渦輪增壓的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

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學(xué)校編碼： 15014 分類號(hào) 密級(jí) 學(xué)號(hào)： 10131270125 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 渦輪增壓的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 學(xué)生姓名： 所屬院部：專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 二零 **年六月十一日 赤峰學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 渦輪增壓的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 劉洋 學(xué)號(hào)： 10131270125 赤峰學(xué)院物理與電子信息工程院，赤峰 024000 摘要 ： 本文介紹了渦輪增壓的原理以及實(shí)際當(dāng)中的設(shè)計(jì)，在渦輪增壓實(shí)際中遇到的問題針對(duì)輸出反應(yīng)滯后及葉輪改進(jìn)提出了一些優(yōu)化方案。 關(guān)鍵詞 ： 渦輪增壓；壓氣機(jī)；優(yōu)化 引言 汽車是通過內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部引燃來發(fā)動(dòng)車子，在現(xiàn)有的各種限制下，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)幾乎已經(jīng)達(dá)到了極限，怎樣還可以繼續(xù)增加車子的馬力呢？渦輪增壓就是針對(duì)這種需求提出的設(shè)計(jì)，渦輪增壓這個(gè)詞對(duì)于愛車的人來說很是熟悉。 廢氣渦輪增壓是渦輪和空氣壓縮器一起構(gòu)成的空氣壓縮機(jī)。它是通過壓縮空氣即增大空氣的密度來提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的一種裝置。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞轉(zhuǎn)速加快時(shí)， 廢氣排出的就越多。渦輪轉(zhuǎn)速也同步加快。圖 1 是我在新發(fā)布的菲特汽車中拍的渦輪增壓器。可以看到它不是很復(fù)雜很大的一個(gè)器件，但是就是這個(gè)器件改變了車子的性能。 圖 1 發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓實(shí)物圖 渦輪增壓雖然可以提高汽車的性能，但并不是所有的車型都適用的。即便是使用到了渦輪增壓，也是因車而 議 的。 本文首先介紹渦輪增壓（壓氣機(jī)）的原理，然后針對(duì)具體設(shè)計(jì)中遇到的問題提出一些優(yōu)化方案。 一、渦輪增壓的原理（壓氣機(jī)） 渦輪增壓是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中最常見的增壓系統(tǒng)之一。它是利用壓氣機(jī)的原理所制成的。渦輪增壓是壓氣機(jī)的一種，原理和壓氣 機(jī)是一樣的。壓氣機(jī)有很多種，工作壓力范圍也很廣。本文所介紹的赤峰學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 是利用廢氣體推動(dòng)渦輪中的葉片高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓氣機(jī)端的葉輪旋轉(zhuǎn)，之后再利用擴(kuò)壓管石高速運(yùn)動(dòng)的氣流降低流速來提高壓力，實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮。 對(duì)于壓氣機(jī)來講，其進(jìn)氣和排氣的流動(dòng)能量及重力位能都可忽略不計(jì)。據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，可得到壓氣機(jī)中能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系 ? ? ? ?12 s cq h h w? ? ?式中， ? ?s 設(shè)壓氣過程是理想的過程，也就是沒有摩擦等能量的耗散則按軸功的表示式可以得到 ? ? ? ?221 1 2 211s cw p d v p v p v v d p? ? ? ? ??? 即壓氣機(jī)壓氣過程的軸功等于壓縮過程的容積變化功和進(jìn)氣、排氣推動(dòng)功的代數(shù)和。如下圖所示，在 圖 2 上， 12s?是絕熱過程的壓縮過程曲線， 12T?是等溫過程的壓縮過程曲線，除外兩條曲線中間的 12n?是多變過程的壓縮過程曲線。各曲線左側(cè)所包圍的面積是壓氣 機(jī)壓氣過程的軸功。由圖可以看到，壓氣機(jī)軸功最大的是絕熱過程的曲線，最小的是等溫過程的曲線。在使用壓氣機(jī)時(shí)，越接近等溫過程的曲線，功耗越少，相反接近絕熱過程功耗增加。實(shí)際工作中，壓氣機(jī)的工作頻率很大，來不及和外界進(jìn)行充分的熱量交換，近似看做是絕熱過程。這就說明，為了是壓氣機(jī)更好的工作，必須引入冷卻設(shè)置。同時(shí)，冷卻設(shè)置在使工作過程接近等溫過程的同時(shí)，溫度的降低，也有利于潤(rùn)滑劑保持良好的性能。 當(dāng)然，實(shí)際的冷卻不能達(dá)到理想的冷卻效果，實(shí)際過程都是介于等溫和絕熱之間的 多方過程，即 12n?。 圖 2 不同壓縮過程的耗功和溫度升高的對(duì)比示意圖 1 O P v 2T 2T O s 1 T 2 赤峰學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 當(dāng)壓縮過程是 12s?曲線 時(shí)，根據(jù)壓氣機(jī)中能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系可以得到壓氣機(jī)壓氣過程消耗的軸功為 ? ? 12,s h h?? 當(dāng)壓氣機(jī)壓縮的工質(zhì)是理想氣體且比熱容可作為定值時(shí)，絕熱壓縮的壓氣過程的軸功還可表示為 ? ? ? ?0 1 2,c T T??? ? ? ?1 2 1 1 2 211 T p v p v??? ? ? ???當(dāng)壓縮過程為 12T?曲線時(shí)，按照式可以得到壓氣機(jī)壓氣過程消耗的軸功為 ? ? ? ?21111,1 22l n l ns g v d p R T R T? ? ? ?? 當(dāng)壓縮過程為 12n?曲線時(shí)，按式軸功的表達(dá)式可以得到壓氣機(jī)壓氣過程消耗的軸功為 ? ? ? ? ? ?2 1 1 2 2, 1 1s cn nw v d p p v p ? ? ??? 111 111??????????????121111??????????????但是在現(xiàn)實(shí)中壓氣機(jī)的效率不能達(dá)到全部，總是會(huì)存在摩擦、擾動(dòng)等一些問題有待于解決。則我們會(huì)采取冷卻措施，提高壓氣機(jī)的效率。這就是渦輪增壓的基本原理。那實(shí)際生活當(dāng)中我們汽車中安裝的渦輪增壓器是怎樣設(shè)計(jì)的，由以下內(nèi)容來簡(jiǎn)單講述。 二、實(shí)際生活中常見渦輪增壓的設(shè)計(jì) 渦輪增壓 設(shè)計(jì)是較為精密的 ， 但它的結(jié)構(gòu)其實(shí)是比較簡(jiǎn)單的。 渦輪增壓裝置主要是由渦輪室和增壓器組成。 圖 3 渦輪增壓系統(tǒng)實(shí)物圖 赤峰學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 渦輪增壓包括渦輪部分和壓縮機(jī)部分。如圖 4 所示 圖 4 渦輪增壓原理示意圖 清楚了解渦輪增壓原理的工作順序。如 圖 5 所示 ： 圖 5 渦輪增壓系統(tǒng)工質(zhì)原理圖 渦輪增壓的主要的部件描述如下： 1. 渦輪增壓器 渦輪增壓 器是 渦輪增壓 系統(tǒng)中最 重要最核心 的部件， 正因?yàn)樗耐庑问窒嘞衽c蝸牛背上的殼，故因此而得名。渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)可以分為進(jìn)氣口、排氣口和中間的管道連接構(gòu)成了渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)。 2． 渦輪軸 赤峰學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 渦輪軸 圖 6 我 們可以看到圖 6 的 渦輪軸 只是一根簡(jiǎn)單的金屬管。 但實(shí)際上它是一個(gè)肩負(fù) 12 萬到 16 萬轉(zhuǎn)的精密零件。 因?yàn)樗枰惺芎艽蟮膲毫蜆O高的溫度，所以它的加工和材料需要特殊的工藝，也是渦輪廠最為核心的技術(shù)。 3. 渦輪葉輪 渦輪和葉輪的形狀一般為直片或者是彎片，據(jù)實(shí)際情況來確定用直片還是彎片。 4． 壓氣機(jī)葉輪 壓氣機(jī)葉輪的動(dòng)力來源是葉片。壓氣機(jī)葉輪的首要任務(wù)基本上是如何將空氣有效的擠入壓縮通道。我們根據(jù)不同的工作狀況來決定葉輪的形狀。 5. 進(jìn)氣旁通閥 進(jìn)氣旁通閥一般又稱為 “ 進(jìn)氣泄壓閥 ” 。它安裝在靠近節(jié)氣門的進(jìn)氣管 上，它是大部分 渦輪增壓 發(fā)動(dòng)機(jī)出廠時(shí)原配的泄壓裝置。 渦輪增壓能夠提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力， 現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)中它也有一些不可避免的問題，其中最常見 的就是動(dòng)力輸出反應(yīng)滯后 。當(dāng)加大油門提高車速時(shí)，渦輪增壓需要一個(gè)反應(yīng)的時(shí)間，車速不會(huì)立刻增加。一般來講，這個(gè)時(shí)間為 2 秒左右，這就是所謂的動(dòng)力輸出反應(yīng)滯后。 三、渦輪增壓的優(yōu)化 （一）實(shí)際中需要注意的問題 渦輪增壓是高溫條件下高速運(yùn)轉(zhuǎn)的部件。來自氣缸中的 廢氣，溫度高達(dá) 900 攝氏度到 1000 攝氏度，在全負(fù)荷狀況下，一分鐘的轉(zhuǎn)速可達(dá) 18 萬到 20 萬轉(zhuǎn)。一般 我們 主 要遵循以下的方法： 1、 啟動(dòng)車之前先熱車。停車之后請(qǐng)怠速一會(huì)兒。在啟動(dòng)汽車時(shí)，不要馬上踩油門，應(yīng)該先等車運(yùn)轉(zhuǎn)三五分鐘之后再走，這樣也使?jié)櫥统浞譂?rùn)滑。停車之后也要怠速一會(huì)兒。 2、 發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)油與空氣濾清器必須保持清潔，我們可以定時(shí)的清理空氣濾清器。對(duì)于葉輪也要注意清潔，防止雜質(zhì)進(jìn)入磨損壓氣機(jī)的葉輪。 （二）提出的一些優(yōu)化方案 本文針對(duì)渦輪增壓實(shí)際的設(shè)計(jì)提出一些優(yōu)化方案，也對(duì)帕薩特 車汽車的廢氣渦 輪增壓系統(tǒng)提出改良的建議。 第一：在前面所提到的渦輪增壓的原理中我們可以知道渦輪葉輪是渦輪中用于旋轉(zhuǎn)的葉片。它是用廢氣體來驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)壓縮機(jī)的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)好的渦輪中葉片是固定的。假設(shè)葉片是三片，那么我們用于在低速下行駛，如果是高速行駛時(shí)，渦輪的葉片是比較少的，則不能發(fā)揮最大的動(dòng)力。所以本文設(shè)計(jì)一種在高速和低速兼用的渦輪葉輪，簡(jiǎn)單地說就是渦輪中葉輪的片數(shù)可以增加可以減少。 赤峰學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 圖 7 渦輪葉輪 圖片 7 是一個(gè)制造好的渦輪葉輪?？梢郧宄乜吹剿娜~片是固定的，而且葉輪的壓力與吸力必須符合我們的實(shí)際行駛中。那我們清楚在汽車發(fā)動(dòng)的時(shí)候，渦輪也開始轉(zhuǎn)動(dòng)，但是，達(dá)不到發(fā)動(dòng)機(jī)一定轉(zhuǎn)速的時(shí)候，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)是一個(gè)負(fù)擔(dān)，而且低速時(shí)渦輪需要三片就可以帶動(dòng)起來，當(dāng)我們?cè)诟咚俟飞闲旭倳r(shí)三片是不夠的，這時(shí)我們?cè)谠忻科~片的中間再加入一個(gè)能感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速變化感應(yīng)器，那么在伸縮葉片的同時(shí)我們還得考慮這三個(gè)可以伸縮的葉片應(yīng)該怎么放進(jìn)渦輪的增壓器中。從圖 7 上看到葉輪的葉片是比較多的，而且之間的間距也是比較小的，有些葉片可以間隔改變 成伸縮的葉片。 圖 8 渦輪內(nèi)部葉片圖 圖 8 也是一種設(shè)計(jì)方案，是根據(jù)高低轉(zhuǎn)速葉片來決定開度的大小。這樣在高速與低速的情況下就可以兼用渦輪增壓器了。與前面我提到的設(shè)計(jì)是一樣的作用。但是在這個(gè)渦輪中它的葉片只是改變了渦輪的角度，沒有改變?nèi)~輪的大小，所以本文再提出一種高速情況下葉輪既能改變角度又可以改變大小的一種新型葉輪。 也就是說在原來固定的葉輪上我們可以根據(jù)內(nèi)燃機(jī)中的活塞的轉(zhuǎn)速來控制葉輪的大小與速度。葉輪與渦輪軸相連接的葉片固定不變，在原來葉片的基礎(chǔ)上再加上伸縮的對(duì)稱葉片，這個(gè)伸縮的葉片不是隨便可以伸出來的， 是在汽車換到高速檔的時(shí)候，我們會(huì)在內(nèi)燃機(jī)那里安裝一個(gè)檢測(cè)活塞轉(zhuǎn)速的監(jiān)控器。只要達(dá)到高速旋轉(zhuǎn)的活塞數(shù)時(shí)，信號(hào)發(fā)出，廢氣量增大，渦輪會(huì)收到一個(gè)讓葉片自動(dòng)伸出來并且角度變大的運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪。其中對(duì)于伸縮的渦輪葉片我們必須保證它的穩(wěn)定性與耐用性質(zhì)。所以我們需要經(jīng)常檢查葉輪的工作質(zhì)量。這樣對(duì)于我的改進(jìn)的方案會(huì)增強(qiáng)。 赤峰學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 第二：在實(shí)際應(yīng)用中，渦輪增壓不可避免的額就是 動(dòng)力輸出反應(yīng)滯后 。也就是說，當(dāng)我們用力踩油門時(shí)，車子并不會(huì)馬上提速，而是由一個(gè)反應(yīng)的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間大約 2 秒左右。所以在這里我想提出能優(yōu)化反應(yīng)滯后的方案。 本文在前面 說到實(shí)際生活中渦輪增壓的原理圖時(shí)，是最簡(jiǎn)單的原理圖，但在實(shí)際生活當(dāng)中，我們的原理圖比那個(gè)復(fù)雜一點(diǎn)。帕薩特 車廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的工作原理圖如圖 9。 圖 9 帕薩特 車廢氣渦輪增壓系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖 圖 9 中我們可以看到它在原來原理圖的基礎(chǔ)上加上了一些額外的東西。比如最明顯的是發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，它連接著增壓壓力限制電磁閥和增壓器空氣再循環(huán)閥。在增壓壓力限制電磁閥的上端它是用增壓壓力調(diào)節(jié)單元來控制從內(nèi)燃機(jī)排放出來的廢氣是到渦輪室里工作還是將增壓壓力調(diào)節(jié)單元的 閥門打開，使之不經(jīng)過渦輪廢氣排出。就在這個(gè)環(huán)節(jié)我在此提出一個(gè)想法，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和增壓壓力限制電磁閥中間加一個(gè)內(nèi)燃機(jī)工作監(jiān)視器。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)突然提上速度時(shí)，也就是活塞的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，廢氣量增大，但是不能馬上就把信號(hào)傳到渦輪那里，這時(shí)渦輪還沒有開始工作那必然會(huì)感覺提不上速度。所以我在那里加上一個(gè)內(nèi)燃機(jī)工作監(jiān)視器，一邊連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，另一邊連接內(nèi)燃機(jī)氣缸，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元是讓渦輪開始工作，但是廢氣量不夠不能正常工作，當(dāng)連接上內(nèi)燃機(jī)的信號(hào)反饋時(shí)，只有兩邊都有信號(hào)時(shí)，渦輪才開始工作?，F(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元就是 作用在內(nèi)燃機(jī)監(jiān)視器上面，而上圖中的是作用在增壓壓力限制電磁閥上面。這樣在兩個(gè)信號(hào)都具備的條件下，廢氣量也具備的條件下，速度就能上來，就不會(huì)出現(xiàn)換擋時(shí)提不上速度的感覺。圖 9 就是本文提出針對(duì)圖 10 的一個(gè)優(yōu)化簡(jiǎn)圖模型 赤峰學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 圖 10 優(yōu)化簡(jiǎn)圖模型 參考文獻(xiàn) [1] 華自強(qiáng) , 張忠進(jìn) ,高青等 . 工程熱力學(xué) . 北京： 高等教育 出版社 . 1980 [2] 汽車維修技師 褚杰 2011 年第 1 期 [3] 濰坊工程職業(yè)學(xué)院 科學(xué)出版社 2011 年第 28 期 [4] 汽車技 術(shù)期刊 安立群 20065] 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置 張子辰等 2008 年 1 期 [6] 城市公共交通 2009 年第 10 期 內(nèi)燃機(jī)氣缸 發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 內(nèi)燃機(jī)工作監(jiān)視器 圖 8 原理簡(jiǎn)圖 開關(guān)閥 赤峰學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) iu of 24000 of of n