【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，以達到可靠、高性能的制造水平。

早期的渦輪增壓器研發(fā)重點是增大發(fā)動機的輸出功率，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)境負擔(dān)，凈化廢氣排放，以及改善車輛的燃油經(jīng)濟性。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 降低柴油機對地球環(huán)境造成的負荷

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)前的柴油機中，由于采用高壓噴射燃油形成微細油霧，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，還必須采取進一步改進燃燒過程的技術(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，使清潔型柴油機獲得能與汽油機相匹敵的環(huán)保性能。

3 渦輪增壓器對汽油機小型化的貢獻

近十年來，在以歐洲為中心的汽車市場，發(fā)動機縮缸強化的設(shè)計理念正在形成技術(shù)潮流，即縮小發(fā)動機的排量，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)濟性。針對改善車輛燃油經(jīng)濟性的課題，一直以來都是以歐洲汽車制造商為主，推進發(fā)動機縮缸強化的研究工作，但最近，在北美地區(qū)及中國的汽車市場，發(fā)動機小型化設(shè)計也正在成為主流技術(shù)。

此外，基于發(fā)動機縮缸強化設(shè)計理念打造的德國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)動機普遍認可的證明。

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)動機縮缸強化的設(shè)計理念達到上述嚴(yán)格的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)限值，對渦輪增壓器的要求會被進一步提高，其需求也會進一步增長。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，以及低機械損失的軸承，還有從低速到高速寬廣運行區(qū)域內(nèi)具有高效率的壓氣機葉輪等技術(shù)，在提高渦輪增壓器綜合效率方面進行了持續(xù)不斷的努力。與發(fā)動機方面的改進措施相結(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。采用該項技術(shù)后，就能對空氣流量實施控制，改善燃燒，并降低NOx排放，以實現(xiàn)柴油機的清潔燃燒。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，以基于柴油機清潔燃燒及整體效率提升而改善燃油經(jīng)濟性為目標(biāo)，研究人員還將進行電動增壓器的研發(fā)，即利用電動機進行能量回收，并且在不依賴排氣能量的前提下確保空氣質(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集團下屬分設(shè)噴氣發(fā)動機、旋轉(zhuǎn)機械、發(fā)電設(shè)備、社會基礎(chǔ)設(shè)施及工業(yè)機械等不同的產(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，才能夠為用戶提供高性能的渦輪增壓器產(chǎn)品。

5.1 旋轉(zhuǎn)機械技術(shù)

在渦輪增壓器的研發(fā)中，以噴氣發(fā)動機為代表的高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)機械平衡技術(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)展的計算機技術(shù)支撐了計算流體動力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使渦輪和壓氣機中的氣體流動預(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)計實施多次改進。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)品均實施高速運轉(zhuǎn)區(qū)域的檢查，實施微米級的平衡調(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)動機實施評估，以設(shè)計并生產(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，實時掌握為數(shù)眾多的下一代發(fā)動機的開發(fā)計劃，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，以及能穩(wěn)定確保品質(zhì)的可靠性設(shè)計等。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)的進步也是成本降低的一大因素。例如，以往壓氣機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軸加工機床實施切削加工工藝來生產(chǎn)葉輪。只須改變加工機床的控制程序，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，今后汽油機的小型化趨勢及清潔型柴油機依然占據(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)計會進一步推進其汽車化社會的進程，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的環(huán)保型電動增壓器等。

8 結(jié)語

進一步提高渦輪增壓器的效率與可靠性是研發(fā)人員肩負的使命。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)計是不可或缺的。此外，推進渦輪增壓器及發(fā)動機系統(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)動機在內(nèi)的動力傳動系統(tǒng)實施優(yōu)化控制，從而顯著改善車輛的燃油經(jīng)濟性及行駛性能。