渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)張趨勢(shì)概要

車(chē)用渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)張趨勢(shì)分析自渦輪增壓技術(shù)概念提出至今已有百年時(shí)間了，在這百年的時(shí)間里，渦輪增壓技術(shù)經(jīng)受了軸流式、徑流式、混流式及配置放氣閥、電機(jī)等自身的不斷改進(jìn)，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、進(jìn)展和進(jìn)步供給了寬闊的空間和需求。進(jìn)展背景與環(huán)境隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格和能源危機(jī)的加劇，在滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求的前提下改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性顯得格外迫切。在近來(lái)各廠家承受白發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)中，增壓技術(shù)當(dāng)仁不讓的成為了各廠家追趕的對(duì)象增壓指的是能夠?qū)⑦M(jìn)人發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸穎空氣或者混合氣的壓力、密度提高到高于四周大氣壓力、密度的方法，其可以明顯地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性，并且可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量和尺寸〔給定功率下〕00一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)的最高車(chē)速越高，需要裝備的發(fā)動(dòng)機(jī)功率就越大，那么發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的意義也就越大。增壓技術(shù)對(duì)于中高級(jí)汽油機(jī)轎車(chē)來(lái)說(shuō),是很有實(shí)際的意義。目前，國(guó)外有相當(dāng)數(shù)量的汽油機(jī)轎車(chē)都承受了增壓技術(shù)，而在國(guó)產(chǎn)轎車(chē)中只有個(gè)別車(chē)型的汽油機(jī)承受增壓技術(shù)，但是國(guó)內(nèi)各大汽車(chē)主機(jī)廠都在加快汽油機(jī)增壓技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。20年，隨著渦輪增壓技術(shù)的普及、深入，有關(guān)渦輪增壓方面的技術(shù)、工藝、材料、理念開(kāi)頭不斷涌現(xiàn)。可以說(shuō)，正是由于各種排放、噪聲法規(guī)的大量出臺(tái)和人們對(duì)渦輪增壓技術(shù)的更高要求，特別是渦輪增壓技術(shù)對(duì)高原發(fā)動(dòng)機(jī)的功率補(bǔ)償，車(chē)用渦輪增壓技術(shù)迎來(lái)了進(jìn)展的黃金時(shí)期。渦輪增壓技術(shù)的現(xiàn)狀傳統(tǒng)的增壓器很難在發(fā)動(dòng)機(jī)凹凸負(fù)荷下均與之合理協(xié)作，而增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的良好匹配是保證燃油消耗率以及排放性能的關(guān)鍵，因而近些年來(lái)承受各種設(shè)計(jì)理念的增壓系統(tǒng)已經(jīng)成功得到應(yīng)用。相繼增壓〔STC在研制高壓比、流量的增壓器同時(shí)，渦輪增壓器的牢靠性、壽命也不斷提高，其制造ABB承受了一種的潤(rùn)滑油泵，它能利用離心力的作用分別出SUPERMETS1.5%3.5%STC的根本原理是承受多個(gè)小流量的增壓器，隨著柴油機(jī)工況的提升，依次投入運(yùn)行。它轉(zhuǎn)變了增壓系統(tǒng)在低工況時(shí)廢氣能量缺乏而引起的渦輪轉(zhuǎn)速下降，增壓壓力不足，從而引起的增壓器喘振、柴油機(jī)功率下降等問(wèn)題。在柴油機(jī)額定工況下，每臺(tái)增壓器都在高效區(qū)運(yùn)行；而在柴油機(jī)局部負(fù)荷時(shí)，削減投入使用的增壓器數(shù)量，使得投入運(yùn)行的增壓器運(yùn)行線仍處在高效區(qū)四周，從而改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及排放性能?？勺兘孛鏈u輪增壓可變截面渦輪增壓是柴油機(jī)廢氣通過(guò)噴嘴環(huán)時(shí)，依據(jù)渦輪增壓柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化來(lái)轉(zhuǎn)變噴嘴環(huán)葉片的角度，使流入渦輪葉片的氣流參數(shù)轉(zhuǎn)變，通過(guò)渦輪始降的變化實(shí)現(xiàn)渦輪做功的變化，進(jìn)而讓壓氣機(jī)出口的增壓壓力發(fā)生變化，從而使得柴油機(jī)與增壓器在各工況下均有良好的匹配。蓋瑞特公司研制了變截面渦輪增壓器，而且為了到達(dá)嚴(yán)格的排放規(guī)定，可在增壓柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)調(diào)整。目前，歐美承受變截面增壓器已成主流。圖228 可調(diào)噴嘴環(huán)廢氣旁通增壓系統(tǒng)廢氣旁通增壓系統(tǒng)以柴油機(jī)低負(fù)荷為增壓器匹配點(diǎn)，對(duì)于無(wú)法兼顧的高負(fù)荷區(qū)，通過(guò)翻開(kāi)廢氣旁通閥，釋放多余廢氣。這種系統(tǒng)由于承受較小的廢氣流通截面，能改善柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的經(jīng)濟(jì)性、排放性能以及瞬態(tài)響應(yīng)。另外柴油機(jī)在高負(fù)荷時(shí)的進(jìn)氣壓力由廢氣旁通閥調(diào)整，這就解決了因渦輪通流面積過(guò)小而導(dǎo)致的高負(fù)荷區(qū)增壓壓力過(guò)大而引起的爆壓過(guò)高、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷過(guò)高等問(wèn)題。車(chē)用渦輪增壓技術(shù)的特征5點(diǎn)特征：小型化在發(fā)動(dòng)機(jī)重量及體積增加很少的狀況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要做重大轉(zhuǎn)變，即很簡(jiǎn)潔提高功率20% 50%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)越明顯。高增壓時(shí)，功率提高甚至可大于100%因此，承受渦輪增壓技術(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、輕量化和降低成本有巨大的吸引力。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)的穎空氣進(jìn)展壓縮，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)1.65L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［2］。環(huán)保CO2的排放量。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)分的。對(duì)汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，由于過(guò)量空氣系數(shù)接近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)原來(lái)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超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CO燃燒溫度上升，燃燒室的化學(xué)反響更趨猛烈，HC化合物的排放也會(huì)降低。但吸入氣缸NOx的排放量增加。因增壓柴油機(jī)能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，有可放棄局部在燃油經(jīng)濟(jì)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N0x80%90%，比油耗改善16%高原功率補(bǔ)償在高原條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸進(jìn)氣流量削減，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，承受渦輪增壓技術(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。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)的潛力和不同目的的需求，人們爭(zhēng)論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)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)〔SCA2BY〕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［3］。2.4理念型的廢氣渦輪增壓器以提高牢靠性、可修理性和經(jīng)濟(jì)性為重點(diǎn)，承受整體集成設(shè)計(jì)結(jié)合先進(jìn)的材料使增壓器提高了效率，削減了系統(tǒng)的零部件，簡(jiǎn)化了在機(jī)器上的安裝，延長(zhǎng)了大修間隔期，削減了修理工作量及修理工時(shí)，保證在整個(gè)壽命周期更低的運(yùn)行本錢(qián)。渦輪增壓技術(shù)的進(jìn)展與增壓柴油機(jī)將來(lái)進(jìn)展的要求親熱相關(guān)其主要聽(tīng)從于將來(lái)的排放法規(guī)要求和進(jìn)一步降低燃油消耗，渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)有更高的熱效率；在增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配上有可能承受電子掌握系統(tǒng)，使增壓系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況內(nèi)實(shí)現(xiàn)最正確匹配；對(duì)車(chē)用渦輪增壓器將要求尺寸更小，質(zhì)量更輕，效率更高，同時(shí)要求增壓器有良好的牢靠性，并可按發(fā)動(dòng)機(jī)工況要求進(jìn)展調(diào)整。3展望優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、廢氣增壓技術(shù)和排氣后處理技術(shù)等，才能極大地提高內(nèi)燃機(jī)的綜合性n標(biāo)準(zhǔn)要匹配良好的渦輪增壓器并帶放氣閥；歐田標(biāo)準(zhǔn)要承受可變噴嘴渦輪增壓器；歐田標(biāo)準(zhǔn)以上則要使用電控可變噴嘴渦輪增壓器渦輪增壓技術(shù)的進(jìn)展與增壓柴油機(jī)將來(lái)的進(jìn)展親熱相關(guān)，主要是滿(mǎn)足不斷嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和提高柴油機(jī)的全工況性能，連續(xù)往高增壓方向進(jìn)展，在高、中、低速柴油機(jī)的進(jìn)展都對(duì)增壓器提出更高的要求，而單級(jí)增壓受軸承及壓氣葉輪材料的限制，柴油機(jī)高增壓系統(tǒng)在今后會(huì)向兩級(jí)增壓器方向進(jìn)展。因此對(duì)于渦輪增壓器向效率高尺寸小，質(zhì)量輕，牢靠性高，長(zhǎng)壽命等方向進(jìn)展，增壓系統(tǒng)將在全工況范圍內(nèi)與柴油機(jī)良好匹配。隨著科技的進(jìn)步，將來(lái)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)將向部件更少、體積更小、轉(zhuǎn)速更高、壓縮比更優(yōu)的方向進(jìn)展。隨著耐高溫材料科技的進(jìn)展以及多種技術(shù)的應(yīng)用，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的引用也會(huì)越來(lái)越廣泛，從汽車(chē)進(jìn)展中可以覺(jué)察，小型化+小排量的增壓車(chē)將成為主流另外，國(guó)家進(jìn)展改革委修訂的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)名目〔2023年本〕》明確了汽油機(jī)增壓器為汽車(chē)關(guān)鍵零部件，是汽車(chē)先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品，確定了增壓器將是將來(lái)汽車(chē)技術(shù)的主要進(jìn)展方向。個(gè)人認(rèn)為，在今后汽車(chē)節(jié)能減排的進(jìn)展道路上，增壓技術(shù)將會(huì)是各汽車(chē)主機(jī)廠的進(jìn)展方向，也將會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)上扮演重要角色。尤其是渦輪增壓十缸內(nèi)直噴和小型化+小排量的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。an(1)PsT-psT-peT-TtqT-PeTpsTfqiT-Ttqtet(2)NLTJ實(shí)現(xiàn)高原恢復(fù)功率降低燃油消耗率ee=r]i.4maT-“iTfr]et一樣排量機(jī)型，增壓機(jī)本錢(qián)低，提高材料的利用率改善排放〔7〕削減排氣噪聲〔排氣在渦輪中進(jìn)一步膨脹〕非增壓：排氣壓力=排氣壓力波+噪聲波增壓：排氣壓力-渦輪壓力-噪聲降低〔但壓氣機(jī)擴(kuò)壓器亦形成噪聲源〕8〕增壓后，壓縮終點(diǎn)的溫度和壓力增加，可縮短滯燃期，有利于降低燃燒噪聲?！?〕承受廢氣渦輪增壓：構(gòu)造簡(jiǎn)潔，安裝便利，技術(shù)適用性廣，從低速到高速、從二沖程到四沖程、大缸徑到小缸徑都可應(yīng)用。增壓的代價(jià)機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷增加，影響內(nèi)燃機(jī)的牢靠性；低速時(shí)排氣能量缺乏，使低速扭矩受到影響；在渦輪增壓器中，從排氣能量的傳遞到進(jìn)氣壓力的建立需要肯定時(shí)間，使加速性變差。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步優(yōu)化，受到增壓器和中冷器的限制。增壓器的問(wèn)題主要集中在材料、耐熱性能、潤(rùn)滑、效率等。中冷器要求體積小、效率高、質(zhì)量輕。100標(biāo)