车用涡轮增压器冷却水量影响机理分析与其智能预测

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1、硕士学位论文第1章绪论发动机涡轮增压技术在汽车工业的应用已有近百年历史，但是在最初的几十年发展相对缓慢，直到20世纪50年代以后，随着涡轮增压器工艺水平的不断提高和性能的逐渐完善，涡轮增压器在发动机上的应用普遍起来。耐热高强度合金材料的应用，缓解了涡轮耐高温的问题；轴流式增压器到径流式增压器的转变，解决了增压器结构尺寸的限制问题，实现了增压器的小型化；滚珠轴承到浮动轴承的转变，使增压器更好的适应了高转速的要求；涡轮和叶轮内部流动的研究改进，提高了径流式涡轮和小流量离心式压气机的效率，改善了性能，拓宽了流量范围。这样，涡轮增压器的综合性能不断优化改善，满足了应用要求。但是随着增压

2、器的热负荷不断提高，工作环境越来越复杂，涡轮增压器的冷却散热问题成为了影响增压器寿命和性能的关键因素之一。1．1研究背景及意义2l世纪以来，能源与环保一直是世界环境与发展问题的焦点，也是社会各界关注的热点。今天的世界人口已经突破60亿，比20世纪末期增加了两倍多，而能源消费据统计却增加了16倍多，尽管人们经常谈论“节能”和“开发太阳能”或“发现更多更大的煤田气田”，能源的供应却始终跟不上人类对能源的需求。经济和社会的发展需要有相应的能源发展提供支撑和保障，能源消耗会排放出大量的废气和污染物，造成了空气与环境质量恶化，严重影响人们的生产生活。统计资料表明，自1970年以来，全球汽

3、车数量几乎每隔15年翻一番，现今全球处于使用状态的各种汽车，包括轿车、卡车以及公共汽车等的总保有量已突破10亿辆。而从中国经济发展和汽车产业发展趋势看，中国汽车保有量和人均保有量还将长时间保持持续增长，这意味着汽车发动机对能源的消耗量也将持续增加。能源消耗的持续增长与全球资源短缺形成了尖锐的矛盾。随着人们的节能与环保意识的增强，对发动机的节能降耗性能提出了更高要求。世界各国都在不断提高汽车排放标准及相应法规，“高效，节能，减排”成为当今汽车发动机技术发展的主要目标。这使得车用发动机的开发必须考虑：①发动机必须具有较高的功率和较低的油耗以满足用户的要求；②发动机必须降低有害物质的

4、排放以满足法规的要求【l】。为满足越来越严格的排放标准，汽车企业需要不断地对发动机进行技术改进。作为发动机上的一个极其关键的辅助部件，涡轮增压器发展到今天已经是一个集机械、电子、新材料等多种学科应用为一体的高科技产品。它是与柴油机、车用涡轮增压器冷却水量影响机理分析及其智能预测汽油机配套的节能减排型产品，能够很好地提高发动机的工作性能，改善发动机的工作状况，减少废气排放，从而满足更高排放要求【21。目前，涡轮增压器一方面向小功率及汽油机方向发展，另一方面向高增压和超高增压方向发展。随着增压器技术的不断提高，涡轮增压器的设计也日趋成熟，然而现代汽车对汽油发动机的使用性能、燃油消耗

5、、废气排放等要求不断提高，涡轮增压器必须通过不断的技术改进来满足更高的要求。这在一定程度上造成涡轮增压汽油发动机的尾气温度不断提高，近年来已出现了排气温度高达1050℃的机型，可以预见涡轮增压器未来必将承受更高的热负荷。发动机的尾气温度过高，将会急剧增加增压器整体的热负荷，严重影响废气涡轮增压器的使用寿命和工作可靠性。“高温”是废气涡轮增压器面临的最大考验之一。涡轮增压器工作时，涡轮轴高速旋转，同时受到涡轮壳端的高温尾气冲击，涡轮和轴承体涡轮端直接接触的便是由发动机排出的高温尾气(第一热源)；高温、高速的尾气冲击涡轮旋转带动另一侧的压气机叶轮同步运转，空气被压缩后温度提高(第二

6、热源)；涡轮轴高速旋转，转速往往达到80000"-"120000rpm甚至更高，产生惊人的热量(第三热源)，这成为了增压器严重的高温负担，应对这一高温负担的办法就是冷却散热【3-41。涡轮增压器冷却系统的冷却效果对涡轮增压器的使用寿命和可靠性有着重要影响。涡轮增压器冷却系统的作用是保证涡轮增压器所有工况在最适宜的温度范围内工作，冷却系统设计与匹配的好坏直接影响涡轮增压器的经济性、可靠性和耐久性Kj。轴承体是涡轮增压器的主要组成部分，它起到支撑密封环和浮动轴承的作用，而密封环和浮动轴承又是涡轮增压器可靠性中的薄弱环节，轴承体的热负荷程度直接影响到密封环和轴承的使用寿命和工作可靠性

7、【6】。因此研究涡轮增压器水冷轴承体的冷却机理具有极强的实际意义。20世纪，小型涡轮增压器(叶轮直径小于60mm)均为非水冷轴承体，基本能满足发动机的需要。但是进入21世纪以后，在匹配强化程度高的发动机时，由于发动机本身的润滑油温度较高，润滑油冷却增压器的效果降低，不能满足涡轮增压器转子组件以每分钟120000转高速旋转对浮动轴承的工作可靠性要求，造成轴承磨损，涡轮增压器失效，导致整台发动机不能正常工作。在单一的依靠润滑油冷却已经无法满足要求的情况下，水冷却方式得到广泛应用。现如今的涡轮增压