車用發(fā)動機(jī)增壓及拓寬渦輪增壓器工作范圍的技術(shù)動向

【日】 宮下和也

0 前言

受累于2008年9月的雷曼事件，全球經(jīng)濟(jì)陷人低迷狀態(tài)，一直以來發(fā)展順利的汽車工業(yè)遭受重創(chuàng)，同時對渦輪增壓器的發(fā)展也產(chǎn)生了不利影響。但從長遠(yuǎn)來看，即便對汽車的需求暫時跌人低谷，今后以中國、印度為首的發(fā)展中國家的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍值得期待。與此同時，預(yù)計各國都將致力于混合動力車和電動汽車等技術(shù)的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)車用動力的多樣化。同時，通過發(fā)展可再生能源及生物技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃料的多樣化。因而，從發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)的觀點(diǎn)來看，車用發(fā)動機(jī)未來的發(fā)展動向?qū)⑹菢O為關(guān)鍵的。

即使將來混合動力車和電動汽車會占據(jù)一定的市場份額，但預(yù)計到2020年時，其產(chǎn)量仍將只占整個汽車產(chǎn)量的20%[1]，即便出現(xiàn)許多變數(shù)，截至本世紀(jì)前半期，內(nèi)燃機(jī)依然將是主要的車用動力裝置。另一方面，為了保護(hù)地球環(huán)境，隨著減少二氧化碳（CO2）排放要求的提高，以及氮氧化物（NOx）和顆粒（PM）等相關(guān)排放法規(guī)限值的進(jìn)一步收緊，發(fā)動機(jī)本身也會有較大的改進(jìn)，預(yù)計對渦輪增壓器的需求將會出現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢。

為了提供給渦輪增壓器設(shè)計人員閱讀，基于近年來所發(fā)表的論文資料，簡要介紹了當(dāng)前渦輪增壓發(fā)動機(jī)的發(fā)展，以及渦輪增壓技術(shù)的研發(fā)動向。

1 發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)的動向

1.1 柴油車的排放對策

如圖1 所示[2]，在過去的15 年中，世界各國對NOx和PM 的排放限值已作出了嚴(yán)格規(guī)定，與日本和美國相比，歐洲各國由于優(yōu)先考慮了CO2的減排，所以對NOx的排放限值略為寬松。在歐洲，配裝渦輪增壓柴油機(jī)的乘用車大幅增加，可變截面渦輪增壓器（圖2）已得到普及。目前，自2009年起執(zhí)行的后新長期排放法規(guī)，以及美國的第2階段（Tier 2）第5級（Bin 5）排放法規(guī)在日本已告一段落，而到2014年，歐洲由于執(zhí)行歐6 排放標(biāo)準(zhǔn)，其NOx排放限值將達(dá)到與日本和美國同等的水平?？梢哉f，上述排放法規(guī)均要求柴油車達(dá)到與汽油車相同的廢氣凈化水平，如圖3所示，高壓燃油噴射、高增壓、高廢氣再循環(huán)（EGR）率、后處理裝置等發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)正在得到全面發(fā)展。而且，已在部分發(fā)動機(jī)上研究應(yīng)用兩級、三級或多級增壓技術(shù)（圖4）[5]。但是，這些廢氣凈化裝置也成為成本上升的主要原因，而在日本和美國，受經(jīng)濟(jì)不景氣的影響，乘用車配裝柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展也因此停滯不前，取而代之的是，混合動力車及電動汽車技術(shù)受到廣泛關(guān)注。另一方面，在歐洲，柴油車依然占有優(yōu)勢，但根據(jù)歐6 排放標(biāo)準(zhǔn)，研究人員正在積極推進(jìn)改善汽油車燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)研發(fā)工作。同時，繼日本和美國之后，也在致力于混合動力車及電動汽車的研發(fā)工作，以進(jìn)一步推進(jìn)動力多樣化的發(fā)展趨勢。

1.2 減少汽油車的CO2排放

與柴油機(jī)相比，汽油機(jī)在使用三效催化裝置后，可使其有害物排放達(dá)到較低的水平，但燃油經(jīng)濟(jì)性差已成為汽油機(jī)的最大缺點(diǎn)。尤其從地球氣候變暖的觀點(diǎn)來看，大量CO2排放已成為必須關(guān)注的問題。

在十幾年前，汽油機(jī)已實(shí)現(xiàn)了燃油缸內(nèi)直噴，同時幾經(jīng)周折，使抑制爆燃成為可能，汽油機(jī)應(yīng)用增壓技術(shù)，以及提高壓縮比（10～12）的技術(shù)正在對提高汽油機(jī)的效率發(fā)揮極大的作用。此外，采用直噴技術(shù)后，汽油機(jī)可以通過利用過剩汽油冷卻而無需燃油冷卻系統(tǒng)，這就使理論空燃比或稀薄燃燒進(jìn)人實(shí)用化階段。圖5是作者在二十幾年前研究1 050℃級高溫渦輪增壓器時參考的理論空燃比燃燒的概念示思圖[6]，當(dāng)時判斷，當(dāng)空燃比在14.7附近，汽油機(jī)的燃油耗最低，同時達(dá)到最高的排氣溫度。雖然在當(dāng)時曾認(rèn)為實(shí)現(xiàn)這一要求為時尚早，但如今由于直噴技術(shù)的確立，已完全可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

汽油機(jī)應(yīng)用增壓技術(shù)后，對降低CO2排放極為有效的發(fā)動機(jī)小型化措施已在歐洲推廣，而隨著汽油機(jī)排量的減小，要維持輸出功率，就必須如圖6所示提高增壓壓力[7]，這就要求改善渦輪增壓器的低速性能。另外，在理論空燃比燃燒過程中，必須有應(yīng)對渦輪增壓器高溫的對策；而在稀燃方式中，由于三效催化裝置無法發(fā)揮效應(yīng)，需要采用高成本的后處理裝置。這些都是汽油機(jī)今后有待解決的問題。

對于CO2減排的另一個手段，即對燃用生物燃料的發(fā)動機(jī)來說，如要采用增壓技術(shù)，乙醇系燃料將是較為合適的，因?yàn)檫@種燃料熱值低，很有必要采用渦輪增壓器，同時由于其辛烷值較高，不易發(fā)生爆燃，因而是值得期待的代用燃料。

2 拓寬渦輪增壓器的工作范圍

2.1 改善可變截面渦輪增壓器的效率

為了降低柴油機(jī)的PM 排放，同時又降低NOx排放，采用了EGR 技術(shù)，并運(yùn)用了可變截面渦輪增壓器。如圖7所示，可變截面渦輪增壓器[3]可在相當(dāng)于5倍排氣流量變化的寬廣范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的效率，但在噴嘴微開時，必須將從排氣通道周邊縫隙的泄漏損失控制在最小程度，為此在部分裝置上采取了增加密封墊圈的措施。另外，在噴嘴全開狀態(tài)下，由于要求減少圓周方向的壓力波動，因此將噴嘴形狀由直線形改為曲線形[8]。

為了在高速、高負(fù)荷區(qū)域避免葉輪葉片固有振動頻率與噴嘴激振頻率的共振，運(yùn)用計算流體動力學(xué)和有限元法優(yōu)化了葉片的厚度和形狀，確保了渦輪增壓器的高效率[9]。

在采用超級耐熱合金材料制造渦輪增壓器葉輪的過程中，由于受成本（采用失蠟精密鑄造法）的制約，要制成優(yōu)先考慮到空氣動力學(xué)性能的三維形狀是較為困難的，但最近，由于較重視渦輪的低速性能，正在研究采用在低速比（U/C＜0.5）區(qū)域可獲得高效率的后掠式葉片[10]，以替代傳統(tǒng)的徑向葉片。此外，對于混流式渦輪的可變噴嘴，也在考慮采用直邊形噴嘴（圖8（a））或傾斜形噴嘴（圖8（b））。曾有試驗(yàn)報告稱，當(dāng)采用直邊形噴嘴時，由于噴嘴與葉輪之間的輪轂側(cè)產(chǎn)生空隙，當(dāng)噴嘴開度較小時，渦流增強(qiáng)，穩(wěn)定流的流量及效率有些降低，但脈動氣流反而增強(qiáng)（圖9）。

另一方面，排氣溫度較高的汽油機(jī)用渦輪增壓器至今仍沿用廢氣放氣閥方式，而能耐受高排氣溫度的可變截面渦輪的應(yīng)用尚有待時日。

2.2 多級渦輪增壓的新技術(shù)

對于圖4所示多級渦輪增壓來說，尚有待解決安裝空間上的問題，但柴油機(jī)采用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高增壓，并且能有效確保發(fā)動機(jī)的低速性能。通過串/并聯(lián)切換容量不同的渦輪，在柴油機(jī)低速到高速的寬廣范圍內(nèi)，可快速提高順序增壓的效果。

為了改善響應(yīng)性，除多級渦輪增壓之外，各公司也推出了內(nèi)置電動機(jī)的渦輪增壓器，預(yù)計今后將會得到廣泛應(yīng)用。

多級渦輪增壓的目的是要實(shí)現(xiàn)高增壓，這是為了在提高EGR 率的同時，確保發(fā)動機(jī)的輸出功率。一旦壓氣機(jī)的壓比超過4，則會因?yàn)閱渭墱u輪增壓的離心力強(qiáng)度增大而難以再拓寬工作范圍，所以要求能采用結(jié)構(gòu)緊湊的多級渦輪增壓。

2.3 耐高溫的渦輪增壓器

與拓寬增壓器工作范圍的觀點(diǎn)不同，汽油機(jī)的直噴理論空燃比燃燒是降低燃油耗的一種方法。在這種情形下，渦輪增壓器進(jìn)口的排氣溫度將會達(dá)到1 050℃，比目前排溫高100℃以上，所以，必須提高廢氣渦輪增壓器的耐高溫能力。尤其在材料方面，在重視高溫蠕變強(qiáng)度的渦輪葉輪上，應(yīng)用了比傳統(tǒng)的鎳鉻鐵耐熱合金Inconel材料具有更高耐熱性的Mar-M 材料；而在注重高溫氧化和熱疲勞強(qiáng)度的渦殼上，應(yīng)用25Cr-20Ni系奧氏體鑄鋼材料，替代了原來的鑄鐵材料。為此，各制造商在考慮到量產(chǎn)性能與成本的同時，展開了相應(yīng)的研發(fā)工作。

3 拓寬壓氣機(jī)的工作范圍

3.1 拓寬壓氣機(jī)工作范圍的迫切需求

與船用及工業(yè)用發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器不同，車用發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器運(yùn)行中的工作點(diǎn)在壓氣機(jī)可使用的整個區(qū)域內(nèi)會隨機(jī)變動。此外，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時，進(jìn)氣由于伴有脈動，會出現(xiàn)如圖10 所示工作點(diǎn)圍繞壓氣機(jī)喘振線發(fā)生波動的現(xiàn)象。

此外，發(fā)動機(jī)排量越小，也就越有必要提高增壓壓力，同時，隨著可變截面渦輪低速性能的提高，壓氣機(jī)工作點(diǎn)會越發(fā)靠近喘振線，所以，從這一點(diǎn)來看，拓寬壓氣機(jī)工作范圍也就思味著必須采取防止喘振的對策。防止喘振的對策主要是在渦輪增壓器的壓氣機(jī)上實(shí)施，但進(jìn)氣道形狀及葉輪布置也會對喘振產(chǎn)生影響，所以要求從多方面來實(shí)施優(yōu)化工作。

3.2 拓寬渦輪增壓器的工作范圍

對于拓寬渦輪增壓器工作范圍來說，后掠式葉輪、渦殼處理、進(jìn)氣口可變?nèi)~片都是重要的技術(shù)措施。其中，后掠式葉輪不僅可改善壓氣機(jī)的喘振，而且對提高效率也極為有效。近年來，隨著離心應(yīng)力分析技術(shù)的發(fā)展，已開始出現(xiàn)后掠角超過40°的葉輪，甚至有文獻(xiàn)報道稱采用了48°的后掠角，但其技術(shù)細(xì)節(jié)尚未公開。

渦殼處理技術(shù)被應(yīng)用于車用發(fā)動機(jī)渦輪增壓器已有20多年，其間經(jīng)歷了種種改進(jìn)。尤其是如圖11所示，對再循環(huán)廢氣流與葉輪旋轉(zhuǎn)方向反向流動的反向渦流方式極具改善效果。

雖然進(jìn)氣口可變?nèi)~片技術(shù)一直被認(rèn)為并不適用于低成本的車用發(fā)動機(jī)渦輪增壓器，但最近為滿足拓寬壓氣機(jī)工作范圍的迫切需求，利用圖12所示模型進(jìn)行試驗(yàn)，已確認(rèn)喘振線正向小流量側(cè)移動。圖13是其中的1個實(shí)例，當(dāng)葉片角度為80°時，流量減少40%。另外，也嘗試了諸如擴(kuò)散器幅度可變方式等技術(shù)，在拓寬壓氣機(jī)工作范圍方面，實(shí)施了各項(xiàng)技術(shù)研發(fā)工作。

3.3 通過優(yōu)化進(jìn)氣道形狀拓寬工作范圍

除在壓氣機(jī)上采取優(yōu)化措施外，還可以通過進(jìn)氣道形狀優(yōu)化及布置雙吸人葉輪，使喘振線更靠近小流量側(cè)。

圖14對渦輪增壓器試驗(yàn)臺試驗(yàn)結(jié)果與配裝發(fā)動機(jī)后受實(shí)際配管影響的壓氣機(jī)性能圖進(jìn)行了比較。由圖14可知，將渦輪增壓器配裝發(fā)動機(jī)后，喘振線確實(shí)向小流量側(cè)靠近。這被認(rèn)為是由于帶有急劇彎曲的進(jìn)氣道內(nèi)氣流發(fā)生偏移及剝離現(xiàn)象，導(dǎo)致通道變得狹窄，使弱喘振區(qū)域擴(kuò)大。研究人員將這一現(xiàn)象視作為進(jìn)氣畸變的影響進(jìn)行相關(guān)的研究，當(dāng)然，這同時也存在效率降低的問題。

作為增大容量的另一種方法，如圖15 所示，可采用背靠背的2個壓氣機(jī)葉輪的方案。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該方案能在流量增大的同時，使喘振線不發(fā)生變化。圖16為性能脈譜圖，當(dāng)2個葉輪中的1個進(jìn)人喘振區(qū)域，則流量將會集中到另一個葉輪，這樣就能使整體運(yùn)行停留在弱喘振區(qū)域。

雖然在上述弱喘振區(qū)域長時間的運(yùn)轉(zhuǎn)并不令人滿思，但由于工作點(diǎn)的變動，過渡性地進(jìn)人弱喘振區(qū)域被認(rèn)為是可接受的。根據(jù)這一現(xiàn)象，通過改善進(jìn)氣道設(shè)計，有可能避免強(qiáng)烈喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)語

本文針對車用發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，以及渦輪增壓器為適應(yīng)發(fā)動機(jī)需要所作的改進(jìn)，圍繞拓寬渦輪及壓氣機(jī)工作范圍這一中心話題，就過去幾年的發(fā)展，以及對今后趨勢的預(yù)測作了介紹。

從車用動力裝置來看，近年來，混合動力車和電動汽車技術(shù)正呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，但具有百年歷史的內(nèi)燃機(jī)也并未停滯不前，其技術(shù)開發(fā)取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，同時內(nèi)燃機(jī)仍在各類動力裝置中占主導(dǎo)地位。因而，渦輪增壓器作為內(nèi)燃機(jī)最重要的附件，其必要性非但不會降低，而且有望繼續(xù)發(fā)揮其重要作用。