涡轮增压技术现状及发张趋势

车用涡轮增压技术现状及发张趋势分析

自涡轮增压技术概念提出至今已有百年时间了,在这百年的时间里,涡轮增压技

术经历了轴流式、径流式、混流式及配置放气阀、电机等自身的不断改进,其在航天、航海及陆地机械上得到了广泛的应用。特别是车辆的广泛应用及当前人们对车辆节能、功率和环保要求的不断提高,为车用涡轮增压技术的应用、发展和进步提供了广阔的空间和需求。

发展背景与环境

随着排放法规的日益严格和能源危机的加剧, 在满足发动机排放要求的前提下

改善发动机燃油经济性显得格外迫切。在近来各厂家采用的发动机新技术中, 增压技术当仁不让的成为了各厂家追逐的对象增压指的是能够将进人发动机气缸

新鲜空气或者混合气的压力、密度提高到高于周围大气压力、密度的方法, 其可以明显地提高发动机的动力性、经济性及排放性, 并且可以降低发动机重量和尺寸( 给定功率下) 。。一般来说, 汽车的最高车速越高, 需要装备的发动机功率就越大, 那么发动机增压的意义也就越大。增压技术对于中高级汽油机轿车来说, 是很有实际的意义。目前, 国外有相当数量的汽油机轿车都采用了增压技术, 而在国产轿车中只有个别车型的汽油机采用增压技术, 但是国内各大汽车主机厂

都在加快汽油机增压技术的开发应用。

近20年,随着涡轮增压技术的普及、深入, 有关涡轮增压方面的新技术、新工艺、新材料、新理念开始不断涌现。可以说,正是由于各种排放、噪声法规的大量出台和人们对涡轮增压技术的更高要求,特别是涡轮增压技术对高原发动机的功率补偿,车用涡轮增压技术迎来了发展的黄金时期。

涡轮增压技术的现状

传统的增压器很难在发动机高低负荷下均与之合理配合，而增压器与发动机的良好匹配是保证燃油消耗率以及排放性能的关键，因而近些年来采用各种设计理念的增压系统已经成功得到应用。

2.1.1 相继增压（STC）

在研制高压比、流量的增压器同时，涡轮增压器的可靠性、寿命也不断提高，其制造工艺也相应的简化。如ABB 采用了一种新的润滑油泵，它能利用离心力的作用分离出润滑油中的杂质，从而提高轴承的寿命。再如三菱的 SUPER MET 涡轮增压器采用新的进气消音器后使压气机效率提高 1.5%～3.5%。相继增压 STC 的基本原理是采用多个小流量的增压器，随着柴油机工况的提升，依次投入运行。它改变了增压系统在低工况时废气能量不足而引起的涡轮转速下降，增压压力不足，从而引起的增压器喘振、柴油机功率下降等问题。在柴油机额定工况下，每台增压器都在高效区运行；而在柴油机部分负荷时，减少投入使用的增压器数量，使得投入运行的增压器运行线仍处在高效区附近，从而改善柴油机的经济性及排放性能。

2.1.2 可变截面涡轮增压

可变截面涡轮增压是柴油机废气通过喷嘴环时,根据涡轮增压柴油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度，使流入涡轮叶片的气流参数改变，通过涡轮焓降的变化实现涡轮做功的变化,进而让压气机出口的增压压力发生变化,从而使得

柴油机与增压器在各工况下均有良好的匹配。盖瑞特公司研制了变截面涡轮增压器，而且为了达到严格的排放规定，可在增压柴油机全工况范围内调节。目前，欧美采用变截面增压器已成主流。

2.1.3 废气旁通增压系统

废气旁通增压系统以柴油机低负荷为增压器匹配点，对于无法兼顾的高负荷区，通过打开废气旁通阀，释放多余废气。这种系统因为采用较小的废气流通截面，能改善柴油机在低转速时的经济性、排放性能以及瞬态响应。另外柴油机在高负荷时的进气压力由废气旁通阀调节，这就解决了因涡轮通流面积过小而导致的高负荷区增压压力过大而引起的爆压过高、机械负荷和热负荷过高等问题。

车用涡轮增压技术的特征

总体来说,当今的车用涡轮增压技术主要具有以下5点特征:

1)小型化

在发动机重量及体积增加很少的情况下,发动机不需要做重大改变,即很容易提高功率20% ～50%。由于不像机械增压时压比受到限制,故近年来高增压的趋势越来越明显。高增压时,功率提高甚至可大于100%。因此,采用涡轮增压技术,可在功率保持不变的前提下,大大降低发动机的整体尺寸,这对发动机及车辆的小型化、轻量化和降低成本有巨大的吸引力。

2)节能

涡轮增压器的原理是利用发动机排放的废气来驱动涡轮机,涡轮机转动来带动同

轴的压气机工作,压气机对将进入发动机的新鲜空气进行压缩,从而增加发动机的进气量,提高发动机的功率、机械效率和热效率,使发动机涡轮增压后耗油率可降低5% ～10%。因此我们能用小功率的带涡轮增压器的发动机来代替大功率的自然吸气的发动机,从而达到节能的目的。一台1. 65L排量的增压发动机的功率等于一台3. 78L排量的非增压发动机的功率[ 2 ] 。

3)环保

涡轮增压器能够使发动机节能,必将降低发动机有害气体和CO2 的排放量。但增压在汽油机和柴油机对排放的影响是有所区别的。对汽油机来说,由于过量空气系数接近于1,增压对汽油机排放的影响局限于节能部分。柴油机的过量空气系数本来就远远超过1,增压使柴油机的过量空气系数进一步提高,对排放产生了

明显的影响。若把自然吸气柴油机改成同样

排量的增压柴油机,因其空气供应充足,碳烟和CO的排放大幅度减少;由于燃烧充分,燃烧温度升高,燃烧室的化学反应更趋强烈, HC化合物的排放也会降低。但吸入气缸的空气量增加和燃烧室温度升高,使平均有效NOx 的排放量增加。因增压柴油机能提高燃油经济性,有可放弃部分在燃油经济性的好处来换取全面降低排放。同时,提高了充量温度,缩短了滞燃

期,降低了燃烧噪声。这可使重型柴油机N0x 降低80% ,微粒减少90% ,比油耗改善16%。

4)高原功率补偿

在高原条件下,发动机气缸进气流量减少,降低了含氧量,使燃烧过程恶化,后燃现象加重,燃烧持续期延长,冒烟加重。为了更好地组织燃烧,提高氧的利用率,采用涡轮增压技术,提高发动机的进气量,补偿因进气不足而损失的功率。

5)涡轮增压器与发动机多种匹配方式

为了最大限度地发挥涡轮增压技术的潜力和不同目的的需求,人们研究出了多种涡轮增压器与发动机的匹配方案。有高工况放气系统、低工况进排气旁通系统、可调涡轮喷嘴截面增压系统、电动放气涡轮增压系统、增压转换系统和带电机的涡轮增压器。此外,还有超高增压系统(HYPERBAR) 、扫气旁通系统( SCA2BY)及谐振复合增压系统等,这些在中、小功率车用柴油机上应用不多[ 3 ] 。

2. 4 新理念

新型的废气涡轮增压器以提高可靠性、可维修性和经济性为重点,采用整体集成设计结合先进的材料使增压器提高了效率,减少了系统的零部件,简化了在机器上的安装,延长了大修间隔期,减少了维修工作量及维修工时,保证在整个寿命周期更低的运行成本。涡轮增压技术的发展与增压柴油机未来发展的要求密切相关,其主要服从于未来的排放法规要求和进一步降低燃油消耗,涡轮增压系统应有更高的热效率;在增压系统与发动机的匹配上有可能采用电子控制系统,使增压系统与燃油系统在发动机全工况内实现最佳匹配;对车用涡轮增压器将要求尺寸更小,质量更轻,效率更高,同时要求增压器有良好的可靠性,并可按发动机工况要求进行调节。

3 展望

20世纪90年代以来,排放法规日趋严格,根据我国等效采用欧洲排放法规计划, 2003 年执行欧Ⅱ标准, 2010年与国际同步。要达到上述标准,就要综合应用电子控制技术、优化设计技术、废气增压技术和排气后处理技术等,才能极大地提高内燃机的综合性能。一般来说,在涡轮增压技术上有如下要求:欧Ⅱ标准要匹配良好的涡轮增压器并带放气阀;欧Ⅲ标准要采用可变喷嘴涡轮增压器;欧Ⅲ标准

以上则要使用电控可变喷嘴涡轮增压器。

涡轮增压技术的发展与增压柴油机未来的发展密切相关，主要是满足不断严格的排放标准和提高柴油机的全工况性能，继续往高增压方向发展，在高、中、低速柴油机的发展都对增压器提出更高的要求，而单级增压受轴承及压气叶轮材料的限制，柴油机高增压系统在今后会向两级增压器方向发展。因此对于涡轮增压器向效率高尺寸小，质量轻，可靠性高，长寿命等方向发展，增压系统将在全工况范围内与柴油机良好匹配。

随着科技的进步, 未来增压发动机的增压系统将向部件更少、体积更小、转速更高、压缩比更优的方向发展。随着耐高温材料科技的发展以及多种新技术的应用, 增压发动机的引用也会越来越广泛, 从汽车发展中可以发现,小型化+ 小排量的增压车将成为主流另外, 国家发展改革委新修订的《产业结

构调整指导目录(2 01 1年本) 》明确了汽油机增压器为汽车关键零部件, 是汽车先进技术产品,

确定了增压器将是未来汽车技术的主要发展方向。个人认为, 在今后汽车节能减排的发展道路上, 增压技术将会是各汽车主机厂的发展方向, 也将会在发动机上扮演重要角色。尤其是涡轮增压+ 缸内直喷和小型化+ 小排量的增压发动机。

发动机组合增压

废气涡轮增压

（1）Ps↑→ρs ↑→pe↑→Ttq↑→Pe↑

ρs ↑→ηi↑→ Ttq↑→Pe↑（2）升功率NL ↑，比质量↓

（3）实现高原恢复功率

（4）降低燃油消耗率

ηe= ηi .ηm

α↑→ηi↑→ηe↑

（5）相同排量机型，增压机成本低，提高材料的利用率

6）改善排放

（7）减少排气噪声（排气在涡轮中进一步膨胀）

非增压：排气压力=排气压力波+噪声波

增压：排气压力→涡轮压力→噪声降低

（但压气机扩压器亦形成噪声源）

8）增压后，压缩终点的温度和压力增加，可缩短滞燃期，有利于降低燃烧噪声。

（9）采用废气涡轮增压：结构简单，安装方便，技术适用性广，从低速到高速、从二冲程到四冲程、大缸径到小缸径都可应用。

增压的代价

1）机械负荷、热负荷增加，影响内燃机的可靠性；

2）低速时排气能量不足，使低速扭矩受到影响；

3）在涡轮增压器中，从排气能量的传递到进气压力的建立需要一定时间，使加速性变差。

4）增压发动机性能的进一步优化，受到增压器和中冷器的限制。

增压器的问题主要集中在材料、耐热性能、润滑、效率等。

中冷器要求体积小、效率高、质量轻。

目前大中型柴油机几乎100%采用涡轮增压；

车用柴油机的半数及相当比例的高性能汽油机，均采用增压；

增压后的功率可提高40—60%，平均有效压力可达到3MPa。

增压对于发动机强化、降低油耗和排放是十分重要而有效的技术手段。

二、车用内燃机增压发展概况

增压技术是改善发动机动力性、经济性和排放性的有效途径，日益得到广泛应用。作为提高功率的主要方法：n↑、ε↑或增大气门面积（多气门），但程度有限。应采用增压来增加进气量。

车用内燃机要求在宽广的转速和负荷范围内运转，同时要满足其加速性和低速性能的要求，对涡轮增压器有一些特殊的要求。