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1、车用发动机的废气涡轮增压器设计 摘 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-I-车用发动机的废气涡轮增压器设计 Abstract ,Currently, 80 percent of European diesel passenger cars are turbo
2、charged and, as emission standards become more stringent, this figure is expected to approach 100 percent in the near future. In this study, we try determining the turbocharger s o ptimum setting according to the known parameter of the diesel engine, and checking it. In addition, we try analyzing th
3、e theoretically influence of the main parameter in d iesel engine, and knowing that the turbo machine can lower the diesel engine exhausts.Key words： diesel, turbocharging, automotive, torque, emissions -II-车用发动机的废气涡轮增压器设计 目 录 第一章 前 言.I 1.1 研究背景.1 1.2 研究意义.2 1.3 工作原理.3 1.4 技术探讨.3 第二章 涡轮增压器选型.5 2.1 已
4、知参数.5 2.2 各零部件型号确定.5 第三章 设计计算.12 3.1 压气机的设计计算.12 3.2 径流式涡轮的计算.21 第四章 设计分析及展望.29 4.1 增压对柴油机主要参数的影响.29 4.2 前景展望.31 参 考 文 献.33 致 谢.34 -I-车用发动机的废气涡轮增压器设计 第一章 前 言 1.1 研究背景 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
5、、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ABB 公司生产的废气涡轮增压器就开始应用在曼公司的船用柴油机上，它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（Garrett）公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 T5 型涡轮增压器，安装在
6、奥滋莫比汽车发动机上，使其功率从自然进气的 116kw 提高到增压机型的 160kw。从 60 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 No x 的排放量。到 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
7、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-1- 车用发动机的废气涡轮增压器
8、设计 拉机、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DW602A 型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
9、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 KKK 公司，日本的三菱重工、小松制作所、丰田、日立、日产，瑞士的 ABB 公司等世界著名企业生产和销售。它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。 1.2
10、 研究意义 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
11、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。 -2- 车用发动机的废气涡轮增压器设计 1.3 工作原理 图 . 废气涡轮增 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
