叶轮机械在车用动力的应用与发展趋势

叶轮机械在车用动力的应用及发展趋势吴亦昕（清华大学，北京100084）摘要：叶轮机械作为一种重要的机械广泛应用于各行业，包括汽车业。由于其重要性，本文主要讨论叶轮机械在车用动力中的应用与前沿技术，分为竞赛类与非竞赛类两大部分,对其进行归纳与总结，并对叶轮机械在车用动力中应用的未来进行展望。关键词：叶轮机械；增压；涡轮；应用；发展趋势TheApplicationsandtheOutlookoftheImpellerMachineryinVehicleDynamicsWuyixinTsinghuaUniversity(100084)Abstract:Theimpellermachinery,asanimportantmachinery,iswidelyusedinallkindsofindustries,includingthevehicleindustry.Becauseofitsimportance,inthispaperwewilldiscusstheapplicationsandtheadvancedtechniquesoftheimpellermachineryinvehicledynamics,summarizethemincivilusesandinmatchuses,andgiveanoutlookofitinvehicledynamics.Keywords:impellermachinery,charging,turbo,application,outlook1.叶轮机械在车用动力的应用叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，实现流体工质与轴动力之间的能量转换的动力机械，比如喷气式发动机就是叶轮机械的一种。其使用非常广泛，在电力、航空、轮船等方面，叶轮机械都做出了很大的贡献。而在车用动力上，叶轮机械也有其一席之地，而且可以说在汽车完全步入电动汽车时代之前，都将有相当大的用武之地。在这一部分内，我们主要谈叶轮机械在车用动力中的应用。1.1作为车用动力单元辅助的叶轮机械车用动力单元的核心部件是发动机，而当今汽车发动机的主流是往复式活塞发动机，叶轮式引擎因为其技术含量较高，工作效率较低，且汽车并不需要叶轮式引擎如此强大的动力性，以致其在车用动力单元中似乎并无可建树之处。然而，事实并非如此。作为叶轮机械的增压器就是车用动力单元的强大辅助。瑞士的AlfredJ.Buchi博士在1905年发明了涡轮机驱动压缩机，并申请了专利，世界上第一台废气驱动的轴流式涡轮增压器也由他在1909至1912年间开发，又在1915年第一作者简介：吴亦昕（1992－），男，上海人，大三学生，本科在读，Email:[e-mail]次将涡轮增压器与柴油动力机共同使用。1954年，增压技术开始在民用车辆上使用，1970年时已成大规模应用趋势。1975年，相当经典的保时捷911轿车面世，搭载了带盖瑞特废气门的KKK涡轮增压器。1977年萨博-99的动力性可以与搭载无涡轮增压的3.0L发动机的同类车相媲美，但实际上使用的是一个带涡轮增压器的2.1L汽油发动机。于是，涡轮增压技术被大众认识，并得到了大部分人的接受【1】。现在，增压技术可谓是引擎的好助手，不仅仅增加了引擎的动力性，还能节能减排，符合当下流行的趋势。由于增压技术压缩了进入引擎的空气，使得喷油量可以相应增多的同时，燃料燃烧也更完全，排放特性得以优化。这两个特性决定了增压技术在车用动力中的地位，因此，接下来的文字将以介绍车用动力增压技术为主。1.1.1非竞赛类汽车增压技术使用情况增压技术，由于柴油机的工作特性，首先在这一领域得到发展，目前，在工业发达国家，大中功率柴油机已全部采用增压技术，80%的中小型车用柴油机也采用了增压技术。而汽油机增压技术的起步不如柴油机增压技术早，因此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，在有柴油机增压技术的基础上，发展相当迅速。1990年美国生产的汽油机已有大约25%为增压汽油机，目前国外汽油机的增压技术正处于完善和推广应用阶段【2】。现今，增压技术已经不仅仅局限于最普通的废气涡轮增压。由于由一个压气机和一个废气涡轮组成的涡轮增压器存在不少问题，比如迟滞现象、起步动力性差，等等。但由于废气涡轮增压能利用废气中的能量，是相当经济的一种措施，因此工程师们做出了相当多的努力，来改善这些存在的问题。1.1.1.1复合增压技术复合增压，是在发动机上既使用机械增压技术，又使用废气涡轮增压技术。德国大众于2005年推出TSI引擎，第一次将此技术使用在发动机上【3】。机械增压分为三类：离心式机械增压、鲁兹式机械增压和螺旋式机械增压。离心式机械增压器与发动机飞轮之间有皮带连接，也即由发动机飞轮带动，从某种程度上讲和废气涡轮增压比较类似，但是没有迟滞现象，且动力来源也不同。鲁兹式机械增压器内有两个相互啮合的凸缘转子，一般来说一个主动一个从动。两转子转动将产生负压，将大量空气吸入，累积空气以达到增压的效果，类似于一个鼓风机。螺旋式机械增压器的工作原理与鲁兹式机械增压类似，不同的是由于螺旋式机械增压器的转子有锥度，导致气穴变小，因此在腔体内就有了增压的效果。一般来说，当今汽车上使用的机械增压多为离心式机械增压。由于离心式机械增压与发动机飞轮同步转动，因此没有废气涡轮增压技术的迟滞现象。将机械增压和废气涡轮增压技术联合使用，机械增压工作区间为发动机低速段，当发动机转速达到一定程度时，机械增压器自动断开，涡轮增压器开始工作【3】，这种技术从理论上讲可以完全去除迟滞现象。虽然这种增压技术相当优秀，然而由于其技术含量极高，结构复杂，因此成本较高，推广难度大。1.1.1.2可变截面涡轮增压技术废气涡轮增压有迟滞现象的根本原因在于发动机刚启动时，废气没有足够的能量带动废气涡轮旋转，换句话说，如果这时候让涡轮工作，废气就无法积累足够的能量使得涡轮能进入正常的工作状态。可变截面涡轮增压技术也即根据涡轮增压柴油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度，涡轮叶片的气流参数随着角度的改变而改变，涡轮做功数值将改变，压气机的压比也随之发生变化，达到在各工况下柴油机与增压器均有良好的匹配【4】。其缺点在于并不能完全解决迟滞现象，且有较高成本。可变截面涡轮增压技术有三种，可变喉口增压器、舌形变截面结构与可变喷嘴环增压器。其中，可变喷嘴环增压器总效率最高。目前，欧美的涡轮增压技术主流是采用可变截面涡轮增压技术【4】。1.1.1.3电辅助涡轮增压技术电辅助涡轮技术原理与混合动力汽车原理比较类似，在低速时，由电机带动涡轮旋转，迅速增加废气涡轮转速。当涡轮速度达到相应大小后，电机停转，由涡轮带动电机旋转并充电。这项技术可以大大改善涡轮增压引擎在低速时加速性差与转矩低的问题，同时由于这套系统可以和发动机使用同一个电池以及电控单元，因此搭载在混合动力汽车上相当合适。使用电辅助涡轮增压技术的好处还有，采用电辅助涡轮增压器以后，不但旁通阀和冒烟限制器可以舍去，而且可以将二者的匹配点选在任意工况下，更可以利用电辅助系统改善发动机低速小负荷和加速时的燃烧，冒黑烟、排温过高等类似问题可以得到较好的解决，发动机的高效、经济工作区域也得以扩大【5】。由于混合动力汽车的不成熟以及高成本，这项类似原理的技术的缺陷也是显而易见的。1.1.2竞赛类汽车增压技术使用情况汽车并非仅仅局限于民用汽车。事实上，汽车所衍生出的汽车竞赛活动在世界各地受到了广泛的欢迎，正如火如荼地展开着。世界一级方程式锦标赛、纳斯卡系列赛、世界拉力锦标赛、印第安纳波利斯500，等等，这些都是世界著名的赛事。其中，以世界一级方程式大赛与世界拉力锦标赛最为著名。而在这两项大赛中，都将采用涡轮增压式引擎。由于规则的限制，竞赛类汽车涡轮增压技术受到了制约，然而，即使受到制约，涡轮增压式引擎依然显现出了惊人的动力性。1.1.2.1世界一级方程式锦标赛世界一级方程式锦标赛，简称F1，由国际汽车联合会（FIA）举办，是最高等级的年度系列场地赛车比赛，正式名称为“国际汽车联合会世界一级方程式锦标赛”【8】。其第一场比赛于1950年在银石赛道举办，迄今已有64年的历史。在64年中，赛车发生了进化，规则也相应地发生了许许多多的变更。其中，引擎也发生了不少变化，涡轮增压引擎在这变化中有着相当重要的角色。1977年，雷诺Rs01在英国站的比赛中亮相，这是第一辆搭载涡轮增压引擎的F1赛车，涡轮增压引擎登上了F1的舞台。1982年，麦克拉伦车队首次使用涡轮增压引擎。1984年，所有赛车全部搭载涡轮增压引擎。1988年可谓是涡轮增压引擎在F1历史上最为辉煌的一笔，麦克拉伦车队与本田合作，制造出搭载本田涡轮增压引擎的MP4-4，统治了全年的比赛。除了在意大利蒙扎赛道上，麦克拉伦失利，MP4-4赢得了赛季其他所有15场比赛的胜利，作为当时麦克拉伦的两名车手，塞纳夺魁8次，普罗斯特冠军7次。1989年，FIA禁用涡轮增压引擎而改用10缸3.5L排量自然吸气引擎，涡轮增压引擎陷入沉寂。2014年，FIA重新强制所有车队使用6缸1.6L排量涡轮增压引擎，其转速可达15000rpm，涡轮转速可达125000rpm。FIA重新启用涡轮增压引擎的原因在于，由于F1使用自然吸气引擎，耗油量可达每百公里50升而广受环保人士诟病。在全世界被环保减排的风潮所席卷的当下，F1也顺应潮流，引入不少减少能耗的设备，如ERS（EnergyRecoverySystem，能量回收系统），涡轮增压引擎的回归也是为了保持这项运动的生命力。虽然6缸1.6L排量涡轮增压引擎峰值功率较之之前的8缸2.4L自然吸气引擎峰值功率低了不少，只有475kW，但是在ERS的帮助下，整个动力单元可提供的功率可达550kW左右，甚至略超原来的自然吸气引擎，而且油耗只有原来的三分之二，扭矩大幅提升。1.1.2.2世界拉力锦标赛世界拉力锦标赛（WRC，全称WorldRallyChampionship），由FIA组织，以全世界为范围的级别最高的拉力系列赛事，其第一场赛事于1973年举行。这项赛事在2011年前规定，所有赛车必须是使用2.0L涡轮增压引擎的四驱赛车，而在2011年之后，FIA迎合节能减排的风潮，规定所有赛车使用1.6L涡轮增压引擎，并改用符合FIASuper2000规范的四轮驱动系统。WRC既然被称为拉力赛，其比赛条件是相当恶劣的。一辆车中有两人，车手与领航员，车手只负责开车，而领航员则告诉车手哪条路才是正确的。在整个比赛中，车手将开过不同的路面，包括砂石地、浅滩、雪地，等等，一场比赛要换7次胎这样的频度也并非痴人说梦。然而在这样的艰苦的工作条件下，WRC赛车依然能显现出惊人的速度，并作出漂亮的漂移等技术动作，除了底盘的功劳，其心脏——涡轮增压引擎也功不可没。1.2作为车用动力单元的叶轮机械虽然叶轮式引擎不适合作为汽车发动机，但这并不代表叶轮机械不能作为车辆的动力单元。事实上，在非竞赛与竞赛类车辆上，都能看见叶轮机械作为动力单元核心的例子。他们是车用动力单元的“异类”，却发挥着很大的作用，不仅能在特定的情况下完成必要的任务，也能给我们带来刺激与惊喜。1.2.1非竞赛类车用叶轮机械动力单元使用情况非竞赛类车用叶轮机械动力单元可谓少之又少，但并非不存在。在某些特定的场合，就需要使用叶轮机械作为动力单元，轮式装甲车辆上就有作为动力单元的叶轮机械。轮式装甲车辆作为军车，要在战场上有强大的机动性，被要求能通过各式各样的地形，包括被炸毁的公路、沟渠、树林等，并且有时还有必要通过河流。因此，不少轮式装甲车辆实际上是水陆两栖车。轮式装甲车辆在水中的动力来源按作用原理可以分为三种：划水式、螺旋桨式和喷水式【9】。划水式是通过轮胎的转动进行划水，从而达到前进的效果。这种在水中的前进方式要求轮胎不被水面完全淹没，前进速度为3-5km/h，实在太慢，且要求很高，只能作为一种临时水中动力来源。螺旋桨式和喷水式都要求轮式装甲车辆上装有叶轮机械作为水中动力单元。螺旋桨式轮式装甲车辆在车上装载了螺旋桨，在车辆涉水时，驾驶员切