柴油发动机废气涡轮增压系统设计.docx

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1、中文题目：柴油发动机废气涡轮增压系统设计外文题目：DIESElENGINEEXHAUSTGASTURBOCHARGINGSYSTEMDESIGN摘要涡轮增压器在发动机排放量不变的情况下，可以提高动力性能，降低尾气排放，最初主要用于柴油发动机。在发动机排放量一定的情况下，要提高发动机的功率，最有效的方法是多提供燃料燃烧。但是，缸内多供燃料容易，但为了支持燃料的完全燃烧，需要提供足够的空气，用传统的发动机进气系统很难完成。目前，废气涡轮增压技术已成为提高发动机功率、扭矩、降低油耗的主要方法之一。特别是对柴油发动机采用增压技术，受到了国内外的广泛关注。本文介绍了柴油机4100型发动机废气涡轮增压系统

2、的组成和原理，并对组成柴油机废气涡轮增压系统的各部件进行设计计算。并加装了配套的废气涡轮增压器的中冷器，对中冷器进行了理论分析。使避免使空气过热抵消增压效果和爆震的产生。关键词：废气涡轮增压；柴油机；功率AbstractTurbochargercanimprovepowerperformanceandreduceexhaustemissionwhentheengineemissionremainsunchanged.Itwasoriginallymainlyusedindieselengine.Whentheengineemissioniscertain,themosteffectiveway

3、toimprovetheenginepoweristoprovidemorefuelcombustion.However,itiseasytosupplymorefuelinthecylinder,butinordertosupportthecompletecombustionoffuel,itisnecessarytoprovideenoughair,whichisdifficulttocompletewiththetraditionalengineintakesystem.Atpresent,exhaustgasturbochargingtechnologyhasbecomeoneofth

4、emainmethodstoimproveenginepower,torqueandreducefuelconsumption.Especiallythesuperchargingtechnologyfordieselenginehasattractedextensiveattentionathomeandabroad.Thispaperintroducesthecompositionandprincipleofdieselengine4100engineexhaustgasturbochargingsystem,anddesignsandcalculatesthecomponentsofdi

5、eselengineexhaustturbochargingsystem.Theintercoolerwithsupportingexhaustgasturbochargerisinstalled,andtheintercooleristheoreticallyanalyzed.Avoidoverheatingtheairtocounteractthesuperchargingeffectandknock.Keywords:exhaustgasturbocharging；dieselengine;power目录1绪论12废气涡轮增压器压气机结构设计52.1 压气机的结构52.1.1 进气道52

6、.1.2 压气机叶轮52.1.3 扩压器62.1.4 压气机蜗壳62.2 压气机的主要工作参数72.2.1 设计的原始数据72.3 离心式压气机的结构设计72.3.1 进气道82.3.2 导风轮的初步设计92.3.3 叶轮（工作轮）的初步设计142.3.4 扩压器的初步设计172.3.5 其他参数设计计算192.3.6 对初步设计进行校核213废气涡轮结构设计233.1 废气涡轮结构233.2 工作轮结构设计243.3 相关参数设计253.3.1 设计的原始数据253.3.2 废气在单级涡轮内的膨胀过程及效率254柴油机中冷器294.1 柴油机中冷器的类型、结构294.1.1 柴油机中冷器的类

7、型295经济性分析316结论32致谢33参考文献34附录A35附录B581绪论.废气涡轮增压器的背景涡轮增压器技术，有100多年的发展历程了。1905年,AlfredBuchi发明了世界上第一款涡轮增压器，它是动力驱动的轴向增压器的雏形。自此，涡轮增压器被广泛地运用于汽车领域。然而，当时涡轮增压器主要用于摩托车发动机的进气系统，而对汽车而言其作用微乎其微。20世纪70年代末，汽车工业进入高速发展时期。1961年，汽车上安装了这种增压器，它能瞬间吸收大量的热量。在这种情况下,Saab萨博公司在北欧的瑞典成立了第一家专门生产汽车产品中涡轮增压器的汽车制造商。Saab萨博于1977年开始研发涡轮增压

8、器技术，并取得了巨大的成功。汽车行业进入新时代。20世纪90年代初，萨博公司开发出了一款全新一代涡轮增压发动机，从此拉开了全球范围内涡轮增压发动机应用与推广的序幕。此后，涡轮增压器以其高效节能的优势得到广泛关注。涡轮增压器技术的出现，改变了“排量决定功率”的观念。它代表着目前内燃机技术发展的一个重要方向，现在正呈现强劲的发展势头。涡轮增压是一项新技术。在近几十年的发展历史中，涡轮增压器对提高发动机性能和经济性，改善发动机的工作条件等方面起到了重要作用。在内燃机发展中占有重要地位。涡轮增压在柴油机动力装置中占有重要地位。此后，萨博公司一直致力于涡轮增压器技术研究及产品开发。目前，萨博涡轮增压器已

9、被广泛应用于各种车辆上，成为现代汽车业必不可少的部件之一。实践证明，涡轮增压器最适用于尺寸有限的应用场合（如船舶、机车、卡车等），与非涡轮增压器相比，能更好地降低燃油消耗率、降低噪音和高原性能。上世纪60,增压技术被广泛应用于中速柴油机中，大大提高了强化指标。但20世纪70年代的石油危机导致经济指标下降，燃料消耗增加，劣质燃料大量使用，20世纪80年代以来，随着环境法规的日趋严格，柴油机制造厂商面临着严峻的挑战。因此，为了满足日益苛刻的要求，世界各国都加大了中速柴油机研制的投入，以使自己能够更好地适应市场变化。新开发的柴油机必须体现出多方面的优势，否则就无法适应未来的激烈市场竞争。一，中速发动

10、机的优势中速发动机的生产体系已基本形成。但总的来说，目前，我国的车用柴油机技术水平与国际先进水平相比还有较大差距。1.2 废气涡轮增压器产业的技术发展由于增压技术在节能、提高效率和环保方面具有无可比拟的优势，许多柴油机都采用了增压技术。然而，随着柴油机向大功率方向发展。发动机承载的总功率也会增加。特别是一些高速重载柴油机，其最高转速可达到4000rmin以上。这些特点给增压带来了很大困难。从发展趋势上看，增压的发展趋势是越来越明显的。目前世界上已有30多个国家采用了增压器来满足汽车对动力性能的要求。在我国也有许多厂家开始研究开发高压共轨燃油喷射系统。到目前为止，已生产出20多种型号。现在平均有

11、效压力已达到了3.0MPa左右。随着平均有效压力的增加，高负荷柴油机的机械负荷和热载荷降低。增压系统可以提高废气能量利用率，消除气缸扫气现象，改善瞬态特性，适合于批量生产，但其涡轮一般采用单进口。增压系统极大地改善了高增压柴油机在低工况性能下的性能。1.3 废气涡轮增压器产业的技术发展吴忠华的叶轮机械三元流理论在计算机技术的快速发展中得到广泛的应用。其主要特点是：以三维流动为基础，用数值模拟来解决工程问题。其中一个最重要的技术是采用准单元分析法。在分析过程中，利用有限元软件ANSYS对结构进行了模态计算和谐响应分析。并根据计算结果确定出各部件的固有频率和振型等参数。通过比较得到较好的结果。这种

12、方法不仅可以提高计算速度；它还节省了计算机内存。目前，这种准二维设计方法已被成功地应用于离心式压气机和径流涡轮的设计。三元流法是研究涡轮内部流场的有效方法之一，三元流法通过建立损失模型来模拟涡轮的内部流场，为涡轮增压器的设计提供了新的思路，在涡轮设计中得到了广泛的应用。我国在气动计算、流场分析、叶轮及叶片设计、强度分析和性能预测等方面都取得了很大进展。但是，在设计方法上还存在着很大的差距，下一步的工作主要是加强理论与计算机技术的结合。我国的涡轮增压器设计制造技术虽然起步较晚,但发展迅速，己基本达到了“发展”西方国家水平,有些方面甚至达到了“发达”程度。当前涡轮增压器的设计主要是以材料为基础。然

13、而，涡轮增压器的应用受到材料性能的制约。近年来，我国对该技术进行了大量研究工作，取得一定成果。目前，涡轮增压在国内得到越来越广泛的使用，为我国汽车工业提供了强大动力。然而，与国外相比仍有很大差距。随着高性能发动机的研制以及涡轮增压器的大量生产和应用，涡轮工作环境更加恶劣，要求涡轮增压器有更好的综合性能。因此，采用高科技材料是提高涡轮增压器性能的一个重要手段。目前国内外对航空发动机用高格铸铁基复合材料进行了研究，但对于钛合金基复合材料的研究还很少，尤其是钛铝金属间化合物的研究更少。TiAl合金作为一种新型的新型高温材料，其耐高温性、抗氧化性好。不含铅，对环境无污染。随着计算机技术的发展和计算机数

14、值模拟手段的成熟，特别是三维建模软件的普及运用。涡轮增压器转动惯量大、瞬态响应快。涡轮叶轮采用高频感应快速铸造，涡轮毛胚采用粉末冶金成型。有必要对其进行改进。压气机前级采用过滤器。静电过滤和进气预旋可以提高过滤效果，但对压缩机流量影响不大。近几十年来，涡轮增压器在基本结构、小型化、新技术等方面都有很大发展。随着发动机的发展，人们对涡轮增压器的性能要求越来越高。为了满足这些需求，涡轮增压器制造商必须不断地研究设计出更加紧凑的产品。在涡轮增压器的研制过程中，采用了一系列先进技术以改善性能。由于制造工艺的限制，涡轮增压器的制造成本较高，流量范围窄，效率低，无法满足批量生产的需求，因此涡轮增压器的研究

15、一直没有停止过。过滤器、增压器、中冷器和进排气管之间的接口问题是早期设计师所关心的问题。而现在，效率已经不再是相互接口的问题，而是一个整体和系统的问题。因此，开发“涡轮增压系统”是必要的。美国的HoneyWell和德国的KKK（现为Bor克Warner）公司都在这方面进行了研究。他们通过对增压器涡轮壳体、发动机排气管、压气机和增压空气冷却器等部件的改进，减少了气流损失。随着计算机技术的发展，人们对气流状态和总体结构的综合效率要求越来越高。采用涡轮增压器、旁通放气、变几何形状、可变截面、电子控制等技术，极大地提高了涡轮增压器的性能，提高了涡轮增压的效率。随着汽车发动机向高速大功率方向发展,对其提

16、出了越来越高的要求。因此，在未来几年中，涡轮增压器将以更快的速度向前发展。我国的涡轮增压器工业正在起步阶段。与此同时，为了提高涡轮增压器的性能，需要进一步的研究和开发。目前，国外已经出现许多新型涡轮增压器产品。ABB公司的轴流式涡轮增压气机VTR.4E的总效率可达75%以上。日本的涡轮增压器也向小型化方向发展。随着现代汽车工业的飞速发展，人们对于车辆性能的需求不断提高，因此对车辆的动力特性也提出了很高的要求。为了满足这些要求，就必须开发出各种不同类型的发动机。三菱和石川岛播磨公司开发了小型叶轮叶片，直径34毫米，用于摩托车和汽油机的压气机。涡轮增压器的轴承结构主要包括滚动轴承、滑动轴承和全浮动轴承。随着涡轮增压器的应用越来越广泛，对涡轮增压泵提出了新的要求。涡轮增压泵作为一种新型增压装置，在降低发动机燃油消耗和提高动力性等