涡轮增压的设计与优化

学校编码： 15014 分类号 密级 学号： 10131270125 本科毕业论文 (设计 ) 涡轮增压的设计与优化 学生姓名： 所属院部：专 业： 指导教师： 二零 *年六月十一日 赤峰学院毕业论文设计 涡轮增压的设计与优化 刘洋 学号： 10131270125 赤峰学院物理与电子信息工程院，赤峰 024000 摘要 ： 本文介绍了涡轮增压的原理以及实际当中的设计，在涡轮增压实际中遇到的问题针对输出反应滞后及叶轮改进提出了一些优化方案。 关键词 ： 涡轮增压；压气机；优化 引言 汽车是通过内燃机内部引燃来发动车子，在现有的各种限制下，发动机的设计几乎已经达到了极限，怎样还可以继续增加车子的马力呢？涡轮增压就是针对这种需求提出的设计，涡轮增压这个词对于爱车的人来说很是熟悉。 废气涡轮增压是涡轮和空气压缩器一起构成的空气压缩机。它是通过压缩空气即增大空气的密度来提高发动机进气量的一种装置。当发动机的活塞转速加快时， 废气排出的就越多。涡轮转速也同步加快。图 1 是我在新发布的菲特汽车中拍的涡轮增压器。可以看到它不是很复杂很大的一个器件，但是就是这个器件改变了车子的性能。 图 1 发动机与涡轮增压实物图 涡轮增压虽然可以提高汽车的性能，但并不是所有的车型都适用的。即便是使用到了涡轮增压，也是因车而 议 的。 本文首先介绍涡轮增压（压气机）的原理，然后针对具体设计中遇到的问题提出一些优化方案。 一、涡轮增压的原理（压气机） 涡轮增压是增压发动机中最常见的增压系统之一。它是利用压气机的原理所制成的。涡轮增压是压气机的一种，原理和压气 机是一样的。压气机有很多种，工作压力范围也很广。本文所介绍的赤峰学院毕业论文设计 是利用废气体推动涡轮中的叶片高速旋转，带动压气机端的叶轮旋转，之后再利用扩压管石高速运动的气流降低流速来提高压力，实现气体的压缩。 对于压气机来讲，其进气和排气的流动能量及重力位能都可忽略不计。据稳定流动能量方程式，可得到压气机中能量转换的关系 12 s cq h h w 式中， s 设压气过程是理想的过程，也就是没有摩擦等能量的耗散则按轴功的表示式可以得到 221 1 2 211s cw p d v p v p v v d p 即压气机压气过程的轴功等于压缩过程的容积变化功和进气、排气推动功的代数和。如下图所示，在 图 2 上， 12s是绝热过程的压缩过程曲线， 12T是等温过程的压缩过程曲线，除外两条曲线中间的 12n是多变过程的压缩过程曲线。各曲线左侧所包围的面积是压气 机压气过程的轴功。由图可以看到，压气机轴功最大的是绝热过程的曲线，最小的是等温过程的曲线。在使用压气机时，越接近等温过程的曲线，功耗越少，相反接近绝热过程功耗增加。实际工作中，压气机的工作频率很大，来不及和外界进行充分的热量交换，近似看做是绝热过程。这就说明，为了是压气机更好的工作，必须引入冷却设置。同时，冷却设置在使工作过程接近等温过程的同时，温度的降低，也有利于润滑剂保持良好的性能。 当然，实际的冷却不能达到理想的冷却效果，实际过程都是介于等温和绝热之间的 多方过程，即 12n。 图 2 不同压缩过程的耗功和温度升高的对比示意图 1 O P v 2T 2T O s 1 T 2 赤峰学院毕业论文设计 当压缩过程是 12s曲线 时，根据压气机中能量转换的关系可以得到压气机压气过程消耗的轴功为 12,s h h 当压气机压缩的工质是理想气体且比热容可作为定值时，绝热压缩的压气过程的轴功还可表示为 0 1 2,c T T 1 2 1 1 2 211 T p v p v 当压缩过程为 12T曲线时，按照式可以得到压气机压气过程消耗的轴功为 21111,1 22l n l ns g v d p R T R T 当压缩过程为 12n曲线时，按式轴功的表达式可以得到压气机压气过程消耗的轴功为 2 1 1 2 2, 1 1s cn nw v d p p v p 111 111121111但是在现实中压气机的效率不能达到全部，总是会存在摩擦、扰动等一些问题有待于解决。则我们会采取冷却措施，提高压气机的效率。这就是涡轮增压的基本原理。那实际生活当中我们汽车中安装的涡轮增压器是怎样设计的，由以下内容来简单讲述。 二、实际生活中常见涡轮增压的设计 涡轮增压 设计是较为精密的 ， 但它的结构其实是比较简单的。 涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。 图 3 涡轮增压系统实物图 赤峰学院毕业论文设计 涡轮增压包括涡轮部分和压缩机部分。如图 4 所示 图 4 涡轮增压原理示意图 清楚了解涡轮增压原理的工作顺序。如 图 5 所示 ： 图 5 涡轮增压系统工质原理图 涡轮增压的主要的部件描述如下： 1. 涡轮增压器 涡轮增压 器是 涡轮增压 系统中最 重要最核心 的部件， 正因为它的外形十分相像与蜗牛背上的壳，故因此而得名。涡轮增压器的基本结构可以分为进气口、排气口和中间的管道连接构成了涡轮增压器的基本结构。 2 涡轮轴 赤峰学院毕业论文设计 涡轮轴 图 6 我 们可以看到图 6 的 涡轮轴 只是一根简单的金属管。 但实际上它是一个肩负 12 万到 16 万转的精密零件。 因为它需要承受很大的压力和极高的温度，所以它的加工和材料需要特殊的工艺，也是涡轮厂最为核心的技术。 3. 涡轮叶轮 涡轮和叶轮的形状一般为直片或者是弯片，据实际情况来确定用直片还是弯片。 4 压气机叶轮 压气机叶轮的动力来源是叶片。压气机叶轮的首要任务基本上是如何将空气有效的挤入压缩通道。我们根据不同的工作状况来决定叶轮的形状。 5. 进气旁通阀 进气旁通阀一般又称为 “ 进气泄压阀 ” 。它安装在靠近节气门的进气管 上，它是大部分 涡轮增压 发动机出厂时原配的泄压装置。 涡轮增压能够提升发动机的动力， 现阶段的设计中它也有一些不可避免的问题，其中最常见 的就是动力输出反应滞后 。当加大油门提高车速时，涡轮增压需要一个反应的时间，车速不会立刻增加。一般来讲，这个时间为 2 秒左右，这就是所谓的动力输出反应滞后。 三、涡轮增压的优化 （一）实际中需要注意的问题 涡轮增压是高温条件下高速运转的部件。来自气缸中的 废气，温度高达 900 摄氏度到 1000 摄氏度，在全负荷状况下，一分钟的转速可达 18 万到 20 万转。一般 我们 主 要遵循以下的方法： 1、 启动车之前先热车。停车之后请怠速一会儿。在启动汽车时，不要马上踩油门，应该先等车运转三五分钟之后再走，这样也使润滑油充分润滑。停车之后也要怠速一会儿。 2、 发动机中的机油与空气滤清器必须保持清洁，我们可以定时的清理空气滤清器。对于叶轮也要注意清洁，防止杂质进入磨损压气机的叶轮。 （二）提出的一些优化方案 本文针对涡轮增压实际的设计提出一些优化方案，也对帕萨特 车汽车的废气涡 轮增压系统提出改良的建议。 第一：在前面所提到的涡轮增压的原理中我们可以知道涡轮叶轮是涡轮中用于旋转的叶片。它是用废气体来驱动叶片转动从而带动压缩机的叶片转动。在设计好的涡轮中叶片是固定的。假设叶片是三片，那么我们用于在低速下行驶，如果是高速行驶时，涡轮的叶片是比较少的，则不能发挥最大的动力。所以本文设计一种在高速和低速兼用的涡轮叶轮，简单地说就是涡轮中叶轮的片数可以增加可以减少。 赤峰学院毕业论文设计 图 7 涡轮叶轮 图片 7 是一个制造好的涡轮叶轮。可以清楚地看到它的叶片是固定的，而且叶轮的压力与吸力必须符合我们的实际行驶中。那我们清楚在汽车发动的时候，涡轮也开始转动，但是，达不到发动机一定转速的时候，涡轮转动是一个负担，而且低速时涡轮需要三片就可以带动起来，当我们在高速公路上行驶时三片是不够的，这时我们在原有每片叶片的中间再加入一个能感应发动机活塞转动转速变化感应器，那么在伸缩叶片的同时我们还得考虑这三个可以伸缩的叶片应该怎么放进涡轮的增压器中。从图 7 上看到叶轮的叶片是比较多的，而且之间的间距也是比较小的，有些叶片可以间隔改变 成伸缩的叶片。 图 8 涡轮内部叶片图 图 8 也是一种设计方案，是根据高低转速叶片来决定开度的大小。这样在高速与低速的情况下就可以兼用涡轮增压器了。与前面我提到的设计是一样的作用。但是在这个涡轮中它的叶片只是改变了涡轮的角度，没有改变叶轮的大小，所以本文再提出一种高速情况下叶轮既能改变角度又可以改变大小的一种新型叶轮。 也就是说在原来固定的叶轮上我们可以根据内燃机中的活塞的转速来控制叶轮的大小与速度。叶轮与涡轮轴相连接的叶片固定不变，在原来叶片的基础上再加上伸缩的对称叶片，这个伸缩的叶片不是随便可以伸出来的， 是在汽车换到高速档的时候，我们会在内燃机那里安装一个检测活塞转速的监控器。只要达到高速旋转的活塞数时，信号发出，废气量增大，涡轮会收到一个让叶片自动伸出来并且角度变大的运转的涡轮。其中对于伸缩的涡轮叶片我们必须保证它的稳定性与耐用性质。所以我们需要经常检查叶轮的工作质量。这样对于我的改进的方案会增强。 赤峰学院毕业论文设计 第二：在实际应用中，涡轮增压不可避免的额就是 动力输出反应滞后 。也就是说，当我们用力踩油门时，车子并不会马上提速，而是由一个反应的时间。这个时间大约 2 秒左右。所以在这里我想提出能优化反应滞后的方案。 本文在前面 说到实际生活中涡轮增压的原理图时，是最简单的原理图，但在实际生活当中，我们的原理图比那个复杂一点。帕萨特 车废气涡轮增压系统的工作原理图如图 9。 图 9 帕萨特 车废气涡轮增压系统工作原理简图 图 9 中我们可以看到它在原来原理图的基础上加上了一些额外的东西。比如最明显的是发动机控制单元，它连接着增压压力限制电磁阀和增压器空气再循环阀。在增压压力限制电磁阀的上端它是用增压压力调节单元来控制从内燃机排放出来的废气是到涡轮室里工作还是将增压压力调节单元的 阀门打开，使之不经过涡轮废气排出。就在这个环节我在此提出一个想法，就是在发动机控制单元和增压压力限制电磁阀中间加一个内燃机工作监视器。当发动机突然提上速度时，也就是活塞的转速达到一定值时，废气量增大，但是不能马上就把信号传到涡轮那里，这时涡轮还没有开始工作那必然会感觉提不上速度。所以我在那里加上一个内燃机工作监视器，一边连接发动机控制单元，另一边连接内燃机气缸，发动机控制单元是让涡轮开始工作，但是废气量不够不能正常工作，当连接上内燃机的信号反馈时，只有两边都有信号时，涡轮才开始工作。现在的发动机控制单元就是 作用在内燃机监视器上面，而上图中的是作用在增压压力限制电磁阀上面。这样在两个信号都具备的条件下，废气量也具备的条件下，速度就能上来，就不会出现换挡时提不上速度的感觉。图 9 就是本文提出针对图 10 的一个优化简图模型 赤峰学院毕业论文设计 图 10 优化简图模型 参考文献 1 华自强 , 张忠进 ,高青等 . 工程热力学 . 北京： 高等教育 出版社 . 1980 2 汽车维修技师 褚杰 2011 年第 1 期 3 潍坊工程职业学院 科学出版社 2011 年第 28 期 4 汽车技 术期刊 安立群 20065 内燃机与动力装置 张子辰等 2008 年 1 期 6 城市公共交通 2009 年第 10 期 内燃机气缸 发动机控制单元 内燃机工作监视器 图 8 原理简图 开关阀 赤峰学院毕业论文设计 iu of 24000 of of n