CN109087573A - 一种涡轮增压器原理展示模型 - Google Patents
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Abstract
一种面向大众的涡轮增压器原理展示模型，包括铝型材支撑架，以3D打印的涡轮叶轮与壳体作为涡轮增压展示的核心模型，以半剖的内燃机壳体展示内燃机的工作原理，以灯带的流动展示汽车发动机当中，各个部分的气流大小，速度，方向，成分等等，以电子屏展示燃烧的剧烈程度，以FLASH动画展示使用涡轮增压器前后，汽车排放的燃烧废气的成分变化，以脚踏板和电位传感器模拟驾驶员踩的油门，控制车轮的转速，以处于竖直方向上的皮带轮模拟水平方向的路面，以按钮实现自然吸气/涡轮增压模式一键切换，并通过灯带、装置转速和燃烧动画体现涡轮增压技术对燃烧效率和输出功率的提升。
Description
技术领域
本发明涉及科技馆的示教展品模型技术领域，特别涉及一种涡轮增压器原理展示模型。
背景技术
已有的涡轮增压器模型专利，大部分是基于科研用途而发明的，如专利公开号CN107608235A发明的一种可调两级增压发动机模型即是为仿真实验而开发的平台，CN102434291A基于其设计的涡轮增压器模型开发出了诊断气流控制系统故障状况的系统。
而在汽车核心技术的示教领域，国内的发明专利，包括了CN207337762U汽车发动机冷却装置的示教模型，CN206558118U多缸发动机模型，CN206421740U斯特林发动机模型等等，其中，CN206421740U中的斯特林发动机作为一种复杂结构件，在进行示教中，仅仅作为模型依然选择以铸造作为成型方式，不仅加工周期长，而且价格昂贵不易维护，不适合在科技馆环境下公开长时间展示。多缸发动机模型中，采用了喷油显示装置，虽然真实的模拟了工作实况，但是在科技馆环境下，应当尽可能避免油液的使用，多活塞的机械配合也让维护系统稳定性成为了不小的问题。
此外，以上作为示教模型所体现出的不足之处具有一定的共性，即一个完整的现代汽车发动机并非只有内燃机这一唯一核心机构，因此国内科技馆的示教展品中，缺少展示涡轮增压器作为一种技术的核心部件的示教展品模型。
综上，本涡轮增压原理示教装置是一种新形式的示教产品。对于涡轮增压问题，现有的专利主要存在于技术层面，目前还没有现存的国内专利将涡轮增压应用于原理示教展品。因此，本发明具备一定的新颖性。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提供一种涡轮增压器原理展示模型，本示教模型采用多媒体与物理装置虚实结合的展示方式，内燃机内部的运行状态使用多媒体显示。多媒体界面和脚踏板结合模拟驾驶的情况，在界面中引导观众使用涡轮增压器，并展示经过涡轮增压器增压前后，内燃机周期运动的功率变化(以火花的旺盛程度表示)，体现涡轮增压器对提高内燃机燃烧效率的帮助。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种涡轮增压器原理展示模型，包括铝型材支架1，铝型材支架1上层中部放置有涡轮叶轮轴系，右侧放置有内燃机轴系，所述的铝型材支架1下层设置有车轮轴系；
所述的涡轮叶轮轴系包括双出轴电机9，所述的双出轴电机9通过设置在其两端的联轴器分别与涡轮轴7和叶轮轴11一端相连，涡轮轴7和叶轮轴11另一端分别设置有涡轮5与叶轮12，所述的涡轮叶轮轴系上设置有模拟管路2，模拟管路2通过灯带用于将气体展示出气流经过涡轮叶轮时的气体流动状态；
所述的灯带沿叶轮12伸出，气流流出口与内燃机轴系的进气口相连。
所述的涡轮5与叶轮12采用PLA材质进行3D打印。
所述的涡轮叶轮轴系通过半开的壳体结构16支撑，壳体结构16设置在铝型材支架1上。
所述的涡轮叶轮轴系两侧设置有左挡板4和右挡板14，分别通过左螺母3与右螺母15进行轴向固定。
所述的下层的车轮轴系包括放置有皮带轮和皮带，皮带轮和皮带用于模拟路面相对于车轮的运动。
所述的涡轮轴7和叶轮轴11上分别开有键槽，键槽内部设置有左平键6与右平键13，通过平键与涡轮5与叶轮12相连。
所述的内燃机轴系通过背景电子屏用于显示内部气缸内部的燃烧状态及产物种类、数量。
所述的装置为双层的展示结构，以3D打印代替实际铸造的涡轮叶轮模型，以灯带流动代替实际气流，以显示屏flash动画代替实际燃烧效果，以处于竖直方向上的皮带轮模拟水平方向的路面。
通过可由观众操纵的按钮进行涡轮增压/自然吸气展示模式切换，并通过踏板调节油门大小。
所述的多媒体解说设备可以通过预先录制的视频、音频向观众讲解涡轮增压器原理，并通过虚拟界面模拟汽车行驶状况，引导观众与装置进行互动。
本发明的有益效果：
1.虚实结合的展示形式
本涡轮增压原理展示模型将涡轮增压原理从汽车发动机中抽象出来，分为模型框架，涡轮增压器、风机及管路展示系统和控制显示系统三个部分，尽可能的保留了所有便与展示的涡轮增压器机械结构，使观众对于涡轮增压器有了直观的认识，并考虑到安全因素和保养维护的方便性，设计了代替展示方案，使参观者通过简单操作，观察到涡轮增压产生的进气压力变化，从而了解涡轮增压的原理，并且直观地感受到涡轮增压相对自然吸气的优势。
2.基于互动的展示方案
在体验涡轮增压器展品时，外部输入设备包括按键(按下后连接涡轮增压器)，脚踏板(踩下可发动汽车并加速)。另外，在内燃机气缸模型背后有一块显示屏用于显示燃烧情况，另有一块显示屏用于语音、视频讲解引导。
在不连接涡轮增压器的时候，踩下脚踏板，气缸屏幕中显示出大量污染物，装置转速增速缓慢且速度峰值较低。
当观众按下涡轮增压按钮，涡轮增压器开始工作，并通过管路带动涡轮旋转，用于表示进入气缸的气体量的灯带数量逐渐增多，屏幕中内燃机内燃烧越发剧烈，汽车仪表盘从一开始的缓慢加速到速度快速攀升。至此，观众认识到了涡轮增压器相较于自然吸气的发动机的优势。
3.较低的加工与维护成本
本低廉，易于制作，维护简单也是本展品的特色，首先将涡轮叶轮的实物铸造模型替换为3D打印的PLA模型，降低了成本加快了制作速度，随后一连串的降低了对轴系材料直径热处理上的要求，降低了对电机功率和最大扭矩的需求，降低了支架材料和强度的需求，使得本展品在考虑负载的过程中，总能选到尽可能便宜的标准件，如铝型材，轴承等等，在非标准件的加工中，也对精度和强度的要求不高，使得机加工的费用也进一步下降。
附图说明
图1为整体布局图。
图2为铝型材搭建两层的框架结构示意图。
图3是内燃机模型示意图。
图4是底层放置的是车轮轴系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
涡轮增压技术是一种在汽车动力系统中的核心技术，是一种利用发动机排出废气的能量驱动涡轮，再由涡轮带动离心式压气机的方案，因而也被称为废气涡轮增压。涡轮增压是提高内燃机功率、改善经济性的主要途径，也是减少内燃机有害排量的最有效措施之一。涡轮增压装置主要是由涡轮室和增压器组成。首先是涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，排气口则接在排气管上。然后增压器的进气口与空气滤清器管道相连，排气口接在进气管上，最后涡轮和叶轮分别装在涡轮室和增压器内，二者同轴刚性联接。工作中，内燃机产生的具有大量余热的废气通过管路，进入涡轮室，带动涡轮转动，涡轮转动使得增压室内压缩更多的空气，进入内燃机燃烧，从而使得同等体积的含氧质量更高，燃烧更充分，因而减少了污染物的排放，燃烧后，具有高能的废气进入下一个循环，因而提高了能量利用的效率。
在涡轮叶轮轴系中，双出轴电机9通过两侧联轴器8、10带动涡轮轴7与叶轮轴11转动，涡轮叶轮轴上分别开有键槽，内放平键6、13，通过两个平键，将转动扭矩传递给涡轮5与叶轮12，由于涡轮叶轮形状复杂，铸造极为昂贵困难，故采用3D打印，PLA材质即便宜又轻便，同时降低了对电机功率的需求和对轴强度的需求。
整个涡轮叶轮轴系通过，半开的壳体结构16支撑，壳体再经由铝型材支架1，固定在下方的支架上。轴系的两侧分别通过挡板4、14与螺母3、15进行轴向固定，通过模拟管路2，将气体(以灯带展示)展示出气流经过涡轮叶轮时的气体流动状态。
沿着叶轮13伸出的灯带，气流流入了图3中内燃机模型的进气口，电子屏中将出现明显的燃烧特点的变化，曲柄连杆的轴系也将随之进行转速上的变化，凸轮轴系控制的进气门与出气门的开合也将进行变化。
本发明的创新点
1.虚实结合的展示形式
本涡轮增压原理展示模型将涡轮增压原理从汽车发动机中抽象出来，分为模型框架，涡轮增压器、风机及管路展示系统和控制显示系统三个部分，尽可能的保留了所有便与展示的涡轮增压器机械结构，使观众对于涡轮增压器有了直观的认识，并考虑到安全因素和保养维护的方便性，设计了代替展示方案，使参观者通过简单操作，观察到涡轮增压产生的进气压力变化，从而了解涡轮增压的原理，并且直观地感受到涡轮增压相对自然吸气的优势。
表3
2.基于互动的展示方案
在体验涡轮增压器展品时，观众将首先通过多媒体进入一个模拟驾驶的界面，语音将引导观众想办法使得眼下的汽车模型跑的又快又能减少污染物的排放。
界面中将展示汽车行驶的仪表盘(反映汽车行驶的速度)，排气管(反映使用涡轮增压器前后的污染排放情况)，外部输入设备包括按键(按下后连接涡轮增压器)，脚踏板(踩下可发动汽车并加速)。在不连接涡轮增压器的时候，屏幕中显示排气管排出大量污染物，仪表盘显示增速缓慢且速度峰值较低。
当观众按下涡轮增压按钮，连接涡轮增压器并发动汽车后，涡轮增压器开始工作，并通过管路带动涡轮旋转，用于表示进入气缸的气体量的灯带数量逐渐增多，屏幕中内燃机内燃烧越发剧烈，汽车仪表盘从一开始的缓慢加速到速度快速攀升，排气管显示排出的碳氢化合物数目逐渐减少，表明排放的污染物逐渐减少。至此，观众不仅完成了这一小任务，也认识到了涡轮增压器相较于自然吸气的发动机的优势。
3.较低的加工与维护成本
本低廉，易于制作，维护简单也是本展品的特色，首先将涡轮叶轮的实物铸造模型替换为3D打印的PLA模型，降低了成本加快了制作速度，随后一连串的降低了对轴系材料直径热处理上的要求，降低了对电机功率和最大扭矩的需求，降低了支架材料和强度的需求，使得本展品在考虑负载的过程中，总能选到尽可能便宜的标准件，如铝型材，轴承等等，在非标准件的加工中，也对精度和强度的要求不高，使得机加工的费用也进一步下降。
整体布局如图1所示。
如图2，用铝型材搭建两层的框架结构，上层放置核心的涡轮叶轮轴系，用于展示涡轮增压机的工作原理。
图3是图2旁边放置剖开的内燃机模型，用于展示内燃机的工作原理，其在本展品中的作用是，间接反应出涡轮增压机对汽车行驶效率的提高。
图4是底层放置的是车轮轴系，通过控制车轮转速的变化，引导观众去发现使用与不使用涡轮增压器时，汽车行驶时的加速特性，速度极限，污染物排放有何区别。
一、展品形式
1.设计考量与理念
由于涡轮增压器在高温高压下工作，这一实际工况是不适合以实物展示的，所以本示教模型采用多媒体与物理装置虚实结合的展示方式。内燃机内部的运行状态使用多媒体显示。多媒体界面和脚踏板结合模拟驾驶的情况，在界面中引导观众使用涡轮增压器，并展示经过涡轮增压器增压前后，内燃机周期运动的功率变化(以火花的旺盛程度表示)，体现涡轮增压器对提高内燃机燃烧效率的帮助。涡轮增压机的物理结构，即涡轮增压器，风机和管路，则通过实体模型展示。
为便于理解，将展品中的虚化与实体列成表格如下
表1
二、展示效果
1、按展示预计达到的效果，可将展示效果分为“涡轮增压”与“燃烧增效”两方面，将这两个展示效果对应的子系统应当有的表现制成如下表格
表2
2、按照展示过程的时间先后顺序(即观众视角)
该示教装置多媒体部分的展示效果为：
在不连接涡轮增压器的情况下
1)内燃机燃烧产生具有大量余热热能的废气
2)内燃机排出有大量余热和污染物的废气进入大气，同时吸入密度较低不足以支持充分燃烧的空气。
3)涡轮增压器的涡轮叶轮不发生转动
4)气缸模型各运动部件(活塞、气门等)运动频率较低
5)车轮模型转速较低
在连接涡轮增压器的情况下
1)在连接涡轮增压器的前几个冲程，内燃机排出具有大量余热且污染物较多的废气
2)废气部分流入涡轮室带动涡轮高速旋转，压缩外部空气，并进入燃烧室
3)燃烧室内燃烧比先前更剧烈，充分
4)几个循环过后，内燃机排出的废气中污染物大幅减少。
5)涡轮增压器的涡轮叶轮发生转动
6)气缸模型各运动部件(活塞、气门等)运动频率显著提高
7)车轮模型转速显著提高
三、互动方式
1.以脚踏板和电位传感器模拟驾驶员踩的油门，观众可踩踏脚踏板进行控制，踩踏的深度线性对应了车轮电机的转速，使得观众有较为真实的驾驶体验。
2.以按钮实现自然吸气/涡轮增压模式切换，观众可通过此按钮自由切换展品运行模式，这一点虽不符合实际的驾驶情况，但给予展品更强的科技感，具有一定的趣味性。
Claims (10)
1.一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，包括铝型材支架(1)，铝型材支架(1)上层中部放置有涡轮叶轮轴系，右侧放置有内燃机轴系，所述的铝型材支架(1)下层设置有车轮轴系(零件编号以图2标号为准，下同)；
所述的涡轮叶轮轴系包括双出轴电机(9)，所述的双出轴电机(9)通过设置在其两端的联轴器分别与涡轮轴(7)和叶轮轴(11)一端相连，涡轮轴(7)和叶轮轴(11)另一端分别设置有涡轮(5)与叶轮(12)，所述的涡轮叶轮轴系上设置有模拟管路(2)，模拟管路(2)通过灯带用于将气体展示出气流经过涡轮叶轮时的气体流动状态；
所述的灯带沿叶轮(12)伸出，气流流出口与内燃机轴系的进气口相连。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，所述的涡轮(5)与叶轮(12)采用PLA材质进行3D打印。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，所述的涡轮叶轮轴系通过半开的壳体结构(16)支撑，壳体结构(16)设置在铝型材支架(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，所述的涡轮叶轮轴系两侧设置有左挡板(4)和右挡板(14)，分别通过左螺母(3)与右螺母(15)进行轴向固定。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，所述的下层的车轮轴系包括放置有皮带轮和皮带，皮带轮和皮带用于模拟路面相对于车轮的运动。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，所述的涡轮轴(7)和叶轮轴(11)上分别开有键槽，键槽内部设置有左平键(6)与右平键(13)，通过平键与涡轮(5)与叶轮(12)相连。
7.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，所述的内燃机气缸模型通过背景电子屏显示气缸内部的燃烧状态及产物种类、数量。
8.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，所述的装置为双层的展示结构，以3D打印代替实际铸造的涡轮叶轮模型，以灯带流动代替实际气流，以显示屏flash动画代替实际燃烧效果，以处于竖直方向上的皮带轮模拟水平方向的路面。
9.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，通过可由观众操纵的按钮进行涡轮增压/自然吸气展示模式切换，并通过踏板调节油门大小。
10.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器原理展示模型，其特征在于，所述的多媒体解说设备可以通过预先录制的视频、音频向观众讲解涡轮增压器原理，并通过虚拟界面模拟汽车行驶状况，引导观众与装置进行互动。
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