【日】 宮下和也
受累于2008年9月的雷曼事件,全球經(jīng)濟陷人低迷狀態(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,預計各國都將致力于混合動力車和電動汽車等技術的開發(fā),以實現(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,實現(xiàn)燃料的多樣化。因而,從發(fā)動機增壓技術的觀點來看,車用發(fā)動機未來的發(fā)展動向?qū)⑹菢O為關鍵的。
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),截至本世紀前半期,內(nèi)燃機依然將是主要的車用動力裝置。另一方面,為了保護地球環(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)等相關排放法規(guī)限值的進一步收緊,發(fā)動機本身也會有較大的改進,預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,簡要介紹了當前渦輪增壓發(fā)動機的發(fā)展,以及渦輪增壓技術的研發(fā)動向。
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 排放標準,其NOx排放限值將達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)動機系統(tǒng)的技術開發(fā)正在得到全面發(fā)展。而且,已在部分發(fā)動機上研究應用兩級、三級或多級增壓技術(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)濟不景氣的影響,乘用車配裝柴油機的技術發(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受到廣泛關注。另一方面,在歐洲,柴油車依然占有優(yōu)勢,但根據(jù)歐6 排放標準,研究人員正在積極推進改善汽油車燃油經(jīng)濟性的技術研發(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,以進一步推進動力多樣化的發(fā)展趨勢。
與柴油機相比,汽油機在使用三效催化裝置后,可使其有害物排放達到較低的水平,但燃油經(jīng)濟性差已成為汽油機的最大缺點。尤其從地球氣候變暖的觀點來看,大量CO2排放已成為必須關注的問題。
在十幾年前,汽油機已實現(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,汽油機應用增壓技術,以及提高壓縮比(10~12)的技術正在對提高汽油機的效率發(fā)揮極大的作用。此外,采用直噴技術后,汽油機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人實用化階段。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],當時判斷,當空燃比在14.7附近,汽油機的燃油耗最低,同時達到最高的排氣溫度。雖然在當時曾認為實現(xiàn)這一要求為時尚早,但如今由于直噴技術的確立,已完全可以實現(xiàn)上述目標。
汽油機應用增壓技術后,對降低CO2排放極為有效的發(fā)動機小型化措施已在歐洲推廣,而隨著汽油機排量的減小,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,需要采用高成本的后處理裝置。這些都是汽油機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)動機來說,如要采用增壓技術,乙醇系燃料將是較為合適的,因為這種燃料熱值低,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。
為了降低柴油機的PM 排放,同時又降低NOx排放,采用了EGR 技術,并運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,運用計算流體動力學和有限元法優(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))。曾有試驗報告稱,當采用直邊形噴嘴時,由于噴嘴與葉輪之間的輪轂側產(chǎn)生空隙,當噴嘴開度較小時,渦流增強,穩(wěn)定流的流量及效率有些降低,但脈動氣流反而增強(圖9)。
另一方面,排氣溫度較高的汽油機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用尚有待時日。
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,但柴油機采用該系統(tǒng)可實現(xiàn)高增壓,并且能有效確保發(fā)動機的低速性能。通過串/并聯(lián)切換容量不同的渦輪,在柴油機低速到高速的寬廣范圍內(nèi),可快速提高順序增壓的效果。
為了改善響應性,除多級渦輪增壓之外,各公司也推出了內(nèi)置電動機的渦輪增壓器,預計今后將會得到廣泛應用。
多級渦輪增壓的目的是要實現(xiàn)高增壓,這是為了在提高EGR 率的同時,確保發(fā)動機的輸出功率。一旦壓氣機的壓比超過4,則會因為單級渦輪增壓的離心力強度增大而難以再拓寬工作范圍,所以要求能采用結構緊湊的多級渦輪增壓。
與拓寬增壓器工作范圍的觀點不同,汽油機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,渦輪增壓器進口的排氣溫度將會達到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,在重視高溫蠕變強度的渦輪葉輪上,應用了比傳統(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度的渦殼上,應用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,展開了相應的研發(fā)工作。
與船用及工業(yè)用發(fā)動機的渦輪增壓器不同,車用發(fā)動機的渦輪增壓器運行中的工作點在壓氣機可使用的整個區(qū)域內(nèi)會隨機變動。此外,在穩(wěn)態(tài)運轉時,進氣由于伴有脈動,會出現(xiàn)如圖10 所示工作點圍繞壓氣機喘振線發(fā)生波動的現(xiàn)象。
此外,發(fā)動機排量越小,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,壓氣機工作點會越發(fā)靠近喘振線,所以,從這一點來看,拓寬壓氣機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上實施,但進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施優(yōu)化工作。
對于拓寬渦輪增壓器工作范圍來說,后掠式葉輪、渦殼處理、進氣口可變?nèi)~片都是重要的技術措施。其中,后掠式葉輪不僅可改善壓氣機的喘振,而且對提高效率也極為有效。近年來,隨著離心應力分析技術的發(fā)展,已開始出現(xiàn)后掠角超過40°的葉輪,甚至有文獻報道稱采用了48°的后掠角,但其技術細節(jié)尚未公開。
渦殼處理技術被應用于車用發(fā)動機渦輪增壓器已有20多年,其間經(jīng)歷了種種改進。尤其是如圖11所示,對再循環(huán)廢氣流與葉輪旋轉方向反向流動的反向渦流方式極具改善效果。
雖然進氣口可變?nèi)~片技術一直被認為并不適用于低成本的車用發(fā)動機渦輪增壓器,但最近為滿足拓寬壓氣機工作范圍的迫切需求,利用圖12所示模型進行試驗,已確認喘振線正向小流量側移動。圖13是其中的1個實例,當葉片角度為80°時,流量減少40%。另外,也嘗試了諸如擴散器幅度可變方式等技術,在拓寬壓氣機工作范圍方面,實施了各項技術研發(fā)工作。
除在壓氣機上采取優(yōu)化措施外,還可以通過進氣道形狀優(yōu)化及布置雙吸人葉輪,使喘振線更靠近小流量側。
圖14對渦輪增壓器試驗臺試驗結果與配裝發(fā)動機后受實際配管影響的壓氣機性能圖進行了比較。由圖14可知,將渦輪增壓器配裝發(fā)動機后,喘振線確實向小流量側靠近。這被認為是由于帶有急劇彎曲的進氣道內(nèi)氣流發(fā)生偏移及剝離現(xiàn)象,導致通道變得狹窄,使弱喘振區(qū)域擴大。研究人員將這一現(xiàn)象視作為進氣畸變的影響進行相關的研究,當然,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個壓氣機葉輪的方案。試驗結果證實,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2個葉輪中的1個進人喘振區(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)域長時間的運轉并不令人滿思,但由于工作點的變動,過渡性地進人弱喘振區(qū)域被認為是可接受的。根據(jù)這一現(xiàn)象,通過改善進氣道設計,有可能避免強烈喘振現(xiàn)象的發(fā)生。
本文針對車用發(fā)動機增壓技術的發(fā)展動態(tài),以及渦輪增壓器為適應發(fā)動機需要所作的改進,圍繞拓寬渦輪及壓氣機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正呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭,但具有百年歷史的內(nèi)燃機也并未停滯不前,其技術開發(fā)取得了相當?shù)倪M展,同時內(nèi)燃機仍在各類動力裝置中占主導地位。因而,渦輪增壓器作為內(nèi)燃機最重要的附件,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。