3-D粘性流动的建模和验证分析。 增压器的加工制造技术近年来也发展很快，国外于20世纪70年代末成功地将“硅橡胶”技术用于铸造小型后弯压气机叶轮；到20世纪80年代初期，世界各大增压器公司相继推出了带后弯压气机叶轮的新型增压器。KKK公司采用五轴数控铣床，铣削加工锻铝后弯叶轮，强度比铸铝好，且在轮盘通道上保留铣削刀痕，可以减少二次流，有利于改善性能。第二节 新材料的应用方面钛铝合金材料具有密度小、高温强度及抗氧化性好等优点，应用于涡轮增压器可以降低涡轮的转动惯量，改善响应特性，消除增压柴油机在加速瞬间冒黑烟现象。目前其他一些新的轻质合金材料也在研制中。另外，在增压器上也开发使用了陶瓷涡轮，由于陶瓷涡轮的质量较轻，涡轮箱的壁厚能被设计得很薄，在保持包容性不变的前提下可以使增压器的质量减轻。目前，采用陶瓷涡轮的技术难点主要是陶瓷涡轮与转轴的连接 第四章 发动机缸内直增工作原理第一节 气缸压缩供气系统增压发动机一、气缸增压取代涡轮增压，实现小排量大功率1、1.0排量四缸内燃机百公里油耗4升，峰值功率150千瓦。2、气缸增压系统的应用将使燃料节省40%左右，甚至更高。3、汽油机和柴油机的涡轮增压系统将被气缸增压系统替代。4、气缸增压系统将使同等排量四冲程内燃机功率提升3到8倍。5、气缸增压系统将实现汽油的均质压燃(HCCI)甚至柴油。6、气缸增压系统的应用将带来一次四冲程内燃机的革命。7、气缸增压的八缸发动机的峰值功率将达到1000千瓦以上。二、全新理念的气缸压缩供气系统发动机 气缸增压系统的设计已经突破了传统压缩比的观念，根据发动机的需要，活塞气缸的压缩比范围从10倍到100倍之间可变，可以满足超高压直喷汽油均质压燃（HCCI）的发动机要求, 以往的可变压缩比，设计复杂，效率低下，我设计的这款可变压缩比，即高效又简洁而且同步，使发动机进入全新的设计理念时代。该压缩比的设计思路：在一个做功小气缸吸气的同时，又由一个吸满空气的大气缸压缩空气，并且将空气压入到这个正在吸气做功的小气缸里，此时大的吸气气缸压缩完毕，小的做功气缸吸气完毕，这样小的做功气缸就得到了相当于自身N倍容积的空气，此时做功气缸吸气完毕，进入压缩冲程，如果做功气缸的压缩比是10倍，结果就得到了10N倍的压缩比，因为吸气气缸的容积是做功气缸容积的N倍。这个设计思路就是一个二次压缩空气的思想。三、以下图例为一个大容积吸气气缸和两个小容积做功气缸的四个冲程的运行吸气做功的配合工作简图。 如图一到图四所示: 图一到图五的分析：图一简介：甲缸进气门关闭，排气门关闭，活塞上行，进入气体压缩状态。 乙气缸进气门打开，活塞下行，进入吸气状态。 丙缸进气门关闭，排气门打开，活塞上行，进入排气状态。图二简介：甲缸进气门关闭，排气门关闭，活塞下行，进入做功状态。 乙气缸进气门关闭，活塞上行，将大量气体压入丙缸状态。 丙缸进气门打开，排气门关闭，活塞下行，进入吸气状态。图三简介：甲缸进气门关闭，排气门打开，活塞上行，进入排气状态。 乙气缸进气门打开，活塞下行，进入吸气状态。丙缸进气门关闭，排气门关闭，活塞上行，进入压缩状态。图四简介：甲缸进气门打开，排气门关闭，活塞下行，进入吸气状态。 乙气缸进气门关闭，活塞上行，将大量气体压入甲缸状态。 丙缸进气门关闭，排气门关闭，活塞下行，进入做功状态。 图五简介： 甲乙丙三个缸为一组，当使用曲轴将这样两组串联起来就形成了一台四 缸四冲程内燃机发动机，这样的工作环境下最稳定，最可靠，保证了四 冲程的连贯性。 以此类推可以形成四缸，六缸，八缸，十二缸等等。 为不同功率需求达到最佳效果。四、压缩比的计算：图例说明：如图一所示，甲、乙、丙三个活塞缸，其中甲和丙是喷油燃烧的做功缸体，乙为吸气、供气的气缸。1、甲和丙容积相等，乙的容积等于或大于甲和丙的容积。2、设乙的容积为z，甲和丙的容积为x压缩比为y,气体经过两次压缩以后总的压缩比为A。3、那么就可以得到这样一个压缩比公式:A=z/x*y 4、例如：甲和丙缸的压缩比为10倍，乙的容积是甲的2倍，那么可得：A=2*10=20 ,这样甲和丙燃烧汽缸就得到了20倍的压缩比，这样空气就多进入一倍。5、例如：甲和丙缸的压缩比为8倍，乙的容积是甲的2.5倍，那么可得：A=2.5*8=20，这样甲和丙燃烧汽缸就得到了20倍的压缩比，这样空气就多进入二倍。6、例如：甲和丙缸的压缩比为20倍，乙的容积是甲的3倍， 那么可得：A=3*20=60 ，这样甲和丙燃烧汽缸就得到了60倍的压缩比，这样空气就多进入五倍。7、由空燃比公式可知：如果空气量多几倍，那么燃油也可以多几倍，所以就可以得出功率可以提升几倍，那么这样在目前的基础上四冲程内燃机的功率上还有广阔的发展空间，甚至直升机上都可以用这种模式的发动机，所以此设计会给四冲程内燃机带来一次发展的革命。总结：以上举例说明了，本设计方案给以后发动机的设计有了很宽广的气缸和空气的配比发展空间，会推动更新的发动机的设计出现。全新理念的气缸压缩供气系统发动机 四、气缸增压和涡轮增压的优缺点对比以上列表举例说明了，气缸增压进气系统将会代替涡轮增压进气系统，未来气缸压缩进气系统将会给新一代发动机的设计提供广阔的压缩比空间，使新一代的发动机有了一个全新的进气配比定义，那么全新一代的四冲程内燃机将会功率更强劲更加节能更加环保。五、汽缸增压发动机遵循了能量守恒定律1、能量守恒定律：若外界对气体做功为W，外界传给气体的热量为Q，则该气体的内能增量E内=WQ。2、汽油的均质压燃属于低温燃烧，由能量守恒定律：E内=WQ可知，在一个活塞做功当中，当热能Q减少时动能W做功就会增加。3、通常燃烧室温度为1500摄氏度左右，而汽油均质压燃温度在1000摄氏度左右。所以均质压燃节省了热能Q转化为动能W做功。4.气态方程的表达式：p1V1T1=p2V2T2=恒量。4、 气态方程表一为活塞压缩到上止点时，活塞受到的压强和推力，正在做功。*(该列表为理论值，只能说明汽缸增压发动机有更强的动力)6、气态方程表一为活塞做功到下止点时，活塞受到的压强和推力，准备排气。*(该列表为理论值，只能说明汽缸增压发动机有更强的动力)六、气缸增压的前景 气缸增压发动机前景广阔，它已先进的自然吸气压缩系统为四冲程内燃机提供了广阔的压缩比空间，打破了内燃机的压缩比瓶颈，使发动机有了更新的设计思路和理念，该设计将会推广到船用发动机和直升机用发动机。未来的汽缸增压发动机将向更高效更紧凑更可靠更环保的方向发展，使未来的发动机有了全新的起点。本设计方案主要给四冲程内燃机一个大压缩比的空间，如果需要大功率的发动机，例如用2.0的发动机机身，上面做成1.0排量的缸体，这样机械的承受力就增强了。目前受到机械设计的局限，可以先生产24倍压缩比的发动机，如果技术成熟再生产30倍压缩比的发动机，一次类推。本设计的压缩比形式结构简单，比如说4缸的发动机，在加2气缸，这样的形式极其简单，又起到高压缩比的效果，也省略去了涡轮增压器，也省略去了点火装置。减少了中间的繁琐机构，基本实现了汽油机的发动机也和柴油发动机一样皮实耐用。第二节 飞机发动机增压原理有关汽车的涡轮增压，因为涡轮压缩机的特性，转数再高也不可能把气压提高很多。而且根据能量守恒，从尾气驱动的涡轮提供的能量有限！别看涡轮转速高，其实产生的气压不到2个气压左右。听说1.8T的动力相当于2.4L的，那么这样吸入的空气最多就原来的1.3倍。也就是不超过1.3个气压。而且涡轮启动在发动机转速3000r左右，车速已经超过100KM/h了。还有着不菲的保养费用、假设涡轮叶片的高度是30mm，那么当风速1M/s时，要求涡轮转速33r/s。在高速公路上行驶的汽车如果是120km/h，那么风速相对是33m/s。这时转化成涡轮的速度是每分钟66000。我们知道废气涡轮转速很快，但要在承受一定压力的状态达到每