车用涡轮增压技术的研究现状与发展前景

1、车用涡轮增压技术的现状与开展前景摘要：涡轮增压技术从提出至今， 已有百年的历史，经过不断地改良与完善， 它已被广泛应 用于各个工业领域，特别是汽车行业。鉴于该技术的重要性，本文的主旨就在于通过深入探 讨涡轮增压技术在汽车行业的运用，从而对该技术的现状进行根本归纳与总结。为此，本文首先回忆了车用涡轮增压技术的开展历程，随后通过重点介绍当前车用涡轮增压器在技术、 工艺和材料等方面取得的成果。对该技术的开展现状做出归纳总结，进而对涡轮增压技术在汽车行业的未来开展方向进行根本展望。关键词：涡轮增压技术、车用涡轮增压技术、涡轮增压器、爆震0引言自涡轮增压技术概念提出至今已有白年时间了，在这白年的时间里，

2、涡轮增 压技术经历了轴流式、径流式、混流式及配置放气阀、电机等自身的不断改良， 其在航天、航海及陆地机械上得到了广泛的应用。特别是车辆的广泛应用及当前人们对车辆节能、功率和环保要求的不断提高，为车用涡轮增压技术的应用、发 展和进步提供了广阔的空间和需求。l汽油机废气涡轮增压研究意义增压技术首先在柴油机领域得到开展，目前工业兴旺国家大中功率柴油机已全部采用增压技术，中小型车用柴油机增压也达80%。汽油机增压的开展相对 较晚，技术水平也落后于柴油机。20世纪70年代末国外汽油机开始逐渐采用增压 技术，并得到了迅速的开展和完善，1990年美国生产的汽油机已有1/4采用了 增压技术，1992年国际市场

3、上出售的汽油机有15%采用增压技术，目前国外的汽 油机增压正处于完善和推广应用阶段。内燃机增压的先进技术主要集中于美国、 德国和日本。相对于柴油机而言，汽油机在小排量，尤其是轿车发动机领域，有其独特的应用优势及地位，所以汽油机的增压研究对于节约能源及提高汽车 性能都具有重要意义。2汽油机废气涡轮增压研究现状汽油机增压的开展相对较晚，技术水平也落后于柴油机。我国2 0世纪70年代末开始研究汽油机增压，并在CA-10B和DG26100-1如型上取得成功。20世纪80年代末，活华、西安交大等几家高等院校和内燃机厂也相继对49ZQ气油机进行 增压研究1。作为汽油机增压，除提高功率扭矩，还用于高原上恢复

4、功率。由 于受爆震的影响和热负荷的限制，增压度都不高，性能也不够完善，实际应用很少。到2001年，只有少数车型采用增压，还没有国产车型。现在，国内已开发出轿车用增压柴油机和汽油机产品，如帕萨特-领驭1.8T、群众-速腾1. 8T、奥迪A6L 2.0T等均采用了涡轮增压技术。国内一些著名公司和院校都非常重视发动机与增压器匹配的研究。中科院工程热物理所、活华大学、燃气涡轮研究所通过可变喷嘴涡轮器与发 动机的匹配试验测得增压压力和排气压力值，结合发动机结构参数，计算了发动 机的流通特性，建立了可变喷嘴增压器与发动机的联合工作曲线2。对联合工作曲线的分析说明：设计的可变喷嘴涡轮增压器与发动机匹配良好，

5、不会出现喘振和阻塞。由群众集团主产的、世界上首台涡轮增压直喷汽油发动机已于2005问世。这款2.0L FSI Fuel Stratified Injection，燃料分层喷射发动机适用于群众集团生产制造的诸多车型如奥迪：A3 A4 A6ffi高尔夫GTI等。2.0L FSI被评为“2005最有影响力的发动机。结合涡轮增压，FSI拥有能行高和油耗低的特点3。据报道，欧洲的汽车制造商和零部件供给商正在将汽油机涡轮增压器视为降 低排放的有效武器，有望使该产品在欧洲的需求剧增。 通过引入涡轮增压器，汽 车制造商可以提供较小排量的汽油机。 与现有的同类产品相比，这种发动机的性 能持平或更高，而油耗量较低

6、；加上车辆质量的减轻，可帮助欧洲的汽车制造商 实现他们对欧盟的保证，即2021年，车辆的二氧化碳平均值为163 g/km博格华 纳公司和霍尼韦尔公司希望到201洗，欧洲的汽油机中大概有25%为涡轮增压发 动机4。发动机采用固定喷嘴涡轮增压器时，由于涡轮增压器不能控制调节，因此很 难在高速和低速工况下都得到比拟满意的结果； 此外增压器的瞬态响应特性不好0因而发动机的动态特性也难以提高。为改良增压器的性能，人们采用了减小增 压器转动惯量，加废气放气阀，采用可变喷嘴涡轮增压器等改良措施。在各种改 进方法中，采用可变喷嘴涡轮增压器的方法对增压器和内燃机性能的改善最明显5,6。电控可变喷嘴涡轮增压器与发

7、动机的匹配工作，主要是找出在发动机运行的 各种稳态或瞬态工况下可变喷嘴涡轮增压器的最正确开度。这就需要验证步进电机 在各种工况下的适应能力，优化电控系统的某些控制参数，如闭环控制的压力MPA图，开环控制的步数MPAB等，从而使可变喷嘴涡轮增压器电控系统的控制与发 动机的工况变化相协调，充分提高发动机的性能F提高燃油经济性F降卑微粒和NO婢有害排放物的排放7。3车用涡轮增压技术的特征总体来说，当今的车用涡轮增压技术主要具有以下5点特征：1小型化在发动机重量及体积增加很少的情况下， 发动机不需要做重大改变，即很容易 提高功率20%-25%由于不像机械增压时压比受到限制， 故近年来高增压的趋势 越来

8、越明显。高增压时，功率提高甚至可大于100%因此，采用涡轮增压技术，可在功率保持不变 的前提下，大大降低发动机的整体尺寸，这对发动机及车辆的小型化、 轻量化和 降低本钱有巨大的吸引力。2节能涡轮增压器的原理是利用发动机排放的废气来驱动涡轮机，涡轮机转动来带动 同轴的压气机工作，压气机对将进入发动机的新鲜空气进行压缩，从而增加发动机的进气量，提高发动机的功率、机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后耗油 率可降低5%-10%因此我们能用小功率的带涡轮增压器的发动机来代替大功率的 自然吸气的发动机，从而到达节能的目的。一台1.6L排量的增压发动机的功率等 于一台3.78L排量的非增压发动机的功率8。3

9、环保涡轮增压器能够使发动机节能，必将降低发动机有害气体和CO2勺排放量。但增压在汽油机和柴油机对排放的影响是有所区别的。对汽油机来说，由于过量空气系数接近于1,增压对汽油机排放的影响局限于节能局部。柴油机的过量空气 系数本来就远远超过1,增压使柴油机的过量空气系数进一步提高，对排放产生了明显的影响。假设 把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机，因其空气供给充足，碳烟和CO的排放大幅度减少；由于燃烧充分，燃烧温度升高，燃烧室的化学反响更趋强烈，H砒合物的排放也会降低。但吸入气缸的空气量增加和 燃烧室温度升高，使平均有效NOX勺排放量增加。因增压柴油机能提高燃油经济 性，有时可放弃局部在燃油经济

10、性的好处来换取全面降低排放。同时，提高了充量温度，缩短了滞燃期，降低了燃烧噪声。这可使重型柴油机NO蜂低80泌粒减90% ,比油耗改善16%。4)高原功率补偿在高原条件下，发动机气缸进气流量减少，降低了含氧量，使燃烧过程恶化，后 燃现象加重，燃烧持续期延长，冒烟加重。为了更好地组织燃烧，提高氧的利用 率，采用涡轮增压技术，提高发动机的进气量，补偿因 进气缺乏而损失的功率。5)涡轮增压器与发动机多种匹配方式为了最大限度地发挥涡轮增压技术的潜力和不同为了最大限度地发挥涡轮增压技术的潜力和不同目的的需求， 人们研究 出了多种涡轮增压器与发动机的匹配方案。有高工况放气系统、低工况进排气旁 通系统、可调

11、涡轮喷嘴截面增压系统、电动放气涡轮增压系统、增压转换系统和 带电机的涡轮增压器。此外，还有超高增压系统(HYPERBAR扫气旁通系统(SCA-BY及谐振复合增压系统等，这些在中、小功率车用柴油机上应用不多9。归纳起来涡轮增压应用在汽油机上有以下一系列优点：(1)提高发动机的功率(2)提高发动机的低俗扭转特性(3)提高发动机的燃油经济性(4)降低了发动机的有害气体排放(5)降低发动机的噪声值(6)降低了发动机的结构比重量4涡轮增压技术的开展趋势近年来，在普通涡轮增压系统的根底上，世界各国竞相开展新的高增压和超 高增压系统，取得的进展是十分惊人的，这充分说明了增压系统开展的无比强大 的生命力。目前

12、这种开展势头还很猛，其前景很宽广，沿着这个趋势开展下去可 能将导致发动机领域内乂一次革命。应该成认，这是内燃机领域内的一项高技术， 一旦在高增压和超高增压系统方面取得突破就会带动整个增压系统的提高。我们应该密切关注这项高技术的开展， 并结合我国的实际情况，创造出适合我国特色 的高增压和超高增压系统。4.1高增压和超高增压系统的标志一般是：压比大于3.5,平均有效压力大于2.0MPa,显然，在普通涡轮增压系统的条件下是无法实现的。开展高增压和超高增压系统的目标，乃是发动机的机械负荷和热负荷在现有工艺、材料允许的条 件下，如何用增压压力的方法来增大平均有效压力， 同时乂使发动机的启动性能， 经济性

13、能、低负荷运转性能的下降不多，或者有所改善。目前各国开展起来的名 目繁多的各种高增压、超高增系统是各具特色。4.2复合增压系统：废气涡轮增压和机械增压并用，机械增压有助于低转速 的扭力输出，但是高转速是功率输出有限；而废气涡轮增压在高转速时拥有强大 的功率输出，但低转速时那么力不从心。发动机的设计师们于是就设想把机械增压 和涡轮增压结合在一起，来解决两种技术各自的缺乏，同时解决低速扭矩和高速 功率输出的问题。这种装置在大功率柴油机上采用比拟多， 汽油机上采用复合增 压子系统的车型还比拟少，群众的1.4 TSI发动机采用了这一系统。其发动机输 出功率大，燃油消耗率低、噪声小、只是结构太复杂，技术

14、含量高，维修保养不 容易，现在还难以普及10。不过这是一个可以肯定的群众趋势。其开展趋势可归纳为：1性能的进一步提高2结构进一步简化和小型化，可靠性和耐热性的不断提高3可调增压器的完善和采用陶瓷涡轮参考文献：1孔繁伟，李明海，张岩.改良燃油喷射系统，降低柴油机有害排J .内燃机车，2005,.2杜愎刚，朱会田，许力.车用柴油机排放控制现状与技术进展J.内燃机工程，2004,(3)3资新运，郭锋，姜大海.车用柴油机排放控制进展J.环境科学保护，2005, (6),4资新运，李新.低温等离子体去除柴油机微粒与NO别研究D.学位论文，2006.5 Franklin PC , Walsham BE.

15、Variable Geometry Turbochangers in the FieldA.Inst of Mechanical Engineers .Third International Conference on Turbocharging and TurbochargersC.London :Inst of Mechanical Engineers,1986.241-250.6 Ogawa H ,Hayash M ,Yashiro M .重型货车可调喷嘴涡轮增压系统连续反响控制的开展J.车用发动机，1998, (1): 9-15.7 Wallace F J. Howard D,Roberts E. Variable Geometry Turbocharging-Optimization and Control Under SteadyState Condition A.Inst of Mechanical Engin