渦輪增壓器改善車輛環(huán)保性能的可能性

【日】 鬼束和宏

1 用戶對渦輪增壓器需求的變化

用戶對車用渦輪增壓器的需求隨著時代的發(fā)展正在出現(xiàn)各種變化，因此，產(chǎn)品研發(fā)必須順應(yīng)時代需求，以達(dá)到可靠、高性能的制造水平。

早期的渦輪增壓器研發(fā)重點(diǎn)是增大發(fā)動機(jī)的輸出功率，但從1990年左右起，對渦輪增壓器的研究開始轉(zhuǎn)向減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，凈化廢氣排放，以及改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。下文將介紹渦輪增壓器在汽車技術(shù)研發(fā)中所發(fā)揮的作用。

2 降低柴油機(jī)對地球環(huán)境造成的負(fù)荷

世界各國正在持續(xù)收緊汽車排放法規(guī)，尤其是針對柴油機(jī)排放的顆粒（PM）及氮氧化物（NOx），相關(guān)的法規(guī)限值已經(jīng)變得極為嚴(yán)格。

PM是由氧氣不足導(dǎo)致燃油不完全燃燒而產(chǎn)生的，因此，促進(jìn)燃油與空氣的良好混合是解決這一問題的關(guān)鍵。當(dāng)前的柴油機(jī)中，由于采用高壓噴射燃油形成微細(xì)油霧，提高了燃油與空氣的混合效率，混合氣狀況有了很大的改善，但在燃燒過程中仍有可能會出現(xiàn)氧氣不足的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致生成PM。對此，IHI公司開發(fā)的高效率渦輪增壓器能向燃燒室內(nèi)送入足夠的空氣，為解決上述問題提供有效的技術(shù)對策。

一直以來，以歐洲市場為中心，配裝渦輪增壓柴油機(jī)的乘用車在其環(huán)保性能方面都獲得較高的評價，因而有著穩(wěn)定的市場需求。然而，要滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，還必須采取進(jìn)一步改進(jìn)燃燒過程的技術(shù)措施（如低溫預(yù)混合燃燒），以同時降低碳煙和NOx排放。為了在維持高廢氣再循環(huán)（EGR）率的同時獲得高增壓壓力，就必須有高效率的渦輪增壓器。IHI公司研制的渦輪增壓器對于解決上述課題作出了貢獻(xiàn)，使清潔型柴油機(jī)獲得能與汽油機(jī)相匹敵的環(huán)保性能。

3 渦輪增壓器對汽油機(jī)小型化的貢獻(xiàn)

近十年來，在以歐洲為中心的汽車市場，發(fā)動機(jī)縮缸強(qiáng)化的設(shè)計(jì)理念正在形成技術(shù)潮流，即縮小發(fā)動機(jī)的排量，并搭載渦輪增壓器，在維持原有功率輸出性能的同時，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。針對改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的課題，一直以來都是以歐洲汽車制造商為主，推進(jìn)發(fā)動機(jī)縮缸強(qiáng)化的研究工作，但最近，在北美地區(qū)及中國的汽車市場，發(fā)動機(jī)小型化設(shè)計(jì)也正在成為主流技術(shù)。

此外，基于發(fā)動機(jī)縮缸強(qiáng)化設(shè)計(jì)理念打造的德國VW Golf車已獲得2013-2014年日本汽車年度大獎。在日本，進(jìn)口汽車獲此殊榮尚屬首次，這也是日本市場對配裝渦輪增壓器的小型化車用發(fā)動機(jī)普遍認(rèn)可的證明。

歐盟各國，以及美國、日本等國都已制定了極為嚴(yán)格的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)限值。至2020年，歐盟各國將汽油車的CO2排放限值規(guī)定為95g／km，這一限值與日本混合動力車的排放水平相同，而且法規(guī)規(guī)定必須是車隊(duì)平均排放水平，可以說是相當(dāng)嚴(yán)格的限值。為了利用發(fā)動機(jī)縮缸強(qiáng)化的設(shè)計(jì)理念達(dá)到上述嚴(yán)格的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)限值，對渦輪增壓器的要求會被進(jìn)一步提高，其需求也會進(jìn)一步增長。圖1示出了渦輪增壓器技術(shù)研發(fā)的市場背景（各國的CO2排放法規(guī)限值）。

圖1 渦輪增壓器技術(shù)研發(fā)的市場背景（各國的CO2排放法規(guī)限值）

4 改善車輛加速時增壓滯后的技術(shù)

以往，在配裝渦輪增壓器的汽車上，會出現(xiàn)踩下油門后加速響應(yīng)滯后的現(xiàn)象，這被稱為“渦輪遲滯”，曾經(jīng)是渦輪增壓系統(tǒng)必須解決的課題。針對這一課題，研究人員陸續(xù)開發(fā)了即便在排氣流量較小的情況下也能使渦輪增壓器加速到必要轉(zhuǎn)速的高性能渦輪葉輪，以及低機(jī)械損失的軸承，還有從低速到高速寬廣運(yùn)行區(qū)域內(nèi)具有高效率的壓氣機(jī)葉輪等技術(shù)，在提高渦輪增壓器綜合效率方面進(jìn)行了持續(xù)不斷的努力。與發(fā)動機(jī)方面的改進(jìn)措施相結(jié)合后，近年來配裝渦輪增壓器的車輛已幾乎不再出現(xiàn)增壓滯后的現(xiàn)象。此外，針對匹配柴油機(jī)的渦輪增壓器，必須有效控制其空氣流量。為此，開發(fā)了能改變排氣進(jìn)入渦輪的噴嘴部分面積可變的可變截面渦輪增壓系統(tǒng)（VGS），即在噴嘴部位設(shè)置導(dǎo)向葉片，可根據(jù)排氣流量調(diào)節(jié)葉片開度，以控制排氣流速。采用該項(xiàng)技術(shù)后，就能對空氣流量實(shí)施控制，改善燃燒，并降低NOx排放，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的清潔燃燒。圖2示出了渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)。

圖2 渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)

今后，以基于柴油機(jī)清潔燃燒及整體效率提升而改善燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，研究人員還將進(jìn)行電動增壓器的研發(fā)，即利用電動機(jī)進(jìn)行能量回收，并且在不依賴排氣能量的前提下確?？諝赓|(zhì)量流量。

5 支撐渦輪增壓器發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)

渦輪增壓器是超高轉(zhuǎn)速的機(jī)械裝置，要在超過900℃的高溫環(huán)境下工作，最小尺寸的渦輪轉(zhuǎn)速可達(dá)到300 000r／min。為了在這樣的工作條件下獲得高性能與高可靠性，必須具備各種相應(yīng)的技術(shù)。IHI集團(tuán)下屬分設(shè)噴氣發(fā)動機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、發(fā)電設(shè)備、社會基礎(chǔ)設(shè)施及工業(yè)機(jī)械等不同的產(chǎn)品研發(fā)部門，擁有通用的基礎(chǔ)技術(shù)，正是由于IHI公司具備完善的基礎(chǔ)技術(shù)體系，才能夠?yàn)橛脩籼峁└咝阅艿臏u輪增壓器產(chǎn)品。

5.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械技術(shù)

在渦輪增壓器的研發(fā)中，以噴氣發(fā)動機(jī)為代表的高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機(jī)械平衡技術(shù)、軸承及摩擦學(xué)相關(guān)等基礎(chǔ)技術(shù)具有重要的作用。

5.2 流體解析技術(shù)

快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐了計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使渦輪和壓氣機(jī)中的氣體流動預(yù)測成為可能，從而能大幅改善渦輪增壓器的性能。

5.3 材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

為了維持渦輪增壓器在高溫高速環(huán)境下的耐久性，對其材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)施多次改進(jìn)。除了探索更佳的原材料及結(jié)構(gòu)型式外，還力求對材料及結(jié)構(gòu)極限能有更為精準(zhǔn)的把握，以進(jìn)一步提高渦輪增壓器的效率。

5.4 減振降噪技術(shù)

由于渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速極高，因此，對作為振動及噪聲源的旋轉(zhuǎn)零件非平衡狀態(tài)進(jìn)行矯正的技術(shù)至關(guān)重要。近年來，多數(shù)用戶都希望渦輪增壓器產(chǎn)品能具有良好的靜音性，因此，研究人員對所有產(chǎn)品均實(shí)施高速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域的檢查，實(shí)施微米級的平衡調(diào)整。

5.5 協(xié)調(diào)技術(shù)

渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)組合后的綜合性能已獲得普遍關(guān)注。因此，IHI公司的研究人員會對用戶的車型及發(fā)動機(jī)實(shí)施評估，以設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出與其相匹配的渦輪增壓器產(chǎn)品。換言之，就是為每種車型量身定制渦輪增壓器，實(shí)時掌握為數(shù)眾多的下一代發(fā)動機(jī)的開發(fā)計(jì)劃，開發(fā)相應(yīng)的渦輪增壓技術(shù)。圖3示出了支撐渦輪增壓器發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。

圖3 支撐渦輪增壓器發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)

6 通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝提高性能并降低成本

渦輪增壓器制造工序中有待解決的首要課題是降低成本。雖然燃油耗標(biāo)準(zhǔn)及排放法規(guī)對渦輪增壓器性能的要求逐年提高，但降低成本依然勢在必行。部分情況下，也會因車輛的全面改型而要求大幅降低渦輪增壓器的成本。

在面臨苛刻條件挑戰(zhàn)的情況下，研究人員應(yīng)著力解決的問題包括：兼顧原材料供應(yīng)與生產(chǎn)工序的設(shè)計(jì)，以及能穩(wěn)定確保品質(zhì)的可靠性設(shè)計(jì)等。在原材料供應(yīng)方面，不僅必須保證采購到品質(zhì)良好的原材料或配件，還應(yīng)及時發(fā)展新的材料供應(yīng)商。此外，由于設(shè)計(jì)對成本具有極為顯著的影響力，所以，應(yīng)把握生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況，并將其反映到設(shè)計(jì)中。同時，還要根據(jù)不同生產(chǎn)基地的人力成本差異，相應(yīng)地改變制造工藝。

制造技術(shù)的進(jìn)步也是成本降低的一大因素。例如，以往壓氣機(jī)的葉輪只能采用鑄造工藝，但現(xiàn)在已有部分生產(chǎn)商利用5軸加工機(jī)床實(shí)施切削加工工藝來生產(chǎn)葉輪。只須改變加工機(jī)床的控制程序，就能改變工件形狀，從而加工出任意形狀的工件。在多品種小批量的生產(chǎn)中，這將有利于大幅降低成本。對于生產(chǎn)企業(yè)而言，像這樣通過改變制造方法或生產(chǎn)工藝來獲得產(chǎn)品競爭力是至關(guān)重要的策略，為此，必須從設(shè)計(jì)階段就開展積極的探索和研究。

7 應(yīng)對全球市場的需求

今后，車用渦輪增壓器的發(fā)展將在很大程度上受市場發(fā)展趨勢的影響。從全球汽車市場的發(fā)展趨勢來看，今后汽油機(jī)的小型化趨勢及清潔型柴油機(jī)依然占據(jù)主流地位。為此，應(yīng)持續(xù)研發(fā)能領(lǐng)先于行業(yè)的技術(shù)，以適應(yīng)用戶的需求。中國、印度等東南亞國家在今后預(yù)計(jì)會進(jìn)一步推進(jìn)其汽車化社會的進(jìn)程，而這些國家的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)及廢氣排放法規(guī)也將執(zhí)行與歐洲相同的標(biāo)準(zhǔn)?？梢灶A(yù)測，配裝渦輪增壓器的環(huán)保型車輛的需求將會出現(xiàn)全球性的增長。

此外，為了應(yīng)對排放法規(guī)的日趨收緊，適應(yīng)多樣化的市場需求，目前，各制造商也在對各種增壓新技術(shù)進(jìn)行研究，包括可配裝于燃料電池車的特殊渦輪增壓器，以及能有效應(yīng)用蓄電池而不采用渦輪機(jī)的環(huán)保型電動增壓器等。

8 結(jié)語

進(jìn)一步提高渦輪增壓器的效率與可靠性是研發(fā)人員肩負(fù)的使命。因此，提高渦輪增壓器向小型化、輕量化發(fā)展的技術(shù)水平，追求產(chǎn)品的極限設(shè)計(jì)是不可或缺的。此外，推進(jìn)渦輪增壓器及發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的自身發(fā)展也是研究人員的夢想。例如，為渦輪增壓器賦予智能控制技術(shù)，通過傳感器與控制單元，在監(jiān)測排氣狀況的同時，對包括發(fā)動機(jī)在內(nèi)的動力傳動系統(tǒng)實(shí)施優(yōu)化控制，從而顯著改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性及行駛性能。