渦輪增壓器改善車輛環保性能的可能性

【日】 鬼束和宏

1 用戶對渦輪增壓器需求的變化

用戶對車用渦輪增壓器的需求隨著時代的發展正在出現各種變化，因此，產品研發必須順應時代需求，以達到可靠、高性能的制造水平。

早期的渦輪增壓器研發重點是增大發動機的輸出功率，但從1990年左右起，對渦輪增壓器的研究開始轉向減輕環境負擔，凈化廢氣排放，以及改善車輛的燃油經濟性。下文將介紹渦輪增壓器在汽車技術研發中所發揮的作用。

2 降低柴油機對地球環境造成的負荷

世界各國正在持續收緊汽車排放法規，尤其是針對柴油機排放的顆粒（PM）及氮氧化物（NOx），相關的法規限值已經變得極為嚴格。

PM是由氧氣不足導致燃油不完全燃燒而產生的，因此，促進燃油與空氣的良好混合是解決這一問題的關鍵。當前的柴油機中，由于采用高壓噴射燃油形成微細油霧，提高了燃油與空氣的混合效率，混合氣狀況有了很大的改善，但在燃燒過程中仍有可能會出現氧氣不足的現象，從而導致生成PM。對此，IHI公司開發的高效率渦輪增壓器能向燃燒室內送入足夠的空氣，為解決上述問題提供有效的技術對策。

一直以來，以歐洲市場為中心，配裝渦輪增壓柴油機的乘用車在其環保性能方面都獲得較高的評價，因而有著穩定的市場需求。然而，要滿足日趨嚴格的排放法規要求，還必須采取進一步改進燃燒過程的技術措施（如低溫預混合燃燒），以同時降低碳煙和NOx排放。為了在維持高廢氣再循環（EGR）率的同時獲得高增壓壓力，就必須有高效率的渦輪增壓器。IHI公司研制的渦輪增壓器對于解決上述課題作出了貢獻，使清潔型柴油機獲得能與汽油機相匹敵的環保性能。

3 渦輪增壓器對汽油機小型化的貢獻

近十年來，在以歐洲為中心的汽車市場，發動機縮缸強化的設計理念正在形成技術潮流，即縮小發動機的排量，并搭載渦輪增壓器，在維持原有功率輸出性能的同時，改善燃油經濟性。針對改善車輛燃油經濟性的課題，一直以來都是以歐洲汽車制造商為主，推進發動機縮缸強化的研究工作，但最近，在北美地區及中國的汽車市場，發動機小型化設計也正在成為主流技術。

此外，基于發動機縮缸強化設計理念打造的德國VW Golf車已獲得2013-2014年日本汽車年度大獎。在日本，進口汽車獲此殊榮尚屬首次，這也是日本市場對配裝渦輪增壓器的小型化車用發動機普遍認可的證明。

歐盟各國，以及美國、日本等國都已制定了極為嚴格的燃油耗標準限值。至2020年，歐盟各國將汽油車的CO2排放限值規定為95g／km，這一限值與日本混合動力車的排放水平相同，而且法規規定必須是車隊平均排放水平，可以說是相當嚴格的限值。為了利用發動機縮缸強化的設計理念達到上述嚴格的燃油耗標準限值，對渦輪增壓器的要求會被進一步提高，其需求也會進一步增長。圖1示出了渦輪增壓器技術研發的市場背景（各國的CO2排放法規限值）。

圖1 渦輪增壓器技術研發的市場背景（各國的CO2排放法規限值）

4 改善車輛加速時增壓滯后的技術

以往，在配裝渦輪增壓器的汽車上，會出現踩下油門后加速響應滯后的現象，這被稱為“渦輪遲滯”，曾經是渦輪增壓系統必須解決的課題。針對這一課題，研究人員陸續開發了即便在排氣流量較小的情況下也能使渦輪增壓器加速到必要轉速的高性能渦輪葉輪，以及低機械損失的軸承，還有從低速到高速寬廣運行區域內具有高效率的壓氣機葉輪等技術，在提高渦輪增壓器綜合效率方面進行了持續不斷的努力。與發動機方面的改進措施相結合后，近年來配裝渦輪增壓器的車輛已幾乎不再出現增壓滯后的現象。此外，針對匹配柴油機的渦輪增壓器，必須有效控制其空氣流量。為此，開發了能改變排氣進入渦輪的噴嘴部分面積可變的可變截面渦輪增壓系統（VGS），即在噴嘴部位設置導向葉片，可根據排氣流量調節葉片開度，以控制排氣流速。采用該項技術后，就能對空氣流量實施控制，改善燃燒，并降低NOx排放，以實現柴油機的清潔燃燒。圖2示出了渦輪增壓器的結構。

圖2 渦輪增壓器的結構

今后，以基于柴油機清潔燃燒及整體效率提升而改善燃油經濟性為目標，研究人員還將進行電動增壓器的研發，即利用電動機進行能量回收，并且在不依賴排氣能量的前提下確?？諝赓|量流量。

5 支撐渦輪增壓器發展的基礎技術

渦輪增壓器是超高轉速的機械裝置，要在超過900℃的高溫環境下工作，最小尺寸的渦輪轉速可達到300 000r／min。為了在這樣的工作條件下獲得高性能與高可靠性，必須具備各種相應的技術。IHI集團下屬分設噴氣發動機、旋轉機械、發電設備、社會基礎設施及工業機械等不同的產品研發部門，擁有通用的基礎技術，正是由于IHI公司具備完善的基礎技術體系，才能夠為用戶提供高性能的渦輪增壓器產品。

5.1 旋轉機械技術

在渦輪增壓器的研發中，以噴氣發動機為代表的高轉速旋轉機械平衡技術、軸承及摩擦學相關等基礎技術具有重要的作用。

5.2 流體解析技術

快速發展的計算機技術支撐了計算流體動力學技術的發展，使渦輪和壓氣機中的氣體流動預測成為可能，從而能大幅改善渦輪增壓器的性能。

5.3 材料和結構設計技術

為了維持渦輪增壓器在高溫高速環境下的耐久性，對其材料及結構設計實施多次改進。除了探索更佳的原材料及結構型式外，還力求對材料及結構極限能有更為精準的把握，以進一步提高渦輪增壓器的效率。

5.4 減振降噪技術

由于渦輪增壓器的轉速極高，因此，對作為振動及噪聲源的旋轉零件非平衡狀態進行矯正的技術至關重要。近年來，多數用戶都希望渦輪增壓器產品能具有良好的靜音性，因此，研究人員對所有產品均實施高速運轉區域的檢查，實施微米級的平衡調整。

5.5 協調技術

渦輪增壓器與發動機組合后的綜合性能已獲得普遍關注。因此，IHI公司的研究人員會對用戶的車型及發動機實施評估，以設計并生產出與其相匹配的渦輪增壓器產品。換言之，就是為每種車型量身定制渦輪增壓器，實時掌握為數眾多的下一代發動機的開發計劃，開發相應的渦輪增壓技術。圖3示出了支撐渦輪增壓器發展的基礎技術。

圖3 支撐渦輪增壓器發展的基礎技術

6 通過改進生產工藝提高性能并降低成本

渦輪增壓器制造工序中有待解決的首要課題是降低成本。雖然燃油耗標準及排放法規對渦輪增壓器性能的要求逐年提高，但降低成本依然勢在必行。部分情況下，也會因車輛的全面改型而要求大幅降低渦輪增壓器的成本。

在面臨苛刻條件挑戰的情況下，研究人員應著力解決的問題包括：兼顧原材料供應與生產工序的設計，以及能穩定確保品質的可靠性設計等。在原材料供應方面，不僅必須保證采購到品質良好的原材料或配件，還應及時發展新的材料供應商。此外，由于設計對成本具有極為顯著的影響力，所以，應把握生產現場的狀況，并將其反映到設計中。同時，還要根據不同生產基地的人力成本差異，相應地改變制造工藝。

制造技術的進步也是成本降低的一大因素。例如，以往壓氣機的葉輪只能采用鑄造工藝，但現在已有部分生產商利用5軸加工機床實施切削加工工藝來生產葉輪。只須改變加工機床的控制程序，就能改變工件形狀，從而加工出任意形狀的工件。在多品種小批量的生產中，這將有利于大幅降低成本。對于生產企業而言，像這樣通過改變制造方法或生產工藝來獲得產品競爭力是至關重要的策略，為此，必須從設計階段就開展積極的探索和研究。

7 應對全球市場的需求

今后，車用渦輪增壓器的發展將在很大程度上受市場發展趨勢的影響。從全球汽車市場的發展趨勢來看，今后汽油機的小型化趨勢及清潔型柴油機依然占據主流地位。為此，應持續研發能領先于行業的技術，以適應用戶的需求。中國、印度等東南亞國家在今后預計會進一步推進其汽車化社會的進程，而這些國家的燃油耗標準及廢氣排放法規也將執行與歐洲相同的標準。可以預測，配裝渦輪增壓器的環保型車輛的需求將會出現全球性的增長。

此外，為了應對排放法規的日趨收緊，適應多樣化的市場需求，目前，各制造商也在對各種增壓新技術進行研究，包括可配裝于燃料電池車的特殊渦輪增壓器，以及能有效應用蓄電池而不采用渦輪機的環保型電動增壓器等。

8 結語

進一步提高渦輪增壓器的效率與可靠性是研發人員肩負的使命。因此，提高渦輪增壓器向小型化、輕量化發展的技術水平，追求產品的極限設計是不可或缺的。此外，推進渦輪增壓器及發動機系統的自身發展也是研究人員的夢想。例如，為渦輪增壓器賦予智能控制技術，通過傳感器與控制單元，在監測排氣狀況的同時，對包括發動機在內的動力傳動系統實施優化控制，從而顯著改善車輛的燃油經濟性及行駛性能。