車用發動機增壓及拓寬渦輪增壓器工作范圍的技術動向

【日】 宮下和也

0 前言

受累于2008年9月的雷曼事件，全球經濟陷人低迷狀態，一直以來發展順利的汽車工業遭受重創，同時對渦輪增壓器的發展也產生了不利影響。但從長遠來看，即便對汽車的需求暫時跌人低谷，今后以中國、印度為首的發展中國家的汽車產業發展仍值得期待。與此同時，預計各國都將致力于混合動力車和電動汽車等技術的開發，以實現車用動力的多樣化。同時，通過發展可再生能源及生物技術，實現燃料的多樣化。因而，從發動機增壓技術的觀點來看，車用發動機未來的發展動向將是極為關鍵的。

即使將來混合動力車和電動汽車會占據一定的市場份額，但預計到2020年時，其產量仍將只占整個汽車產量的20%[1]，即便出現許多變數，截至本世紀前半期，內燃機依然將是主要的車用動力裝置。另一方面，為了保護地球環境，隨著減少二氧化碳（CO2）排放要求的提高，以及氮氧化物（NOx）和顆粒（PM）等相關排放法規限值的進一步收緊，發動機本身也會有較大的改進，預計對渦輪增壓器的需求將會出現多樣化的發展趨勢。

為了提供給渦輪增壓器設計人員閱讀，基于近年來所發表的論文資料，簡要介紹了當前渦輪增壓發動機的發展，以及渦輪增壓技術的研發動向。

1 發動機增壓技術的動向

1.1 柴油車的排放對策

如圖1 所示[2]，在過去的15 年中，世界各國對NOx和PM 的排放限值已作出了嚴格規定，與日本和美國相比，歐洲各國由于優先考慮了CO2的減排，所以對NOx的排放限值略為寬松。在歐洲，配裝渦輪增壓柴油機的乘用車大幅增加，可變截面渦輪增壓器（圖2）已得到普及。目前，自2009年起執行的后新長期排放法規，以及美國的第2階段（Tier 2）第5級（Bin 5）排放法規在日本已告一段落，而到2014年，歐洲由于執行歐6 排放標準，其NOx排放限值將達到與日本和美國同等的水平。可以說，上述排放法規均要求柴油車達到與汽油車相同的廢氣凈化水平，如圖3所示，高壓燃油噴射、高增壓、高廢氣再循環（EGR）率、后處理裝置等發動機系統的技術開發正在得到全面發展。而且，已在部分發動機上研究應用兩級、三級或多級增壓技術（圖4）[5]。但是，這些廢氣凈化裝置也成為成本上升的主要原因，而在日本和美國，受經濟不景氣的影響，乘用車配裝柴油機的技術發展也因此停滯不前，取而代之的是，混合動力車及電動汽車技術受到廣泛關注。另一方面，在歐洲，柴油車依然占有優勢，但根據歐6 排放標準，研究人員正在積極推進改善汽油車燃油經濟性的技術研發工作。同時，繼日本和美國之后，也在致力于混合動力車及電動汽車的研發工作，以進一步推進動力多樣化的發展趨勢。

1.2 減少汽油車的CO2排放

與柴油機相比，汽油機在使用三效催化裝置后，可使其有害物排放達到較低的水平，但燃油經濟性差已成為汽油機的最大缺點。尤其從地球氣候變暖的觀點來看，大量CO2排放已成為必須關注的問題。

在十幾年前，汽油機已實現了燃油缸內直噴，同時幾經周折，使抑制爆燃成為可能，汽油機應用增壓技術，以及提高壓縮比（10～12）的技術正在對提高汽油機的效率發揮極大的作用。此外，采用直噴技術后，汽油機可以通過利用過剩汽油冷卻而無需燃油冷卻系統，這就使理論空燃比或稀薄燃燒進人實用化階段。圖5是作者在二十幾年前研究1 050℃級高溫渦輪增壓器時參考的理論空燃比燃燒的概念示思圖[6]，當時判斷，當空燃比在14.7附近，汽油機的燃油耗最低，同時達到最高的排氣溫度。雖然在當時曾認為實現這一要求為時尚早，但如今由于直噴技術的確立，已完全可以實現上述目標。

汽油機應用增壓技術后，對降低CO2排放極為有效的發動機小型化措施已在歐洲推廣，而隨著汽油機排量的減小，要維持輸出功率，就必須如圖6所示提高增壓壓力[7]，這就要求改善渦輪增壓器的低速性能。另外，在理論空燃比燃燒過程中，必須有應對渦輪增壓器高溫的對策；而在稀燃方式中，由于三效催化裝置無法發揮效應，需要采用高成本的后處理裝置。這些都是汽油機今后有待解決的問題。

對于CO2減排的另一個手段，即對燃用生物燃料的發動機來說，如要采用增壓技術，乙醇系燃料將是較為合適的，因為這種燃料熱值低，很有必要采用渦輪增壓器，同時由于其辛烷值較高，不易發生爆燃，因而是值得期待的代用燃料。

2 拓寬渦輪增壓器的工作范圍

2.1 改善可變截面渦輪增壓器的效率

為了降低柴油機的PM 排放，同時又降低NOx排放，采用了EGR 技術，并運用了可變截面渦輪增壓器。如圖7所示，可變截面渦輪增壓器[3]可在相當于5倍排氣流量變化的寬廣范圍內保持穩定的效率，但在噴嘴微開時，必須將從排氣通道周邊縫隙的泄漏損失控制在最小程度，為此在部分裝置上采取了增加密封墊圈的措施。另外，在噴嘴全開狀態下，由于要求減少圓周方向的壓力波動，因此將噴嘴形狀由直線形改為曲線形[8]。

為了在高速、高負荷區域避免葉輪葉片固有振動頻率與噴嘴激振頻率的共振，運用計算流體動力學和有限元法優化了葉片的厚度和形狀，確保了渦輪增壓器的高效率[9]。

在采用超級耐熱合金材料制造渦輪增壓器葉輪的過程中，由于受成本（采用失蠟精密鑄造法）的制約，要制成優先考慮到空氣動力學性能的三維形狀是較為困難的，但最近，由于較重視渦輪的低速性能，正在研究采用在低速比（U/C＜0.5）區域可獲得高效率的后掠式葉片[10]，以替代傳統的徑向葉片。此外，對于混流式渦輪的可變噴嘴，也在考慮采用直邊形噴嘴（圖8（a））或傾斜形噴嘴（圖8（b））。曾有試驗報告稱，當采用直邊形噴嘴時，由于噴嘴與葉輪之間的輪轂側產生空隙，當噴嘴開度較小時，渦流增強，穩定流的流量及效率有些降低，但脈動氣流反而增強（圖9）。

另一方面，排氣溫度較高的汽油機用渦輪增壓器至今仍沿用廢氣放氣閥方式，而能耐受高排氣溫度的可變截面渦輪的應用尚有待時日。

2.2 多級渦輪增壓的新技術

對于圖4所示多級渦輪增壓來說，尚有待解決安裝空間上的問題，但柴油機采用該系統可實現高增壓，并且能有效確保發動機的低速性能。通過串/并聯切換容量不同的渦輪，在柴油機低速到高速的寬廣范圍內，可快速提高順序增壓的效果。

為了改善響應性，除多級渦輪增壓之外，各公司也推出了內置電動機的渦輪增壓器，預計今后將會得到廣泛應用。

多級渦輪增壓的目的是要實現高增壓，這是為了在提高EGR 率的同時，確保發動機的輸出功率。一旦壓氣機的壓比超過4，則會因為單級渦輪增壓的離心力強度增大而難以再拓寬工作范圍，所以要求能采用結構緊湊的多級渦輪增壓。

2.3 耐高溫的渦輪增壓器

與拓寬增壓器工作范圍的觀點不同，汽油機的直噴理論空燃比燃燒是降低燃油耗的一種方法。在這種情形下，渦輪增壓器進口的排氣溫度將會達到1 050℃，比目前排溫高100℃以上，所以，必須提高廢氣渦輪增壓器的耐高溫能力。尤其在材料方面，在重視高溫蠕變強度的渦輪葉輪上，應用了比傳統的鎳鉻鐵耐熱合金Inconel材料具有更高耐熱性的Mar-M 材料；而在注重高溫氧化和熱疲勞強度的渦殼上，應用25Cr-20Ni系奧氏體鑄鋼材料，替代了原來的鑄鐵材料。為此，各制造商在考慮到量產性能與成本的同時，展開了相應的研發工作。

3 拓寬壓氣機的工作范圍

3.1 拓寬壓氣機工作范圍的迫切需求

與船用及工業用發動機的渦輪增壓器不同，車用發動機的渦輪增壓器運行中的工作點在壓氣機可使用的整個區域內會隨機變動。此外，在穩態運轉時，進氣由于伴有脈動，會出現如圖10 所示工作點圍繞壓氣機喘振線發生波動的現象。

此外，發動機排量越小，也就越有必要提高增壓壓力，同時，隨著可變截面渦輪低速性能的提高，壓氣機工作點會越發靠近喘振線，所以，從這一點來看，拓寬壓氣機工作范圍也就思味著必須采取防止喘振的對策。防止喘振的對策主要是在渦輪增壓器的壓氣機上實施，但進氣道形狀及葉輪布置也會對喘振產生影響，所以要求從多方面來實施優化工作。

3.2 拓寬渦輪增壓器的工作范圍

對于拓寬渦輪增壓器工作范圍來說，后掠式葉輪、渦殼處理、進氣口可變葉片都是重要的技術措施。其中，后掠式葉輪不僅可改善壓氣機的喘振，而且對提高效率也極為有效。近年來，隨著離心應力分析技術的發展，已開始出現后掠角超過40°的葉輪，甚至有文獻報道稱采用了48°的后掠角，但其技術細節尚未公開。

渦殼處理技術被應用于車用發動機渦輪增壓器已有20多年，其間經歷了種種改進。尤其是如圖11所示，對再循環廢氣流與葉輪旋轉方向反向流動的反向渦流方式極具改善效果。

雖然進氣口可變葉片技術一直被認為并不適用于低成本的車用發動機渦輪增壓器，但最近為滿足拓寬壓氣機工作范圍的迫切需求，利用圖12所示模型進行試驗，已確認喘振線正向小流量側移動。圖13是其中的1個實例，當葉片角度為80°時，流量減少40%。另外，也嘗試了諸如擴散器幅度可變方式等技術，在拓寬壓氣機工作范圍方面，實施了各項技術研發工作。

3.3 通過優化進氣道形狀拓寬工作范圍

除在壓氣機上采取優化措施外，還可以通過進氣道形狀優化及布置雙吸人葉輪，使喘振線更靠近小流量側。

圖14對渦輪增壓器試驗臺試驗結果與配裝發動機后受實際配管影響的壓氣機性能圖進行了比較。由圖14可知，將渦輪增壓器配裝發動機后，喘振線確實向小流量側靠近。這被認為是由于帶有急劇彎曲的進氣道內氣流發生偏移及剝離現象，導致通道變得狹窄，使弱喘振區域擴大。研究人員將這一現象視作為進氣畸變的影響進行相關的研究，當然，這同時也存在效率降低的問題。

作為增大容量的另一種方法，如圖15 所示，可采用背靠背的2個壓氣機葉輪的方案。試驗結果證實，該方案能在流量增大的同時，使喘振線不發生變化。圖16為性能脈譜圖，當2個葉輪中的1個進人喘振區域，則流量將會集中到另一個葉輪，這樣就能使整體運行停留在弱喘振區域。

雖然在上述弱喘振區域長時間的運轉并不令人滿思，但由于工作點的變動，過渡性地進人弱喘振區域被認為是可接受的。根據這一現象，通過改善進氣道設計，有可能避免強烈喘振現象的發生。

4 結語

本文針對車用發動機增壓技術的發展動態，以及渦輪增壓器為適應發動機需要所作的改進，圍繞拓寬渦輪及壓氣機工作范圍這一中心話題，就過去幾年的發展，以及對今后趨勢的預測作了介紹。

從車用動力裝置來看，近年來，混合動力車和電動汽車技術正呈現出強勁的發展勢頭，但具有百年歷史的內燃機也并未停滯不前，其技術開發取得了相當的進展，同時內燃機仍在各類動力裝置中占主導地位。因而，渦輪增壓器作為內燃機最重要的附件，其必要性非但不會降低，而且有望繼續發揮其重要作用。