车用涡轮增压技术的发展回顾_现状及展望

第36卷第1期小型内燃机与摩托车Vo.l36No.12007年2月SMALLINTERNALCOMBUSTIONENGINEANDMOTORCYCLEFeb.2007综述车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望张俊红李志刚王铁宁(天津大学机械学院天津300072)摘要:涡轮增压技术从提出至今,已有百年的历史,经过不断地改进与完善,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基本归纳与总结。为此,本文首先回顾了车用涡轮增压技术的发展历程,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。对该技术的发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发展方向进行基本展望。关键词:涡轮增压技术中图分类号:TK413.5车用涡轮增压技术文献标识码:A涡轮增压器文章编号:1671-0630(2007)01-0066-04Retrospect,Status,andExpectationforTurbochargerTechnologyofVehicleZhangJunhong,LiZhigang,WangTieningTianjinUniversity(300072)Abstract:Therehasbeenmorethan100yearssincethetechnologyofturbochargerappearedintheworld.Ithasbeenappliedinmostindustrialarea,especiallyinvehiclearea,throughimprovementandmodificationofitsel.fInthispaper,wediscusstheapplicationforturbochargertechnologyinvehicleandsummarizethestatusforthistechnology.Inorderforthisreason,firstlywereviewthedevelopmentprocessoftheturbochargertechnologyofvehicle,secondlyweespeciallyintroducetheproductionofturbochargerintheareaoftechnologyandmateria.lFinally,wegivetheexpectationforthedevelopmentofturbochargertechnologyofvehicleinthefuture.Keywords:Turbochargertechnology,Turbochargertechnologyofvehicle,Turbocharger引言自涡轮增压技术概念提出至今已有百年时间了,在这百年的时间里,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进,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。1回顾早在1905年,瑞士的AlfredJ.Buchi博士就对涡轮机驱动压缩机这一装置申请了专利,并于1909~1912年设计开发了世界上第一台废气驱动的轴流式涡轮增压器,进而于1915年首先策划了将涡轮增压器应用于柴油动力机。但是,由于不能获得足够的压缩空气压力,这一创新并没有得到认可和重视。涡轮增压技术的实际应用最先在第一次世界大战作者简介:张俊红(1962-),女,副教授,博士,硕士生导师。主要从事动力系统现代设计、动力系统振动与噪声及其主动控制、涡轮增压器和中冷器系统的设计及匹配问题的研究工作。第1期张俊红等:车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望67期间的航空发动机上取得了一定的成功。随后在20世纪30~40年代的欧洲和美国,涡轮增压技术进入了迅速发展和广泛应用的阶段。轴流式涡轮增压器被大量应用在航海、铁路、电厂和航空领域。特别是在美国,通用公司为军用飞机研制的涡轮增压器,被数以万计地应用在战斗机和轰炸机上。当时,涡轮增压技术的广泛应用也促进了许多新技术、新工艺的产生和发展,其中主要包括:1)对材料耐热性的研究和开发;油机轿车市场占有率已达30%~50%。现代柴油机已是高新技术产品的代表之一,现代柴油机具有节能、低污染的先天优势,能满足日益严格的排放法规要求,这得益于普遍采用了涡轮增压技术。通过采用涡轮增压及涡轮增压中冷技术可提高气缸充量容积效率,提高空燃比,大大增加功率;如功率保持不变,可降低废气烟度、废气温度和发动机的热负荷。在内燃机的发展历程中,涡轮增压技术的应用在提高内燃机的比功率和燃油经济性、降低排放等方面发挥了重要的作用,2)对材料高温精确铸造技术的研究和开发;被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑[1]。3)促使人们对径流式涡轮增压器的研发,并使之在小功率发动机上得到了应用。20世纪40年代末50年代初盖瑞特(Garret)公司开始从事20~90PS(15~67kW)的小功率引擎的涡轮增压器的研究,并取得了成功。盖瑞特公司开发出良好的涡轮增压器壳体的铸造技术、高速密封技术、径流式涡轮和离心式压缩机技术。1954年盖瑞特公司成立了空气学工业研发部(Air-ResearchIndustrialDivision)也就是后来的盖瑞特引擎公司(GarrettAutomotive),专门设计和生产涡轮增压器,这对于现代涡轮引擎的产生和发展具有划时代意义。在这期间,小型涡轮增压器首先在赛车上取得了惊人的成功,涡轮增压器所提供的大功率、大扭矩满足了人们当时的需求。随后小型涡轮增压器大量应用于大型拖拉机、载重卡车和小型汽车上。时至今日,几乎所有的卡车都搭载了涡轮增压器的引擎。在小型车领域,20世纪70年代是涡轮增压器一个重要的转折点。保时捷911(带盖瑞特废气门的KKK涡轮增压器)轿车于1975年面世。1977年绅宝-99通过一个带涡轮增压器的2.1L汽油发动机获得了与无涡轮增压的3.0L发动机同样的性能,使更多的人认识和接受了涡轮增压技术。随后的奔驰推出了300Turbodiesel涡轮增压柴油发动机轿车,其能为驾车者提供最大的燃油经济性和驾驶性。别克公司接着宣布1978年的别克君威和利蒙斯运动型双门跑车配置涡轮引擎。在近20年里,汽车生产厂家不断开发出具有涡轮增压技术的小型轿车。2现状近20年,随着涡轮增压技术的普及、深入,有关涡轮增压方面的新技术、新工艺、新材料、新理念开始不断涌现。可以说,正是由于各种排放、噪声法规的大量出台和人们对涡轮增压技术的更高要求,特别是涡轮增压技术对高原发动机的功率补偿,车用涡轮增压技术迎来了发展的黄金时期。2.1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%~50%。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、轻量化和降低成本有巨大的吸引力。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,从而达到节能的目的。一台1.65L排量的增压发动机的功率等于一台3.78L在卡车领域,盖瑞特T04涡轮增压器最早应用在排量的非增压发动机的功率[2]。迪尔农业机械上。随着发动机生产厂家逐渐认识到涡轮增压器对发动机工况、最大扭矩和燃油经济性提高的巨大贡献,T04型涡轮增压器具有了更加广泛的应用。20世纪70年代卡车涡轮增压时代正慢慢形成。今天,中、重型车辆已经普遍选用柴油机作为动力。在西欧,轿车选用柴油机的比例逐年上升,其中柴3)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的排放量。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部分。柴油机的过量空气系数本来就远远超68小型内燃机与摩托车第36卷过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。若把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机,因其空气供应充足,碳烟和CO的排放大幅度减少;由于燃烧充分,燃烧温度升高,燃烧室的化学反应更趋强烈,HC化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,使平均承直径小,轴颈线速度低,摩擦损失小,轴承的寿命长,因此过去大多数增压器采用这种方式。但其结构复杂,跨距大,增压器转子粗重,压气机等不便于轴向进气。而内支承式轴承轴向尺寸小,轴承距离短,结构简单,易采用非冷却式壳体及轴向进气,便于清洗流道,但回转稳定性差,若采用滚动轴承,轴承直径大,轴颈有效NOx的排放量增加。因增压柴油机能提高燃油线速度高,轴承易损坏,拆装不方便[4]。近年来,各大经济性,有时可放弃部分在燃油经济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N0x降低80%,微粒减少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,补偿因进气不足而损失的功率。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(SCABY)及谐振复合增压系统等,这些在中、小功率车用柴涡轮增压器厂家逐渐采用内置式轴承支撑方式,在实际应用上取得了良好的效果。3)轴承系统性能的提高在小型车用涡轮增压器上采用滚动轴承代替滑动轴承,其机械效率可达95%以上,增压器总效率可提高5%~7%,在小流量时甚至可提高20%,这可大大改善车用发动机的低速工况性能;另外由于轴承中摩擦小,使得增压器转子转动非常灵活,可显著改善增压器的加速性。4)透平叶片新式透平采用宽弦叶片,和原来的NA、NR相比,叶片的根部加宽,这样就能承受更大的应力,同时把叶片种植在透平圆盘上,增加了刚性。以前的透平叶片为防止振动加剧,均采用减振钢丝把各个叶片连接起来,但采用这种结构后,进气阻力大,影响了透平的效率,因此,新式透平省去了减振钢丝,这样也为拆装、检修提供了方便,透平的效率也随之提高。5)压气机油机上应用不多[3]。压气机叶轮在运转时,其圆周线速度超过500m/2.2车用涡轮增压器零部件改进与革新与此同时,涡轮增压器的零部件也做了许多改进,主要有:1)薄钢板涡轮壳体s,这将产生极大的离心力,为保证其工作可靠性和提高使用寿命,通过先进的计算方法,适应于高压条件下的钦合金压气机叶轮已经应用到新型废气涡轮增压器上,压比可达5.5!1。同时为保证在整个运转范围内满足欧及更严格排放标准的柴油机,都必须安有足够的喘振余量及高效率,压气机的出气壳采用优装催化转化器。而催化转化器的有效工作条件之一是必须达到一定的工作温度。涡轮壳体一般为铸件,质量及热惯性均较大。为了减少排气系统的热惯性,开发了薄钢板涡轮壳体,其质量小,热惯性也小,发动机起动后从排气系统吸收的热量较少,能够较快地使催化转化器达到工作温度,改善催化转化器的净化效果。2)轴承支承方式改进