渦輪增壓器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

摘要目前，發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用渦輪增壓技術(shù)，增壓已成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、改善其經(jīng)濟(jì)性和排放的有效措施，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，汽油機(jī)也逐漸較多地采用渦輪增壓技術(shù)。尤其對(duì)于小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用渦輪增壓技術(shù)更是得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本篇設(shè)計(jì)敘述了渦輪增壓器的原理與各個(gè)組成部分參數(shù)的選取原則，通過(guò)計(jì)算，對(duì)渦輪增壓器各個(gè)部分進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括：通過(guò)能量流動(dòng)計(jì)算得出壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，渦輪葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，壓氣機(jī)殼體設(shè)計(jì)參數(shù)，渦殼殼體設(shè)計(jì)參數(shù)，噴嘴環(huán)設(shè)計(jì)參數(shù)，中間軸的設(shè)計(jì)參數(shù)。AtPresent，theenginedesignwidelyusestheturbochargingtechnology.Theturbocharginghasbecometheimportantmeasuresinincreasingtheenginedynamicperformance，improvingtheeconomicsandtheemission.Inthevehieleenginearea，thegasolineengineappliesmoreandmoretutbochargingtechnology.Especialyforthesmalldisplacementgasolineengine，theaplieationofturbochargingtechnologyhasdrawnmoreandmoreattentionbothathomeendabroad.Theturbochargerhasamarkedcompresseffectwhentheenginerunsinahighspeed,ithasaneffectivewayonincreasingtheenginepower.Theturbochargerworksdependsontheoutletgasofenginewhichtopressthepowerwheelconnectingtheshaftbywhichtoletthepresswheelrun,thenthepresswheelpressurizestheinletairsendthemintothepipeoftheengineinletsystem.Bythecalculationoftheturbochargerthespecificationintroducestheprinciplehowtodesigntheconstructionoftheturbocharge.Thisspecificationmainlyincludes:achievethepresswheeldateofdesignbythecalculationoftheheatcircle,achievethedesigndateofthepowerwheel,designoftheshellsoftheturbocharger,designoftheinletringandthedesignofthemiddleshaft.Keyword:turbocharger，engine，operatingprinciple，handlingTOC\o"1-5"\h\zAbstract II第1章緒論101.1概述11.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓技術(shù)簡(jiǎn)介 11.1.3發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓的基本原理 21.2進(jìn)氣增壓系統(tǒng)的分類及簡(jiǎn)介 51.2.1進(jìn)氣增壓系統(tǒng)的分類 51.2.2進(jìn)氣增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介62.1渦輪增壓器的工作原理102.2渦輪增壓器設(shè)計(jì)的一般步驟 102.4進(jìn)氣壓力的計(jì)算142.5壓氣機(jī)等熵效率16TOC\o"1-5"\h\z2.6徑流式壓氣機(jī) 172.6.1簡(jiǎn)單式渦殼設(shè)計(jì) 172.6.2葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)192.6.3葉輪輪盤(pán)與葉輪應(yīng)力 202.6.4輪盤(pán)與葉片振動(dòng) 22小結(jié)23第3章渦輪增壓器動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì) 243.1動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)的一般步驟 243.2渦殼設(shè)計(jì)原則 253.2.1進(jìn)口噴嘴 253.2.2無(wú)葉間隙 253.3葉輪葉片設(shè)計(jì)原則 263.4渦輪轉(zhuǎn)子葉片應(yīng)力和葉片振動(dòng)分析26小結(jié)26第4章增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配及軸承的選擇 284.1渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配特性 284.2軸承的潤(rùn)滑與冷卻方式28小結(jié) 28結(jié)論 30參考文獻(xiàn)33附錄1 35附錄2 38第1章緒論1.1概述近年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的重要方向之一，過(guò)去增壓技術(shù)主要應(yīng)用于柴油車上，現(xiàn)在汽油機(jī)上也開(kāi)始大量采用增壓技術(shù)這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率一提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性；能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗和比質(zhì)量一提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)，性；能夠減輕發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染一提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性；能夠擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)變形系列等。幾十年來(lái)，世界各國(guó)一直十分重視對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)得研究，這使增壓技術(shù)得到迅速發(fā)展。隨著增壓器設(shè)計(jì)和工藝水平得提高，高溫耐熱材料的解決，增壓器的性能和使用壽命大為提高，體積和質(zhì)量顯著減少，從而使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)獲得迅速發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，今年來(lái)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)增壓也同樣做了大量得研究工作，并取得了顯著的成效。1.1.2增壓技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外渦輪增壓技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用己有80多年的發(fā)展歷史。20世紀(jì)30年代至60年代汽車和轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始使用增壓技術(shù)。由于增壓技術(shù)的發(fā)展，高效、價(jià)廉的廢氣渦輪增壓器的出現(xiàn)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)低油耗、高功率的需求以及日益嚴(yán)格的排放法規(guī)限制，使20世紀(jì)80年代以來(lái)的內(nèi)燃機(jī)廣泛地采用了增壓技術(shù)，成為內(nèi)燃機(jī)的重要組成部分。我國(guó)汽車工業(yè)起步較晚，對(duì)增壓技術(shù)的研究更晚。但隨著我國(guó)汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。1954年，針對(duì)西藏高原行車特點(diǎn)，我國(guó)有關(guān)部門(mén)對(duì)機(jī)械式增壓進(jìn)行了實(shí)地實(shí)驗(yàn)研究。1958年后，又對(duì)廢氣渦輪增壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。并先后在6350G、4135G、6446G等原有柴油機(jī)型上進(jìn)行了廢氣渦輪增壓的匹配試驗(yàn)研究，取得了可喜成果，并將它們列為產(chǎn)品。我國(guó)是具有高原、平原、丘陵等綜合地形的國(guó)家。汽車在高原行駛，其動(dòng)力性能降低很多。試驗(yàn)表明，當(dāng)海拔每升高1000m，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率將下降8%?12%。若在青藏高原上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行渦輪增壓，即可將其功率恢復(fù)到平原地區(qū)水平。因此對(duì)高原使用的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行增壓，具有重要的國(guó)防意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，在海拔低的平原丘陵地區(qū)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓，可改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，對(duì)大力發(fā)展拖掛運(yùn)輸，提高生產(chǎn)率，節(jié)約燃油，仍具有相當(dāng)重大得現(xiàn)實(shí)意義。總之，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓技術(shù)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率、改善其積極性的重要途徑，是內(nèi)燃機(jī)中亞發(fā)展趨勢(shì)之一。1.1.3發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓的基本原理(1-2)——發(fā)動(dòng)機(jī)指示效率——發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率——發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率——?dú)飧字械某錃饷芏仁街屑笆浅?shù)，而對(duì)于非增壓四沖程柴油機(jī)=0.43?0.50， =0.78?0.85，=0.80?0.90。三個(gè)效率的提高是有限的，于是非增壓柴油機(jī)的強(qiáng)化主要是靠減小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是過(guò)分減小會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熱應(yīng)力提高，燃燒過(guò)程惡化，冷卻系帶走的熱量增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)的指示效率下降。2.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓的衡量指標(biāo)所謂增壓，就是利用專門(mén)的裝置（增壓器）將空氣或者可燃混合氣預(yù)先進(jìn)行壓縮，再送入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的過(guò)程。雖然氣缸的工作容積不變，但因增壓后，每個(gè)循環(huán)進(jìn)入汽缸的新氣密度增大，使實(shí)際充氣量增加，這樣可以向缸內(nèi)噴入更多的燃料進(jìn)行燃燒，因此提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率和總輸出功率。指標(biāo)主要有兩個(gè)：增壓度和增壓比。（1） 增壓度。是指發(fā)動(dòng)機(jī)在增壓后功率的增加量與增壓前的功率之比，用表示。（1-3）式中——增壓后的充氣密度——增壓前的充氣密度由公式可以看出，增壓度的大小取決于充氣密度的提高程度，而故充氣密度的提高，除了提高進(jìn)氣壓力以外，還可以降低進(jìn)氣溫度。于是為了增強(qiáng)增壓效果，特別是在高增壓情況下需要采用進(jìn)氣冷卻措施，中冷除了可以提高充氣密度以外還可以相應(yīng)降低排氣溫度，并對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷也是有利的。關(guān)于增壓程度的劃分目前尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定，但通常以增壓壓力劃分。（2） 增壓比。為壓氣機(jī)出口壓力與進(jìn)口壓力之比，即——壓氣機(jī)的進(jìn)口壓力。也可用增壓比來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓程度。1.2進(jìn)氣增壓系統(tǒng)的分類及簡(jiǎn)介1.2.1進(jìn)氣增壓系統(tǒng)的分類發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)是指實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓所需附件的組合體，其中以增壓器為最基本的附件.增壓器一般都是由驅(qū)動(dòng)部分和壓氣部分組成的，其分類方法有很多種.按增壓的工作原理分機(jī)械驅(qū)動(dòng)式增壓系統(tǒng)。是壓氣機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)帶、齒輪、鏈等傳動(dòng)裝置直接驅(qū)動(dòng)的增壓方式。廢氣渦淪增壓系統(tǒng)。是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的能量來(lái)進(jìn)行增壓的。.復(fù)合式增壓系統(tǒng)。除了采用渦淪增壓系統(tǒng)外，還輔以機(jī)械增壓。進(jìn)氣諧波增壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)不用增壓器，而是利用空氣在進(jìn)氣管中的波動(dòng)效應(yīng)和慣性效應(yīng)來(lái)達(dá)到增壓的目的。其他增壓系統(tǒng)。包括氣波增壓系統(tǒng)、沖壓式增壓系統(tǒng)，還有利用排氣管的引射作用來(lái)增加進(jìn)氣量的方法也屬此例。按壓比來(lái)分可分為低增壓、中增壓、高增壓和超高比增壓。一般劃分的范圍為：中增壓=0.18?0.25MPa(Pe=0.9?l.SMPa)高增壓=0.25?0.35Mpa(Pe=1.4?2.2MPa)超高增壓0.35Mpa(Pe2.0Mpa)1.2.2進(jìn)氣增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介機(jī)械增壓:早期較多采用離心式壓氣機(jī)，近來(lái)發(fā)展了各種轉(zhuǎn)子式、葉片式增壓器。Ps一般不超過(guò)0.17MPa，否則壓氣機(jī)消耗功率過(guò)大，使整機(jī)的機(jī)械效率下降，導(dǎo)致燃油消耗率增加過(guò)多。由于機(jī)械增壓時(shí)，排氣背壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于渦輪增壓，所以機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性優(yōu)于渦輪增壓，且發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失小。在增壓器發(fā)展史上，早期多采用機(jī)械增壓，后來(lái)被新發(fā)展起來(lái)的渦輪增壓取代，近來(lái)因?yàn)槠蜋C(jī)的轉(zhuǎn)速范圍越來(lái)越寬，渦輪增壓器與其匹配存在一定的困難，再加上小轎車對(duì)加速性的要求也越來(lái)越高，渦輪增壓器己難于勝任，于是又重新啟用機(jī)械增壓。而且目前小汽油機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)4000?6000min，新發(fā)展的機(jī)械增壓器轉(zhuǎn)速也只有10000r/min左右，只需傳動(dòng)比為2左右的皮帶傳動(dòng)即可，小發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓度不高，Ps<0.17Mpa，這正是機(jī)械增壓器的適用范圍。渦輪增壓:利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪，再由渦輪帶動(dòng)離心式壓氣機(jī)的方案。優(yōu)點(diǎn)在于：發(fā)動(dòng)機(jī)重量和體積增加很少情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不需作重大改變很容易提高功率20%~50%。由于不像機(jī)械增壓時(shí)壓比受到限制，故近年來(lái)高增壓的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。高增壓時(shí)功率提高甚至可大于100%。由于廢氣能量的收回發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性會(huì)明顯的提高一般由于廢氣能量的回收能提高經(jīng)濟(jì)性3%?4%，再加上相對(duì)地減少了機(jī)械損失及散熱損失，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率和熱效率使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓后油耗率降低5%?10%。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)海拔高度的變化有較高的適應(yīng)力，在高原地區(qū)工作時(shí)比不增壓發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降要少的多，故渦輪增壓除了用來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，外還可用作高原發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)功率。渦輪增壓后排氣噪聲相對(duì)減少，排氣煙度及排氣中有害成分也減少，故對(duì)減少污染是有利的。與機(jī)械增壓相比，渦輪增壓時(shí)熱負(fù)荷問(wèn)題較嚴(yán)重。對(duì)大氣溫度及排氣背壓比較敏感，故經(jīng)常在高背壓下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)不宜采用渦輪增壓。1.3發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的發(fā)展?fàn)顩r目前普遍使用的增壓器轉(zhuǎn)速范圍為60000?120000r/min左右，最高的轉(zhuǎn)速如三菱重工生產(chǎn)的TD-02渦輪增壓器轉(zhuǎn)速以達(dá)260000r/min，最高壓比可達(dá)3?3.5,個(gè)別的如法國(guó)小型渦輪公司生產(chǎn)的TCS14型增壓器壓比接近5,它用于低壓縮比的超高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。在成批量生產(chǎn)的渦輪增壓器中，己公開(kāi)發(fā)表的最小葉輪直徑為34mm最小的質(zhì)量?jī)H為2kg，它可用于排量為150mL的7.4Kw小型發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓，葉輪140mm以下的增壓器，壓氣機(jī)最高效率可達(dá)=0.78?0.80增壓器總效率可達(dá)=0.55?0.60。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在高速四沖程柴油機(jī)領(lǐng)域內(nèi)平均有效壓力最高可達(dá)=3.14Mpa，最低油耗率在絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)上可達(dá)163g/(kw.h)，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)際大到的較好水平是Pe=1.37?1.76Mpa，=197?210g/(kw.h)。1.3.2渦輪增壓的發(fā)展方向在早期，渦輪增壓器首先在大功率發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用。由于渦輪增壓器屬于葉片機(jī)械，隨著葉輪直徑的減小，葉片的機(jī)械效率是下降的，隨著空氣動(dòng)力學(xué)的深入，解決了在小葉輪下仍能保持較高效率，有了向小功率發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的可能性。小結(jié)渦輪增壓器的工作原理如圖2-1，渦輪增壓器主要由三個(gè)部分構(gòu)成，壓氣機(jī)渦殼、渦輪渦殼、用同一軸連接的兩個(gè)葉輪。其工作原理為：利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣作為工作物質(zhì)推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)兩葉輪中間軸傳遞到壓氣機(jī)葉輪，由壓氣機(jī)葉輪對(duì)進(jìn)入汽缸的空氣進(jìn)行壓縮以達(dá)到提高進(jìn)氣密度的目的。圖2—1渦輪增壓工作原理圖2.2渦輪增壓器設(shè)計(jì)的一般步驟⑵在確定葉輪進(jìn)其口頂部的最小相對(duì)馬赫數(shù)下進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)輪進(jìn)口的最優(yōu)化計(jì)算。對(duì)于不同的葉輪轉(zhuǎn)速有一最小相對(duì)馬赫數(shù)。通過(guò)葉輪頂部速度和比轉(zhuǎn)速所確定的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算葉輪頂部直徑，因?yàn)槿~輪頂部速度是壓氣機(jī)壓比，壓氣機(jī)等熵級(jí)效率和能量輸入系數(shù)的函數(shù)，而他們又分別與滑移系數(shù)旋流系數(shù)和葉片后掠角有關(guān)，所以名義上假定后三個(gè)參數(shù)不變來(lái)進(jìn)行最優(yōu)化分析。旋流系數(shù)取決于擴(kuò)壓器的形式的選擇。葉片后掠可以提高級(jí)效率和級(jí)的穩(wěn)定性。但增加了葉輪的總直徑，從而增加了葉輪重量、慣性矩和葉片根部彎曲應(yīng)力。因此，先在效率和流量范圍、力學(xué)特性和加速性之間進(jìn)行折中考慮，再選擇后掠角度。葉輪頂部寬度是利用假定的旋流參數(shù)和能量輸入系統(tǒng)，從連續(xù)方程估算。然后利用葉輪出口狀態(tài)做為擴(kuò)壓器計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)。在無(wú)葉擴(kuò)壓器的情況下將注意力集中于對(duì)旋流參數(shù)的選擇，以保證大的穩(wěn)定流量范圍。由估計(jì)的各種級(jí)效率的損失，可以計(jì)算等熵級(jí)效率和葉輪效率。這樣對(duì)于若干名義上固定的參數(shù)，可以估計(jì)壓氣機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速。對(duì)于選擇的葉輪轉(zhuǎn)速需作進(jìn)一步的分析，以便使上述名義上固定的參數(shù)達(dá)到最佳值且可進(jìn)一步核對(duì)應(yīng)力、慣性和成本。根據(jù)一元流最優(yōu)化分析確定壓氣機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)和整個(gè)幾何尺寸之后，下階段是確定葉輪三元流葉片的幾何形狀。通過(guò)將沖角與計(jì)算出的相對(duì)進(jìn)氣角相加來(lái)選擇導(dǎo)風(fēng)輪進(jìn)氣邊葉片角，這些沖角通常利用已充分證明了的軸流式壓氣機(jī)方法確定。在葉型設(shè)計(jì)方面，通常利用徑向葉片結(jié)構(gòu)，以避免在葉輪葉片根部產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。然后利用準(zhǔn)三元留分析檢驗(yàn)葉片和流道形狀，修改葉片形狀或者增加葉片數(shù)以獲得合理的葉片載荷。葉輪葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的最后工作是作葉輪的應(yīng)力分析和葉片震動(dòng)校核，以免引起共振。2.3確定流量。壓氣機(jī)空氣進(jìn)氣流量由公式(2-1)確定。其中參數(shù)由以下公式推導(dǎo)出：(2-2)式中一一燃料低熱值；——渦輪前熱量利用系數(shù)；——燃油消耗率，(kg/kWXh)；——總空氣過(guò)量系數(shù)；——為汽油機(jī)在時(shí)進(jìn)氣管內(nèi)摩爾定壓熱容，kJ/molXK； 理論分子變更系數(shù)；——為燃燒1kg燃料所需理論空氣量；——渦輪進(jìn)口處燃?xì)馄骄鶞囟葧r(shí)摩爾定壓熱容。=8.315+(2-3)TOC\o"1-5"\h\z=27.59+0.0025 (2-4)式中=44000kJ/kg公式(2-2)中的機(jī)械效率由公式(2-5)得出= (2-5)(2-6)式中 一一平均活塞速度。其中=3.845R (2-7)根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式：(2-8)(2-9)S 活塞行程；——進(jìn)氣管溫度。得出結(jié)果。2.4進(jìn)氣壓力的計(jì)算通過(guò)以上計(jì)算算出空氣質(zhì)量流量范圍后，需要多大的增壓壓力才能保證有這么多空氣進(jìn)入氣缸將公式(2-10),(2-11)帶入(2-12)(2-10)

(2-12)由此可以確定增壓壓力=2.932?2.934MPa。式中 一一沖程數(shù)四沖程=2；R——?dú)怏w常數(shù)，R=287J/(kgXK)；n 轉(zhuǎn)速；i——?dú)飧讛?shù)；——?dú)飧坠ぷ魅莘e。渦輪當(dāng)量噴嘴面積輪前平均排氣壓力(2-13)式中；；——排氣流量；；——大氣壓力；——大氣溫度；。(2-14)式中——噴嘴環(huán)出口氣密度；——?jiǎng)尤~出口氣密度。采用幾何當(dāng)量噴嘴環(huán)面積乘以總流量系數(shù)為當(dāng)量面積= (2-15)2.5壓氣機(jī)等熵效率圖(2-2)壓氣機(jī)焓熵曲線壓氣機(jī)等熵效率=87.42% (2-16)=87.87%(2-17)=87.87%(2-17)2.6徑流式壓氣機(jī)2.6.1簡(jiǎn)單式渦殼設(shè)計(jì)若忽略空氣和擴(kuò)壓器壁面之間的摩擦，則空氣進(jìn)入擴(kuò)壓器的動(dòng)量矩不變，由此得：取一任意斷面a。對(duì)于等寬徑向無(wú)葉擴(kuò)壓器：(2-18)(2-19)式中 ——斷面面積；——為氣道寬。簡(jiǎn)單形式擴(kuò)壓器由兩平行壁組成，其運(yùn)行范圍寬，成本低，耐腐蝕，耐污染。擴(kuò)壓器參數(shù)由四個(gè)重要參數(shù)協(xié)調(diào)選?。好娣e比(平行壁面積之比)、進(jìn)口旋流參數(shù)、進(jìn)口馬赫數(shù)、摩擦寬度參數(shù)。對(duì)不可壓縮流動(dòng)旋流最佳值取2。而根據(jù)實(shí)際情況，在本設(shè)計(jì)小型增壓器上考慮在增壓比保持一定數(shù)值的情況下，其外型應(yīng)盡量緊湊，所以b值取3.5mm。蝸殼的功用僅是集中擴(kuò)壓器出口氣流并盡可能高效地將氣流引導(dǎo)到出口管而不妨礙擴(kuò)壓器的效率。假如忽略在蝸殼中的摩擦，可以根據(jù)氣流動(dòng)量矩保持不變來(lái)設(shè)計(jì)。由此，切向速度乘以半徑為一常數(shù)：(2-20)考慮通過(guò)蝸殼中在半徑r和位置處的一個(gè)單元體的流量則有：(2-21)在位置處蝸殼面積總流量為：(2-22)假定出口四周氣流分布均勻則輸出總?cè)莘e流量：(2-23)(2-24)從而可以估算出蝸殼截面積=。2.6.2葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)包括氣動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)。(2-25)式中實(shí)際出口面積;式中實(shí)際出口面積;——葉輪頂部平均葉片厚度；Z——葉片數(shù)； 葉輪頂部寬度。葉輪出口旋流為一重要?dú)鈩?dòng)參數(shù)，其與葉輪出口軸向深度成正比，影響葉輪以及括壓器的形狀。根據(jù)連續(xù)方程得出：(2-26)對(duì)于無(wú)葉擴(kuò)壓器取值在2-3之間得出=20.47mm。葉片后掠角選擇葉片由選取規(guī)則葉片數(shù)小則壓力梯度高，葉片數(shù)大則滑移系數(shù)增加，引起表面摩擦損失較大，最佳葉片數(shù)受導(dǎo)風(fēng)輪進(jìn)口阻塞和制造條件限制。根據(jù)小型車用增壓器經(jīng)驗(yàn)取Z=12較為合理。2.6.3葉輪輪盤(pán)與葉輪應(yīng)力假定輪盤(pán)任意一點(diǎn)應(yīng)力是由內(nèi)部離心載荷產(chǎn)生的應(yīng)力和葉輪輪轂內(nèi)徑到頂部的溫度梯度所引起的載荷的代數(shù)和。將圓盤(pán)分為一系列薄空心圓筒，假定相當(dāng)于圓筒的葉片單元作為單獨(dú)加載體。假定所考慮葉輪單元體為均勻空心筒，在內(nèi)徑處由離心載荷引起的徑向應(yīng)力(2-27)切向應(yīng)力(2-28)——葉輪轉(zhuǎn)速；——泊桑比；式中——后掠角；由破壞實(shí)驗(yàn)得出，由彈性理論計(jì)算的圓盤(pán)最大應(yīng)力并不總代表極限準(zhǔn)則。葉輪轉(zhuǎn)速增加，最大應(yīng)力超過(guò)材料彈性極限發(fā)生塑性變形，減輕了局部應(yīng)力。圓盤(pán)任意一點(diǎn)切向應(yīng)力達(dá)到材料拉伸極限應(yīng)力時(shí)原盤(pán)破裂。以塑性變形理論為基礎(chǔ)的破裂速度準(zhǔn)則用以計(jì)算葉輪的最大安全轉(zhuǎn)速。假定葉輪破成相等兩部分，則半個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力為(2-32)式中——葉輪破裂角速度；——輪盤(pán)厚度。假定最大破裂力(2-33)定義安全破裂系數(shù)則聯(lián)立以上方程得(2-34)鋁制葉片破裂系數(shù)根據(jù)書(shū)本經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可選。小結(jié)壓氣機(jī)流量參數(shù)為：流量范圍0.048——0.264kg/s，最高壓比2.9；3.1動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)的一般步驟定壓增壓系統(tǒng)所用的徑流式渦輪的設(shè)計(jì)步驟，原則上類似于離心式壓氣機(jī)所敘述的步驟。設(shè)計(jì)的第一步，利用一元流分析確定渦輪各個(gè)部件的主要幾何尺寸。對(duì)額定工況的流量、進(jìn)口壓力和溫度、進(jìn)氣殼體和噴嘴環(huán)喉部面積，可以從連續(xù)方程估算。但是，噴嘴出口處的熱力狀態(tài)必須知道，為此，標(biāo)準(zhǔn)的方法是首先確定轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣體熱力狀態(tài)。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換，假定級(jí)的反作用度和最佳葉片速比，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子進(jìn)出口速度，進(jìn)口狀態(tài)被確定。⑶然后，就可以估算出噴嘴以及進(jìn)氣殼幾何尺寸，以保證進(jìn)口能和噴嘴環(huán)的流動(dòng)相匹配。在轉(zhuǎn)子子午面上以緩和的曲率選定輪轂壁面型線，同時(shí)確定轉(zhuǎn)子葉片數(shù)目。轉(zhuǎn)子罩蓋壁面型線的選取要保證從轉(zhuǎn)子進(jìn)口到出口逐漸加速。通常為了避免葉片根部彎曲應(yīng)力過(guò)大，常常采用純徑向葉片的轉(zhuǎn)子。出口導(dǎo)風(fēng)輪葉片的最大高度，將受到轉(zhuǎn)子材料蠕變應(yīng)力機(jī)械按的影響。(4)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的下一步關(guān)鍵任務(wù)是一旦確定葉片形狀，利用準(zhǔn)三元流動(dòng)理論，計(jì)算出葉片角的分布和輪轂以及輪蓋面的外型，并作為指導(dǎo)，來(lái)把氣流分離區(qū)消除或減至最小。目前增壓器所用的渦輪有兩種形式：徑流式渦輪和軸流式渦輪。徑流式渦輪主要用于小型汽車或卡車的增壓器上；軸流式常用于大型增壓器上。徑流式渦輪從外表上看類似于離心式壓氣機(jī)，但氣流的向心流動(dòng)和噴嘴葉片代替了擴(kuò)壓器葉片，主要應(yīng)用于小型汽車用渦輪增壓器上。其最大的優(yōu)點(diǎn)是在尺寸很小時(shí)，仍有相對(duì)較高的效率，能有效處理高膨脹比，而且堅(jiān)固、價(jià)格低廉。徑流式渦輪由進(jìn)氣殼、噴嘴環(huán)、小無(wú)葉間隙和葉輪組成。3.2渦殼設(shè)計(jì)原則渦殼的作用將取決于渦輪是否有噴嘴環(huán)。如果有噴嘴環(huán)則渦殼僅僅起著向噴嘴輸送均勻氣流的作用。用螺旋型渦殼比較有利，其可用動(dòng)量矩為常數(shù)的不可壓縮流動(dòng)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)(3-1)由上述公式可計(jì)算出渦殼通流面積，渦殼橫截面的面積隨方向角和平均半徑的減小而減小。當(dāng)螺線沿圓周向內(nèi)彎曲時(shí)平均半徑隨之變小。給運(yùn)行有特殊要求的發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的渦輪增壓器，需要有在轉(zhuǎn)子頂部調(diào)整氣流角的方法。如果采用了進(jìn)氣噴嘴只要簡(jiǎn)單以一具不用葉片安裝角的噴嘴環(huán)就可以滿足要求。3.2.1進(jìn)口噴嘴3.2.2無(wú)葉間隙由于機(jī)械和制造的原因，噴嘴出口和轉(zhuǎn)子頂部之間通常有無(wú)葉間隙，但希望要小否則采用進(jìn)口噴嘴的優(yōu)點(diǎn)就可能失掉。本設(shè)計(jì)中無(wú)葉間隙根據(jù)書(shū)本經(jīng)驗(yàn)取為0.2mm。3.3葉輪葉片設(shè)計(jì)原則通過(guò)一元流分析可以檢校轉(zhuǎn)子流道幾何形狀，以保證沿著流道氣流逐漸加速的速率。轉(zhuǎn)子出口軸向部位稱為“出口導(dǎo)風(fēng)輪”。轉(zhuǎn)子排氣的絕對(duì)速度動(dòng)能在沒(méi)有排氣擴(kuò)壓器的情況下都被損失掉了，因此希望出口導(dǎo)風(fēng)輪頂部直徑處盡量大，以使排氣速度減小到最小值。但應(yīng)該綜合考慮以避免出口導(dǎo)風(fēng)輪頂部相對(duì)馬赫數(shù)過(guò)大，故對(duì)導(dǎo)風(fēng)輪的外徑存在一個(gè)限制條件。為了保證氣體在所要求的角度下流出轉(zhuǎn)子，導(dǎo)風(fēng)輪的葉片要有逐漸彎曲的形狀和一定的葉片覆蓋度。盡管沒(méi)有精確的方法計(jì)算出轉(zhuǎn)子的最佳葉片數(shù)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出估計(jì)最小葉片數(shù)的準(zhǔn)則。由于轉(zhuǎn)子流道內(nèi)的相對(duì)渦流，使得葉片吸力面和壓力面的徑向速度不一樣。最小葉片數(shù)應(yīng)當(dāng)這樣選?。阂沽鞯纼?nèi)沒(méi)有一處徑向速度變?yōu)樨?fù)值。極限情況（徑向速度為零）可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子頂部。根據(jù)選取原則和實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)本設(shè)計(jì)中渦輪葉片數(shù)取12。通過(guò)本設(shè)計(jì)確定出的渦輪增壓器各項(xiàng)尺寸為：壓氣機(jī)整體尺寸：長(zhǎng)185.5mm，寬178.5mm，高187.5mm；壓氣機(jī)殼體進(jìn)氣口直徑60mm；出氣口直徑44mm；壓氣機(jī)葉輪頂部直徑42mm；第4章增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配及軸承的選擇4.1渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配特性1.在標(biāo)定工況下，須達(dá)到預(yù)期的增壓壓力以及空氣流量，有足夠的燃燒過(guò)量空氣系數(shù)，使燃燒完善，燃油消耗率滿足要求；增壓壓力不能過(guò)高，以免機(jī)械負(fù)荷過(guò)大；其轉(zhuǎn)速須低于允許值，保證轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度符合安全要求。2.在低工況下，也必須保證有一定的空氣量，以滿足燃燒和降低熱負(fù)荷的要求。此項(xiàng)對(duì)于高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)十分重要。3.要求在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不發(fā)生增壓器喘振與阻塞。由于渦輪允許運(yùn)轉(zhuǎn)范圍較廣，高效率運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)較大，配合運(yùn)行時(shí)的問(wèn)題較少。4.2軸承的潤(rùn)滑與冷卻方式小結(jié)根據(jù)質(zhì)量守衡定律，在單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)中，壓氣機(jī)所提供的空氣正好等于發(fā)動(dòng)機(jī)所需的空氣量。為了保證軸承可靠地工作，必須供給軸承足夠的潤(rùn)滑油，對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。由于摩擦產(chǎn)生的熱量很大，特別是在徑流渦輪增壓器中，由于渦輪工作輪處于高溫氣體中，因此采用壓力潤(rùn)滑。結(jié)論今天，由于汽車工業(yè)飛速發(fā)展，各種新興技術(shù)隨之產(chǎn)生，但汽車動(dòng)力來(lái)源主流仍為汽油與柴油。但由于汽油機(jī)與柴油機(jī)熱效率低（分別為25%和35%），燃料利用率低，一種提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的新型技術(shù)得到了發(fā)展，即發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合增壓技術(shù)。本設(shè)計(jì)為復(fù)合增壓機(jī)構(gòu)中的渦輪增壓裝置的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)渦輪增壓器原理的分析得出壓氣機(jī)與渦輪裝置設(shè)計(jì)的一般步驟；由設(shè)計(jì)的一般步驟出發(fā)，通過(guò)各種能量轉(zhuǎn)換的計(jì)算確定了壓氣機(jī)的壓比與流量，并對(duì)其各組成部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，由葉輪的形狀與參數(shù)確定了壓氣機(jī)渦殼形狀與參數(shù)。由壓氣機(jī)設(shè)計(jì)步驟推導(dǎo)出渦輪設(shè)計(jì)的一般步驟，通過(guò)計(jì)算流量確定渦輪葉型與渦殼流道形狀。最后進(jìn)行了渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的簡(jiǎn)述。本設(shè)計(jì)所確定的各項(xiàng)參數(shù)如下：壓氣機(jī)流量參數(shù)為：流量范圍0.048——0.264kg/s，最高壓比2.9；適用功率范圍40 130kw。通過(guò)本設(shè)計(jì)確定出的渦輪增壓器各項(xiàng)尺寸為：壓氣機(jī)整體尺寸：長(zhǎng)185.5mm，寬178.5mm，高187.5mm；壓氣機(jī)殼體進(jìn)氣口直徑60mm；出氣口直徑44mm；壓氣機(jī)葉輪頂部直徑42mm；葉輪底部直徑60mm，長(zhǎng)葉片高15.5mm，短葉片高15mm，后掠角30度； 渦輪葉片底部最大直徑60mm，頂部直徑42mm，葉片高11mm，后掠角18°。通過(guò)本設(shè)計(jì)體現(xiàn)出渦輪增壓可以非常有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，同時(shí)可降低排放污染，是一項(xiàng)以低投入換取高效率的尖端技術(shù)。其發(fā)展對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步有著深遠(yuǎn)的影響，其研究?jī)r(jià)值與收益是十分巨大的。參考文獻(xiàn)林建生譚旭光.燃?xì)廨啓C(jī)與渦輪增壓內(nèi)燃機(jī).天津大學(xué)出版社，2005：39-106郭新華.汽車構(gòu)造.（8）.高等教育出版社，2007：108-114趙雨日.增壓器.北學(xué)工業(yè)出版社,2005：1-45⑷陸稼祥.柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù).（9）.機(jī)械工業(yè)出版社，1999：1-243朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器.機(jī)械工業(yè)出版社，1998：2-198王延生，黃佑生.車輛發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓.國(guó)防工業(yè)出版社，1984：5-195萬(wàn)欣.燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)械.機(jī)械工業(yè)出版社，1987：6-14袁玉和.車輛用渦輪增壓器.國(guó)防工業(yè)出版社，1990：3-133朱梅林.渦輪增壓器原理.國(guó)防工業(yè)出版社，1982:7-55宋守信.內(nèi)燃增壓技術(shù).同濟(jì)大學(xué)出版社，1993：3-76MikulicLA,etc.DevelopmentofLowEmissionHighPerformanceFourValveEngines.SAEPaper900227，1996：2-4AOhata,etc.DynamicInletPressureandVolumetricEfficiencyofFourCycleFourCylinderEngineSAEpaper,820407I637-I64,1998：3-7HalnskaP,GnzzellaL.ControlOricntdeModelingofMixtureFormationPhenomenainaMUlti-PortInjectionSIGasolineEn-gine[C].SAE980628,1993：5-6TangX,etal.OptimalA/FRatioEstimationModel(SyntheticUEGO)forSIEngineColdTransientAFRFeedbackControl[C].SAE9807981997：8-10附錄1ModelingofEngineCyclicVariationbytheModifiedKantorModelKantormodelshowingthatprior-cycleeffectsresultingfromexhaustgasresidualsareasignificantfactorincyclicvariabilityofcombustioninICenginesisduetoanumberofmodelassumptionsthatmisrepresentthethermodynamicprocessexperiencedbythemixtureoffreshcombustiblegasplusexhaustresidualinimportantways.InparticularweshowthatexhaustblowdownprocessandvariabilityexhaustresidualgasmassfractionneglectedintheKantormodelsignificantlyreducecyclicvariability.However,unburnedfuelnotconsideredintheKantormodelapparentlyaggravatescyclicvariability.Thesethreefactorseffectsofallmajorengineoperatingparameterscyclicvariationreluctantlyshowsup.Moreover,evenusingtheKantormodel,cyclicvariabilityispredictedonlyforratherextreme,somewhatcontrivedchoicesofthemodelparameters.Kantor(1984)suggestedthatcyclicvariabilitycanresultfromaprior-cyclefeedbackprocesslinkedtothetemperatureoftheexhaustresidualremaininginthecylinderaftertheexhauststroke.Theproposedmechanismoffeedbackisasfollows.Aslowerthanaverageburningprocessononecyclewillproduceahigherexhaustresidualtemperaturesincemoreheatreleaseoccursafterpartoftheexpansionprocess.Thisleadstoahigherthanaverageintakechargetemperatureonthefollowingcyclewhenthisexhaustresidualismixedwithfreshfuel/airmixture.Thisinturnleadstoahigherthanaverageexhausttemperatureonthefollowingcycle,andsoon.Kantorshowedthatmode-hoppingbetweenlowandhighresidualtemperatures,orevenchaoticvariation,canbepredictedbythesimplethermodynamicandcombustionmodelofprior-cycleeffectsdescriedbelow.Kantor’sworkhasbeenextendedbyDaily(1998)andbyDawetc(1993).Thisworksuggeststhatcyclevariationismorelikelywithleanermixturesbecausetheburningtimes,e.g.higheractivationenergy,havesimilareffects.Suchmodelsofcyclicvariabilitycouldinprinciplebequiteusefulfordevelopingcontrolalgorithmsforlean-burnICengineemployingcycle-to-cycleadjustmentofengineoperatingparameters.Withthismotivation,inthisworkwere-examinetheKantormodelwithanaimtowardsamorequantitativeevaluationofprior-cycleeffectsforthepurposeofenginecontrol.Itisfoundthatverysimplemodificationstothemodelthatrenderitsubstantiallymorerealisticleadtopracticaleliminationofcyclicvariation.Particularlywemakethefollowingmodifications,denotedA,B,Cinthispaper.VARIABLERESIDUALGASMASSFRACTION.IntheKantormodeltheexhaustresidualmassfractionisassignedaconstantvalue(0.2),whereasweemployaconstantvolumefraction,whichisamuchmorerealisticandbetterrepresentationoftheactualprocessinanICenginebecausetheresidualsvolumeisthesameasthecombustionchambervolumeattheendofexhauststroke.Withconstantvolumefraction,cycleswithhigher/lowerexhaustresidualtemperaturewillleadtolower/higherresidualmassfractions,whichwillinturnleadtolesscyclicvariationinthetemperatureofthemixtureofexhaustgasplusfreshfuel/airmixtureascomparedtotheKantormodel.WeemphasizethatthelimitationsoftheKantormodelarenotmerelyduetosimplificationsmadeforanalyticalconvenience,butduetosubstantivemisrepresentationsofthethermodynamicprocessexperiencedbythemixtureoffreshcombustiblegasplusexhaustresidual.Moreover,noneofthemodificationsweemployherehavebeenconsideredintheextensionsoftheKantormodelbyDaily(1988)andbyDawandhiscollaborators(1993).Daily(1998)hasexaminedtheeffectsofactivationenergy,compressionratio,temperatureriseduetocombustion,ignitionangle,exhaustgasresidualfractionandburningratepre-exponentialfactoroncyclicvariation.Still,othersignificantengineoperatingconditionsandmodelparametersnotablyequivalencerati