雙螺桿機械增壓系統(tǒng)的工作原理

雙螺桿機械增壓系統(tǒng)的工作原理

近年來，中國污染日益嚴重，石油資源越來越少。國家把節(jié)能和環(huán)境保護作為經(jīng)濟發(fā)展的一項重要政策，并將其納入汽車工業(yè)復(fù)興計劃。汽油機增壓技術(shù)已有半個世紀的發(fā)展歷史，增壓器可以提高發(fā)動機動力性能，輸出功率最多可提高55%。同時，其還可以改善燃油經(jīng)濟性，降低廢氣排放和實現(xiàn)高原功率補償。本文在渦輪增壓和羅茨式機械增壓的基礎(chǔ)上，提出了雙螺桿式機械增壓，并且通過對比，得出了雙螺桿機械增壓綜合性能的技術(shù)優(yōu)越性。本文設(shè)計了轉(zhuǎn)子的端面型線，為這種型線在雙螺桿機械增壓器上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。1雙螺桿機械增壓雙螺桿機械增壓器實質(zhì)上是一臺無油螺桿式空氣壓縮機，在工作時，依靠兩個同步齒輪的相互嚙合傳動，帶動陰陽轉(zhuǎn)子高速連續(xù)回轉(zhuǎn)。隨著兩個螺桿轉(zhuǎn)子的嚙合，空間逐漸減小，當壓縮到一定程度時，氣流由另一側(cè)的出口排出，在這個過程中，空氣已經(jīng)明顯壓縮，所以屬于內(nèi)壓縮方式，氣流在排出時更為順暢。轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與殼體之間互不接觸，不會因壓縮機的運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相互摩擦，傳動效率高。雙螺桿機械增壓器是直接利用引擎出力來驅(qū)動，其可以將高密度空氣送入汽缸內(nèi)以提高引擎的輸出功率。其驅(qū)動力來自引擎曲軸，一般都是利用皮帶連接曲軸皮帶輪，間接將曲軸運轉(zhuǎn)的扭力帶動增壓器，達到增壓目的。增壓能夠強化發(fā)動機的工作過程，即采用雙螺桿機械增壓器將氣體在進入氣缸前預(yù)先進行壓縮，提高發(fā)動機的升功率，提高進入氣缸的氣體密度，使同等功率下，減小氣體的體積。在氣缸容積不變、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速恒定的情況下，增壓使發(fā)動機氣缸內(nèi)的混合氣空燃比大幅度上升，有利于提高發(fā)動機的熱效率。因此，通過對進入氣缸的空氣進行預(yù)壓縮，可以提高內(nèi)燃機的輸出功率，從而提高發(fā)動機的負荷率，以達到改善動力性能的目的，并相應(yīng)地減少燃料燃燒產(chǎn)生的有害氣體的排放。2機械增壓檢測按照增壓器的驅(qū)動來源不同可以將其主要分為兩大類，分別為廢氣渦輪增壓和機械增壓。機械增壓目前主要包括羅茨式及雙螺桿式類型。與廢氣渦輪增壓和羅茨式機械增壓相比，雙螺桿機械增壓具有如下的優(yōu)勢。2.1螺桿機械增壓的優(yōu)勢(1）螺桿機械增壓可全程提高扭矩與功率，尤其低速扭矩特性更加卓越。(2）螺桿機械增壓具有優(yōu)良的發(fā)動機瞬態(tài)加速特性。(3）螺桿機械增壓對排氣系統(tǒng)的影響較小，更為環(huán)保。(4）螺桿機械增壓使發(fā)動機的泵氣損失較小。(5）螺桿機械增壓器易于安裝，操作性好。2.2螺釘機械增壓適用范圍更廣(1）螺桿機械增壓效率更高，螺桿式機械增壓器比羅茨式機械增壓器能效平均高30%。(2）螺桿機械增壓適用范圍更廣。(3）螺桿機械增壓具有較低的噪聲和振動。(4）螺桿機械增壓器體積更小，質(zhì)量更輕。3雙螺線壓在線設(shè)計3.1齒曲線結(jié)構(gòu)及工藝特點螺桿轉(zhuǎn)子型線設(shè)計是影響雙螺桿機械增壓器工作性能的關(guān)鍵因素。本文所采用的陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)比為5:3的型線，是在陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)比為6:4的單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的基礎(chǔ)上，稍做調(diào)整所形成的，比齒數(shù)比為6:4的螺桿型線具有更大的面積利用系數(shù)，更高的容積效率，其綜合性能優(yōu)越，便于加工實現(xiàn)。各段組成齒曲線性質(zhì)如表1所示。齒數(shù)比為6:4的端面型線如圖1所示。這種單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線與原始不對稱型線的主要區(qū)別在于：采用徑向直線AB及DE倒棱修正，去除了原始不對稱型線外圓上的擺線形成點，并使擺線IJ的形成點向內(nèi)移動。另外，將圓弧齒曲線擴大一角度，形成保護角，使擺線CD的形成點I處于陽轉(zhuǎn)子外圓之內(nèi)，保護了對嚙合性能很敏感的擺線形成點,研究中取保護角為5°。修正后，便于轉(zhuǎn)子在加工、安裝、運行及儲運中保護擺線形成點。限制直線段DE的長度在0.5～2mm的允許范圍之內(nèi)，研究中取DE段的長度為0.625%A(A為兩轉(zhuǎn)子的中心距）。處在低壓側(cè)的直線段AB的長度，由于不影響氣密性，通常從制造工藝出發(fā)，使其與圓弧BC光滑過渡。3.2齒輪傳動基本方程本文以奇瑞SQR372內(nèi)燃機為例，對其采用雙螺桿機械增壓器的性能變化情況進行計算分析。雙螺桿機械增壓器的設(shè)計增壓壓力比為πC=1.6，設(shè)計目標為：在轉(zhuǎn)速不變的情況下，內(nèi)燃機最大功率提升20%。確定雙螺桿機械增壓器陰陽轉(zhuǎn)子中心距A=48mm。運用齒輪嚙合原理、微分幾何，建立推導(dǎo)出端面型線方程。由于螺桿轉(zhuǎn)子都是通過一個齒曲線旋轉(zhuǎn)生成，所以只需研究一對嚙合的齒即可。本文直接給出轉(zhuǎn)子一對嚙合齒的齒曲線參數(shù)方程，式中所有長度單位為mm，角度單位為rad，具體推導(dǎo)過程省略。(1)AB與GH段GH段方程(2)BC與HI段BC段方程HI段方程(3)I點與CD段方程CD段方程(4)D點與IJ段IJ段方程(5)DE與JK段DE段方程燮x2=0.9583×ty2=0.2858×t29.7燮t燮30JK段方程(6)EF與KL段EF段方程KL段方程4陰陽轉(zhuǎn)子型線的計算采用Matlab語言繪制出雙螺桿機械增壓器單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線的參數(shù)方程圖形，通過程序計算得到一對嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子型線，如圖2所示。根據(jù)計算，其面積利用系數(shù)為0.4956，比傳統(tǒng)陰陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)比為6:4的型線的面積利用系數(shù)為0.4696高出5.54%。5齒輪齒輪型線的數(shù)值模擬本文介紹了雙螺桿機械增壓器的工作原理及在增壓方面的技術(shù)優(yōu)勢,設(shè)計了一種雙螺桿機械增壓器的轉(zhuǎn)子型線。型線采用單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線，給出其一對嚙合齒曲線的參數(shù)方程。通過Matlab語言編程繪圖驗證了所得齒曲