车用发动机的废气涡轮增压器设计说明书

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AbstractCurrently, 80 percent of European diesel passenger cars are turbocharged 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 optimum setting according to the known parameter of the diesel engine, and checking it. In addition, we try analyzing the theoretically influence of the main parameter in diesel engine, and knowing that the turbo machine can lower the diesel engine exhausts.Key words：diesel, turbocharging, automotive, torque, emissions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)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、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气中Nox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。

1.3 工作原理图 １.１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，而日本一些废气涡轮增压器的涡轮转速可达12万转。

与涡轮同轴的左端叶轮也同时做高速旋转，叶轮左端的黑色箭头代表从空气滤清器过来的新鲜空气形成增压。

增压后的新鲜空气要首先经过中冷器进行冷却，因为叶轮的搅动升高了空气的温度，从而降低了空气的密度，为了保证进气量，因此必须对增压后的高温气体实行冷却。

经过中冷器的空气在经过进气管后再进入汽缸开始工作。

涡轮增压由于进气压力高，因此在排气过程中能够充分扫清上一循环工作过程中的残余废气，达到了排气干净的目的，并能为下一次燃烧做好准备，也利于下一次燃烧充分，从而减少有害物质的排放。

这是它的另一个非常突出的优点。

1.4 技术探讨由于经过涡轮增压器增压后的气体，温度、压强都较高，涡轮增压器多数情况下应用在柴油机上。

柴油机采用涡轮增压器可以提高柴油机的功率、改善经济性、减小机器单位马力体积和降低单位马力重量。

现有的增压器，一般采用离心式压气机，故可根据采用涡轮机型号的不同，把涡轮增压器分为两大类：轴流式涡轮增压器和径流式涡轮增压器。

轴流式涡轮机 气体在其中是沿着平行于工作轮旋转轴的方向运动。

径流式涡轮机 气体在其中是沿着垂直于工作轮旋转轴的方向运动。

当气体沿着旋转轴中心向工作轮缘方向运动时，称为离心式涡轮机；当气体由工作轮外缘向转轴中心方向运动时，则称为向心式涡轮机。

因为在相同的条件下，径流式涡轮机比离心式涡轮机的效率高，且能发出较大的功率，所以，在径流式涡轮增压器中，一般采用径流向心涡轮机。

径流向心涡轮机还可以按其工作轮叶片形状分为：具有径向叶片的向心涡轮机；具有弯曲叶片的向心涡轮机。

此外，涡轮增压器按其能量的利用方式可分成等压增压和脉冲增压两种：（1）等压增压 等压增压就是将所有各缸的废气首先排到一个容积较大的排气总管中，再由排气总管流入废气涡轮。

由于排气总管起到稳压器的作用，进入涡轮前的气体压力脉动较小。

这种增压方式不能将废气能量全部利用，只能利用废气在涡轮中的膨胀功。

等压增压的优点是排气管结构简单，并能保证涡轮有较高的效率。

这种增压方式一般用于大型高增压柴油机。

（2）脉冲增压 脉冲增压是将排气管做成分支型式，各分支的排气管分别与涡轮进口相连接，因此脉冲增压的涡轮有多个进气口。

目前在作柴油机的低、中增压设计时，广泛采用脉冲涡轮，有时还在高增压设计中采用，以改善柴油机低负荷时的性能，但脉冲涡轮的效率较低。

第二章涡轮增压器选型2.1 已知参数丰田柴油机主要技术参数：缸径x行程 mm 96x103排量 ml 2982最大功率 kw(r/min) 96(3600)最大扭矩 N.m(r/min) 290(2000)汽缸数及分布 L4标定工况平均有效压力 Mpa 1.073此柴油机属于中、小型的，故用单级涡轮增压，采用径流式涡轮、离心式压气机，有四个汽缸故选用脉冲增压。

2.2 各零部件型号确定2.2.1 离心式压气机压气机有轴流式和离心式之分。

由于离心式压气机结构紧凑、质量轻以及在较宽的流量范围内能保持较好的效率，对于小尺寸压气机，效率优于轴流式。

因此，采用离心式压气机。

图2-1 离心式压气机结构1-进气道 2-压气机叶轮3-压气机涡壳 4-扩压器2.2.1.1 进气道轴向进气道气流沿转子轴向不转弯进入压气机，其结构简单、流动损失小，故采用此种方式。