1、本科毕业论文（20 届）柴油机涡轮增压器的理论研究所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 柴油机涡轮增压器的理论研究 1.课题意义及目标涡轮增压器正逐渐成为柴油机上不可或缺的部件，扮演着越来越重要的作用。再者，父母从事与之相关的工作，从小就对这方面感兴趣，而且毕业后很可能做这样的工作。所以我选择这个课题，锻炼我运用机械制造工艺学及有关课程的知识，独立地分析和解决工艺问题的能力，同时作为对大学期间学习
2、的总结以及为将来工作做铺垫。2.主要内容（1）什么是涡轮增压器，对涡轮增压器的概述。文字叙述。（2）柴油机涡轮增压器的主要作用。文字叙述。（3）有无增压器的柴油机对比。文字叙述。（4）涡轮增压器存在的意义。文字叙述。（5）柴油机涡轮增压器的组成及相关参数。文字叙述。（6）柴油机涡轮增压器各零部件的三视图绘制。计算机 CAD 制图。3.主要参考资料1徐立汉、朱建江.废气涡轮增压器的正确使用J.柴油机，2002，（06）.2赵雨旸.增压器M.化学工业出版社，2005.3朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器M.机械工业出版社，1992.4赵福堂.车用发动机原理及构造M.北京大学出版社，2010.4进度安排设
3、计各阶段名称 起 止 日 期1 确立课题研究方式 2015 年 3 月 1 日至 3 月 15 日2 资料收集 3 月 16 日至 4 月 15 日3 CAD 制图及有关数据计算 4 月 16 日至 5 月 15 日4 初步完成论文 5 月 16 日至 5 月 30 日5 修改、总结以及答辩工作 6 月 1 日至 22 日审核人： 年 月 日I柴油机涡轮增压器的理论研究摘 要：Turbo，即涡轮增压，简称 T，涡轮增压器能在发动机排量不变的情况下，提高其动力性能，降低尾气排放，最初主要用于柴油发动机。最早时候由瑞典的萨博（SAAB）汽车公司应用于汽车领域。汽车的发动机工作，是靠燃料在发动机气缸
4、内燃烧作功，从而对外输出功率。在发动机排量一定的情况下，若想提高发动机的输出功率，最有效的方法就是多提供燃料燃烧。然而，向气缸内多提供燃料容易做到，但要提供足够量的空气以支持燃料完全燃烧，靠传统的发动机进气系统是很难完成的。所以涡轮增压器的应用解决了这个难题。本论文主要针对柴油机涡轮增压器的结构及工作原理进行理论研究并进行三维建模。 关键词：涡轮增压；结构原理；三维建模Theoretical research on the turbocharger of diesel engineAbstract：Turbo, namely the turbocharging, is called T, Tu
5、rbochargers can improve enginespower performance and reduce exhaust emissions without changing their capacity.They were mainly used in diesel engines firstly .The earliest automobile company in the automobile domain by the Swedish Saab .Work of engine，The engine of a car is to fuel the engine in the
6、 engine cylinder and output power. In the case of the engine displacement, the most effective way is to provide fuel burning. However, it is easy to provide fuel to the cylinder, but it is difficult to provide enough air to support the full combustion of the fuel.So the application of the turbocharg
7、er solves the problem.This thesis mainly aims at Structure of turbocharger for diesel engine and working principle to theoretical research and 3D modeling.Key words：Turbo ；Structure principle ；3D modelingII目 录1 绪论 .11.1 什么是涡轮增压器 .11.2 涡轮增压器的发展历史 .21.3 我国涡轮增压器的发展概况 .31.4 本次研究的主要内容 .42 涡轮增压器的分类和组成 .52
8、.1 涡轮增压器的主要性能参数 .52.2 废气涡轮增压器的分类及型号编制规则 .52.3 涡轮增压器的结构 .82.4 废气涡轮增压器主轴轴承的润滑和冷却系统 .92.5 废气涡轮增压器密封和隔热系统 .103 涡轮增压器的工作原理及对柴油机的影响 .113.1 工作原理 .123.2 涡轮增压器对柴油机产生的影响 .133.3 玉柴 YCD4 系列柴油机 .153.4 使用涡轮增压柴油机的注意事项 .164 SJ60 径流式涡轮增压器的三维建模 .164.1 确定建模方式 .174.2 以叶轮为例阐述建模过程 .174.3 涡轮增压器的装配 .235 总结 .25参考文献 .26致 谢 .
9、27太原工业学院毕业设计11 绪论1.1 什么是涡轮增压器涡轮增压的英文名字为 Turbo，是一种利用内燃机运作所产生的废气通过由定子和转子组成的结构驱动之空气压缩机。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。当发动机转速增大，废气排出速度与涡轮转速也同步增加，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。图 1.1 潍坊富源增压器有限公司 SJ60 增压器随着生产技术水平的不断提高，对柴油机提
10、出越来越高的要求，一台性能优良的柴油机，主要表现为比功率大，比质量小，燃油消耗率低，排放污染小等。由内燃机工作过程研究可知，影响柴油机功率大小的因素很多，可表达为太原工业学院毕业设计2bmitcnP1lHuiV0se式中，Pe 为有效功率；i 为气缸数；Vs 为气缸工作容积； Hu 为燃料低热值；Lo 为化学计量比，即燃烧 1kg 燃料所需的理论空气量； 为冲程数；c 为充量系数；it 为指示热效率； 为空燃比；m 为机械效率；n 为发动机转速；b 为发动机进气管的空气密度。由此可见，要提高柴油机功率，可以增加气缸直径、活塞行程、汽缸数，提高充量系数、指示热效率，优化空燃比，减少摩擦副摩擦损失
11、增大充其量密度等。但扩大缸径、行程、活塞数等会使得柴油机体积变大、复杂。而不改变体积结构的情况下，使用涡轮增压器增加进气冲量密度，不仅可以增加功率，同时还可以改善热效率，提高经济性，减少排气中有害成分，降低噪声。由发动机功率计算公式 VPWdV 代表的是排气量，而 P 则是压强。增大排气量和增大压强，均可以增加发动机做功。由此可见，涡轮增压是柴油机发展的一个飞跃。1.2 涡轮增压器的发展历史涡轮增压技术的概念早在 19 世纪就已经被提出并付诸了实践。最初的涡轮增压技术源于机械增压（Supercharger），所以在涡轮增压技术诞生的时候它的全称叫做涡轮机械增压器（Turbosupercharg
12、er）。在汽车诞生初期的 1885 年，Gottlieb Daimler 和 Rudolf Diesel 两位奠定了汽车和内燃机发展史的泰斗级人物就已经通过预压缩空气的方法来实现增加发动机功率。到了 1905 年，瑞士工程师 Alfred Buechi 博士优化了这一原理，并在对比试验中发现，引入增压技术的发动机输出功率可比普通发动机增加 40%。随后 Alfred Buechi 试图将这项技术商业化，不过在汽车刚起步的二十世纪初期效果并不理想。第一次世界大战让涡轮增压技术开始走向前台，而第二次世界大战则让涡轮增压技术得到了完善。经历两次世界大战，汽油机用涡轮增压技术在航空活塞式发动机上得到了
13、完善的发展。在汽车用涡轮增压动力早期的发展史中，卡特彼勒是率先将涡轮增压技术推广到乘用车发动机上的企业之一。涡轮增压技术率先在船用柴油发动机太原工业学院毕业设计3上开始，在上世纪七十年代以前涡轮增压技术一直和军用飞机以及军舰有关。直到上世纪七十年代，涡轮增压技术才因为石油危机的原因迎来了大发展的时期。1973 年爆发的石油危机直接导致了汽油和柴油价格在全球范围内的疯涨，此时在商用车市场中搭载涡轮增压器的柴油车开始热销。 在此之后的四十多年里，涡轮增压技术开始逐渐普及，开始越来越多的出现在民用车中。它的易用性、出色的性能以及较低的功耗受到大家的欢迎，甚至包括 F1 赛车也开始给予涡轮增压更多的关
14、注。目前，欧洲和美国的重型卡车的增压化基本达到100%；欧洲的柴油轿车的增压化也已经达到 80%。1.3 我国涡轮增压器的发展概况我国从上世纪 50 年代末 60 年代初就开始生产增压器，轴流涡轮增压器是始于 1959 年，由上海新中动力机厂研制成功，第一台径流涡轮增压器的研制和生产是由上海求新造船厂 1954 年设计、1958 年完成鉴定的。但由于种种原因，增压技术、特别是车用增压技术的应用长期徘徊不前。直到上世纪 80 年代，缸径大于 95mm 的多缸柴油机的增压机型逐步出现，重点解决了动力性和经济性问题；发展到 1999 年，国家有关部门发布了汽车和发动机的排放法规并且限期达标以后，通过
15、增压技术全面改善柴油机的性能，终于走上了快车道。近几年，由于中国巨大的汽车市场的迅速增长，汇合科技进步成果，将引领汽车行业新的大发展，在能源危机和环境保护压力下，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。同时，随着涡轮增压器效率的提高和匹配技术的发展，涡轮增压器技术在汽车行业得到了广泛的应用。自 1989 年以来，我国增压器的需求以每年 30%的速度递增。目前，国内增压器生产企业呈现几个趋势：一、在大陆，独资、合资企业生产增压器的外资企业正在增点增产。二、生产增压器的民族工业正在体制改革，发展规划的顺序正在重新排队（200
16、3 年的产量顺序大体为 Honeywell、Holset、天雁、富源、康跃）。三、一大批生产增压器的民族工业集中在江苏、辽宁、山东、浙江等地，可以用“雨后春笋”及“前赴后继”八个字来描写。有几家投资达几千万甚至上亿元，不惜成本购置先进设备，高薪聘请人才，来势之猛不可低估。四、有发展前途的增压器厂机械加工手段经历了普通车床、数控机床、加工中太原工业学院毕业设计4心、柔性生产线的过程；两轮、三壳的毛坯加工工艺也有了很大的改进，不少零件已为外资增压器厂采购。增压器性能已接近国际水平。五、专业化生产势头越来越明显，大而全的生产模式已不适应，这有得于提高产品质量，有利于市场竞争。六、开发自主产品，提高匹
17、配技术，注意产品可靠性已越来越被民族工业的决策集团所重视。总的说来，经过几十年的发展，涡轮增压器的产品基本结构趋向一致，但小型化与运用新技术优化结构却方兴未艾。社会发展对发动机提出了越来越高的要求，其必然对涡轮增压器提出相应的要求。由于制造工艺水平的提高，使流量范围更广、效率更高、结构更复杂的涡轮增压器制造成本降低，大批量生产成为可能。而新的发明创造有使涡轮增压器产品结构简单化的倾向。就单个滤清器、增压器、中冷器及进排气管道来说，分别提高他们的效率是早期的设计师们的工作，今天再要大幅度提高其效率是不可能的，而将他们的相互接口进行优化，将他们作为一个整体、一个系统来考虑却是大有可为的。这就是“涡
18、轮增压器系统”的意义。美国 Honcywell,德国 KKK 公司(现在的BorgWarner 公司)等在这个方面作了大量的工作，取得了很好的效果。如增压器的涡轮壳与发动机排气管做成一体，压气机的出口与中冷器进口合二为一，简化了结构、减少了气体流动损失，同时利用计算机技术研究分析气体在它们中的流动状态，尽量减少各种损失，改进设计，优化整体系统结构，使之右，局合理、紧凑，重量轻，总效率最高。涡轮增压器经历了基本型、增压空气控制旁通放气、可变几何或可变截面、电子控制涡轮增压器等阶段，涡轮增压器的结构相对越来越复杂，但适用范围越来越宽、效率越来越高。1.4 本次研究的主要内容本次研究为柴油机涡轮增压
19、器的理论研究，主要研究从涡轮增压器的分类组成、工作原理等等几方面入手，并对涡轮增压器的结构进行研究。论证涡轮增压器对柴油机带来的影响，对某种同型号自然吸气与涡轮增压柴油机进行对比。最后针对某种型号增压器进行三维建模。太原工业学院毕业设计52 涡轮增压器的分类和组成2.1 涡轮增压器的主要性能参数（1）压力升高比（简称压比）压气机的出口空气压力与进口空气压力之比即 压 气 机 进 口 压 力压 气 机 出 口 压 力压 比 （2）流量（或称作风量）单位时间内压气机提供给柴油机的空气量。有两种表示方法：容积流量：单位时间内所提供的空气体积。单位 m/h 或 m/min。重量流量：单位时间内所提供的
20、空气重量。单位 kg/s（3）转速转子轴每分钟的转数。废气涡轮增压器的转速一般都很高，从每分钟几万转到十几万转。（4）涡轮进气温度废气进入涡轮时的温度。该温度越高，涡轮做功就越大。但过高的温度会使材料机械性能降低，容易造成叶片断裂损坏等事故。因此，涡轮进气温度有一定的限制规定。除此之外，还规定有增压器的机油压力、机油温度、冷却水温度等要求，以保证增压器正常工作所必须的冷却与润滑条件。2.2 废气涡轮增压器的分类及型号编制规则2.2.1 涡轮增压器的分类（1）按压比大小可分为低增压、中增压、高增压和超高增压。它是根据压气机的增压比 c 进行区分的。 c 是压气机出口空气压力 Pc 和进气口压力P0（即为环境压力）的比值，即 0P按增压比 c 分为：
