（机械制造及其自动化专业论文）汽车机械增压器的设计与试验研究.pdf

摘要 基于机械增压器的实际应用，针对传统渐开线型线的不足，对罗 茨转子进行了型线简化。对改进后的转子面积利用系数、重合度等参 数进行了分析。以一种机械增压器的转子为例，在不同压比条件下， 对改进前后两种转子的排气压力和流量脉动进行了对比分析。分析表 明，改进的转子型线在特定工作条件下具有优势，为这种型线的应用 提供了理论依据。 通过对两叶转子和三叶转子的机械增压器在大小相同的情况下 的排气量的分析比较，纠正了部分人对三叶机械增压器的排气量相对 于两叶机械增压器的较小错误的看法，并通过对限制机械增压器进一 步广泛应用的噪声和震动等方面进行对比，得出三叶机械增压器在排 气量、振动和噪声方面的各种优势。 利用有限元分析软件a n s y s 建立了机械增压器主动轴系统的三 维有限元模型，采用了s u b s p a c e 模态提取法对主动轴系统进行模态分 析，计算主动轴前4 阶固有频率和振型，并获得了其在正常工作下的 位移频率响应曲线，最后分析了支撑刚度对主动轴固有频率的影响， 为机械增压器降噪和控制共振提供了理论依据。 根据机械增压器的结构和工作原理，按照流体力学的方法推导了 机械增压器径向泄漏量、轴向泄漏量和通气孔泄漏量，建立了泄漏的 数学模型。通过实例计算和实验值进行比较，证明的了泄漏模型的可 行性并对试验数据进行分析。研究结果为机械增压器的优化设计提供 了理论依据。 最后对吉利优利欧汽车( j l 7 1 0 0 x i u ) 安装了机械增压器，并对该 车的性能测试，验证了机械增压器的实用性。 关键词机械增压器；渐开线型线；有限元；泄漏模型；性能测试 a bs t r a c t t h e p r o f i l e o fr o o t sr o t o rw a s s i m p l i f i e da c c o r d i n g t ot h e i n s u f f i c i e n c yo fc o n v e n t i o n a li n v o l u t ep r o f i l eo nt h eb a s i so ft h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fr o o t ss u p e r c h a r g e r b e c a u s et h ea r e ae f f i c i e n c yi sn o te a s y t oc a c u l a t eb ye q u a t i o n so ft h es i m p l i f i e dp r o f i l e ，t h em e t h o do f m o d e l i n g u n d e rs o f t w a r ec i r c u m s t a n c ei s p u tf o r w a r dt of i g u r ei to u t t h e s i m p l if y i n ge f f e c to fr o t o rp r o f i l ew a sp r o v e db y c o m p a r i n go ft h e c o n v e n t i o n a la n dt h es i m p l i f i e dr o t o rp r o f i l e a ni m p r o v i n gm e t h o do ft h e p r o f i l eo fi n v o l u t er o o t sr o t o ri sp u tf o r w a r d p a r a m e t e r so fi m p r o v e dr o t o rs u c ha sa r e ac o e f f i c i e n ta n dc o n t a c t r a t i oa r e a n a l y z e d c o m p a r a t i v ea n a l y s i si nd i s c h a r g e p r e s s u r e a n d a i r f l o wp u l s a t i o no ft h et w ok i n d so fr o t o r su n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r er a t i o s a r em a d ew i t hak i n do fr o t o ri ns u p e r c h a r g e ra se x a m p l e i ti sc o n c l u d e d t h a ti m p r o v e dr o t o rh a s a d v a n t a g e s i n s p e c i f i cc i r c u m s t a n c e s ，w h i c h p r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i so ft h ea p p l i c a t i o no ft h i sk i n do f p r o f i l e t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fa i rd i s p l a c e m e n tb e t w e e nt h et h r e e l o b e r o o t ss u p e r c h a r g e ra nt h et w o l o b ei nt h es a m es i z ea n d w o r k i n gs i t u a t i o n ， c o r r e c tt h ew r o n gv i e wo fs o m ep e o p l et h a tt h ed is p l a c e m e n to ft h e t h r e e - l o b er o o t ss u p e r c h a r g e ri ss a m l l e rt h a nt h et w o l o b e ，a n da n a l y s e t h en e wt e c h n o l o g yu s e di nt h et w ot y p e sr o o t ss u p e r c h a r g e rw h i c hi st o r e d u c et h en o i s ea n dv i b r a t i o ne f f e c tt of i n do u tt h e a d v a n t a g e so ft h e t h r e e l o b er o o t ss u p e r c h a r g e rf r o mt h es i d e so fa i r d i s p l a c e m e n t ，n o i s e a n dv i b r a t i o n a3df e mo fs u p e r c h a r g e rs p i n d l es y s t e mw a sb u i l ti na n s y s ，a n d c a l c u l a t e dt h ef i r s tf o u rs e t sn a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d eb yt h e m e t h o do fs u b s p a c e ，t h e nd i s p l a c e m e n t sa n df r e q u e n c yc u r v e so nn o r m a l w o r k i n gc o n d i t i o na r eo b t a i n e d ，a tl a s tt h ei n f l u e n c eo fd r i v es p i n d l e n a t u r a lf r e q u e n c yf r o mb e a r i n gr i g i d i t yi s a n s y s e d t h i sp a p e rm a k e s t h e o r y f o r d e s i g n i n g t or e d u c en o i s ea n dc o n t r o lv i b r a t i o no f s u p e r c h a r g e r a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e so ft h er o o t ss u p e r c h a r g e ra n d b a s e do nf l u i dd y n a m i c st h e o r y , t h er a d i a l l e a k a g e ，a x i a ll e a k a g ea n d b r e a t h e rh o l el e a k a g e ，t h e l e a k a g em o d e lo fr o o t ss u p e r c h a r g e rw a s e s t a b l i s h e d t h o u g h t h e c o m p a r i s o n o fc a l c u l a t i o n e x a m p l e a n d e x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sp r o v e d t h ee x p e r i m e n td a t ai s a n a l y z e da n dt h i sr e s e a r c hp r o v i d e st h e o r e t i c a l b a s i sf o ro p t i m a ld e s i g n i n gt h er o o t ss u p e r c h a r g e r l a s t ，t h es u p e r c h a r g e ri sf i t t e di ng e e l yc a r t h r o u g hp e r f o r m a n c e t e s t i n g ，t h ep r a c t i c a l i t yo ft h es u p e r c h a r g e ri sc h e c k e d k e yw o r d s s u p e r c h a r g e r ；n v o l u t ep r o f i l e ；f i n i t ee l e m e n t ；l e a k a g e m o d e l ；p e r f o r m a n c et e s t i n g i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：2 竺年剧二日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 新签懈嗍号年上月日 中南丈学工程硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及研究意义 11 课题的背景 增压技术是一种提高发动机进气能力的方法，即采用专门的压气机将气体 在进入气缸前预先进行压缩，提高进入气缸的气体密度减小气体的体积i 】。 一般来说，充入气缸内的空气的充量越大，气缸内燃油的燃烧效率越高，可参与 燃烧的燃油也越多，则内燃机输出功率和转化的燃料热能也越高。在气缸容积不 变、内燃机转速恒定的情况下，空气充量与空气密度成成比。因此通过对进入 气缸的空气进行预压缩，可以提高内燃机的输出功率，以达到改善动力性能的目 的。 增压技术的目的是强化发动机的工作过程，提高发动机的升功率，使同等 功率下技动机的相对质量降低，汽车的滚动阻力减小。这对于汽车节能来说具 有重要的积极意义。另外，增压使发动机气缸内的混合气空燃比人幅度上升，有 利于提高发动机的热效率，从而提高发动机的负荷率。增压能够使发动机节能， 并相应地减少燃料燃烧产生的有害气体和温室气体二氧化碳的排放。 发动机的增压方法根据驱动增压器所用能量来源的不同，基本上可以分为 以下几类 4 - 7 1 ：第一类是机械增压器( 见图1 1 ) ，增压器由发动机曲轴通过齿轮 ( 或链条等) 直接驱动。第二类是废气涡轮增压器( 见图l 一2 ) ，增压器是由发动 机工作时排出的废气带动的。第三类是复合增压器( 见图1 - 3 ) ，即在发动机上， 既采用废气涡轮增压器，又同时应用机械驱动式增压器。此外还有惯性增压、气 波增压等其他增压方式 图1 - i 装有机械增压器的发动机 中南人7 l ：私脚! 十中似沦空 图i - 3 复合增压器 机械增压器( s u p e r c h a r g e r ) 采用皮带与曲轴皮带盘连接利用曲轴转速带动 机械增压器内部叫片，以产生增压空c t 送入曲轴进气歧管内，整体结构简单，f r 作温度介于7 0 0 c 1 0 0 ，不同j 涡轮增压器靠引擎排放的废气驱动，必须接 触4 0 0 0 c 9 0 0 0 c 的高温废，因此机械增压系统对于冷却系统、润滑油脂的要 求与自然进气曲轴相同，机件保养程序犬同小异。 上世纪6 0 年代满轮增压技术出现以前，机械增压是当时发动机的主流增压 技术。早在2 0 年代的赛车上就使用了该项技术米提高动力输出。机械增压的压 缩机商接被发动机的曲轴带动，它的优点是响应性立( 完全没有迟滞) 。但是它 本身需要消耗一部分能量，凼此机械增压不能产生特别强大的动力，尤其足在商 转速时因为它会产生大韪的摩擦，损失能量从而影响到发动机转速的提高。 传统的机械增压器在一氐转速时，对发动机的动力输出有明显改善，但峰 值功率出现较早，发动机最高转速较低。这种发动机町以在任何时候，都能输出 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 源源不断的扭力，大大减小换档频率。所以，机械增压非常适合匹配在又大又重 的豪华房车上，而讲求高速性能的跑车就很不适合采用它了 1 1 2 课题的研究意义 自内燃机问世以来，人们就一直在探索如何改善它的性能。在能源问题的 影响下，人们对发动机的动力性和燃料经济性要求越来越高，使得现代汽车向着 高速、重载的技术方向发展。而且，由于汽车尾气排放问题日趋显著，各国政府 对排放的限制也越来越严格，目前汽车发展的方向是高经济性和低公害性。世界 各大汽车企业都针对这一趋势不断开发新的技术，以实现人们对汽车低油耗和低 排放的要求。要提高发动机的动力性能，可以采用更大排量的发动机或采用进气 增压技术。但大排量发动机显然不能满足人们对燃料经济性和环保性的需求。通 过增压，可以将更多的空气送入发动机的燃烧室中，这就意味着有更多的燃油可 以参与燃烧，以产生更强的燃烧压力和输出动力。 我国汽车工业发展迅速，2 0 0 8 年中国汽车产量为8 8 8 2 4 万辆，中国汽车产 业处在高速增长期，已成为世界第三大汽车销售国：据国外最新研究内燃机技术 发展趋势表明，预计在今后五年间，机械增压器内燃机将占汽车市场的5 左 右。机械增压器在国内的年产量在4 4 万台，按单台产值2 0 0 0 元计算，总产值可 达8 亿元以上。 国家六部门联合发文，在2 0 0 5 年3 月限期清理有关小排量汽车限制。t o - 规定， 积极采取鼓励政策，推动节能环保型汽车的研发、生产和消费；小型车处在高速 增长期，机械增压器的应用，延长现有内燃机的生产寿命，以大幅节省新内燃机 的开发费用，实现汽车内燃机省油、高效率的目标。 由于机械增压器使内燃机的废气排放最多可减少5 0 ，输出功率最多可提 高5 5 ，为我国汽车排放达到新的国际标准提供了新的途径，对于环境环保，有着 深远的社会效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外机械增压技术研究现状 采用机械增压器，在原有发动机基型上不需额外制造高精密的零部件。可 使发动机动力输出大幅度增加，又不至于造成维修体系的负担。在不改变发动机 结构参数的情况下，设法提高进入汽缸的气体密度，改善燃烧经济性，提高工作 性能，使发动机达到体积小但功率密度高，对发动机增压是满足这种要求的最佳 措施1 1 。 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 近年来，发动机迸气增压技术已经成为国内外内燃机发展的重要方向之一， 过去增压技术主要应用于柴油机上，现在汽油机上也开始大量采用增压技术。这 是因为发动机进气增压技术具有许多优点： 能够提高发动机升功率； 能够降低发动机比油耗和比质量； 能够减轻发动机排气污染； 能够扩大发动机变型系列。 随着增压器设计和工艺水平的提高，高温耐热材料的解决，增压器的性能和 使用寿命大为提高，体积和质量显著减少，从而使汽车发动机增压技术得到迅速 发展。在国内，近年来对汽车发动机增压也同样做了大量的研究工作，并取得了 显著成效【1 2 d4 1 。 采用发动机进气增压技术来提高发动机的升功率，提高发动机的动力性，很 久以前就为人们所使用。早在1 8 8 0 年德国人就着手研究了增压技术，并将研究成 果机械式增压器装置应用于第一次世界大战期间的飞机上。1 8 8 5 年，德国人 戴姆勒( g d a i m l e r ) 曾提出汽车采用增压发动机的设想。1 9 0 7 年，美国人洽特魏 契( c h a d w i c h ) 制成了增压发动机。1 9 0 9 年布希公司提出使用废气涡轮增压技术， 到1 9 1 7 年涡轮增压器己获使用。第二次世界大战中，美国人已将这种涡轮增压发 动机用于飞机上。轿车用增压汽油机由于第一次世界大战时在飞机上的实用而风 靡一时，但因未能发挥其优点而迅速衰落。1 9 0 5 年，比齐( a l f r e d j b u c h i ，瑞士) 获得涡轮增压的专利；1 9 1 7 年，法国的拉图( a u g s t er a t e a u ) 完成了这个设想； 1 9 3 7 年出现装有机械驱动罗茨式增压器的柴油机( c u m m i n s ) ；1 9 3 8 年，赛瑞尔公 司初次试制了汽车用增压柴油机。日本在战后1 9 5 3 年，曾在市场上出售同样的机 械驱动式增压柴油机。虽然增压柴油机能增加功率，但由于增压器需要驱动力使 燃油消耗增加，未能占有市场，而由废气涡轮增压器所代替。日本在1 9 6 7 年以后， 生产了实用的涡轮增压发动机。在美国，由于允许汽车以一定高速度行驶的地区 日益增多，进入2 0 世纪7 0 年代后，就迅速普及了增压发动机f 1 5 j 。 当时影响汽车发动机增压技术发展的具体原因如下： 当时采用的增压器主要是单级轴流式，其小型化受到很大的限制，因为 轴流式增压器的效率，随着结构尺寸的缩小而迅速下降； 若要提高压气机的压比，必须提高涡轮增压器的转速，而当时增压器所 用的滚珠轴承很难适应高速运转的要求； 车用发动机经常处于较小的空气过量系数下工作，排气温度高，涡轮材 料的高温性能亦成问题； 增压器转子的转动惯性大，加速性能差； 4 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 增压发动机的低速扭矩特性差等。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着增压器工艺水平不断提高和增压器性能不断完善， 解决了增压器转子高速运转的问题，其转速可达1 5 0 0 0 0 f f m i n ，甚至更高，从而使 涡轮增压器的结构尺寸进一步缩小；通过对叶轮内部流动的研究，使小流量的增 压器的效率不断提高，流量范围越来越宽广。 1 9 8 5 年日本丰田公司m r 2 型内燃机装有二叶直叶柱面的s c l 2 型机械增压 器； 1 9 8 9 年美国伊顿( e a t o n ) 公司已生产配套的内燃机排量从1 8 至5 8 升4 个系列机械增压器，年产量达数万台。 2 0 0 3 年德国奔驰e 5 5 车型a m g 5 5 型5 5 升排量v8 机械增压内燃机，功 率功率3 6 8 k w 6 l o o r p m ： 2 0 0 4 年德国宝马c o o p e rs 车型的排量1 6 升机械增压内燃机， 12 5 k w 6 0 0 0 r p m ； 2 0 0 5 年英国陆虎s u v ，4 2 l v 8 机械增压内燃机功率2 8 7 k w 6 0 0 0 r p m ； 2 0 0 5 年美国通用c o b a l ts s 的e c o t e c2 0 升机械增压发动机功率 l5 0 k w 6 0 0 0 r p m ： 2 0 0 5 年美国通用凯迪拉克，6 0 l v 型8 缸o h v 发动机配套机械增压器，功 率及扭矩3 7 7 k w 6 0 0 0 r p m 和7 0 5 n m ； 2 0 0 5 年德国大众高尔夫车型g tf s i 发动机，配备机械增压器和涡轮压器的 汽油发动机“t w i n c h a r g e r ，该车在1 4 l 的排量，实现了1 2 5 k w 输出功率以及 1 3 8 k m l 的油耗。 目前汽油机增压的发展倾向主要表现在以下几个方面： 1 废气涡轮增压与电子控制燃油直接喷射相结合。 2 发展流量范围宽，效率高的进气增压系统。 3 增压汽油机采用电子点火自动控制装置。 4 降低增压器成本，提高可靠性。这是增压技术能否在普通载客汽车和载货 汽车上应用推广的关键问题。 5 采用增压器加中冷的增压系统。汽油机增压存在的主要问题仍然是爆震和 热负荷问题。采用中间冷却装置是提高功率，防止爆震，降低热负荷的有效措施 之一。 6 改善增压器的“反应滞后”现象。 1 2 2 国内机械增压技术研究现状 目前，国内基本没有内燃机机械增压器研究的报道，本项目为国内首创。 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 而与此相比，在涡轮增压领域，我国自5 0 年代开始研制，据不完全统计， 经过5 0 多年的发展，我国共有专业或有涡轮增压器生产车间的工厂约有有2 0 0 多家，年生产能量已达1 0 0 万台f m l7 1 。 1 3 本课题的主要研究内容 由以上分析可知，国内在机械增压器技术方面还存在很大的空白，特别是 缺少与此相关的理论研究和实验：目前国内外市场上绝大部分的机械增压器产品 均为国外产品，国产增压技术基本上均为涡轮增压。本文针对以上不足，进行了 机械增压器的相关研究，主要内容如下： ( 1 ) 对机械增压器的工作原理进行了分析，并结合发动机的工作过程对机 械增压器的工作过程进行了研究，给出了它与发动机匹配的基本条件； ( 2 ) 对机械增压器的关键部件罗茨转子进行了研究。通过对各种不同 类型转子的比较及对不同型线转子的比较分析，得出了各种型线在应用中的优、 缺点，进而对渐开线型线进行了改进设计和分析； ( 3 ) 采用参数化建模的方法，对机械增压器进行了结构设计，并运用有限 元分析软件a n s y s 对转子结构进行了分析； ( 4 ) 根据机械增压器的结构和工作原理，按照流体力学的方法推导了机械 增压器径向泄漏量、轴向泄漏量和通气孔泄漏量，建立了泄漏的数学模型。通过 实例计算和实验值进行比较，证明泄漏模型的可行性并对试验数据进行分析 ( 5 ) 对吉利优利欧汽车发动机上安装了机械增压器，并对该车的动力特性 进行了测试，该车的扭矩增加，而且排放降低，取得了初步的实验成果。 6 中南大学硕士硕士学位论文第二章：机械增压器工作原理及基本匹配条件 第二章机械增压器工作原理及基本匹配条件 本章对机械增压器工作原理进行了分析，对机械增压的发动机工作过程进行 了研究。在对增压器的理论、实际工作过程的研究基础上，提出了机械增压器与 发动机的工作匹配条件。 2 1 机械增压器的工作原理和特点 机械增压器采用以两根啮合的罗茨式叶片转子作为主要的运动构件。转子在 传动齿轮的带动下作方向相反的回转运动，使在进气口充入容腔的空气随着转子 转动，在排气口位置排出，不断地将空气抽送到内燃机的进气歧管中，以三叶罗 茨式机械增压器为例，其工作原理如图2 1 所示。图中以2 转子为例，示意了输 气工作的过程。从工作位置a 到工作位置e ，两转子分别完成一次从左侧进气口 到右侧进气口的输气动作。转子每转动l 周，叶片与壳体形成的3 个容腔( 基元 容积) 各参与一次输气，以完成一次工作循环。在实际过程中，转子与转子、转 子与壳壁之间都有一定的间隙，称为余隙容积【1 8 圳】。 囝一囝一囝一囝一一图 c t bcde 图2 1 机械增压器工作原理图 由上图容易看出，机械增压器并非以基元容积的缩小实现压力的提高。它通 过将进气口的空气送向排气口，使得在较短时间内排气口附近压力有所提高，而 排气口与基元容积相连通时，基元容积内的压力因排气口较高压力空气的回流而 升高。 从结构上来看，机械增压器属于专门应用于发动机的罗茨泵，它相对于其它 类型的流体机械，具有下述特点： ( 1 ) 结构简单、体积小，主要构件之间没有摩擦，因此可靠性高、使用寿 命长，易于维修和装配： ( 2 ) 具有强制输气的特点，排气量与排气压力几乎无关； ( 3 ) 工况范围较广，而且在工况范围内其效率能基本保持在较高水平； 7 中南大学硕士硕士学位论文第二章：机械增压器工作原理及基本匹配条件 ( 4 ) 没有内压缩工作过程，即基元容积作等容积压缩，绝热效率低，因此 耗用的压缩功较多( 与有内压缩的流体机械相比) ，容积效率相对较低，排气温 度较高，这就使得罗茨式机械增压器的增压压力较小； ( 5 ) 由于基元容积是周期性地运动到排气口与其连通，排气脉动气流和回 流气压冲击会产生较大的噪声； ( 6 ) 转子的型面一般较复杂，不易加工。 2 2 机械增压工作过程分析 2 2 1 发动机的机械增压过程 斟埘堂冒幸回革矗 吸气压缩 铡够 卢 做功 辛f 气 。图2 - 2 发动机工作过程 要研究机械增压的实际工作原理，必须先对应用机械增压器的发动机的工作 过程进行分析。对于四冲程汽油发动机，活塞往复运动的四个冲程完成一个工作 循环，包括进气、压缩、做功、排气四个过程，如图2 2 所示f 2 2 】。而发动机的换 气过程包括从排气门开启到进气门关闭的全过程，一般约占4 1 0 0 4 8 0 0 的曲轴转 角( c a ) 2 3 l 。 机械增压主要作用于发动机工作循环中的吸气过程。对于自然吸气的内燃 机，在吸气过程中，活塞由上止点向气缸下部运动，对单点喷射( s p i ) 或多点 喷射( m p i ) 汽油内燃机，外部空气与燃油混合后形成混合气，然后充入气缸的 燃烧室进行燃烧：对缸内直喷的汽油内燃机，外部空气进入气缸后与燃油混合进 8 中南大学硕士硕士学位论文第二章：机械增压器工作原理及基本匹配条件 行燃烧【2 4 1 。其工作过程和工作原理如下图2 3 和2 4 所示： 增压供气 能量流向= = = 号空气流向 图2 - 3 机械增压器工作过程图 十 i 讪仁 皮带 图2 4 机械增压器工作原理图 机械增压器一般采用带传动的方式，由内燃机的曲轴供给动力，将机械增压 器吸气口一侧的空气不断地压入机械增压器排气口端的进气歧管中，实现增压的 目的。在这个过程中，机械增压器将消耗内燃机的一部分输出功，以增大发动机 的进气密度，从而使可参与燃烧的燃油量增大，燃烧更为充分，使发动机功率和 输出扭矩提升1 2 5 j 。 由于进入发动机气缸的空气分子量增加，要保证一定的空燃比( a f ) ，使发 动机燃油燃烧过程稳定，就要适当增加进入燃烧室内的燃油量。而在气缸体积不 变的情况下，燃油量和空气量的增大，会使燃烧室燃烧后的膨胀压力增大，作用 于曲轴连杆系上的载荷相应变大，发动机的负荷率提高。这就是通过机械增压 提高发动机输出功率和扭矩的根本原因。 9 中南大学硕士硕士学位论文第二章：机械增压器工作原理及基本匹配条件 2 2 2 机械增压器理论工作过程 机械增压器的转子每旋转一周为一个运动周期，在此过程中，二叶转子有2 个基元容积依次经历相同的工作过程，三叶转子则有3 个。每个基元容积随转子 角度的变化而变化，即基元容积是转子转角的缈的函数，如下图2 5 所示。 图2 5 基元容积变化曲线 图中，各符号量表示意义如下： l 、2 、3 、4 分别指基元容积的吸气开始、吸气结束、排气开始、排气结束 各状态位置：仍、仍、仍、c p 4 分别指转子转角位于l 、2 、3 、4 等各状态位置时 的值：k 为基元容积所能达到的最小容积，它的存在表明基元容积内的气体不能 被全部排出，一般也称为穿通容积；k 为基元容积所能达到的最大容积，即2 3 过程中被封闭的基元容积值；即为排气结束基元容积的容积值，随着两转子的 相对转动，基元容积进一步减小，直到达到k 。 需要说明的是，机械增压器的压力升高不是由容积减小产生，而是由排出口 管道中的高压倒流引起的，即气体的压缩过程是在基元容积与排出口连通的瞬时 实现的。在这一过程中，将基元容积视作被高压回流压缩，容积减小。下图2 - 6 为基元容积的压力容积图。 p p d p - - 。 图2 - 6 基元容积的压力一容积图 1 0 中南大学硕士硕士学位论文第二章：机械增压器工作原理及基本匹配条件 2 2 3 机械增压器实际工作过程 在实际工作过程中，基元容积内的气体经由余隙容积有泄漏损失，在流经吸、 排气口时均有压力损失，气体与外界存在热交换。这些影响因素使实际工作过程 与理论工作过程有很大的差异f 2 l 】： ( 1 ) 内泄漏 由于机械增压器的进、排气口间存在压差，在压差作用下，有一部分气体经 转子间隙由排气口流向进气腔，称为内泄漏。内泄漏所流经的转子间隙包括：转 子与转子间的间隙、转子与机壳之间的间隙以及转子与前后墙板之间的间隙。 ( 2 ) 外泄漏 一部分气体通过轴端及机壳与墙板间隙等部分流出，称为外泄漏。在本文所 述的设计与实验中，均采用接触式密封，因此，外泄漏流量忽略不计。 ( 3 ) 内泄漏的加热作用 进入机械增压器的空气流至排气口后，因压缩而产生温升，这部分温度升高 的气体泄漏到进气口，使进气口气体温度上升，比容增大，质量流量下降。 ( 4 ) 机件传热 受气体压缩热作用，转子与机壳温度都会有所升高，因此，进气口气体受热 传递，也会产生受热膨胀；另外，机件中的接触式旋转件，如轴承、骨架油封、 同步齿轮、皮带轮等，也会因高速转动而产生热量，传递给从进气口流入的气体。 ( 5 ) 压力损件 气体流过机械增压器的过程中，会因气流受阻等原因产生一定的压力损失， 这些压力损件转化为热量而被气体吸收，最终造成气体的受热膨胀，质量流量降 低。 2 3 机械增压器与发动机的基本匹配条件 按照发动机正常工作的进气条件，应保证进气歧管内的空气流量( 无论是否 有增压，体积流量) 大于发动机所需的空气流量，即满足发动机增压进气的基本 匹配条件1 1 】： g 绕 ( 2 一1 ) 其中，g 为增压器实际排气流量，绋为发动机所需空气流量。 珐= 2 k 圪n s r l s ( 2 _ 2 ) 式中，2 增压器转子个数； 后转子头数，二叶转子为2 ，三叶转子为3 ； 圪基元容积，l ： 中南大学硕士硕士学位论文第二章：机械增压器工作原理及基本匹配条件 以。增压器转速，r m i n ： 孤增压器容积效率： 每个转子单转理论排气量： k 圪：l x d 2 a l ( 2 3 ) “4 d 转子外径，d m ： a 转子面积利用系数； 三转子长度，d m ； 1 q f = 去q 玎 ( 2 4 ) z f 过量充气系数： q 发动机排量，l ； 玎。发动机转速，r m i n ： 发动机气缸充气效率； 除以2 表示四冲程发动机，曲轴每转两转，完成一次吸、排气过程【4 1 0 增压器增压的条件为：2 k 圪 s r s 去s q ( 2 - 5 ) 二 因为发动机与增压器以带轮联接，不考虑其它因素，则增压器的转速与发动 机转速之比为带传动的传动比f 。即 n s f ( 2 - 6 ) 万d 2 五l ，r s f q 瑰 ( 2 7 ) 以奇瑞3 7 2 型发动机为例，q = 0 8l ，仇取为0 8 ，s 取为1 2 ，r h 以罗茨泵为 参考，取最小容积效率，约0 7 ，五取o 5 ( 取值较小，详细分析见第三、四章) ， l d 取1 7 5 ，取1 8 5 ，因此有 2 4 本章小结 3 巩妯= ：0 6 5 6 8 咖：6 5 6 8 坍埘 ( 2 - 8 ) 本章首先对机械增压器工作原理进行了分析，然后对机械增压的发动机工作 过程进行了研究。对机械增压器的理论工作过程和实际工作过程做了简单阐述。 在对增压器的理论、实际工作过程的研究基础上，以与奇瑞3 7 2 型发动机相匹配 的罗茨增压器为例，提出了其与发动机排量的匹配条件。 中南大学工程硕士学位论文第三章机械增压器的结构参数与性能分析 第三章机械增压器的结构与性能分析 罗茨转子( 或称叶轮) 是罗茨增压器中最为关键的组成元件，本章按转子类 型、型线对各类型的罗茨转子作了对比性研究，并按实际应用情况，提出了一种 改进的转子型线，并对其进行了分析。 3 1 两叶转子和三叶转子比较分析 机械增压器的主要结构型式大致相同，而主要区别于罗茨转子。罗茨转子按 头数一般分为两叶和三叶( 单叶及三叶以上的罗茨转子应用极少) ，按叶轮形状 分为直叶和扭叶。下面对各类型转子的比较分析。 3 1 1 基元容积和排量的比较 不少文献认为三叶的转子机械增压器由于比两叶的转子的机械增压器多了 一个叶而简单的认为在中心和距外圆相同的条件下，两叶转子的增压器的比三叶 的排气量大，这是一种错误的观点【2 6 】【2 7 1 。文献在论述机械增压器基元容积与节 能及噪声的关系中，通过比较两叶和三叶鼓风机基元容积的大小从而得出三叶增 压器的理论输气量上比两叶的小鲮一，= 4 v 叶n ，式中v 叶为一个转子叶 面积的一半，刀为增压器的转速。 首先，在两叶和三叶转子的机械增压器中，在两叶轮距2 a 、和叶轮外径r ，和 叶轮长度相同的情况下，它们单个的叶轮端面面积是不相同的。如果面积相同， 叶轮之间将不能正常的“啮合”( 两叶轮之间有微小的间隙) 。以圆弧线叶型为例， 分别计算叶峰的圆弧半径，- 。 尺：+ 口2 - 2 a r 。c o s 尝 参照文献1 1 l 有公式：，i = 丝( 3 一1 ) 2 ( r ，一口c o s 言) z 二 式中z 为叶轮头数( 两叶为2 ，三叶为3 ) ； 取外圆半径r 。= 7 0 m m ； 两叶轮的中心距2 a = 9 6 m m 。 分别代入数值进行计算。当机械增压器叶轮为两叶时有r = 3 4 m m ，当叶轮为 三叶的时候有r = 2 4 m m ，两者叶峰半径有1 0 m m 的差距。再作出其他的曲线得出 q t 南大学工程硕上学位埝文第王章机械增雎器的结构参数o t f ：能分斩 两叶和二1 1r 机械增压器的舡个川轮曲线。如图3 1 a b 所示 图31 ( a ) 三叶转子截面示意图( b ) 两叶转干截面示毒图 在i 维软件a u t o d e s k i n v e n t o r 中分别进行安体建模，如图( 32 ) a 、b 所示 分别测姑0 们端部的面积，三叶的血积为7 7 6 47 8 4 m i l l2 ，州叶的衙积为 7 8 7 01 9 8 m m2 z n i 的l f 【积比两叶们f nj t | | f ! 还略小点；丰 9 ：文献f i 所推导出的基 元袢积公式： v ：煎二! ： ( 3 2 ) z 式中s 为叫轮的面积。纬汁箅，两叶转予增压器的摹元容积为 v 2 、= 3 7 6 15 7 6 m m 3 ，三叶的基元容积为v h = 2 5 4 28 5 5m m 。 _ 参 圈3 2 ( a ) 两叶转子面积 32 ( b 1s - a h - 干面积 两州的机械增压器的每转排母为8 。- 4 v 2 x l - 1 5 0 4 63 0 4 l m m3 r ，二叶的 机械增压器的排量为o = 6 k 、l = 1 5 2 5 71 3 0 x l 。m m r ，式中li j f 轮的长度。可 见三叫卿弧叶型的罗茨增压器比两叫的输气鼍还犬一点。三叶和两叫岁茨转了的 叫轮火小叶峰半径和谷圆、f 径是有小小的差距的。 其实，卜述所讨论的两 和二叶输气是的问题，就是向积利用系数们比较， 可积利用系数的算法如f ：i i i 轮旋转周。其外网、| 往所扫过的i 自】g ! 为： 中南大学工程硕士学位论文第三章机械增压器的结构参数与性能分析 s l = 万 ( 3 3 ) 令叶轮的横断面积为s a s = s i s 2 ( 3 - 4 ) 叶轮的面积利用系数定义为允= 丛s ，它能准确的反应增压器效率的一方 面，值越大，在中心距2a 、和r 。相同的情况下，机械增压器的每转的排量越大。 图3 3 是根计算叶轮断面面积的公式( 1 ) ，( 2 ) 作出圆弧线叶型的面积利用系数 曲线图，可以看出三叶圆弧叶型的面积利用系数始终比两叶的大，而且随着径距 比的增大而逐渐加大。 z = 3 时 s ：= ( 2 口2 + b 2 + ，2 ) 刀一6 d b 一2 4 ，( 口+ 6 ) ： z = 2 时 s ：= ( 2 口2 + b 2 + ，2 ) 万一4 4 r - 2 a b 一1 6 ，( 口+ 6 ) e 式中a 一中心距的一半； b 一叶峰圆心到叶轮中心的距离； 卜叶峰的半径； ，=三一竺，口的取值范围为o一71。22 2 z 么 ，7 z z - - 3 ， j 一， ， a j ， j 必 。夕 矿 1 , 1 214 414 64 81515 2t5 4 径距比r 州a ( 3 5 ) ( 3 6 ) 图3 - 3两叶和三叶转子面积利用系数曲线 对于渐开线型的叶轮，由于面积利用系数和叶轮的头数没有关系，也就是在 选用渐开线叶轮的时候，两叶和三叶的罗茨增压器在主要参数相同的时候其排量 是相同的【2 。 中南大学工程硕士学位论文第三章机械增压器的结构参数与性能分析 312 机械增压器噪声及振动比较 机械增压器在工作工程中，气体逆流压缩产生强烈的空气冲击动力噪声，为 了减少这种噪声，在不改变整个有效容积的情况下，减少单个有效容积v 的体 积，从而减少霍尔姆共振效应，达到减小噪声的目的。将两叶型变为三叶型t 从 而将有效容积从两等分变为三等分减少了输出气流压力的脉动，而且排气腔部 分体积通过叶轮问隙回流到进。c 腔的气体流量减少，气体的扰动减小气体的脉 动压力减小，从而使增压器的振动减少。压力脉动是罗茨增压器的主要的噪声源， 三叶式增压器能有效的降低噪声达5 d b 。 为了进步减少机械增压器的噪声，对于三叶的叶型可以采用扭叶型，如图 3 - 4 所示。这种结构不仅可以进步扩大增压器的基儿容积而且可以进一步减 小罗茨增压器的噪声。当机械增压器的叶轮扭转角为6 0 0 时候，其理论流量为定 值，不匀度为零。另一方面扭叶结构还町以延缓回流过程，降低排气脉动。由于 受到内泄露的影响，其逃气流量总有些脉动，但要比三叶直叫的要小。扭叶型 的罗茨增压器的排气脉动要比直叶型的小些，三叫直叶型的排气脉动也比两叫 的要小但差别不是太明显。两叶的转予不町能利用扭叫这种形式，因为如果两 叶的采用扭叶的话，其扭转角要取2 7 0o ，在保证叶轮正常啮合的情况下，这种 结构是不可能实现的。而三叶的扭叶转子，只需其包容角不小于1 8 0o ，即可以 满足要求口”。 围3 4 三叶扭叶转子 31 3 机械增压器内泄露的比较 在间隙大小及工作条件相同的情况下，三叶罗茨增压器的内泄露流量往往比 两叶的小一点。基元容积v 处于泄露间隙与进气口之间，对内泄露流动具有一 中南大学工程硕士学位论文 第三章机械增压器的结构参数与性能分析 定的阻隔作用。对两叶增压器而言，容积v 只在微小的角度范围内保持封闭状 态，阻隔作用不大。三叶增压器的基本容积至少有6 0 度的封闭旋转过程，阻隔 效果显著一些，可以提高其容积效率。采用三叶转子及逆流冷却的的增压器，封 闭容积内的气体处于吸排气的中间压力，这样通过叶轮顶端及端面的泄露就不是 从排气压力直接到吸气压力。对三叶扭叶转子，当排气口呈对角线布置时，结合 扭叶转子逐渐啮合的特点，使扭叶转子工作时并不象直叶那样能使基元容积完全 与排气口相通，在与排气口连通前使基元容积中的气体能在机壳内转子旋转时产 生一定的内压缩，这样就比两叶转子在同样条件下的直接泄露量也要小，容积比 能也相应降低了1 2 1 1 。 3 1 4 转子力学性能比较 由于三叶罗茨增压器的叶轮和两叶的在叶形结构上存在的的差异，在一般情 况下，三叶转子的力学性能要好于两叶的。在叶轮大小和气体压差相同的情况下， 三叶转子承受的最大的合力要比两叶转子的小，大概是两叶转子的8 0 。三叶转 子本身的结构的刚性就比两叶的好，而且在中心距、叶轮半径和叶轮长度相同， 所用材料也相同的情况下，三叶的重量要比两叶的稍微轻点。所以三叶转子在保 证叶轮和外壳的间隙及叶轮间的间隙中，更具有优势。