涡轮增压技术及其应用研究现状

李洪敏

(黑龙江省道路运输管理局，黑龙江 哈尔滨 150036)

1 前言

汽车行业快速的发展不仅为人们出行带来了方便的同时也存在很多问题。能源的短缺的危机和汽车尾气排放带来的污染深刻警示我们在车辆设计中不仅要求达到舒适性，安全性、动力性的要求，更要重视车辆节能与减排的发展与研究。近几年发动机节能与减排的问题已成为各个汽车厂家关注的热点，国家也颁布了更加严格的排放法规。发动机的增压技术在降低燃料的消耗和控制尾气排放发挥了重要作用。发动机的增压原理是通过将更多的新鲜空气或燃油混合气压缩提高压力和密度并充入发动机气缸的一种方。增压技术可以改善发动机经济性、动力性和排放性，达到节约能源降低污染的效果，而且与同排量的汽车相比较，装有增压发动机的汽车的动力性相当于更加大排量的无增压装置的汽车。所以我们在满足动力性的前提下，增压发动机可以适当减小发动机的尺寸，所以增压技术有很大的意义和前景。

随着汽车行业的发展，人对汽车的性能要求更加严格。要满足汽车能够达到足够快的速度，就需求的发动机的功率和扭矩更大，而发动机的增压技术就是解决这一问题的有效方法之一。发动机的增压技术已经十分成熟。增压技术已经普遍的应用到车辆上，国内外的车辆大部都应用了增压技术，并且各大汽车主机厂都在加快汽油机增压技术的开发应用。

国内外重型汽车几乎全部都采用柴油发动机，并且绝大多数采用涡轮增压技术或者涡轮增压中冷技术。轻型的汽车和轿车也有相当数量的增压柴油机应用。增压中冷技术能够显著的挺高功率密度、降低排放和改善燃油经济性。与1980年以前的机型相比，目前重型柴油机的功率密度已提高了100%，燃油经济性提高了65%，NOx和微粒的排放量分别降低了80%和90%。

目前，国际上专业的大功率中高柴油机涡轮增压器设计和制造企业有ABB、MAN以及三菱。ABB公司的产品更加成熟、可靠，产品的系列更加丰富。MAN公司也有许多先进的增压技术，例如2004年之后相继开发的TCL，TCA系列的增压器。这几款增压器能够达到很高的增压标准，技术上成熟。三菱公司也先后推出SRC、SRH、SE、MA等系列产品。

2 涡轮增压技术的介绍

涡轮增压器是通过对进入气缸的的空气或可燃混合气进行压缩，达到提高空气压力和密度的效果，并将拥有一定压力和密度的空气送入气缸，从而提高发动机的充气效率。发动机的增压器的主要部分是壳体，涡轮、导轮。涡轮安置在发动机的排气口，导轮安置在发动机的进气口，通过发动机排放的废气带动涡轮运转，由于涡轮与导轮同轴刚性连接，涡轮会带动导轮工作，从而导轮将进气口的空气进行压缩并输入气缸。通过增加发动机的进气量，会使更多的燃料充分燃烧，使发动机输出更高的转速和功率。排气涡轮增压就是将废气的能量作用到涡轮上，从而达到驱动压气机工作的增压方式。废气涡轮有其工作优点，它能够在不消耗发动机的功率的前提下，挺高充气效率，而且涡轮有一定的消声效果，且位置可以自由布置。有上述可知，废气涡轮增压在汽车节能减排上有重要的意义。由其结构简单，增压效果良好，废气涡轮增压技术在增压技术方面运用最为广泛。

目前国内可以买到的原装搭载涡轮增压系统，如大众的帕萨特1.8T、宝来 1.8T；国产的奥迪A6L 2.0T、A4 1.8T等等。国外有车型如SAAB的9-3、9-5，VOLVO的XC902.9T等等。还有一些日本的高性能跑车，其中最具代表性的就有：日产的SKYLINE GT-R、三菱枪骑兵EVOLUTION、斯巴鲁、翼豹、丰田SUPRA，以及马自达的RX-7等。1998年，萨博Saab 9-3汽车中是萨博汽车中首辆柴油涡轮增压的汽车。

涡轮增压可以有效的提高发动机功率和扭矩而不增加其排量，这是涡轮增压技术最大的优点。但是在大幅度加油门提高马力的动作与叶轮转动增加进气量以及发动机动力增加之间会存在较长的时间差，就会造成涡轮增压动力输出反应滞后的问题，这是叶轮存在惯性作用导致与油门骤时变化不能同步造成的。一般涡轮增压在经过改良之后的滞后时间也至少需要2 s左右，这种滞后不仅存在于加速情况下，在减速的时候也会存在滞后的问题。当发动机在低速工况运转时如果突然加速，这种滞后就会因为瞬时速度提不上而非常明显。除了滞后的问题，发动机在低速工况下运转时涡轮增压几乎没有起到作用，因为为了降低气缸发热，涡轮增压发动机的压缩比会比自然吸气发动机的压缩比降低，有些会低于6∶51，这就会削弱涡轮发动机的动力输出。因为涡轮发动机适合在高速工况下工作，而且其涡轮端部的工作温度一般在600 ℃以上，对机油的要求会有所提高，这就会增加涡轮发动机的维修保养成本。

3 电辅助增压废气涡轮增压系统

20世纪末美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)与底特律柴油机公司(Detroit Diesel Corporation)合作开始从事电辅助涡轮增压器的研究，开展了用于电辅助涡轮增压器的高速永磁电机开发以及轴承结构的改进等方面的研究工作，通过计算仿真和相关试验得出电辅助涡轮增压技术可以明显改善增压发动机加速响应滞后现象。霍尼韦尔公司(Honeywell)是最早开始开展电辅助涡轮增压技术相关研究的制造商之一，在早期借助计算机模拟电辅助涡轮增压器性能的基础上，先后开发三代电辅助涡轮增压器样机进行试验研究。电辅助废气涡轮增压系统的应用证明它较普通的涡轮增压系统反应速度更快，响应更好。日本长冈技术科学大学的Toshihiko Noguchi和日本三菱重工的Yosuke Takata等研制出最高转速达220 000 r/min的电辅助涡轮增压器，为了缩小电动机/发电机尺寸以及保证整机的紧凑性而采用电机中置式，同时为了保证转子的结构强度，电机转子设计了碳纤维材料的加强结构。此外，应用电辅助废气涡轮增压的发动机扭矩较装有传统增压系统的发动机增加了17%以上。Caterpillar公司将发电机/电动机集成在涡轮增压器中部，并对电辅助涡轮增压器电机、轴承、压气机叶轮、涡轮等主要零部件进行了设计，选用转子外径较小的开关磁阻电机，轴承为角接触球轴承。通过转子动力学分析表明该设计使电辅助涡轮增压器转子系统具有良好的稳定性和动态响应。

国内对电辅助涡轮增压技术的研究相对与国外还处于起步阶段，目前许多增压器制造商和研究机构关注电辅助涡轮增压技术，有许多关于电辅助涡轮增压器的专利出现，提出了多种结构形式和减振装置。天津大学姚春德教授、北京理工大学李文祥博士进行了电动增压器的相关研究。国内对于电辅助涡轮增压器结构可靠性和转子系统稳定性方面研究甚少。

传统的增压器会在发动机的转速达到一定程度时，才会发挥增压作用，但是在低转速或特别高的转速下，增压器不能够良好的发挥作用。增压器在上述两种极限条件下不能与发动机良好的匹配，这就会明显的降低动力性、燃油经济性和排放性。基于发动机过高转速和较低转速时与增压器不匹配的问题，近几年关于发动机与增压器匹配的研究越来越多。电辅助废气涡轮增压系统就是解决增压发动机低速段和加速响应问题的技术之一。

电辅助增压废气涡轮增压系统由废气涡轮增压器与电动增压器组成，作为辅助增压器的电动增压器联合废气涡轮增压器对发动机的进气增压。当柴油机以低于最大转矩转速在加速工况初期工作时，为了提高加速初期的进气量从而解决此期间加速不良和冒黑烟的现象，电动增压器会工作较短的一段时间。根据电辅助增压废气涡轮增压系统的工作系统的构成可以分为电动增压器与废气涡轮增压器串联工作和电动增压器与废气涡轮增压器合为一体工作的两种系统。串联系统工作时，电动增压器安装在废气涡轮增压器的上游部分，以电控的电机为动力。在电动增压器工作时，其压气机与废气涡轮增压器的压气机组成串联工作系统，同时进行进气增压；在电动增压器不工作时，空气通过与其并联的空气管路直接进入废气涡轮增压器，此时柴油机的进气全部由废气涡轮增压器增压供给。一体系统工作时，电动增压器电机与废气涡轮增压器共用一轴，电动增压器处于废气涡轮增压器的中部，直接驱动废气涡轮增压器同时工作。

4 增压技术对油耗和成本的影响

工艺成本是指批量生产中新增零件的费用，涡轮增压比机械的成本要低。涡轮增压与电动机技术的综合运用会得到最好的效果，机械增压的瞬态响应速度要好与涡轮增压，但是它的成本和油耗都高于涡轮增压发动机。机械增压一般比较适合安装在具有较大缸体夹角的V型发动机上，因为这样的发动机具有较大可供选择的空间位置。涡轮增压可利用GDI和双VVT进一步提高其性能。为了进一步降低发动机的尺寸，涡轮增压与机械增压的联合使用是个比较好的办法，但是会使发动机成本增加很多，而且需要在机械增压系统上安装离合器。如果使用直接启停和再生制动系统，会更加促进涡轮增压与机械增压的联合应用。

5 结 论

(1)增压技术已普遍应用到国内外汽车发动机中，并且发挥了其良好性能，提高了汽车动力性、燃油经济性、排放性。

(2)增压器与发动机的匹配是增压技术中的研究重点，电辅助增压系统是能够解决发动机低速和加速时反应迟缓的重要研究。

(3)电辅助增压系统就是能够满足发动机要求的一项技术但在国内研究较少，仍待研究和改善。