車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

1、車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的現(xiàn)狀與開(kāi)展前景摘要：渦輪增壓技術(shù)從提出至今， 已有百年的歷史，經(jīng)過(guò)不斷地改良與完善， 它已被廣泛應(yīng) 用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，特別是汽車(chē)行業(yè)。鑒于該技術(shù)的重要性，本文的主旨就在于通過(guò)深入探 討渦輪增壓技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的運(yùn)用，從而對(duì)該技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行根本歸納與總結(jié)。為此，本文首先回憶了車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的開(kāi)展歷程，隨后通過(guò)重點(diǎn)介紹當(dāng)前車(chē)用渦輪增壓器在技術(shù)、 工藝和材料等方面取得的成果。對(duì)該技術(shù)的開(kāi)展現(xiàn)狀做出歸納總結(jié)，進(jìn)而對(duì)渦輪增壓技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的未來(lái)開(kāi)展方向進(jìn)行根本展望。關(guān)鍵詞：渦輪增壓技術(shù)、車(chē)用渦輪增壓技術(shù)、渦輪增壓器、爆震0引言自渦輪增壓技術(shù)概念提出至今已有白年時(shí)間了，在這白年的時(shí)間里，

2、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(jī)等自身的不斷改良， 其在航天、航海及陸地機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。特別是車(chē)輛的廣泛應(yīng)用及當(dāng)前人們對(duì)車(chē)輛節(jié)能、功率和環(huán)保要求的不斷提高，為車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用、發(fā) 展和進(jìn)步提供了廣闊的空間和需求。l汽油機(jī)廢氣渦輪增壓研究意義增壓技術(shù)首先在柴油機(jī)領(lǐng)域得到開(kāi)展，目前工業(yè)興旺國(guó)家大中功率柴油機(jī)已全部采用增壓技術(shù)，中小型車(chē)用柴油機(jī)增壓也達(dá)80%。汽油機(jī)增壓的開(kāi)展相對(duì) 較晚，技術(shù)水平也落后于柴油機(jī)。20世紀(jì)70年代末國(guó)外汽油機(jī)開(kāi)始逐漸采用增壓 技術(shù)，并得到了迅速的開(kāi)展和完善，1990年美國(guó)生產(chǎn)的汽油機(jī)已有1/4采用了 增壓技術(shù)，1992年國(guó)際市場(chǎng)

3、上出售的汽油機(jī)有15%采用增壓技術(shù)，目前國(guó)外的汽 油機(jī)增壓正處于完善和推廣應(yīng)用階段。內(nèi)燃機(jī)增壓的先進(jìn)技術(shù)主要集中于美國(guó)、 德國(guó)和日本。相對(duì)于柴油機(jī)而言，汽油機(jī)在小排量，尤其是轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，有其獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及地位，所以汽油機(jī)的增壓研究對(duì)于節(jié)約能源及提高汽車(chē) 性能都具有重要意義。2汽油機(jī)廢氣渦輪增壓研究現(xiàn)狀汽油機(jī)增壓的開(kāi)展相對(duì)較晚，技術(shù)水平也落后于柴油機(jī)。我國(guó)2 0世紀(jì)70年代末開(kāi)始研究汽油機(jī)增壓，并在CA-10B和DG26100-1如型上取得成功。20世紀(jì)80年代末，活華、西安交大等幾家高等院校和內(nèi)燃機(jī)廠也相繼對(duì)49ZQ氣油機(jī)進(jìn)行 增壓研究1。作為汽油機(jī)增壓，除提高功率扭矩，還用于高原上恢復(fù)

4、功率。由 于受爆震的影響和熱負(fù)荷的限制，增壓度都不高，性能也不夠完善，實(shí)際應(yīng)用很少。到2001年，只有少數(shù)車(chē)型采用增壓，還沒(méi)有國(guó)產(chǎn)車(chē)型。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出轎車(chē)用增壓柴油機(jī)和汽油機(jī)產(chǎn)品，如帕薩特-領(lǐng)馭1.8T、群眾-速騰1. 8T、奧迪A6L 2.0T等均采用了渦輪增壓技術(shù)。國(guó)內(nèi)一些著名公司和院校都非常重視發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器匹配的研究。中科院工程熱物理所、活華大學(xué)、燃?xì)鉁u輪研究所通過(guò)可變噴嘴渦輪器與發(fā) 動(dòng)機(jī)的匹配試驗(yàn)測(cè)得增壓壓力和排氣壓力值，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算了發(fā)動(dòng) 機(jī)的流通特性，建立了可變噴嘴增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合工作曲線2。對(duì)聯(lián)合工作曲線的分析說(shuō)明：設(shè)計(jì)的可變噴嘴渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配良好，

5、不會(huì)出現(xiàn)喘振和阻塞。由群眾集團(tuán)主產(chǎn)的、世界上首臺(tái)渦輪增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)已于2005問(wèn)世。這款2.0L FSI Fuel Stratified Injection，燃料分層噴射發(fā)動(dòng)機(jī)適用于群眾集團(tuán)生產(chǎn)制造的諸多車(chē)型如奧迪：A3 A4 A6ffi高爾夫GTI等。2.0L FSI被評(píng)為“2005最有影響力的發(fā)動(dòng)機(jī)。結(jié)合渦輪增壓，F(xiàn)SI擁有能行高和油耗低的特點(diǎn)3。據(jù)報(bào)道，歐洲的汽車(chē)制造商和零部件供給商正在將汽油機(jī)渦輪增壓器視為降 低排放的有效武器，有望使該產(chǎn)品在歐洲的需求劇增。 通過(guò)引入渦輪增壓器，汽 車(chē)制造商可以提供較小排量的汽油機(jī)。 與現(xiàn)有的同類(lèi)產(chǎn)品相比，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的性 能持平或更高，而油耗量較低

6、；加上車(chē)輛質(zhì)量的減輕，可幫助歐洲的汽車(chē)制造商 實(shí)現(xiàn)他們對(duì)歐盟的保證，即2021年，車(chē)輛的二氧化碳平均值為163 g/km博格華 納公司和霍尼韋爾公司希望到201洗，歐洲的汽油機(jī)中大概有25%為渦輪增壓發(fā) 動(dòng)機(jī)4。發(fā)動(dòng)機(jī)采用固定噴嘴渦輪增壓器時(shí)，由于渦輪增壓器不能控制調(diào)節(jié)，因此很 難在高速和低速工況下都得到比擬滿意的結(jié)果； 此外增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性不好0因而發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性也難以提高。為改良增壓器的性能，人們采用了減小增 壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加廢氣放氣閥，采用可變噴嘴渦輪增壓器等改良措施。在各種改 進(jìn)方法中，采用可變噴嘴渦輪增壓器的方法對(duì)增壓器和內(nèi)燃機(jī)性能的改善最明顯5,6。電控可變噴嘴渦輪增壓器與發(fā)

7、動(dòng)機(jī)的匹配工作，主要是找出在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的 各種穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下可變噴嘴渦輪增壓器的最正確開(kāi)度。這就需要驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī) 在各種工況下的適應(yīng)能力，優(yōu)化電控系統(tǒng)的某些控制參數(shù)，如閉環(huán)控制的壓力MPA圖，開(kāi)環(huán)控制的步數(shù)MPAB等，從而使可變噴嘴渦輪增壓器電控系統(tǒng)的控制與發(fā) 動(dòng)機(jī)的工況變化相協(xié)調(diào)，充分提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能F提高燃油經(jīng)濟(jì)性F降卑微粒和NO婢有害排放物的排放7。3車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的特征總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)今的車(chē)用渦輪增壓技術(shù)主要具有以下5點(diǎn)特征：1小型化在發(fā)動(dòng)機(jī)重量及體積增加很少的情況下， 發(fā)動(dòng)機(jī)不需要做重大改變，即很容易 提高功率20%-25%由于不像機(jī)械增壓時(shí)壓比受到限制， 故近年來(lái)高增壓的趨勢(shì) 越來(lái)

8、越明顯。高增壓時(shí)，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(dòng)機(jī)的整體尺寸，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及車(chē)輛的小型化、 輕量化和 降低本錢(qián)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(dòng)機(jī)排放的廢氣來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng) 同軸的壓氣機(jī)工作，壓氣機(jī)對(duì)將進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣進(jìn)行壓縮，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)來(lái)代替大功率的 自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而到達(dá)節(jié)能的目的。一臺(tái)1.6L排量的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等 于一臺(tái)3.78L排量的非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率8。3

9、環(huán)保渦輪增壓器能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能，必將降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體和CO2勺排放量。但增壓在汽油機(jī)和柴油機(jī)對(duì)排放的影響是有所區(qū)別的。對(duì)汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，由于過(guò)量空氣系數(shù)接近于1,增壓對(duì)汽油機(jī)排放的影響局限于節(jié)能局部。柴油機(jī)的過(guò)量空氣 系數(shù)本來(lái)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1,增壓使柴油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)一步提高，對(duì)排放產(chǎn)生了明顯的影響。假設(shè) 把自然吸氣柴油機(jī)改成同樣排量的增壓柴油機(jī)，因其空氣供給充足，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)反響更趨強(qiáng)烈，H砒合物的排放也會(huì)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勺排放量增加。因增壓柴油機(jī)能提高燃油經(jīng)濟(jì) 性，有時(shí)可放棄局部在燃油經(jīng)濟(jì)

10、性的好處來(lái)?yè)Q取全面降低排放。同時(shí)，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(jī)NO蜂低80泌粒減90% ,比油耗改善16%。4)高原功率補(bǔ)償在高原條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸進(jìn)氣流量減少，降低了含氧量，使燃燒過(guò)程惡化，后 燃現(xiàn)象加重，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，補(bǔ)償因 進(jìn)氣缺乏而損失的功率。5)渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的匹配方案。有高工況放氣系統(tǒng)、低工況進(jìn)排氣旁 通系統(tǒng)、可調(diào)

11、渦輪噴嘴截面增壓系統(tǒng)、電動(dòng)放氣渦輪增壓系統(tǒng)、增壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和 帶電機(jī)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)(SCA-BY及諧振復(fù)合增壓系統(tǒng)等，這些在中、小功率車(chē)用柴油機(jī)上應(yīng)用不多9。歸納起來(lái)渦輪增壓應(yīng)用在汽油機(jī)上有以下一系列優(yōu)點(diǎn)：(1)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率(2)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的低俗扭轉(zhuǎn)特性(3)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性(4)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的有害氣體排放(5)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲值(6)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比重量4渦輪增壓技術(shù)的開(kāi)展趨勢(shì)近年來(lái)，在普通渦輪增壓系統(tǒng)的根底上，世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展新的高增壓和超 高增壓系統(tǒng)，取得的進(jìn)展是十分驚人的，這充分說(shuō)明了增壓系統(tǒng)開(kāi)展的無(wú)比強(qiáng)大 的生命力。目前

12、這種開(kāi)展勢(shì)頭還很猛，其前景很寬廣，沿著這個(gè)趨勢(shì)開(kāi)展下去可 能將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)乂一次革命。應(yīng)該成認(rèn)，這是內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)高技術(shù)， 一旦在高增壓和超高增壓系統(tǒng)方面取得突破就會(huì)帶動(dòng)整個(gè)增壓系統(tǒng)的提高。我們應(yīng)該密切關(guān)注這項(xiàng)高技術(shù)的開(kāi)展， 并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，創(chuàng)造出適合我國(guó)特色 的高增壓和超高增壓系統(tǒng)。4.1高增壓和超高增壓系統(tǒng)的標(biāo)志一般是：壓比大于3.5,平均有效壓力大于2.0MPa,顯然，在普通渦輪增壓系統(tǒng)的條件下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)展高增壓和超高增壓系統(tǒng)的目標(biāo)，乃是發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷在現(xiàn)有工藝、材料允許的條 件下，如何用增壓壓力的方法來(lái)增大平均有效壓力， 同時(shí)乂使發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能， 經(jīng)濟(jì)性

13、能、低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)性能的下降不多，或者有所改善。目前各國(guó)開(kāi)展起來(lái)的名 目繁多的各種高增壓、超高增系統(tǒng)是各具特色。4.2復(fù)合增壓系統(tǒng)：廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓并用，機(jī)械增壓有助于低轉(zhuǎn)速 的扭力輸出，但是高轉(zhuǎn)速是功率輸出有限；而廢氣渦輪增壓在高轉(zhuǎn)速時(shí)擁有強(qiáng)大 的功率輸出，但低轉(zhuǎn)速時(shí)那么力不從心。發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)師們于是就設(shè)想把機(jī)械增壓 和渦輪增壓結(jié)合在一起，來(lái)解決兩種技術(shù)各自的缺乏，同時(shí)解決低速扭矩和高速 功率輸出的問(wèn)題。這種裝置在大功率柴油機(jī)上采用比擬多， 汽油機(jī)上采用復(fù)合增 壓子系統(tǒng)的車(chē)型還比擬少，群眾的1.4 TSI發(fā)動(dòng)機(jī)采用了這一系統(tǒng)。其發(fā)動(dòng)機(jī)輸 出功率大，燃油消耗率低、噪聲小、只是結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，技術(shù)

14、含量高，維修保養(yǎng)不 容易，現(xiàn)在還難以普及10。不過(guò)這是一個(gè)可以肯定的群眾趨勢(shì)。其開(kāi)展趨勢(shì)可歸納為：1性能的進(jìn)一步提高2結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化和小型化，可靠性和耐熱性的不斷提高3可調(diào)增壓器的完善和采用陶瓷渦輪參考文獻(xiàn)：1孔繁偉，李明海，張巖.改良燃油噴射系統(tǒng)，降低柴油機(jī)有害排J .內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2005,.2杜愎剛，朱會(huì)田，許力.車(chē)用柴油機(jī)排放控制現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展J.內(nèi)燃機(jī)工程，2004,(3)3資新運(yùn)，郭鋒，姜大海.車(chē)用柴油機(jī)排放控制進(jìn)展J.環(huán)境科學(xué)保護(hù)，2005, (6),4資新運(yùn)，李新.低溫等離子體去除柴油機(jī)微粒與NO別研究D.學(xué)位論文，2006.5 Franklin PC , Walsham BE.

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