渦輪增壓技術及其應用研究現狀

2021-01-07 05:16:22李洪敏

黑龍江交通科技 2021年5期

李洪敏

(黑龍江省道路運輸管理局，黑龍江哈爾濱 150036)

1 前言

汽車行業快速的發展不僅為人們出行帶來了方便的同時也存在很多問題。能源的短缺的危機和汽車尾氣排放帶來的污染深刻警示我們在車輛設計中不僅要求達到舒適性，安全性、動力性的要求，更要重視車輛節能與減排的發展與研究。近幾年發動機節能與減排的問題已成為各個汽車廠家關注的熱點，國家也頒布了更加嚴格的排放法規。發動機的增壓技術在降低燃料的消耗和控制尾氣排放發揮了重要作用。發動機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動機氣缸的一種方。增壓技術可以改善發動機經濟性、動力性和排放性，達到節約能源降低污染的效果，而且與同排量的汽車相比較，裝有增壓發動機的汽車的動力性相當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，增壓發動機可以適當減小發動機的尺寸，所以增壓技術有很大的意義和前景。

隨著汽車行業的發展，人對汽車的性能要求更加嚴格。要滿足汽車能夠達到足夠快的速度，就需求的發動機的功率和扭矩更大，而發動機的增壓技術就是解決這一問題的有效方法之一。發動機的增壓技術已經十分成熟。增壓技術已經普遍的應用到車輛上，國內外的車輛大部都應用了增壓技術，并且各大汽車主機廠都在加快汽油機增壓技術的開發應用。

國內外重型汽車幾乎全部都采用柴油發動機，并且絕大多數采用渦輪增壓技術或者渦輪增壓中冷技術。輕型的汽車和轎車也有相當數量的增壓柴油機應用。增壓中冷技術能夠顯著的挺高功率密度、降低排放和改善燃油經濟性。與1980年以前的機型相比，目前重型柴油機的功率密度已提高了100%，燃油經濟性提高了65%，NOx和微粒的排放量分別降低了80%和90%。

目前，國際上專業的大功率中高柴油機渦輪增壓器設計和制造企業有ABB、MAN以及三菱。ABB公司的產品更加成熟、可靠，產品的系列更加豐富。MAN公司也有許多先進的增壓技術，例如2004年之后相繼開發的TCL，TCA系列的增壓器。這幾款增壓器能夠達到很高的增壓標準，技術上成熟。三菱公司也先后推出SRC、SRH、SE、MA等系列產品。

2 渦輪增壓技術的介紹

渦輪增壓器是通過對進入氣缸的的空氣或可燃混合氣進行壓縮，達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，從而提高發動機的充氣效率。發動機的增壓器的主要部分是殼體，渦輪、導輪。渦輪安置在發動機的排氣口，導輪安置在發動機的進氣口，通過發動機排放的廢氣帶動渦輪運轉，由于渦輪與導輪同軸剛性連接，渦輪會帶動導輪工作，從而導輪將進氣口的空氣進行壓縮并輸入氣缸。通過增加發動機的進氣量，會使更多的燃料充分燃燒，使發動機輸出更高的轉速和功率。排氣渦輪增壓就是將廢氣的能量作用到渦輪上，從而達到驅動壓氣機工作的增壓方式。廢氣渦輪有其工作優點，它能夠在不消耗發動機的功率的前提下，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能減排上有重要的意義。由其結構簡單，增壓效果良好，廢氣渦輪增壓技術在增壓技術方面運用最為廣泛。

目前國內可以買到的原裝搭載渦輪增壓系統，如大眾的帕薩特1.8T、寶來 1.8T；國產的奧迪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：日產的SKYLINE GT-R、三菱槍騎兵EVOLUTION、斯巴魯、翼豹、豐田SUPRA，以及馬自達的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動機功率和扭矩而不增加其排量，這是渦輪增壓技術最大的優點。但是在大幅度加油門提高馬力的動作與葉輪轉動增加進氣量以及發動機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滯后的問題，這是葉輪存在慣性作用導致與油門驟時變化不能同步造成的。一般渦輪增壓在經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。當發動機在低速工況運轉時如果突然加速，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，發動機在低速工況下運轉時渦輪增壓幾乎沒有起到作用，因為為了降低氣缸發熱，渦輪增壓發動機的壓縮比會比自然吸氣發動機的壓縮比降低，有些會低于6∶51，這就會削弱渦輪發動機的動力輸出。因為渦輪發動機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，對機油的要求會有所提高，這就會增加渦輪發動機的維修保養成本。

3 電輔助增壓廢氣渦輪增壓系統

20世紀末美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)與底特律柴油機公司(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開發以及軸承結構的改進等方面的研究工作，通過計算仿真和相關試驗得出電輔助渦輪增壓技術可以明顯改善增壓發動機加速響應滯后現象。霍尼韋爾公司(Honeywell)是最早開始開展電輔助渦輪增壓技術相關研究的制造商之一，在早期借助計算機模擬電輔助渦輪增壓器性能的基礎上，先后開發三代電輔助渦輪增壓器樣機進行試驗研究。電輔助廢氣渦輪增壓系統的應用證明它較普通的渦輪增壓系統反應速度更快，響應更好。日本長岡技術科學大學的Toshihiko Noguchi和日本三菱重工的Yosuke Takata等研制出最高轉速達220 000 r/min的電輔助渦輪增壓器，為了縮小電動機/發電機尺寸以及保證整機的緊湊性而采用電機中置式，同時為了保證轉子的結構強度，電機轉子設計了碳纖維材料的加強結構。此外，應用電輔助廢氣渦輪增壓的發動機扭矩較裝有傳統增壓系統的發動機增加了17%以上。Caterpillar公司將發電機/電動機集成在渦輪增壓器中部，并對電輔助渦輪增壓器電機、軸承、壓氣機葉輪、渦輪等主要零部件進行了設計，選用轉子外徑較小的開關磁阻電機，軸承為角接觸球軸承。通過轉子動力學分析表明該設計使電輔助渦輪增壓器轉子系統具有良好的穩定性和動態響應。

國內對電輔助渦輪增壓技術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構關注電輔助渦輪增壓技術，有許多關于電輔助渦輪增壓器的專利出現，提出了多種結構形式和減振裝置。天津大學姚春德教授、北京理工大學李文祥博士進行了電動增壓器的相關研究。國內對于電輔助渦輪增壓器結構可靠性和轉子系統穩定性方面研究甚少。

傳統的增壓器會在發動機的轉速達到一定程度時，才會發揮增壓作用，但是在低轉速或特別高的轉速下，增壓器不能夠良好的發揮作用。增壓器在上述兩種極限條件下不能與發動機良好的匹配，這就會明顯的降低動力性、燃油經濟性和排放性。基于發動機過高轉速和較低轉速時與增壓器不匹配的問題，近幾年關于發動機與增壓器匹配的研究越來越多。電輔助廢氣渦輪增壓系統就是解決增壓發動機低速段和加速響應問題的技術之一。

電輔助增壓廢氣渦輪增壓系統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合廢氣渦輪增壓器對發動機的進氣增壓。當柴油機以低于最大轉矩轉速在加速工況初期工作時，為了提高加速初期的進氣量從而解決此期間加速不良和冒黑煙的現象，電動增壓器會工作較短的一段時間。根據電輔助增壓廢氣渦輪增壓系統的工作系統的構成可以分為電動增壓器與廢氣渦輪增壓器串聯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。串聯系統工作時，電動增壓器安裝在廢氣渦輪增壓器的上游部分，以電控的電機為動力。在電動增壓器工作時，其壓氣機與廢氣渦輪增壓器的壓氣機組成串聯工作系統，同時進行進氣增壓；在電動增壓器不工作時，空氣通過與其并聯的空氣管路直接進入廢氣渦輪增壓器，此時柴油機的進氣全部由廢氣渦輪增壓器增壓供給。一體系統工作時，電動增壓器電機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，直接驅動廢氣渦輪增壓器同時工作。

4 增壓技術對油耗和成本的影響

工藝成本是指批量生產中新增零件的費用，渦輪增壓比機械的成本要低。渦輪增壓與電動機技術的綜合運用會得到最好的效果，機械增壓的瞬態響應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動機。機械增壓一般比較適合安裝在具有較大缸體夾角的V型發動機上，因為這樣的發動機具有較大可供選擇的空間位置。渦輪增壓可利用GDI和雙VVT進一步提高其性能。為了進一步降低發動機的尺寸，渦輪增壓與機械增壓的聯合使用是個比較好的辦法，但是會使發動機成本增加很多，而且需要在機械增壓系統上安裝離合器。如果使用直接啟停和再生制動系統，會更加促進渦輪增壓與機械增壓的聯合應用。

5 結論

(1)增壓技術已普遍應用到國內外汽車發動機中，并且發揮了其良好性能，提高了汽車動力性、燃油經濟性、排放性。

(2)增壓器與發動機的匹配是增壓技術中的研究重點，電輔助增壓系統是能夠解決發動機低速和加速時反應遲緩的重要研究。