内燃机涡轮增压技术研究综述

网络信息检索与知识产权保护作业题目：内燃机涡轮增压技术研究（综述）

姓名冯登全

学号 2011201213

学院机械工程

专业动力工程

2012年 1月 1日

目录

1. 检索报告 (1)

1.1 选题原因 (1)

1.2 检索策略 (1)

1.3 检索系统 (2)

1.4 检索结果 (2)

2. 综述报告 (2)

2.1 摘要 (2)

2.2 选题意义及背景 (3)

2.3 国外研究现状与发展趋势 (3)

2.4 国内研究现状与已有基础 (5)

2.5 关键科学问题与重点研究方向 (5)

2.6 结论 (6)

参考文献 (6)

题目：内燃机涡轮增压技术研究

1. 检索报告

1.1 选题原因

汽车产业的快速发展给人们生活带来便利的同时也产生了能源与环境问题。近年来，节能、能源与环境相容问题成为备受关注的重大科学问题。而内燃机作为汽车动力源是产生问题的根本所在，因此改善汽车性能的关键在于开发内燃机节能减排技术。涡轮增压技术通过利用内燃机排气能量压缩进气，有效降低了内燃机的燃油消耗，改善了内燃机的排放性能，是新时代内燃机节能减排的核心关键技术之一。通过检索内燃机涡轮增压技术方面的相关文献和专利，对结果进行分析，全面了解国内外研究动态与热点研究方向，为硕士期间开展课题打好基础，争取对我国内燃机涡轮增压技术的发展有所贡献。

1.2 检索策略

在中英文文献及专利数据库上检索内燃机涡轮增压技术方面的文章，使检索结果尽量全面。中文数据库主要包括CNKI和维普数据库，英文数据库主要包括SCI数据库和Derwent Innovations Index数据库。为了尽量多的命中高水平文献，初步拟定中文文献的检索限制在核心期刊范围，SCI及Derwent数据库的文献检索限制在期刊范围，不对会议论文进行检索。使用数据库结果分析功能对检索结果进行分析，主要包括：发文年度分析、学者和学术机构分析、出版物分析、文献被引情况与热点研究内容等。通过文献检索及结果分析，了解国内外在涡轮增压技术方面的研究动态、研究方向和研究方法。

1.2.1 检索词

中文检索词：“内燃机”、“发动机”、“柴油机”、“汽油机”、“涡轮增压”、“废气涡轮增压”、“涡轮增压器”；

英文检索词：engine，“gasoline engine” diesel，supercharger，turbo turbocharger；

1.2.2 检索式

中文检索式：主题（题名或关键词）=（内燃机+发动机+柴油机+汽油机）*涡轮增压；期刊=核心期刊

英文检索式：主题=（engine or diesel）and turbo*；数据库= Science Citation Index Expanded（Derwent Innovations Index）

1.3 检索系统

检索系统包括中英文文献数据库与英文专利数据库，检索系统列表1-1如下：

表1-1 检索系统

数据库类型数据库名称

1 中文期刊维普

2 中文综合CNKI（中国知网）

3 英文引文SCI Expanded

4 英文专利Derwent Innovations

Index

1.4 检索结果

在维普数据库和CNKI数据库输入中文检索式，检索出的记录数分别为351

篇和704篇；在SCI引文数据库和Derwent专利数据库输入英文检索式，检索出的记录数分别为1500篇和3589篇。结果如表1-2：

表1-2 检索结果

数据库名称记录数

1 维普351

2 CNKI（中国知网）704

3 SCI Expanded 1500

4 Derwent Innovations Index 3589

2. 综述报告

2.1 摘要

减排的关键技术，对满足国家能源与环境涡轮增压技术是内燃机节能和CO

2

重大战略需求都将起到重要作用。本文主要通过分析数据库检索结果，对涡轮增压技术的现状进行基本的归纳和总结。文章主要论述了内燃机涡轮增压技术的国内外研究现状与发展趋势，指出了国内科研的热点研究方向及关键科学问题，为涡轮增压技术研究方向的选取提供理论依据。

Turbo technology is a promising way to improve the efficiency of

internal combustion engine(ICE) and reduce CO

emissions，which will help

2

meet the requirement for the national strategically objective of energy saving and environment protection. The technical status of turbo technology is basically summarized by analyzing the search results of databases in this paper. This paper mainly discusses the domestic and foreign research status and development trend, notes the hot spots of research directions and key scientific issues, which may provide the theoretical basis for selecting the research direction of turbo technology.

2.2 选题背景及意义

随着我国国民经济实力的增长和人民生活水平的提高，汽车的市场需求不断扩大，汽车工业开始步入蓬勃发展的阶段。然而，摆在面前的不止是机遇，更多的是挑战，如何解决好发展过程中的能源与环境问题成为当前汽车工业面临的两项难题。一直以来汽车发动机以石油作为主要的燃料来源。然而，石油资源具有不可再生性，连续开采已使得石油资源日益枯竭。此外，尾气排放带来的环境污染问题也是汽车工业急需解决的问题。制定并实施汽车尾气排放标准是一项较为有效的控制措施。

在能源与环保的双重压力下，我国内燃机行业引进了许多先进的技术。就车用发动机而言，涡轮增压技术、可变气门正时技术、缸内直喷技术、均质充量压燃技术、电控燃油喷射技术以及废气再循环技术等都先后得到运用。其中涡轮增压技术可有效的改善内燃机的燃油经济性，降低废气污染的排放。涡轮增压技术，是内燃机增压技术的一种形式，通过将发动机排出的废气引入涡轮机，利用废气携带的能量推动涡轮旋转，从而驱动与涡轮机同轴相连接的压气机工作，实现对进气空气压缩。

减排进入21 世纪，世界内燃机技术的研究目标和重点趋向于由节能和CO

2

取代排放控制。涡轮增压可在动力性不变的前提下缩小排量，大幅度提高内燃

排放。如大众公司1.4 L TSI增压发动机比2.3 L的非增机的经济性，降低CO

2

排放降低 20 %。缩小排量的涡轮压发动机排量减小39 %，油耗节省20 %，CO

2

增压技术，成为内燃机节能和CO

减排的重要战略措施和核心关键技术。增压技

2

术可通过减小排量提高发动机升功率，从而降低CO

的排放量。

2

2.3 国外研究现状与发展趋势

对英文数据库检索结果进行分析，国外内燃机涡轮增压技术研究正处于上升趋势。SCI检索结果显示，每年出版文献数从1998年的60篇到2011的180篇,基本呈逐年增长趋势；每年引文数快速增长，到2011年时已经超过1400篇。通

过检索结果的年度分析可以看出国外内燃机涡轮增压技术的研究正处于学科发展的快速增长时期，有着广阔的研究前景和开发潜力。

对检索结果进行学者和学术机构分析，了解世界范围内涡轮增压技术的高水平研究机构和优秀学者。SCI结果显示，发表文献数量最多的科研机构是美国国家航空航天局（NASA），发表文章数量为49篇，发表文献数量较多的机构还有英国的克兰菲尔德大学与美国的密歇根州立大学等。发表文章最多的作者是希腊雅典国立科技大学的RAKOPOULOS CD，共发表文章30篇，发表文章数相当的作者还有GIAKOUMIS EG和GALINDO J，分别为27篇和21篇。

创建引文报告，查看被引次数较多的文献，这些文献能够很好的反应出现阶段科研人员所关心的问题。通过分析这些文献的标题、摘要与关键词，能够总结出这一科研领域现阶段的主要研究方向。对SCI检索结果创建引文分析报告，将被引次数较多的文献列表2-1如下：

表2-1 引文分析报告

文献标题总被引次数平均被引次数

51 6.38 High-speed microfabricated silicon turbomachinery

and fluid film bearings

45 3.46 Control of variable geometry turbocharged diesel

engines for reduced emissions

The influence of fuel additives on the formation of

44 3.14

carbon during combustion

42 3.23

An integrated nonlinear approach for turbomachinery

forced response prediction. Part I: Formulation

通过分析引文报告中被引次数较多的文献，对国外研究现状与发展趋势进行总结。从文献中可以看出内燃机涡轮增压性能的不断提高，得益于涡轮增压器气动设计水平的不断进步。目前，国际上已具备基于全三维定常黏性CFD技术设计涡轮增压器的能力，涡轮增压器设计系统已由准三维过渡到全三维。经过模型校核、验证和确认的全三维定常黏性CFD 技术的引入，实现了涡轮增压器产品设计由“物理样机”的优化转变为“数值样机”的优化，摆脱了在优化设计阶段对物理样机大量试制的要求，缩减了研制周期和成本，实现了增压器气动设计由“经验设计”向“预测设计”的转变。

国际上内燃机增压的性能水平近年来有了很大提高，表现在满足欧Ⅳ以上排放的变截面增压和两级增压系统的产品已成功商品化；单级增压比大于5，高增压技术的研究已成功突破了亚声速压气机的限制，跨越到跨声速压气机的时代。

成绩的取得归因于涡轮增压器内部流动基础理论研究的进步，以及设计、研制和试验技术的改进。

增压比的不断提高是内燃机涡轮增压技术的发展趋势，这将导致增压内燃机低速扭矩不足和瞬态响应滞后的问题更加突出，变截面增压、两级增压和电辅助增压等新型涡轮增压技术，被用于改进内燃机的低速扭矩和瞬态响应特性，并提高燃油经济性。

2.4 国内研究现状与已有基础

目前国内进行内燃机涡轮增压研究的单位，主要包括清华大学、上海交通大学、北京理工大学和中国北方发动机研究所等。

中国北方发动机研究所是国内最早开展内燃机涡轮增压技术研究的单位之一，依托于该所建有柴油机高增压技术国防科技重点实验室。中国北方发动机研究所已开发出20个系列涡轮增压器产品，在内燃机涡轮增压的工程化研究与开发方面处于国内领先水平。

北京理工大学、上海交通大学是国内最早进行涡轮增压技术研究的两所高校。北京理工大学的涡轮增压技术研究，从学科上涵盖了流动热力学和结构动力学，从工程开发上涉及压气机、涡轮及轴承系统的开发和整机的系统匹配，在国内高校中具有学科齐全、工程化能力强的特色和优势。

上海交通大学的内燃机涡轮增压技术研究，侧重于增压系统及匹配。在增压内燃机进排气系统和整机性能优化的研究方面处于国内领先水平清华大学主要基于航空CFD及叶轮机的理论与技术，跨行业创新进行内燃机CFD、涡轮增压及余热利用研究，在内燃机流动热力学与涡轮增压的基础理论研究方面具有优势。

目前我国内燃机技术研究的核心还在于排放控制，涡轮增压器气动设计方法主要采用准三维设计、全三维校核。变截面增压、两级增压和汽油机增压技术的研究与产品开发均还处在起步阶段。从总体上看，我国内燃机流动热力学与涡轮增压技术的研究水平与世界先进水平还有较大差距。

分析作者及学术机构，创建引文报告，了解到涡轮增压技术在国内的研究应该是始于九十年代初，从文献量来分析，目前研究正处在上升阶段。主要的研究机构还是集中在高校，其中北京理工大学发表的文章数是最多的，有79篇。发表文章数最多，影响力最大作者的北京理工大学的马朝臣，发表核心期刊文章数45篇，总被引次数188次。

2.5 关键科学问题与重点研究方向

我国内燃机行业的发展对涡轮增压技术研究和产品开发的需求，从近期来看主要体现在满足国Ⅳ以上排放法规的柴油机增压、汽油机增压等方面。通过国内

外研究现状分析，总结出内燃机涡轮增压技术的研究方向主要包括：涡轮增压器压气机的仿真设计，可变截面涡轮（VGT），涡轮增压器的非稳态性能模拟（包括压气机和涡轮），二级和三级增压系统，可变几何排气管增压系统模拟计算以及混合涡轮增压系统。

内燃机涡轮增压关键技术的突破和创新主要依赖于内燃机流动热力学的研究进展，因此，要积极开展内燃机流动热力学的相关科学问题研究，旨在推动我国乃至世界增压技术的发展，也是为了满足我国国民经济发展对内燃机节能减排的重大战略需求。因此在研究内燃机涡轮增压时，几个关键的科学问题应当做重点研究。如增压总能系统与高效热功转换，增压器与动力涡轮内部流动以及中冷器及回热器流动与热力循环等。

2.6 结论

（1）内燃机涡轮增压技术在国外的研究正处于快速增长时期，主要的科研机构集中在高校，其中发表文章和专利数最多的机构为美国国家航空航天局。研究内容主要包括涡轮增压器的气动设计，变截面，两级和高增压技术。高增压是内燃机涡轮增压技术的发展趋势。

（2）国内在内燃机涡轮增压技术上的研究水平和世界先进水平还有较大差距。涡轮增压器气动设计方法主要采用准三维设计、全三维校核。变截面增压、两级增压和汽油机增压技术的研究与产品开发均还处在起步阶段。

（3）内燃机涡轮增压关键技术的突破和创新主要依赖于内燃机流动热力学的研究进展，应当注重研究增压总能系统与高效热功转换，增压器与动力涡轮内部流动以及中冷器及回热器流动与热力循环这几个关键的科学问题，推动增压技术的发展，满足我国国民经济发展对内燃机节能减排的重大战略需求。

参考文献

[1]蒋德明，陈长佑，杨嘉林，等．高等车用内燃机原理( 上册)［M］．西安：西安交通大学出版社，2006：77 —90．

[2]张俊红，李志刚，王铁宁．车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望[J] ．小型内燃机与摩托车，2007,36（1）：66-69．

[3]黄若．涡轮增压器产业技术的现状与发展[J]．内燃机工程，2003,24（1）：81-84．

[4]张晋东，李洪武．车用柴油机涡轮增压技术的新发展[J]．车用发动机，2002，（1）：1-4．

[5]张扬军，张树勇，徐建中．内燃机流动热力学与涡轮增压技术研究[J]．内燃机学报，2008，26：90-95．

[6]Kawamoto A，Yukio Takahashi，Takaaki Koike，et al．Variable Geometry System Turbocharger for Passenger Car Diesel Engine［C ］．SAE Paper 2001-01-0273，2001．

[7]顾兆林，高秀峰，李云，郁永章，蒋德明．新型汽油机用废气涡旋增压器的研究[J]小型内燃机，2009，29（3）：1-7．