渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)張趨勢

1、車用渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)張趨勢分析自渦輪增壓技術(shù)概念提出至今已有百年時間了，在這百年的時間里，渦輪增壓技術(shù)經(jīng)歷了軸流式、徑流式、混流式及配置放氣閥、電機(jī)等自身的不斷改進(jìn)，其在航天、航海及陸地機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。特別是車輛的廣泛應(yīng)用及當(dāng)前人們對車輛節(jié)能、功率和環(huán)保要求的不斷提高，為車用渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展和進(jìn)步提供了廣闊的空間和需求。發(fā)展背景與環(huán)境隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格和能源危機(jī)的加劇，在滿足發(fā)動機(jī)排放要求的前提下改善發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性顯得格外迫切。在近來各廠家采用白發(fā)動機(jī)新技術(shù)中，增壓技術(shù)當(dāng)仁不讓的成為了各廠家追逐的對象增壓指的是能夠?qū)⑦M(jìn)人發(fā)動機(jī)氣缸新鮮空氣或者混合氣的壓力、密度提高到高

2、于周圍大氣壓力、密度的方法，其可以明顯地提高發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性，并且可以降低發(fā)動機(jī)重量和尺寸（給定功率下）00一般來說，汽車的最高車速越高，需要裝備的發(fā)動機(jī)功率就越大，那么發(fā)動機(jī)增壓的意義也就越大。增壓技術(shù)對于中高級汽油機(jī)轎車來說,是很有實際的意義。目前，國外有相當(dāng)數(shù)量的汽油機(jī)轎車都采用了增壓技術(shù)，而在國產(chǎn)轎車中只有個別車型的汽油機(jī)采用增壓技術(shù)，但是國內(nèi)各大汽車主機(jī)廠都在加快汽油機(jī)增壓技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。近20年，隨著渦輪增壓技術(shù)的普及、深入，有關(guān)渦輪增壓方面的新技術(shù)、新工藝、新材料、新理念開始不斷涌現(xiàn)?？梢哉f，正是由于各種排放、噪聲法規(guī)的大量出臺和人們對渦輪增壓技術(shù)的更高要求，特別是

3、渦輪增壓技術(shù)對高原發(fā)動機(jī)的功率補(bǔ)償，車用渦輪增壓技術(shù)迎來了發(fā)展的黃金時期。渦輪增壓技術(shù)的現(xiàn)狀傳統(tǒng)的增壓器很難在發(fā)動機(jī)高低負(fù)荷下均與之合理配合，而增壓器與發(fā)動機(jī)的良好匹配是保證燃油消耗率以及排放性能的關(guān)鍵，因而近些年來采用各種設(shè)計理念的增壓系統(tǒng)已經(jīng)成功得到應(yīng)用。2.1.1 相繼增壓（STC在研制高壓比、流量的增壓器同時，渦輪增壓器的可靠性、壽命也不斷提高，其制造工藝也相應(yīng)的簡化。如ABB采用了一種新的潤滑油泵，它能利用離心力的作用分離出潤滑油中的雜質(zhì)，從而提高軸承的壽命。再如三菱的SUPERMETS輪增壓器采用新的進(jìn)氣消音器后使壓氣機(jī)效率提高1.5%3.5%。相繼增壓STC的基本原理是采用多個小

4、流量的增壓器，隨著柴油機(jī)工況的提升，依次投入運行。它改變了增壓系統(tǒng)在低工況時廢氣能量不足而引起的渦輪轉(zhuǎn)速下降，增壓壓力不足，從而引起的增壓器喘振、柴油機(jī)功率下降等問題。在柴油機(jī)額定工況下，每臺增壓器都在高效區(qū)運行；而在柴油機(jī)部分負(fù)荷時，減少投入使用的增壓器數(shù)量，使得投入運行的增壓器運行線仍處在高效區(qū)附近，從而改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及排放性能。2.1.2 可變截面渦輪增壓可變截面渦輪增壓是柴油機(jī)廢氣通過噴嘴環(huán)時，根據(jù)渦輪增壓柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度，使流入渦輪葉片的氣流參數(shù)改變，通過渦輪始降的變化實現(xiàn)渦輪做功的變化，進(jìn)而讓壓氣機(jī)出口的增壓壓力發(fā)生變化，從而使得柴油機(jī)與增壓器在各工況

5、下均有良好的匹配。蓋瑞特公司研制了變截面渦輪增壓器，而且為了達(dá)到嚴(yán)格的排放規(guī)定，可在增壓柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。目前，歐美采用變截面增壓器已成主流。圖2-28可調(diào)噴嘴環(huán)2.1.3 廢氣旁通增壓系統(tǒng)廢氣旁通增壓系統(tǒng)以柴油機(jī)低負(fù)荷為增壓器匹配點，對于無法兼顧的高負(fù)荷區(qū)，通過打開廢氣旁通閥，釋放多余廢氣。這種系統(tǒng)因為采用較小的廢氣流通截面，能改善柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速時的經(jīng)濟(jì)性、排放性能以及瞬態(tài)響應(yīng)。另外柴油機(jī)在高負(fù)荷時的進(jìn)氣壓力由廢氣旁通閥調(diào)節(jié)，這就解決了因渦輪通流面積過小而導(dǎo)致的高負(fù)荷區(qū)增壓壓力過大而引起的爆壓過高、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷過高等問題。車用渦輪增壓技術(shù)的特征總體來說，當(dāng)今的車用渦輪增壓技術(shù)主要具

6、有以下5點特征：1）小型化在發(fā)動機(jī)重量及體積增加很少的情況下，發(fā)動機(jī)不需要做重大改變，即很容易提高功率20%50%由于不像機(jī)械增壓時壓比受到限制，故近年來高增壓的趨勢越來越明顯。高增壓時，功率提高甚至可大于100%因此，采用渦輪增壓技術(shù)，可在功率保持不變的前提下，大大降低發(fā)動機(jī)的整體尺寸，這對發(fā)動機(jī)及車輛的小型化、輕量化和降低成本有巨大的吸引力。2）節(jié)能渦輪增壓器的原理是利用發(fā)動機(jī)排放的廢氣來驅(qū)動渦輪機(jī)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動來帶動同軸的壓氣機(jī)工作，壓氣機(jī)對將進(jìn)入發(fā)動機(jī)的新鮮空氣進(jìn)行壓縮，從而增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，提高發(fā)動機(jī)的功率、機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動機(jī)渦輪增壓后耗油率可降低5%10%因此我們能用小功率

7、的帶渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)來代替大功率的自然吸氣的發(fā)動機(jī)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。一臺1.65L排量的增壓發(fā)動機(jī)的功率等于一臺3.78L排量的非增壓發(fā)動機(jī)的功率2。3）環(huán)保渦輪增壓器能夠使發(fā)動機(jī)節(jié)能，必將降低發(fā)動機(jī)有害氣體和CO2的排放量。但增壓在汽油機(jī)和柴油機(jī)對排放的影響是有所區(qū)別的。對汽油機(jī)來說，由于過量空氣系數(shù)接近于1,增壓對汽油機(jī)排放的影響局限于節(jié)能部分。柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)本來就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1,增壓使柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)進(jìn)一步提高，對排放產(chǎn)生了明顯的影響。若把自然吸氣柴油機(jī)改成同樣排量的增壓柴油機(jī)，因其空氣供應(yīng)充足，碳煙和CO的排放大幅度減少；由于燃燒充分，燃燒溫度升高，燃燒室的化學(xué)反應(yīng)更趨強(qiáng)烈

8、，HC化合物的排放也會降低。但吸入氣缸的空氣量增加和燃燒室溫度升高，使平均有效NOx的排放量增加。因增壓柴油機(jī)能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，有可放棄部分在燃油經(jīng)濟(jì)性的好處來換取全面降低排放。同時，提高了充量溫度，縮短了滯燃期，降低了燃燒噪聲。這可使重型柴油機(jī)N0x降低80%，微粒減少90%，比油耗改善16%4）高原功率補(bǔ)償在高原條件下，發(fā)動機(jī)氣缸進(jìn)氣流量減少，降低了含氧量，使燃燒過程惡化，后燃現(xiàn)象加重，燃燒持續(xù)期延長，冒煙加重。為了更好地組織燃燒，提高氧的利用率，采用渦輪增壓技術(shù)，提高發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，補(bǔ)償因進(jìn)氣不足而損失的功率。5）渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)多種匹配方式為了最大限度地發(fā)揮渦輪增壓技術(shù)的潛力和不同目

9、的的需求，人們研究出了多種渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配方案。有高工況放氣系統(tǒng)、低工況進(jìn)排氣旁通系統(tǒng)、可調(diào)渦輪噴嘴截面增壓系統(tǒng)、電動放氣渦輪增壓系統(tǒng)、增壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和帶電機(jī)的渦輪增壓器。此外，還有超高增壓系統(tǒng)（HYPERBAR掃氣旁通系統(tǒng)（SCA2BY）及諧振復(fù)合增壓系統(tǒng)等，這些在中、小功率車用柴油機(jī)上應(yīng)用不多3。2.4新理念新型的廢氣渦輪增壓器以提高可靠性、可維修性和經(jīng)濟(jì)性為重點，采用整體集成設(shè)計結(jié)合先進(jìn)的材料使增壓器提高了效率，減少了系統(tǒng)的零部件，簡化了在機(jī)器上的安裝，延長了大修間隔期，減少了維修工作量及維修工時，保證在整個壽命周期更低的運行成本。渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與增壓柴油機(jī)未來發(fā)展的要求密切相

10、關(guān)其主要服從于未來的排放法規(guī)要求和進(jìn)一步降低燃油消耗，渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)有更高的熱效率；在增壓系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的匹配上有可能采用電子控制系統(tǒng)，使增壓系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)全工況內(nèi)實現(xiàn)最佳匹配；對車用渦輪增壓器將要求尺寸更小，質(zhì)量更輕，效率更高，同時要求增壓器有良好的可靠性，并可按發(fā)動機(jī)工況要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。3展望20世紀(jì)90年代以來，排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，根據(jù)我國等效采用歐洲排放法規(guī)計劃，2003年執(zhí)行歐II標(biāo)準(zhǔn)，2010年與國際同步。要達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，就要綜合應(yīng)用電子控制技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、廢氣增壓技術(shù)和排氣后處理技術(shù)等，才能極大地提高內(nèi)燃機(jī)的綜合性能。一般來說，在渦輪增壓技術(shù)上有如下要求：歐n標(biāo)準(zhǔn)要匹配良好

11、的渦輪增壓器并帶放氣閥；歐田標(biāo)準(zhǔn)要采用可變噴嘴渦輪增壓器；歐田標(biāo)準(zhǔn)以上則要使用電控可變噴嘴渦輪增壓器渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與增壓柴油機(jī)未來的發(fā)展密切相關(guān)，主要是滿足不斷嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和提高柴油機(jī)的全工況性能，繼續(xù)往高增壓方向發(fā)展，在高、中、低速柴油機(jī)的發(fā)展都對增壓器提出更高的要求，而單級增壓受軸承及壓氣葉輪材料的限制，柴油機(jī)高增壓系統(tǒng)在今后會向兩級增壓器方向發(fā)展。因此對于渦輪增壓器向效率高尺寸小，質(zhì)量輕，可靠性高，長壽命等方向發(fā)展，增壓系統(tǒng)將在全工況范圍內(nèi)與柴油機(jī)良好匹配。隨著科技的進(jìn)步，未來增壓發(fā)動機(jī)的增壓系統(tǒng)將向部件更少、體積更小、轉(zhuǎn)速更高、壓縮比更優(yōu)的方向發(fā)展。隨著耐高溫材料科技的發(fā)展以及多

12、種新技術(shù)的應(yīng)用，增壓發(fā)動機(jī)的引用也會越來越廣泛，從汽車發(fā)展中可以發(fā)現(xiàn)，小型化+小排量的增壓車將成為主流另外，國家發(fā)展改革委新修訂的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本）明確了汽油機(jī)增壓器為汽車關(guān)鍵零部件，是汽車先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品，確定了增壓器將是未來汽車技術(shù)的主要發(fā)展方向。個人認(rèn)為，在今后汽車節(jié)能減排的發(fā)展道路上，增壓技術(shù)將會是各汽車主機(jī)廠的發(fā)展方向，也將會在發(fā)動機(jī)上扮演重要角色。尤其是渦輪增壓十缸內(nèi)直噴和小型化+小排量的增壓發(fā)動機(jī)。an發(fā)動機(jī)組合增壓廢氣渦輪增壓(1)PsT-psT-peT-TtqT-PeTpsTfqiT-TtqtPet(2)升功率NLT，比質(zhì)量J（3）實現(xiàn)高原恢復(fù)功率（4）降低燃油

13、消耗率ee=ri.4maT-“iTfret（5）相同排量機(jī)型，增壓機(jī)成本低，提高材料的利用率6）改善排放（7）減少排氣噪聲（排氣在渦輪中進(jìn)一步膨脹）非增壓：排氣壓力=排氣壓力波+噪聲波增壓：排氣壓力-渦輪壓力-噪聲降低（但壓氣機(jī)擴(kuò)壓器亦形成噪聲源）8）增壓后，壓縮終點的溫度和壓力增加，可縮短滯燃期，有利于降低燃燒噪聲。（9）采用廢氣渦輪增壓：結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，技術(shù)適用性廣，從低速到高速、從二沖程到四沖程、大缸徑到小缸徑都可應(yīng)用。增壓的代價1）機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷增加，影響內(nèi)燃機(jī)的可靠性；2）低速時排氣能量不足，使低速扭矩受到影響；3）在渦輪增壓器中，從排氣能量的傳遞到進(jìn)氣壓力的建立需要一定時間，使加速性變差。4）增壓發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)一步優(yōu)化，受到增壓器和中冷器的限制。增壓器的問題主要集中在材料、耐熱性能、潤滑、效率等。中冷器要求體積小、效率高、質(zhì)量輕。目前大中型柴油機(jī)幾乎100標(biāo)用渦輪增壓；車用柴油機(jī)的半數(shù)及相當(dāng)比例的高性能汽油機(jī)，均采