汽车应用工程毕业论文Word下载.docx
《汽车应用工程毕业论文Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《汽车应用工程毕业论文Word下载.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
1.3涡轮增压器的工作环境3
第二章涡轮增压器原理5
2.1增压目的5
2.2增压器原理概述5
2.3涡轮增压器构造5
2.4涡轮增压系统工作过程8
第三章涡轮增压器类型10
3.1机械增压系统10
3.2气波增压系统10
3.3废气涡轮增压系统11
3.4复合增压系统11
第四章涡轮增压器优缺点13
4.1涡轮增压器优点13
4.2涡轮增压器缺点13
4.3改进缺点方法14
第五章涡轮增压器使用常识17
5.1不良的驾驶习惯17
5.2冷启动注意事项17
5.3涡轮增压发动机熄火注意事项18
第六章维护及保养19
6.1涡轮增压器维护和保养目的19
6.2涡轮增压器常见故障现象19
6.3日常维护检查项目20
6.4定期维护项目及方法21
6.5定期保养项目22
结束语23
致谢24
参考文献25
引言
谈到涡轮增压器很多司机都是有话要说的,讲的最多的就是涡轮增压器的使用寿命问题,一般6、7万公里就发现涡轮增压器漏油,需要更换涡轮增压器总成,少则几千、多则几万,增加了使用成本。
其实涡轮增压器并不可怕,只要了解涡轮增压器的结构、掌握正确的使用方法、定期保养,是可以提高增压器使用寿命的,同样能减少燃油消耗、降低维护费用。
第一章涡轮增压器
图1.1涡轮增压器系统图
1.1涡轮增压器简介
人们在使用汽车过程中,总是希望发动机能够输出更大的功率来满足不同条件下行驶需要。
而自然吸气式发动机它的进气量受到活塞行程、气缸容积、进气温度等各方面的影响,输出功率是有限制的。
如果进气量一定的情况下加大喷油量就会造成混合气过浓,燃油不能充分燃烧,不但发动机输出功率会下降,还会增加油耗和有害气体的排放,会适得其反、功亏一溃。
通过不断改进,经过精确的计算得到理论空燃比14.7:
1。
工程师利用空气可压缩特性,发明了机械式涡轮增压器,用于增加发动机进气量,同时根椐理论空燃比来调节喷油量,就可以在不改变发动机排气量的情况下使发动机输出功率增加30﹪以上甚至更高。
由于机械式涡轮增压器驱动力来自于发动机曲轴,在工作过程中会消耗发动机功率,而且高速时增压效果不明显。
后来不慢慢的被采用发动机废气驱动的涡轮增压器所代替,也有少量应用。
1.2涡轮增压器发展历史
1.2.1涡轮增压器诞生
涡轮增压器有着悠久的历史,至今有100多年了,1860年,Philander和FrancisRoots申请了鲁式机械增压器的设计专利,作为帮助矿井通道通风的机器。
1900年,GottleibDaimler首次在汽车发动机中安装了鲁式机械增压器。
1880年德国人开始着手研究发动机增压技术,研发的同样是机械式增压器,并在一战期间应用于飞机上,这项技术的发明使得当时的航空发动机能够尽可能的轻量化。
1901库拉克在二冲程柴油机上最早进行了增压试验。
之后,在欧洲的容克,苏尔寿等公司都开展了有计划的研究工作。
在1905年AlfredBuchi博士就申请了第一款涡轮增压器的专利,在1909至1912年间瑞士人波希研制成功了第一台废气驱动的增压器。
波希博士是苏尔寿兄弟研究所的总工程师,他于1911年在瑞典的温特图尔,创立了涡轮增压器实验公司,并于1915年提出了涡轮增压柴油机第一台样机的设想,在当时没有受到人们的重视。
1.2.2涡轮增压器在欧洲、美国发展过程
通用电气公司在20世纪初期开始研制涡轮增压器,1920年一架装有自由型发动机和通用电气公司研制的涡轮增压器的雷皮尔双翼飞机创造了33113英尺(10092米)飞行高度的记录。
直到20世纪30和40年代,首先在欧洲,然后在美国,才开始大规模生产,在美国通用电气公司为军用飞机研制涡轮增压器。
在第二次世界大战期间,数千台涡轮增压器被使用在战斗机和B—17型轰炸机上。
40年代,康明期、沃尔沃、斯堪尼亚等主要的发动机制造商开始研究在卡车上运用增压器技术,德国工程师KurtBeirer设计出了一台结构紧凑的增压器,并申请了专利。
该专利被SchwrtZer公司认购,同年,沃尔沃公司生产了首台涡轮增压柴油卡车TD96AS,额定功率185马力,与自然吸气式TD96AS相比提高了35马力。
1936年克立夫·
盖瑞特先生成立盖瑞特公司,为B-17型轰炸机提供中泠器,在20世纪50年代初期,由于发展工业柴油机用涡轮增压器的良机。
克立夫·
盖瑞特先生于1954年9月27日决定把涡轮增压器部分从燃气轮机部门中独立出来,成立了艾雷·
赛奇工业部,专门从事涡轮增压器的设计和制造,雷·
赛奇工业部后来被称为盖瑞特汽车公司。
1963年,美国霍尼韦尔化司子公司——盖瑞特就开始生产增压器,1968年盖瑞特被信号公司收购,1978年信号公司又被联合公司兼并改为联信公司,1995年联信被霍尼韦尔公司收购,改为霍尼韦尔公司增压器技术公司至今,该公司是全世界最大的增压器公司,年产增压器900万台,年收入24亿美元。
1.2.3涡轮增压器在中国发展过程
在中国涡轮增压器始于1959年,由上海新中动力机厂研制成功,但是由于国内的政治原因,很多技术人员在文革时期而受到不同程度的冲击,涡轮增压技术研究就处于长期停滞不前状态。
直到80年代初期,我国开始实行改革开放战略以后,通过引进别国的产品、设备、合资办厂以后,多缸柴油机增压机型在才逐渐出现。
我国开始汽车增压器研究和生产,首先是70所北方天力、无动、上海交大、西安交大等,少量生产,性能和可靠性差,不成规模。
国内就开始引进如:
霍尼韦尔、霍尔塞特、康明期等国外先进增压器产品及相关技术设备在国内合资建立生产和研发基地。
2003年以后,由于国家排放法规的实施,市场的需求,国外增压器企业的带动,增压器行业出现了突飞猛进的发展态势,各大合资企业和民营企业增压器产量几乎每年都创新高。
国内多家企业成立技术研发中心,加大人才引进和技术投入力度,并与国内名校如:
清华大学、同济大学、武汉理工大学等共同研究开发欧3可变截面增压器,、汽油机增压器,形成了极有发展潜力的朝阳产业。
1.3涡轮增压器工作环境
涡轮增压器的工作环境是非常恶劣的,“高温”是涡轮增压器运作时面临的最大考验,也是伴随废气涡轮增压器终生,涡轮增压器工作时有三大热源是挥之不去,这三者热源成为涡轮增压器最最严峻的高温负担。
第一:
发动机排出的废气温度可达到600-800℃,在冲击推动废气涡轮时会将高温通过涡轮叶片传给涡轮轴,直至整过增压器。
发动机在运转过程中排气是连续不断的,涡轮始终在高温状态下工作。
第二:
增压器工作时,涡轮轴最高转速会超过200000rpm。
在如此高的转速下轴与轴承之间会产生惊人的热量,是难以想象的。
第三:
吸入增压器压气机的空气受到压缩后,体积减小、密度增大,温度会随之升高,可达150℃以上。
需要良好的冷却和散热,来维持发动机增压后工作稳定性及可靠性。
增压器成为一个集高温原件于一体的独立工作系统。
散热对于装备涡轮增压器的发动机来讲是个严峻的挑战,其工作时所产生的热量,采用风冷是远远不够的,也是不可能的。
只有通过强制式水冷却系统才能满足其工作时散热需要,通常是在涡轮本体内设立专用的冷却水道,在水泵的作用将正常温度在100℃左右冷却液强制输送到增压器机体内,通过冷却液在水道流动带走大量热量,从而达到降低增压器总成温度。
但是发动机冷却液温度本身在100℃左右,它能带走的热量是有限的,还有废气温度始终保持在650℃以上,因此涡轮增压器散热条件非常差。
润滑也是对增压器强大的考验,如果增压器转速120000rpm的话,那么1秒内将会转动2000r。
润滑不良很容易造成轴与轴承之间抱死,甚至报废,因此对于润滑的要求也非常高,甚至不亚于曲轴和连杆大头之间的润滑,良好的润滑是提高增压器寿命的关键。
第二章涡轮增压器原理
2.1增压目的
进气量是影响发动机功率的主要因素,在发动机上使用涡轮增压器主要是为了增加发动机进气压力,将自然吸气变为强制增压,来弥补自然吸气发动机的不足进一步提高发动机进气量。
进入气缸内的氧气含量大幅增加,可以让燃油在气缸中充分燃烧,同时发出更高的热效率,减少有害气体的排放。
在高原地区高海拔、低气压环境下可以通过增加进气压力来恢复发动机功率。
面对十二五期间我国节能减排的目标,无益是对我国高速发展的汽车产业发出更高的挑战,21世纪以来世界各国都在积极探索和发展新型能源或替代能源,由于各方面原因,推广存在困难,目前汽车始终没有减少对石油资源依赖,当务之急是提高燃油使用效率,充分燃烧每一滴油才是真正正道,涡轮增压器是唯一能使发动机排量不变的情况下增加输出功率的机械装置,将会是一个不错的选择。
2.2增压器原理概述
2000多年前,中国、巴比伦、波斯等国就已利用古老的风车来提水、灌溉、碾磨谷物等。
风车它是一种不需要燃料,以自然界中气压变化空气流动形成的风作为动力源的动力机械装置。
在我看来汽车上使用的涡轮增压器原理与之相似,涡轮增压器利用发动机工作时排出的废气流动时产生的冲击力来推动涡轮室里的涡轮转动,同时带动同轴的叶轮高速旋转,叶轮会将空气经滤清器以后吸入压气机,当空气在压气机内由于空间容积变化,体积变小、密度增加、压力增大以后被送入发动机气缸中,达到了增加进气压力目的。
空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料,就可以增加发动机的输出功率了。
2.3涡轮增压器构造
涡轮增压器由压气机、涡轮机、中间连接三个部分组成。
压气机由:
压机壳、叶轮组成。
涡轮机由:
涡轮壳、涡轮、旁通阀及控制阀组成。
中间连接由:
涡轮轴、轴承及轴承室、润滑油及水道和密封环等组成。
2.3.1涡轮轴及轴承
涡轮轴是连接涡轮与叶轮部件,是一根空心管,对其要求很高要求。
承受20万转以上的高速和废气排出时的冲击力,运动惯性要小能抗扭曲和超高温度。
涡轮轴制造需要精深的材料、精细的加工工艺、热处理技术等才能制成,真可谓是没有金刚钻做不了这瓷器活啊。
涡轮轴承型式很多,有滚珠轴承、用机油替代轴承、滑动轴承三种。
应用较多是滑动轴承,它安装在轴与轴承座之间,可以自由转动。
由主油道的高压润滑油经轴承壳上油孔向轴承与轴之间的间隙注入提供润滑、散热。
满足高速时的工作需要。
2.3.2涡轮
图2.1涡轮示意图
涡轮叶轮的叶片型式,可分为直片式、弯曲型叶片两种,涡轮叶轮的轮径及叶片数会影响马力线性,理论上来说,叶片数愈少,低速响应较差,但高速时的爆发力与持续力却不是多叶片可比拟的。
通常使用弯曲型叶片较多叶片数量都在10片以上。
除了利用废气冲撞的力量以外,还能有效利用气流进入叶片与叶片之间,获取废气膨胀能量)。
2.3.3中间壳体
中间壳体是连接压气机与涡轮机的重要部件,在涡轮增压器总成中起到支撑、连接作用,壳体中设有轴承室,润滑油道和水道用于润滑和冷却高速旋转的涡轮轴。
2.3.4压气机壳
图2.2压气机壳体示意图
压气机壳又称为螺牛壳,其外型与螺牛外壳相似,普遍使用铝合金材料制成。
由进气入口、扩压器、出气口组成,压气机叶轮前部在进气入口中高速转动,两者间隙很小但不相互碰擦。
进气口与出气口之间由形状由小到大的函道连接形成扩压器,当叶轮高速转动时将空气吸入经扩压器后达到增压目的。
2.3.5压气机叶轮
图2.3叶轮示意图
涡轮增压器的压缩叶轮外形是复杂的三元曲面超薄壁叶轮片,一般有12片叶,呈放射线状曲线排列,叶片厚度在0.5毫米以下,采用铝材用特殊铸造法制作。
叶片形状的优劣直接影响到到涡轮增压发动机的性能。
叶轮形状角度越合理,质量越轻,叶轮的启动就越灵敏,涡轮增压器的天生缺陷“迟滞”也就越小。
叶轮是涡轮的动力来源。
但压气机叶轮及涡轮叶轮各有不同的功用,因此叶轮外形当然也不一样。
压气机叶轮基本上是把如何将空气有效率地推挤入压缩信道视为首要任务,然后再加以决定其形状。
2.3.6内置式排气旁通阀
图2.4旁通阀位置示意图
内置式排气旁通阀是目前涡轮系统中最常见的泄压装置,一般又被称为连动式排气泄压阀。
内置式排气旁通阀直接配置在涡轮上,通过控制阀利用一支连杆来控制涡轮排气中的阀门,一旦涡轮压缩空气端的增压值达到限定的程度,进气压力克服控制阀内弹簧的预备力推动控制杆移动,使涡轮排气侧内的旁通阀门开启,部分废气不经涡轮叶轮直接排到排气管。
这样减少流向涡轮的废气流量,涡轮转速降低,同时带动压气机叶轮转速降低。
因此 内置式排气旁通阀是限制涡轮最高转速和维持进气端增压压力一个稳定值的装置。
2.4涡轮增压系统工作过程
涡轮增压器安装在发动机排气歧管上,涡轮室的进气口与排气歧管相连,出气口则与排气管相连。
涡轮室里的涡轮与压气机叶轮之间用轴来刚性连接,压气机进气口用进气管与空气滤清器相连,出气口则与进气歧管(不带中冷器)或通过气管与中冷器相连结。
当发动机工作时排出的废气具有一定压力和高温经排气歧管进入涡轮室里的喷嘴环,由于喷嘴环通过的面积是逐渐收缩的,因而废气的压力和温度下降,速度提高,使它的动能增加。
这股高速的废气流,按特定方向冲击涡轮,使涡轮高速转动。
废气的压力、温度、流动速度越高,涡轮转速越快,废气流过涡轮以后流向排气管。
涡轮带动同轴的叶轮同速旋转,把空气经过空气滤清器吸入压气机壳体内,快速形成流动的空气会被高速转动的叶轮甩向其边缘,使空气速度和压力增加,并进入进口小出口在的扩压器,在扩压器中气流流速下降、压力升高,再通过断面由小到大的环形压气机壳使空气压力进一步提高,最后经进气歧管进入气缸,可以提高发动机的充气量。
图2.5增压器工作示意图
第三章涡轮增压器类型
涡轮增压类型繁多,主要常见的是以下几种:
3.1机械增压系统
机械式增压系统:
安装在发动机上,驱动力来自于发动机曲轴,由皮带与发动机曲轴相连接,带动压气机的转子旋转,高速转动的转子将空气吸入压气机内部,增加压力后送入气缸中,达到增压目的。
机械式增压器类型有三种:
鲁兹式、双螺旋式、离心式。
它们主要区别在于将空气吸入发动机进气歧管的方式不同,增压的效果也不同。
、
在众多机械式增压器类型中,鲁兹式双叶转子增压器最为常见普遍应用,主要由传动齿轮机构和压气机两部分组成。
传动齿轮中的主、从动齿轮分别带动压气机中主、从动转子,压气机壳体设计进气口比排气口大,内部成椭圆形。
而转子是经过精密加工的螺旋型,即有与壳体内部形状相对应的锥度,转子之间保留有极小的间隙,而不直接接触。
当转子高速转动时,空气被吸入进气口后被压缩,由于排气口口径变小,气穴收缩,空气压力进一步升高,这样增压器工作效率会更大。
机械式增压器优点很多,如:
没有迟滞、反应速度快、灵敏性高、发动机低速时增压效果明显,增压器与发动机匹配比较容易。
但是缺点也不少,在工作中会消耗发动机有效率,制造和维护成本非常高,故在汽车上应用较少。
图3.1机械增压器结构示意图
3.2气波增压系统
使两种气体工质直接接触并通过压力波来传递能量的压力转换器。
它用于内燃机增压时利用内燃机废气能量使进入气缸的气体增压。
气波增压器由空气定子、燃气定子和转子组成。
空气定子与内燃机进气管联通,燃气定子与排气管联通。
转子由内燃机曲轴通过皮带驱动,驱动功率为内燃机功率的1~1.5%。
当转子转动时,转子上由叶片组成的轴向气道与高压燃气入口接通,遂产生压缩波。
压缩波以声速沿气道传播,并将燃气能量传递给充满气道内的空气,使其压力和密度升高并向前流动。
高压空气出口设在高压燃气入口的斜对面,并顺转动方向向前错开一个角度。
当气道与高压空气出口接通时,高压空气供入内燃机进气管。
在燃气到达气道长度的2/3左右时,气道恰好转过高压燃气入口,燃气停止流入气道。
当气道与低压燃气出口接通时,燃气继续膨胀并经排气总管排入大气,气道内的压力继续下降。
当气道与低压空气入口接通时,由于气道内处于负压,新鲜空气自大气被吸入气道。
气道转过低压空气入口和低压燃气出口后,气道内遂充满新鲜充量。
转子继续转动又开始下一个相同的循环。
气波增压器提供的增压压力在整个内燃机转速范围内变化不大,能量转换过程也不受转子惯性的影响,因此气波增压器具有良好的速度和负荷响应特性,比较适合于汽车发动机增压的要求,增压压力与大气压力之比可达2.5:
但气波增压器运转噪声大,结构不如涡轮增压器紧凑,故在汽车很少应用。
3.3废气涡轮增压系统
废气涡轮增压系统:
原理和其他增压器相同,通过压缩空气来增加进气量。
它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮,涡轮又带动同轴的叶轮,叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气,使之增压进入气缸。
当发动机转速升高,废气排出速度与涡轮转速也同步升高,叶轮就能压缩更多的空气进入气缸,空气的压力和密度增大,相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。
汽车用增压器按增压比来分类可分为三大类:
低增压(增压比低于1.7)、中增压(增压比为1.7-2.5)、高增压(增压比高于2.5)。
由于汽车上发动机的转速变化范围大,增压器增压比随发动机转速变化而变化,增压比过大过小都会造成对发动机和增压器本身造成致命性损害。
因此发动机与增压器之间匹配
决定着发动机的命运,只有经过精密的计算和反复试验进行检验,才能最终获得最佳匹配值,使涡轮增压器始终工作在最合适的状态下,才能真正体现涡轮增压发动机性能。
3.4复合增压系统
复合增压系统:
采用废气涡轮增压+机械增压并用,组合方式有两种分别是:
并联和串联。
应用两种增压型式合二为一的主要目的是充分利用两者之间的独特优势,使增压器性能体现的淋漓尽致,并且将增压器优势发挥到极致。
机械式增压器有助于低速时增加发动机进气量,可提高加速时反应灵敏性。
但是高速时增压效果不好,输出功率有限。
而废气涡轮增压器在高速时拥有强大的功率输出,由于涡轮要在发动机转速达到1500rpm以上时才会进入工作状态,低速时与机械增压相比逊色多了,废气涡轮是由发动机排出废气驱动,会出现“迟滞”现象。
机械增压驱动力来自曲轴不会存在这种现象,只要两者精确控制合理匹配鱼和熊掌是可以兼得的。
国产大众1.4TSI发动机上就采用了复合增压系统,其发动机特点是:
油耗率低、噪声小、加速时响应快,同时还兼顾了低速扭力输出和高速功率输出大等。
只是本系统存在结构复杂、技术含量高、需专业维修、使用维护费用较高等缺陷。
第四章涡轮增压器优缺点
4.1涡轮增压器优点
4.1.1使发动机排气更加彻底
发动机工作时,在排气行程气缸里的废气是靠活塞向上运动时产生推力推向排气歧管,由于发动机在高速时排气门开启时间短,会造成排气不彻底,影响发动机进气量。
而排出废气驱动涡轮高速旋转时,会产生真空吸入。
有助于提高废气流动速度,排气会更加彻底,在进气行程时就可以进入更多的空气。
4.1.2提高发动机功率、燃油经济性、降低尾气排放
燃油在气缸中燃烧是离不开氧气的,在喷油量相同情况下氧气越多燃烧就越充分,产生的爆发力和热效率就会越高。
据相关资料显示,采用增压或中冷增压技术的发动机与采用自然吸气式发动机相比,功率会增加20-40﹪甚至会更高,燃油经济性可提高8-14﹪,二氧化碳排放量同比下降5-20﹪。
涡轮增压器在节能减排方面优势很显也很突出。
4.1.3增加发动机在高原上的进气量
在高原上由于海拔高,大气压力低含氧量少,不利于燃油燃烧,导致发动机功率下降油耗增加。
在高原上涡轮增压器可以压缩稀薄的空气减小空气体积使进入发动机的空气压力升高总量增加,这样发动机在高原上工作时得到更多氧气补偿(使其达到标准大气条件)。
只要发动机和涡轮增压器转速匹配合理,可以使进气管压力与海平面大气压相持平。
而自然吸气式发动机是无与伦比的,一台自然吸气的发动机,随着海拔高度的增加,其功率将逐步下降。
4.2涡轮增压器缺点
4.2.1涡轮响应迟滞,低速时提速时间长,反应慢。
涡轮增压器的确能够提升发动机的动力,不过它的缺点也有不少,其中最明显的就是动力输出反应滞后。
由于转子的惯性作用,叶轮对油门的骤时变化反应还是迟缓。
涡轮“迟滞”这个问题是不可避免的,主要出现在发动机低转速时,在急加速那一瞬间感觉最为明显。
出现这种现象与涡轮工作原理有关是先天性的很难改变。
主要原因是低转速时,发动机排气量小,流动速度慢冲击涡轮能量就小,涡轮转速低增压比下降,进气道中空气流速相应降低。
如果发动机转速是1200rpm的话,发动机完成一个工作循环曲轴转动两圈需要1秒的时间,这1秒还不是涡轮的响应时间,在节气门开启到空气流入气缸中,在到排气门开启废气冲击涡轮都存在一定的时间差。
因此可知发动机转速越低,加速时涡轮响应时间也就越长,反之则越短。
涡轮增压发动机在低速时加速性能与同排量非增压发动机是一样的没有多大区别。
4.2.2增加进气温度
发动机排出废气的温度非常高,通过增压器的热传导还会提高进气的温度。
当空气被高比例压缩后体积减小、分子之间相互运动会产生很高的热量,从而使空气膨胀密度降低,减少了进入气缸内的空气含氧量,即不利于燃烧还会使发动机温度过高造成损坏。
为了得到更高的容积效率,需要在进入汽缸之前对高温空气进行冷却。
4.2.3汽油机会现“爆震”现象
汽油机属于点燃式,进气增压后进气温度增加,热负荷增大,由于进入汽油机气缸的是可燃混合气,而汽油燃点较低,这就要求压缩行程结束时,混合气的温度决不能达到其燃点,否则混合气会提前自燃,这样就很容易使发动机发生爆震。
导致发动机温度上升,且效率下降。
所谓“爆震”就是汽油机燃烧室内的末端气体在火焰前烽未到之前的强烈自燃引起压力波的传播并通过机体向外传出噪声。
强烈爆震可导致发动机性能下降,零部件损坏。
4.2.4降低润滑油使用寿命
涡轮增压器属于高温部件,因为驱动它运行的气体直接来自气缸内排出的废气,温度高达650°
C以上,而在全负荷状态下,涡轮的转速最高转速可达每分钟20万转产生惊人热量。
高温会使流过涡轮增压器的机油粘度下降、变稀、氧化,加速了机油变质、老化,降低了机油使用寿命。
4.3改进缺点方法
4.3.1可变增压涡轮叶片几何技术
当发动机转速较低时,由于排气的流量较小,不容易推动涡轮叶片。
这时可变涡轮几何系统中装在和涡轮叶片平行位置并且围绕它的那几片可变导流板的角度就会变小。
这样可以使气流通过的空间缩小,加大流速,更容易推动叶片。
在转速高的时候