渦輪增壓技術(shù)及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀

李洪敏

(黑龍江省道路運(yùn)輸管理局，黑龍江 哈爾濱 150036)

1 前言

汽車行業(yè)快速的發(fā)展不僅為人們出行帶來了方便的同時也存在很多問題。能源的短缺的危機(jī)和汽車尾氣排放帶來的污染深刻警示我們在車輛設(shè)計中不僅要求達(dá)到舒適性，安全性、動力性的要求，更要重視車輛節(jié)能與減排的發(fā)展與研究。近幾年發(fā)動機(jī)節(jié)能與減排的問題已成為各個汽車廠家關(guān)注的熱點，國家也頒布了更加嚴(yán)格的排放法規(guī)。發(fā)動機(jī)的增壓技術(shù)在降低燃料的消耗和控制尾氣排放發(fā)揮了重要作用。發(fā)動機(jī)的增壓原理是通過將更多的新鮮空氣或燃油混合氣壓縮提高壓力和密度并充入發(fā)動機(jī)氣缸的一種方。增壓技術(shù)可以改善發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放性，達(dá)到節(jié)約能源降低污染的效果，而且與同排量的汽車相比較，裝有增壓發(fā)動機(jī)的汽車的動力性相當(dāng)于更加大排量的無增壓裝置的汽車。所以我們在滿足動力性的前提下，增壓發(fā)動機(jī)可以適當(dāng)減小發(fā)動機(jī)的尺寸，所以增壓技術(shù)有很大的意義和前景。

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，人對汽車的性能要求更加嚴(yán)格。要滿足汽車能夠達(dá)到足夠快的速度，就需求的發(fā)動機(jī)的功率和扭矩更大，而發(fā)動機(jī)的增壓技術(shù)就是解決這一問題的有效方法之一。發(fā)動機(jī)的增壓技術(shù)已經(jīng)十分成熟。增壓技術(shù)已經(jīng)普遍的應(yīng)用到車輛上，國內(nèi)外的車輛大部都應(yīng)用了增壓技術(shù)，并且各大汽車主機(jī)廠都在加快汽油機(jī)增壓技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。

國內(nèi)外重型汽車幾乎全部都采用柴油發(fā)動機(jī)，并且絕大多數(shù)采用渦輪增壓技術(shù)或者渦輪增壓中冷技術(shù)。輕型的汽車和轎車也有相當(dāng)數(shù)量的增壓柴油機(jī)應(yīng)用。增壓中冷技術(shù)能夠顯著的挺高功率密度、降低排放和改善燃油經(jīng)濟(jì)性。與1980年以前的機(jī)型相比，目前重型柴油機(jī)的功率密度已提高了100%，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了65%，NOx和微粒的排放量分別降低了80%和90%。

目前，國際上專業(yè)的大功率中高柴油機(jī)渦輪增壓器設(shè)計和制造企業(yè)有ABB、MAN以及三菱。ABB公司的產(chǎn)品更加成熟、可靠，產(chǎn)品的系列更加豐富。MAN公司也有許多先進(jìn)的增壓技術(shù)，例如2004年之后相繼開發(fā)的TCL，TCA系列的增壓器。這幾款增壓器能夠達(dá)到很高的增壓標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)上成熟。三菱公司也先后推出SRC、SRH、SE、MA等系列產(chǎn)品。

2 渦輪增壓技術(shù)的介紹

渦輪增壓器是通過對進(jìn)入氣缸的的空氣或可燃混合氣進(jìn)行壓縮，達(dá)到提高空氣壓力和密度的效果，并將擁有一定壓力和密度的空氣送入氣缸，從而提高發(fā)動機(jī)的充氣效率。發(fā)動機(jī)的增壓器的主要部分是殼體，渦輪、導(dǎo)輪。渦輪安置在發(fā)動機(jī)的排氣口，導(dǎo)輪安置在發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口，通過發(fā)動機(jī)排放的廢氣帶動渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)，由于渦輪與導(dǎo)輪同軸剛性連接，渦輪會帶動導(dǎo)輪工作，從而導(dǎo)輪將進(jìn)氣口的空氣進(jìn)行壓縮并輸入氣缸。通過增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，會使更多的燃料充分燃燒，使發(fā)動機(jī)輸出更高的轉(zhuǎn)速和功率。排氣渦輪增壓就是將廢氣的能量作用到渦輪上，從而達(dá)到驅(qū)動壓氣機(jī)工作的增壓方式。廢氣渦輪有其工作優(yōu)點，它能夠在不消耗發(fā)動機(jī)的功率的前提下，挺高充氣效率，而且渦輪有一定的消聲效果，且位置可以自由布置。有上述可知，廢氣渦輪增壓在汽車節(jié)能減排上有重要的意義。由其結(jié)構(gòu)簡單，增壓效果良好，廢氣渦輪增壓技術(shù)在增壓技術(shù)方面運(yùn)用最為廣泛。

目前國內(nèi)可以買到的原裝搭載渦輪增壓系統(tǒng)，如大眾的帕薩特1.8T、寶來 1.8T；國產(chǎn)的奧迪A6L 2.0T、A4 1.8T等等。國外有車型如SAAB的9-3、9-5，VOLVO的XC902.9T等等。還有一些日本的高性能跑車，其中最具代表性的就有：日產(chǎn)的SKYLINE GT-R、三菱槍騎兵EVOLUTION、斯巴魯、翼豹、豐田SUPRA，以及馬自達(dá)的RX-7等。1998年，薩博Saab 9-3汽車中是薩博汽車中首輛柴油渦輪增壓的汽車。

渦輪增壓可以有效的提高發(fā)動機(jī)功率和扭矩而不增加其排量，這是渦輪增壓技術(shù)最大的優(yōu)點。但是在大幅度加油門提高馬力的動作與葉輪轉(zhuǎn)動增加進(jìn)氣量以及發(fā)動機(jī)動力增加之間會存在較長的時間差，就會造成渦輪增壓動力輸出反應(yīng)滯后的問題，這是葉輪存在慣性作用導(dǎo)致與油門驟時變化不能同步造成的。一般渦輪增壓在經(jīng)過改良之后的滯后時間也至少需要2 s左右，這種滯后不僅存在于加速情況下，在減速的時候也會存在滯后的問題。當(dāng)發(fā)動機(jī)在低速工況運(yùn)轉(zhuǎn)時如果突然加速，這種滯后就會因為瞬時速度提不上而非常明顯。除了滯后的問題，發(fā)動機(jī)在低速工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時渦輪增壓幾乎沒有起到作用，因為為了降低氣缸發(fā)熱，渦輪增壓發(fā)動機(jī)的壓縮比會比自然吸氣發(fā)動機(jī)的壓縮比降低，有些會低于6∶51，這就會削弱渦輪發(fā)動機(jī)的動力輸出。因為渦輪發(fā)動機(jī)適合在高速工況下工作，而且其渦輪端部的工作溫度一般在600 ℃以上，對機(jī)油的要求會有所提高，這就會增加渦輪發(fā)動機(jī)的維修保養(yǎng)成本。

3 電輔助增壓廢氣渦輪增壓系統(tǒng)

20世紀(jì)末美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)與底特律柴油機(jī)公司(Detroit Diesel Corporation)合作開始從事電輔助渦輪增壓器的研究，開展了用于電輔助渦輪增壓器的高速永磁電機(jī)開發(fā)以及軸承結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等方面的研究工作，通過計算仿真和相關(guān)試驗得出電輔助渦輪增壓技術(shù)可以明顯改善增壓發(fā)動機(jī)加速響應(yīng)滯后現(xiàn)象?；裟犴f爾公司(Honeywell)是最早開始開展電輔助渦輪增壓技術(shù)相關(guān)研究的制造商之一，在早期借助計算機(jī)模擬電輔助渦輪增壓器性能的基礎(chǔ)上，先后開發(fā)三代電輔助渦輪增壓器樣機(jī)進(jìn)行試驗研究。電輔助廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的應(yīng)用證明它較普通的渦輪增壓系統(tǒng)反應(yīng)速度更快，響應(yīng)更好。日本長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)的Toshihiko Noguchi和日本三菱重工的Yosuke Takata等研制出最高轉(zhuǎn)速達(dá)220 000 r/min的電輔助渦輪增壓器，為了縮小電動機(jī)/發(fā)電機(jī)尺寸以及保證整機(jī)的緊湊性而采用電機(jī)中置式，同時為了保證轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計了碳纖維材料的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。此外，應(yīng)用電輔助廢氣渦輪增壓的發(fā)動機(jī)扭矩較裝有傳統(tǒng)增壓系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)增加了17%以上。Caterpillar公司將發(fā)電機(jī)/電動機(jī)集成在渦輪增壓器中部，并對電輔助渦輪增壓器電機(jī)、軸承、壓氣機(jī)葉輪、渦輪等主要零部件進(jìn)行了設(shè)計，選用轉(zhuǎn)子外徑較小的開關(guān)磁阻電機(jī)，軸承為角接觸球軸承。通過轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析表明該設(shè)計使電輔助渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)。

國內(nèi)對電輔助渦輪增壓技術(shù)的研究相對與國外還處于起步階段，目前許多增壓器制造商和研究機(jī)構(gòu)關(guān)注電輔助渦輪增壓技術(shù)，有許多關(guān)于電輔助渦輪增壓器的專利出現(xiàn)，提出了多種結(jié)構(gòu)形式和減振裝置。天津大學(xué)姚春德教授、北京理工大學(xué)李文祥博士進(jìn)行了電動增壓器的相關(guān)研究。國內(nèi)對于電輔助渦輪增壓器結(jié)構(gòu)可靠性和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性方面研究甚少。

傳統(tǒng)的增壓器會在發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時，才會發(fā)揮增壓作用，但是在低轉(zhuǎn)速或特別高的轉(zhuǎn)速下，增壓器不能夠良好的發(fā)揮作用。增壓器在上述兩種極限條件下不能與發(fā)動機(jī)良好的匹配，這就會明顯的降低動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性?；诎l(fā)動機(jī)過高轉(zhuǎn)速和較低轉(zhuǎn)速時與增壓器不匹配的問題，近幾年關(guān)于發(fā)動機(jī)與增壓器匹配的研究越來越多。電輔助廢氣渦輪增壓系統(tǒng)就是解決增壓發(fā)動機(jī)低速段和加速響應(yīng)問題的技術(shù)之一。

電輔助增壓廢氣渦輪增壓系統(tǒng)由廢氣渦輪增壓器與電動增壓器組成，作為輔助增壓器的電動增壓器聯(lián)合廢氣渦輪增壓器對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣增壓。當(dāng)柴油機(jī)以低于最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速在加速工況初期工作時，為了提高加速初期的進(jìn)氣量從而解決此期間加速不良和冒黑煙的現(xiàn)象，電動增壓器會工作較短的一段時間。根據(jù)電輔助增壓廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的工作系統(tǒng)的構(gòu)成可以分為電動增壓器與廢氣渦輪增壓器串聯(lián)工作和電動增壓器與廢氣渦輪增壓器合為一體工作的兩種系統(tǒng)。串聯(lián)系統(tǒng)工作時，電動增壓器安裝在廢氣渦輪增壓器的上游部分，以電控的電機(jī)為動力。在電動增壓器工作時，其壓氣機(jī)與廢氣渦輪增壓器的壓氣機(jī)組成串聯(lián)工作系統(tǒng)，同時進(jìn)行進(jìn)氣增壓；在電動增壓器不工作時，空氣通過與其并聯(lián)的空氣管路直接進(jìn)入廢氣渦輪增壓器，此時柴油機(jī)的進(jìn)氣全部由廢氣渦輪增壓器增壓供給。一體系統(tǒng)工作時，電動增壓器電機(jī)與廢氣渦輪增壓器共用一軸，電動增壓器處于廢氣渦輪增壓器的中部，直接驅(qū)動廢氣渦輪增壓器同時工作。

4 增壓技術(shù)對油耗和成本的影響

工藝成本是指批量生產(chǎn)中新增零件的費用，渦輪增壓比機(jī)械的成本要低。渦輪增壓與電動機(jī)技術(shù)的綜合運(yùn)用會得到最好的效果，機(jī)械增壓的瞬態(tài)響應(yīng)速度要好與渦輪增壓，但是它的成本和油耗都高于渦輪增壓發(fā)動機(jī)。機(jī)械增壓一般比較適合安裝在具有較大缸體夾角的V型發(fā)動機(jī)上，因為這樣的發(fā)動機(jī)具有較大可供選擇的空間位置。渦輪增壓可利用GDI和雙VVT進(jìn)一步提高其性能。為了進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)的尺寸，渦輪增壓與機(jī)械增壓的聯(lián)合使用是個比較好的辦法，但是會使發(fā)動機(jī)成本增加很多，而且需要在機(jī)械增壓系統(tǒng)上安裝離合器。如果使用直接啟停和再生制動系統(tǒng)，會更加促進(jìn)渦輪增壓與機(jī)械增壓的聯(lián)合應(yīng)用。

5 結(jié) 論

(1)增壓技術(shù)已普遍應(yīng)用到國內(nèi)外汽車發(fā)動機(jī)中，并且發(fā)揮了其良好性能，提高了汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性。

(2)增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配是增壓技術(shù)中的研究重點，電輔助增壓系統(tǒng)是能夠解決發(fā)動機(jī)低速和加速時反應(yīng)遲緩的重要研究。

(3)電輔助增壓系統(tǒng)就是能夠滿足發(fā)動機(jī)要求的一項技術(shù)但在國內(nèi)研究較少，仍待研究和改善。