涡轮增压助力重卡发动机节能减排

工作。对于增压压力较高的中、高增压发动机，一般需装置中间冷却器，以提高进气密度。

涡轮增压主要作用是提高柴油机功率、降低燃油消耗。同时涡轮增压及增压中冷技术对降低柴油机排放起着重要作用。增压技术的最大好处是它在不增加发动机排量的情况下，大幅提高发动机的功率和扭矩。涡轮增压器实际上就是一个空气压缩机，利用发动机排出的废气推动涡轮高速旋转,将空气压缩进入气缸。随着发动机转速加快,废气排出速度加快，使涡轮转速也加快,空气压缩程度就加大,发动机的进气量就相应增加，从而提高发动机动力。所以说，涡轮增压器通过增加发动机进气量，在不增加排量的情况下却得到了增大发动机排量的效果。由于涡轮增压器的驱动是来自发动机排气，不需要额外的动力，与其他增压方式相比，涡轮增压的效率更高，能耗更低。也是由于涡轮增压器是由废气驱动增压，所以，要在发动机达到一定转速时才能启动，因此，涡轮增压器存在一定的“滞后”，这是其固有特点。

三、增压发动机实现国Ⅳ排放标准的关键技术

增压发动机的燃油经济性改善得利于废气能量的利用和燃烧效率的提高；另外，增压发动机的平均有效压力增加，发动机的摩擦损失增加相对较小，且没有任何进气损失，因而机械效率提高；增压发动机的质量密度大，同样功率的发动机可以做得更小、更轻，整车质量可以减小，也有利于燃油经济性的改善。发动机的燃油经济性与进气密度有一定关系，因此，高增压发动机采用进气中冷技术降低进气温度、提高进气密度能改善燃油经济性。采用涡轮增压发动机作动力的汽车具有良好的燃油经济性。汽车柴油化可以减少汽车燃料消耗总量。较小的燃油消耗量可消耗的新鲜空气量少，汽车有害污染物排放的总量也下降。

涡轮增压技术已成为提高发动机功率和扭矩、降低油耗、满足排放标准要求的一种有效技术。发动机排放升级到国Ⅳ标准，可通过不同技术路线实现：一是带旁通阀的增压器、可变截面增压器或两级增压。二是采用选择性催化还原装置。三是冷却氧化催化器。国Ⅳ排放标准对我国涡轮增压器行业乃至整个内燃机行业都是巨大的挑战。国外知名企业和研究机构证明，可变截面增压器可实现国Ⅲ排放标准升级到国Ⅳ排放标准，但可变截面增压器或两级增压系统比较复杂，攻克技术难关需要时间。

众所周知，涡轮增压是迅速提升发动机马力的最有效方法。但它也存在着诸多弊端，涡轮增压值的设定会直接影响到低速扭矩以及驾驶的平顺性。而可变式喷嘴涡轮增压器，在进气系统的一侧安装有可移动导片，其位置可变动，从而能够在整个发动机转速范围内提供最佳的流速和很高的增压效率。当发动机高速运转时，它们基本全部打开，此时的废气流经的截面最大，其作用同普通增压器没有什么区别。但在发动机低速运转时，就可通过移动导流叶片来控制和调节进入涡轮增压器的气流，这样导向叶片就会将废气流经的截面开得最小，使涡前排气背压升高，形成较大的压差，迫使流经导向叶片的废气流速加快，从而驱动涡轮叶片转得更快，使压气机端增压压力比普通增压器更高，在整个发动机内提供最佳的流速和很高的增压效率。

四、涡轮增压技术的发展前景

涡轮增压器以其领先的增压技术，提高汽车性能和易操纵性，同时改进燃油效率、减少有害排放而著称。随着节能减排的呼声越来越高，相关技术层出不穷。在国内涡轮增压技术发展了多年，已经成为产业化较好的产品之一。

涡轮增压器行业的的发展前景乐观主要在于以下方面：首先涡轮增压器已经成为车用柴油机的标准配置，对燃油消耗率的降低和排放污染物的减少有着重要的意义。据计算，如果北京市的出租车全部改成柴油轿车的话，每年将节油数亿升。欧洲国家非常重视柴油机汽车的发展，特别在西欧，柴油机小汽车占有很大的比例，约为40%。西欧国家重视柴油轿车发展主要是发现柴油机在经济性和排放方面具有优势。柴油车油耗低，二氧化碳排放少。

汽油机使用涡轮增压器大势所趋。如今汽油机增压已经得到业界的认可，汽油机使用涡轮增压器后节能效果显著。其表现：一是发动机的机械效率增加。相同排量的增压和非增压发动机相比,增压发动机产生的功率更大,发动机的机械效率和燃油经济性显著提高；二是发动机重量减轻。如果要获得相同的功率,使用增压的小型发动机可以替代非增压的大型发动机,这样车内发动机体积会减小,有利于降低整车重量,降低燃油消耗；三是发展增压型汽油机可以使汽车厂在同一条生产线上,生产功率不同的发动机,节约成本。现在国外增压汽油机产业化情况很好,如德国大众等公司已经生产增压汽油机多年。

近几年，涡轮增压器技术基本成熟，成本已经大幅下降。涡轮增压器市场价格较最初的产品价格下降了2/3，随着涡轮增压器产量的增加，增压器特别是汽油机增压器价格还有下降的空间。此外，涡轮增压器的维修成本大幅度降低，一方面因为更换零部件的成本下调，另一方面因为精通涡轮增压器维修的工人数目不断增加，劳动力成本降低。

新生代消费者更愿意选择技术含量更高、更节能、更环保的汽车。不像其他国家的消费者，以前是用非涡轮增压，可能由于惯性而不愿意尝新，中国市场没有这样的特点。政府在大力推行低排放的汽车和技术，涡轮增压技术正好符合这个潮流。中国市场很大，竞争很强，竞争会促进技术发展，使之在中国得到更快的渗透。

五、涡轮增压技术的发展趋势

涡轮增压技术发展的主要因素是增大发动机输出功率、提高发动机低速转矩、加快瞬态响应速 度、降低排放有害物和改善燃油经济性。增压器的技术关键是改善涡轮和压气机的效率，拓宽工作范围、提高增压压比、降低轴承系统的损失和提高稳定性及耐久性。今后发展内燃机的涡轮增压技术要深入研究、解决的有两大问题：一是要有高效率、高压比、流量范围宽广、可靠性好、寿命长的涡轮增压器；二是要有能充分利用发动机排气能量，避免进排气干扰和与涡轮增压器有良好配合的增压器系统。为此，随着增压器技术的不断提高，涡轮增压器设计的目趋成熟，新型车用涡轮增压器将会朝着提高增压比，增加增压器效率，减少零件数，拓宽流量范围，朝着小型化的方面发展。

双涡轮增压是涡轮增压的方式之一。针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮，在发动机低转速的时候，较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，减小涡轮迟滞效应。常见的涡轮增压都是单涡轮增压，分机械式涡轮增压、废气涡轮增压和复合式涡轮增压。机械式增压是发动机运转直接驱动涡轮，优点是没有涡轮迟滞，缺点是损耗部分动力、增压值较低。废气涡轮增压是靠发动机排气的剩余动能来驱动涡轮旋转，优点是涡轮转速高、增压值大对动力提升明显，缺点是有涡轮迟滞现象，即发动机在转速较低排气动能较小，不能驱动涡轮高速旋转以产生增大进气压力的作用，这时候的发动机动力等同于自然吸气，当转速提高后，涡轮增压起作用了动力会突然提升。双涡轮增压是涡轮通过串联或者并联的方式连接。并联指每组涡轮负责引擎半数汽缸的工作，每组涡轮都是同规格的，其优点就是增压反应快并减低管道的复杂程度。串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成，低转时推动反应较快的小涡轮，使低转扭力丰厚高转时大涡轮介入，提供充足的进气量，功率输出得以提高。涡轮增压器出毛病的几乎多数是轴承故障，轴承的寿命就是涡轮增压器的寿命。对增压器结构的改进提高，主要从减少效率损失和结构可靠性方面开展工作，采用微型高速滚动轴承以减少机械效率损失是最好的方法之一。近几年小型增压器的中间体轴承部位采用水冷结构的设计也逐渐增多，车用的小增压器几乎全部采用水冷结构。此外在中间体内轴承壳体采用铝合金制成，表面内孔采用发动机润滑油路的机油进行喷射冷却，这种结构使发动机的紧急停车无水冷却时轴承壳体的温升也比较小，减少了结焦的隐患。

随着小型涡增压器在车用发动机上的广泛应用，车用发动机特别是汽油机排温高，要求加速性能好，而陶瓷材料其重量轻、耐热性好，且比重轻，用它来制造的涡轮能耐高温转动惯量小，易于加速，可借以提高发动机的加速性。此外，混流式涡轮可进一步提高涡轮的效率；电子控制执行器总成可更精确地完成对增压器的控制；对于高增压的柴油机，采用电控涡轮复合增压式可回收废气中多余的能量作为动力输出。

车用增压技术不仅作为发动机的一项很重要的节能手段，还可以提高发动机的功率。涡轮增压发动机可以在不改变排量的情况下,将发动机的综合性能提高40%甚至更高。在改善经济性，尤其是在降低排放等诸方面，都给人们带来了巨大的综合效益。增压技术是今后国内汽车发动机重要的发展趋势之一。随着对车辆性能的要求愈来愈高，同时还要求保持燃油经济性不变，为使车用发动机满足欧洲法规，那么涡轮增压将会愈来愈多地用于提高小排量发动机的功率、进而达到大排量发动机的性能。即便在大排量发动机上，如果要缩小发动机尺寸而同时又保持动力性不下降，那么涡轮增压也不失为值得考虑的技术途径。随着涡轮增压器技术和其它先进发动机技术的进一步发展，车用发动机将会成为真正的低能耗、高环保性的车用动力。

（作者单位：罗礼培 东风汽车公司战略规划部，张志奎 东风汽车有限公司商用车公司商品收益管理部）

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