车用发动机增压及拓宽涡轮增压器工作范围的技术动向

2012-09-25宫下和也

汽车与新动力 2012年3期

【日】宫下和也

0 前言

受累于2008年9月的雷曼事件，全球经济陷人低迷状态，一直以来发展顺利的汽车工业遭受重创，同时对涡轮增压器的发展也产生了不利影响。但从长远来看，即便对汽车的需求暂时跌人低谷，今后以中国、印度为首的发展中国家的汽车产业发展仍值得期待。与此同时，预计各国都将致力于混合动力车和电动汽车等技术的开发，以实现车用动力的多样化。同时，通过发展可再生能源及生物技术，实现燃料的多样化。因而，从发动机增压技术的观点来看，车用发动机未来的发展动向将是极为关键的。

即使将来混合动力车和电动汽车会占据一定的市场份额，但预计到2020年时，其产量仍将只占整个汽车产量的20%[1]，即便出现许多变数，截至本世纪前半期，内燃机依然将是主要的车用动力装置。另一方面，为了保护地球环境，随着减少二氧化碳（CO2）排放要求的提高，以及氮氧化物（NOx）和颗粒（PM）等相关排放法规限值的进一步收紧，发动机本身也会有较大的改进，预计对涡轮增压器的需求将会出现多样化的发展趋势。

为了提供给涡轮增压器设计人员阅读，基于近年来所发表的论文资料，简要介绍了当前涡轮增压发动机的发展，以及涡轮增压技术的研发动向。

1 发动机增压技术的动向

1.1 柴油车的排放对策

如图1 所示[2]，在过去的15 年中，世界各国对NOx和PM 的排放限值已作出了严格规定，与日本和美国相比，欧洲各国由于优先考虑了CO2的减排，所以对NOx的排放限值略为宽松。在欧洲，配装涡轮增压柴油机的乘用车大幅增加，可变截面涡轮增压器（图2）已得到普及。目前，自2009年起执行的后新长期排放法规，以及美国的第2阶段（Tier 2）第5级（Bin 5）排放法规在日本已告一段落，而到2014年，欧洲由于执行欧6 排放标准，其NOx排放限值将达到与日本和美国同等的水平。可以说，上述排放法规均要求柴油车达到与汽油车相同的废气净化水平，如图3所示，高压燃油喷射、高增压、高废气再循环（EGR）率、后处理装置等发动机系统的技术开发正在得到全面发展。而且，已在部分发动机上研究应用两级、三级或多级增压技术（图4）[5]。但是，这些废气净化装置也成为成本上升的主要原因，而在日本和美国，受经济不景气的影响，乘用车配装柴油机的技术发展也因此停滞不前，取而代之的是，混合动力车及电动汽车技术受到广泛关注。另一方面，在欧洲，柴油车依然占有优势，但根据欧6 排放标准，研究人员正在积极推进改善汽油车燃油经济性的技术研发工作。同时，继日本和美国之后，也在致力于混合动力车及电动汽车的研发工作，以进一步推进动力多样化的发展趋势。

1.2 减少汽油车的CO2排放

与柴油机相比，汽油机在使用三效催化装置后，可使其有害物排放达到较低的水平，但燃油经济性差已成为汽油机的最大缺点。尤其从地球气候变暖的观点来看，大量CO2排放已成为必须关注的问题。

在十几年前，汽油机已实现了燃油缸内直喷，同时几经周折，使抑制爆燃成为可能，汽油机应用增压技术，以及提高压缩比（10～12）的技术正在对提高汽油机的效率发挥极大的作用。此外，采用直喷技术后，汽油机可以通过利用过剩汽油冷却而无需燃油冷却系统，这就使理论空燃比或稀薄燃烧进人实用化阶段。图5是作者在二十几年前研究1 050℃级高温涡轮增压器时参考的理论空燃比燃烧的概念示思图[6]，当时判断，当空燃比在14.7附近，汽油机的燃油耗最低，同时达到最高的排气温度。虽然在当时曾认为实现这一要求为时尚早，但如今由于直喷技术的确立，已完全可以实现上述目标。

汽油机应用增压技术后，对降低CO2排放极为有效的发动机小型化措施已在欧洲推广，而随着汽油机排量的减小，要维持输出功率，就必须如图6所示提高增压压力[7]，这就要求改善涡轮增压器的低速性能。另外，在理论空燃比燃烧过程中，必须有应对涡轮增压器高温的对策；而在稀燃方式中，由于三效催化装置无法发挥效应，需要采用高成本的后处理装置。这些都是汽油机今后有待解决的问题。

对于CO2减排的另一个手段，即对燃用生物燃料的发动机来说，如要采用增压技术，乙醇系燃料将是较为合适的，因为这种燃料热值低，很有必要采用涡轮增压器，同时由于其辛烷值较高，不易发生爆燃，因而是值得期待的代用燃料。

2 拓宽涡轮增压器的工作范围

2.1 改善可变截面涡轮增压器的效率

为了降低柴油机的PM 排放，同时又降低NOx排放，采用了EGR 技术，并运用了可变截面涡轮增压器。如图7所示，可变截面涡轮增压器[3]可在相当于5倍排气流量变化的宽广范围内保持稳定的效率，但在喷嘴微开时，必须将从排气通道周边缝隙的泄漏损失控制在最小程度，为此在部分装置上采取了增加密封垫圈的措施。另外，在喷嘴全开状态下，由于要求减少圆周方向的压力波动，因此将喷嘴形状由直线形改为曲线形[8]。

为了在高速、高负荷区域避免叶轮叶片固有振动频率与喷嘴激振频率的共振，运用计算流体动力学和有限元法优化了叶片的厚度和形状，确保了涡轮增压器的高效率[9]。

在采用超级耐热合金材料制造涡轮增压器叶轮的过程中，由于受成本（采用失蜡精密铸造法）的制约，要制成优先考虑到空气动力学性能的三维形状是较为困难的，但最近，由于较重视涡轮的低速性能，正在研究采用在低速比（U/C＜0.5）区域可获得高效率的后掠式叶片[10]，以替代传统的径向叶片。此外，对于混流式涡轮的可变喷嘴，也在考虑采用直边形喷嘴（图8（a））或倾斜形喷嘴（图8（b））。曾有试验报告称，当采用直边形喷嘴时，由于喷嘴与叶轮之间的轮毂侧产生空隙，当喷嘴开度较小时，涡流增强，稳定流的流量及效率有些降低，但脉动气流反而增强（图9）。

另一方面，排气温度较高的汽油机用涡轮增压器至今仍沿用废气放气阀方式，而能耐受高排气温度的可变截面涡轮的应用尚有待时日。

2.2 多级涡轮增压的新技术

对于图4所示多级涡轮增压来说，尚有待解决安装空间上的问题，但柴油机采用该系统可实现高增压，并且能有效确保发动机的低速性能。通过串/并联切换容量不同的涡轮，在柴油机低速到高速的宽广范围内，可快速提高顺序增压的效果。

为了改善响应性，除多级涡轮增压之外，各公司也推出了内置电动机的涡轮增压器，预计今后将会得到广泛应用。

多级涡轮增压的目的是要实现高增压，这是为了在提高EGR 率的同时，确保发动机的输出功率。一旦压气机的压比超过4，则会因为单级涡轮增压的离心力强度增大而难以再拓宽工作范围，所以要求能采用结构紧凑的多级涡轮增压。

2.3 耐高温的涡轮增压器

与拓宽增压器工作范围的观点不同，汽油机的直喷理论空燃比燃烧是降低燃油耗的一种方法。在这种情形下，涡轮增压器进口的排气温度将会达到1 050℃，比目前排温高100℃以上，所以，必须提高废气涡轮增压器的耐高温能力。尤其在材料方面，在重视高温蠕变强度的涡轮叶轮上，应用了比传统的镍铬铁耐热合金Inconel材料具有更高耐热性的Mar-M 材料；而在注重高温氧化和热疲劳强度的涡壳上，应用25Cr-20Ni系奥氏体铸钢材料，替代了原来的铸铁材料。为此，各制造商在考虑到量产性能与成本的同时，展开了相应的研发工作。

3 拓宽压气机的工作范围

3.1 拓宽压气机工作范围的迫切需求

与船用及工业用发动机的涡轮增压器不同，车用发动机的涡轮增压器运行中的工作点在压气机可使用的整个区域内会随机变动。此外，在稳态运转时，进气由于伴有脉动，会出现如图10 所示工作点围绕压气机喘振线发生波动的现象。

此外，发动机排量越小，也就越有必要提高增压压力，同时，随着可变截面涡轮低速性能的提高，压气机工作点会越发靠近喘振线，所以，从这一点来看，拓宽压气机工作范围也就思味着必须采取防止喘振的对策。防止喘振的对策主要是在涡轮增压器的压气机上实施，但进气道形状及叶轮布置也会对喘振产生影响，所以要求从多方面来实施优化工作。

3.2 拓宽涡轮增压器的工作范围

对于拓宽涡轮增压器工作范围来说，后掠式叶轮、涡壳处理、进气口可变叶片都是重要的技术措施。其中，后掠式叶轮不仅可改善压气机的喘振，而且对提高效率也极为有效。近年来，随着离心应力分析技术的发展，已开始出现后掠角超过40°的叶轮，甚至有文献报道称采用了48°的后掠角，但其技术细节尚未公开。

涡壳处理技术被应用于车用发动机涡轮增压器已有20多年，其间经历了种种改进。尤其是如图11所示，对再循环废气流与叶轮旋转方向反向流动的反向涡流方式极具改善效果。

虽然进气口可变叶片技术一直被认为并不适用于低成本的车用发动机涡轮增压器，但最近为满足拓宽压气机工作范围的迫切需求，利用图12所示模型进行试验，已确认喘振线正向小流量侧移动。图13是其中的1个实例，当叶片角度为80°时，流量减少40%。另外，也尝试了诸如扩散器幅度可变方式等技术，在拓宽压气机工作范围方面，实施了各项技术研发工作。

3.3 通过优化进气道形状拓宽工作范围

除在压气机上采取优化措施外，还可以通过进气道形状优化及布置双吸人叶轮，使喘振线更靠近小流量侧。

图14对涡轮增压器试验台试验结果与配装发动机后受实际配管影响的压气机性能图进行了比较。由图14可知，将涡轮增压器配装发动机后，喘振线确实向小流量侧靠近。这被认为是由于带有急剧弯曲的进气道内气流发生偏移及剥离现象，导致通道变得狭窄，使弱喘振区域扩大。研究人员将这一现象视作为进气畸变的影响进行相关的研究，当然，这同时也存在效率降低的问题。

作为增大容量的另一种方法，如图15 所示，可采用背靠背的2个压气机叶轮的方案。试验结果证实，该方案能在流量增大的同时，使喘振线不发生变化。图16为性能脉谱图，当2个叶轮中的1个进人喘振区域，则流量将会集中到另一个叶轮，这样就能使整体运行停留在弱喘振区域。

虽然在上述弱喘振区域长时间的运转并不令人满思，但由于工作点的变动，过渡性地进人弱喘振区域被认为是可接受的。根据这一现象，通过改善进气道设计，有可能避免强烈喘振现象的发生。