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、電機等自身的不斷改進，其在航天、航海及陸地機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)的日益嚴格和能源危機的加劇，在滿足發(fā)動機排放要求的前提下改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性顯得格外迫切. 在近來各廠家采用的發(fā)動機新技術(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人發(fā)動機氣缸新鮮空氣或者混合氣的壓力、密度

2、提高到高于周圍大氣壓力、密度的方法，其可以明顯地提高發(fā)動機的動力性、 經(jīng)濟性及排放性 , 并且可以降低發(fā)動機重量和尺寸（ 給定功率下）。 。一般來說 , 汽車的最高車速越高 , 需要裝備的發(fā)動機功率就越大，那么發(fā)動機增壓的意義也就越大。增壓技術(shù)對于中高級汽油機轎車來說，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采用增壓技術(shù), 但是國內(nèi)各大汽車主機廠都在加快汽油機增壓技術(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

3、臺和人們對渦輪增壓技術(shù)的更高要求, 特別是渦輪增壓技術(shù)對高原發(fā)動機的功率補償，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)動機高低負荷下均與之合理配合，而增壓器與發(fā)動機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 super met 渦輪增壓器采用新的進氣消音器后使壓氣機

4、效率提高1。 5% 3。 5% 。 相繼增壓 stc 的基本原理是采用多個小流量的增壓器，隨著柴油機工況的提升, 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、 柴油機功率下降等問題 . 在柴油機額定工況下， 每臺增壓器都在高效區(qū)運行；而在柴油機部分負荷時，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，從而改善柴油機的經(jīng)濟性及排放性能。2。1.2 可變截面渦輪增壓可變截面渦輪增壓是柴油機廢氣通過噴嘴環(huán)時，根據(jù)渦輪增壓柴油機外界負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, 通過渦輪焓

5、降的變化實現(xiàn)渦輪做功的變化, 進而讓壓氣機出口的增壓壓力發(fā)生變化，從而使得柴油機與增壓器在各工況下均有良好的匹配。蓋瑞特公司研制了變截面渦輪增壓器, 而且為了達到嚴格的排放規(guī)定，可在增壓柴油機全工況范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。目前，歐美采用變截面增壓器已成主流。2。1。3 廢氣旁通增壓系統(tǒng)廢氣旁通增壓系統(tǒng)以柴油機低負荷為增壓器匹配點，對于無法兼顧的高負荷區(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，能改善柴油機在低轉(zhuǎn)速時的經(jīng)濟性、排放性能以及瞬態(tài)響應(yīng). 另外柴油機在高負荷時的進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)致的高負荷區(qū)增壓壓力過大而引起的爆壓過高、機械負

6、荷和熱負荷過高等問題。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)主要具有以下5 點特征：1）小型化在發(fā)動機重量及體積增加很少的情況下, 發(fā)動機不需要做重大改變，即很容易提高功率 20 50% 。由于不像機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)動機的整體尺寸， 這對發(fā)動機及車輛的小型化、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)動機排放的廢氣來驅(qū)動渦輪機，渦輪機轉(zhuǎn)動來帶動同軸的壓氣機工作， 壓氣機對將進入發(fā)動機的新鮮空氣進行壓縮，從而

7、增加發(fā)動機的進氣量 , 提高發(fā)動機的功率、機械效率和熱效率，使發(fā)動機渦輪增壓后耗油率可降低 5 10。因此我們能用小功率的帶渦輪增壓器的發(fā)動機來代替大功率的自然吸氣的發(fā)動機 , 從而達到節(jié)能的目的。 一臺 1. 65l 排量的增壓發(fā)動機的功率等于一臺 3. 78l 排量的非增壓發(fā)動機的功率 2 . 3）環(huán)保渦輪增壓器能夠使發(fā)動機節(jié)能, 必將降低發(fā)動機有害氣體和co2 的排放量 . 但增壓在汽油機和柴油機對排放的影響是有所區(qū)別的. 對汽油機來說，由于過量空氣系數(shù)接近于 1，增壓對汽油機排放的影響局限于節(jié)能部分. 柴油機的過量空氣系數(shù)本來就遠遠超過1，增壓使柴油機的過量空氣系數(shù)進一步提高, 對排放

8、產(chǎn)生了明顯的影響。若把自然吸氣柴油機改成同樣排量的增壓柴油機 , 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)更趨強烈, 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。 因增壓柴油機能提高燃油經(jīng)濟性, 有可放棄部分在燃油經(jīng)濟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n0 x 降低 80% ，微粒減少 90 , 比油耗改善 16。4) 高原功率補償在高原條件下，發(fā)動機氣缸進氣流量減少, 降低了含氧量，使燃燒過程惡化，

9、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)動機的進氣量, 補償因進氣不足而損失的功率。5）渦輪增壓器與發(fā)動機多種匹配方式為了最大限度地發(fā)揮渦輪增壓技術(shù)的潛力和不同目的的需求，人們研究出了多種渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配方案。有高工況放氣系統(tǒng)、低工況進排氣旁通系統(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

10、性、可維修性和經(jīng)濟性為重點, 采用整體集成設(shè)計結(jié)合先進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)展與增壓柴油機未來發(fā)展的要求密切相關(guān),其主要服從于未來的排放法規(guī)要求和進一步降低燃油消耗, 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)動機工況要求進行調(diào)節(jié) . 3 展望20 世紀

11、90 年代以來， 排放法規(guī)日趨嚴格 , 根據(jù)我國等效采用歐洲排放法規(guī)計劃, 2003 年執(zhí)行歐標準， 2010 年與國際同步 . 要達到上述標準，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)燃機的綜合性能。 一般來說， 在渦輪增壓技術(shù)上有如下要求：歐標準要匹配良好的渦輪增壓器并帶放氣閥; 歐標準要采用可變噴嘴渦輪增壓器；歐標準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)展與增壓柴油機未來的發(fā)展密切相關(guān), 主要是滿足不斷嚴格的排放標準和提高柴油機的全工況性能，繼續(xù)往高增壓方向發(fā)展，在高、中、低速柴油機的發(fā)展都對增壓器提出更高的要求，而單級增

12、壓受軸承及壓氣葉輪材料的限制, 柴油機高增壓系統(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)與柴油機良好匹配。隨著科技的進步 , 未來增壓發(fā)動機的增壓系統(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)展以及多種新技術(shù)的應(yīng)用, 增壓發(fā)動機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（ 2 01 1 年本) 明確了汽油機增壓器為汽車關(guān)鍵零部件，是汽車先進技術(shù)產(chǎn)品，確定了增壓器將是未來汽車

13、技術(shù)的主要發(fā)展方向。個人認為 , 在今后汽車節(jié)能減排的發(fā)展道路上，增壓技術(shù)將會是各汽車主機廠的發(fā)展方向，也將會在發(fā)動機上扮演重要角色。尤其是渦輪增壓+ 缸內(nèi)直噴和小型化 + 小排量的增壓發(fā)動機。發(fā)動機組合增壓廢氣渦輪增壓（1)ps s pettqpes i ttq pe(2 ）升功率 nl ，比質(zhì)量(3 ）實現(xiàn)高原恢復(fù)功率（4)降低燃油消耗率e= i .m i e（5）相同排量機型，增壓機成本低，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( 但壓氣機擴壓器亦形成噪聲源）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) 機械負荷、熱負荷增加，影響內(nèi)燃機的可靠性；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)動機性能的進一步優(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。目前大中型柴油機幾乎100% 采用渦輪增壓；車用柴油機的半數(shù)及相當(dāng)比例的高性能汽油機,