车用柴油机涡轮增压技术的新发展

车用柴油机涡轮增压技术的新发展

摘要：主要阐述了为解决车用发动机低速工况问题而采用的涡轮增压系统方案及在涡轮增压器上新技术、新材料的应用情况。

车用增压柴油机，随着增压压比的提高，低工况进气不足的问题尤显突出，涡轮响应滞后不仅影响了加速性，还造成了车辆启发时，排放指标的恶化，同时涡轮增压器本身的性能极可靠性也制约着涡轮增压技术的发展，当前主要采取两种办法解决一是采用新的增压系统；二是对增压器本身进行优化。

专题一新的增压系统

1.1高工况放气系统

高工况放气是改善车用增压柴油机低速工况的最常用措施，采用带旁通阀的增压器，其原理是按增压压力要求通过螺旋弹簧预先压紧橡胶膜片，一旦增压压力达到了弹簧的预加负荷，放气阀门就打开，使涡轮周围的废气进入排气系统中，为了确保低速性能，放气点一般选在发动机最大扭矩点处，柴油机在高速工况工作时，通过旁通阀放出涡轮前的一部分废气，以降低增压器转速和压力来限制最大爆发压力，这是国内目前采用最多的方法，不足之处是由于放走了一部分废气，造成了能量损失，牺牲了增压器的效率，柴油机高工况的燃油耗有所增加。

目前国外还采用一种增压压力电子控制系统，同单纯的由压缩空气操纵的，仅限制全负荷压力的控制系统相比，弹簧的预加负荷非常低，它按照增压空气温度，点火提前角和燃油的特性等众多参数来进

行控制，允许最佳部分负荷增压压力的建立，在加速期间暂时的超高增压也是允许的，其适应性更强。

1.2低工况进排气旁通系统

进排气旁通系统的原理是当柴油机低速运行时，增压空气绕过气缸，直接进入涡轮前的排气管，由此增大气体流量，提高增压压力，这样可以避免低工况的喘振，改善发动机低速工况性能，如利用废气余热对旁通的空气加热，效果会更好，德国MTU公司396柴油机就采用了进排气旁通系统来改善低速工况性能，但该系统控制调节部分难度大，主要应用于大功率高增压柴油机。

1.3可调涡轮喷嘴截面增压系统

可调涡轮喷嘴截面增压系统的核心技术是通过改变喷嘴环叶片的出口角来控制增压器转速，在发动机低速时，通过关闭喷嘴环减少涡轮流通截面面积，使增压压力增高，从而改善发动机低速特性，发动机高速时，喷嘴环逐渐打开，涡轮流通截面积增大，使增压压力比非控制的涡轮箱压力减少，采用该系统可在不损害高工况经济性的同时，低速扭矩增大约16%，并可扩大低油耗率运行区，提高柴油机的加速性，与使用废气放气阀相比，大大减少了高工况时涡轮效率的损失，该系统在欧、美、日正得到广泛的应用，五十铃6W AI 12L柴油机即采用了可调涡轮喷嘴截面增压器，盖瑞特公司、KKK公司均研制了可调涡轮喷嘴截面增压器，但一般的可调喷嘴增压器均有一个缺点，即为了使喷嘴叶片自由转动，需要在叶片和涡轮箱之间留有较大间隙，这就增大了涡轮的漏气损失，使增压器效率降低，ABB公

司研制的可调涡轮喷嘴截面增压器采用了享有专利的喷嘴环叶片与涡轮箱之间零间隙设计，使得柴油机在全工况范围内涡轮效率损失降至最低，该型增压器1998年已进行装车试验，使发动机在部分负荷工况下燃油消耗率降低了10g/（k W·h），在高负荷低转速下燃油消耗率降低了20g/（k W·h）。

欧美日为了达到严格的排放法规，在增压柴油机全工况范围内进行调节，采用可调涡轮喷嘴截面增压器已成主流，国内部分高校及研究所正在开展这方面的研究，目前尚未实现商品化。

1.4电动放气涡轮增压系统

美国特博达恩公司开发的电动放气涡轮增压系统主要用来解决增压柴油机涡轮滞后现象，其原理是把带旁通阀增压器的转子部件总成和一台电机相连接，以便一旦驱动涡轮的废气能量不足时用电机增力来提高加速实的运转速度，从低怠速达到转矩峰速，电机带动增压器转动保证发动机的充气量，当涡轮增压器转子达到足以充分向发动机充气的速度时，电机与供电系统断开，在高速工况，通过放气阀放走多余的废气，以限制增压器的最高转速。

该系统允许电机在发动机高速范围内成为发电机，使发动机废气中过剩的能量转换成电能，电机向电路回输电流，通过合适的电子控制装置，把电机中的电能分配给发动机有用的方面，该系统可显著改善发动机的低速特性，特别是启动性能，大大减少车辆启动时的有害排放，消除涡轮滞后，改善油耗，比较适用于城市客运车辆。

1.5增压转换系统

增压转换系统是指顺序增压系统及两级增压系统，主要为了解决发动机部分负荷特性问题，可在降低燃油消耗的同时功率提高约10%，在顺序增压系统中，通过转换阀把多个增压器并联起来，发动机低时只有小增压器在工作：中速时小增压器关闭，大增压器打开：高速时，大小增压器同时工作，以此实现低速是的高扭矩，与一般增压发动机相比，采用顺序增压的发动机，可使多台增压器都处于压气机最佳效率区，使发动机在不同工况范围内有不同的最佳配合点，该系统已在MTU公司的系列产品16V396等等机型上得到了成功应用。

两级增压系统可使两极增压器都运行在压气机最佳效率区，在小型车用发动机上，通过机械增压预压空气作为首级增压的方案也正在研究。

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、小功率车用柴油机上应用不多。专题二增压器本身的优化

2.1涡轮增压器性能的提高

2.1.1压气机性能的提高

对压气机叶轮的设计采用了全三元流分析气动计算全面优化了叶型，较多采用了后弯、前倾、后倾等等造型，采用大包络角及加长叶轮轴向长度的叶型设计方案已成趋势。中国北方发动机研究所独创的全新叶片成型方法“骨架法”，可以设计加工出任何形式的叶轮，叶轮直径在140mm左右的压气机最高效率可以达到82%，最高压比可达3.8，同时由于制造工艺水平的提高，压气机叶轮进口处叶片厚度

已很薄，日本三菱重工制造的TE系列增压器，叶轮进口处叶片厚度只有约0.5mm，大大降低了进气撞击损失。

由于压气机的工作区受喘振线及阻塞线的影响，采用加大压气机叶轮进口直径与叶轮直径比、主副叶片、较薄的叶片来扩大叶轮进口的横截面，以使阻塞线向大流量方向移动，轿车用压气机叶轮的明显特征是高轮径比、薄叶片、叶片数量少、叶片后弯角大，叶片末端前倾，减少了叶轮的应力水平。

通过铸造处理形成再循环通道，压气机吸入空气的一部分通过再循环进入压气机进口的主气流，这个再循环将流动变稳定，喘振线向小流量方向移动。同样在进口横截面限制点，气体可直接通过循环孔进入叶轮，使阻塞线向大流量方向移动（见图1）。

这种扩大的压气机特性特别适应于既需要高压比，又需要宽流量范围的柴油机用涡轮增压器。

喘振线阻塞线

图一通过铸造处理的再循环通道

2.1.2涡轮性能的提高