废气涡轮增压技术应用与展望
内容提要：随着人们节能意识逐渐增强，环保部门制定的排放法规日益严格，增压技术越来越受到重视。通过对各种增压方式的对比，废气涡轮增压由于不消耗有用功，被广泛应用。本文介绍了一种我国常用的废气涡轮增压系统，并展望了未来涡轮增压技术的发展方向。
关键词：涡轮增压 应用 展望
1 引言
废气涡轮增压器这一内燃机制造业百年最杰出的作品之一，近20年在车用发动机上越来越多的被采用，甚至CNG汽车，微型汽车和摩托车上也出现了涡轮增压器。汽车采用增压技术后，动力性，经济性不但得到了显著提高，而且排放性能也有所提高，这对消除油价飞涨满足日益严格的排放法规来说是十分重要的。
2 增压技术发展状况
经过近百年的不断发展，特别是20世纪90年代以来，由于CAD/CAM,电控、材料和制造技术等科学技术的迅速发展，许多相关学科领域的成果被大量用于增压技术领域，从而出现多种增压方式。针对不同的车用发动机，使用不同的增压方式才能达到最佳的匹配，下面是几中典型增压方式的比较。
从表中我们可以看出各种增压方式都有利有弊，但由于废气涡轮增压器结构简单，而且对提升发动机性能效果很好：当1台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器的相比，可增加大约40%甚至更多，或者说，1台小排量的发动机经增压后，可以产生较大排量发动机相同的功率；试验证明由于涡轮增压发动机的燃烧比较完全，排烟浓度降低，废气中CO和HC含量明显减少，NOx含量也大为改观，对减少汽车排气污染有利。此外，由于燃烧压力升高率降低，发动机工作柔和，噪声比较小；而且在高原地区也可以恢复功率减少油耗。由于装在汽油机上爆震倾向大大增强，而且汽油机的转速和功率范围宽，系统比较复杂，所以目前应用较少，只有少数高级轿车安装，但是随着技术的不断提高，应用会越来越广。装在柴油机上不存在什么大难题所以普及很广，在重型柴油机上已经达到了100%，而且目前已向小型柴油机迅速发展。
3 废气涡轮增压技术
带中冷器和放气阀涡轮增压器，设计简单，并能很好地保证低速转矩和高速限压，而且能满足我国排放法规的要求。目前大多数车用柴油发动机都安装它。
3.1 中冷器
气体经过压缩后温度有很大的提高，即使是低增压度，一般也高出60～80℃以上，升温将造成发动机功率降低，效率降低。为此需将吸入的空气在中冷器中再次冷却，使密度增加，从而使功率、扭矩相应增加。另外，增压中冷还有利于降低排放中NOx和微粒的含量，减少了柴油机后处理NOx的困难。
中冷器的冷却方式一般有以下3种类型:
（1）空对空中间冷却器；
（2）水对空中间冷却器；
（3）油对空中间冷却器。
水对空中冷器可分为利用发动机循环水和独立的循环水系统2种。前者的装置简单，可根据空间和实际条件直接装在车用发动机上，但发动机水温本身就高，大约在80～90℃左右，所能得到的空气冷却程度是有限的。在后一种情况下，由于可利用温度较低的冷却水，所以增压空气的冷却效果好，但需要设置单独的冷却水系统，故它只能用于固定式工业用柴油机或船用发动机。油对空中间冷却器和水对空中间冷却器相似。
空对空中冷可用于难于得到温度较低的冷却水的场合。常用以下2种方法：
（1）它是用管子将充气通到单独安装在前面的散热器，利用装在柴油机上的风扇供给的冷却空气进行冷却，增压空气的温度可冷却到50～60℃。但由于空气的传热系数比水低得多，所以空对空的体积要比水对空中冷器大些。一般将中冷器直接布置在发动机冷却水箱的前面，但应靠近增压器。
（2）在进气管前段设置一个风扇，有专用电机驱动，冷却效果最好，但是设计复杂。一般来说，增压比越高，采用中冷的效果越显著，采用中冷的必要性就越大。是否采用中冷主要取决于增压发动机的增压强度，也与发动机用途和使用条件等因素有关，使用时要权衡利弊。比较起来，空对空中冷有更大的发展潜力，特别是采用高温冷却的车用发动机，更应优先考虑空对空中冷器。
目前车用发动机常用的是水冷，原因是其设计简单，体积小，容易布置。但以后可能会向空冷方面发展。
3.2 放气阀
柴油机在高速高负荷时，排气流量大，因而排气能量大，导致涡轮增压器转速高，增压压力也高，但是在柴油机低速时，即使增加负荷，废气流量也不大，因而增压空气压力低，发动机扭矩增量过小。作为改善的办法，可以用小容量的涡轮增压器和柴油机的中速相匹配，以提高柴油机中速时的扭矩。这样又出现将柴油机高速高负荷时增压过高，增压器转速过大的问题。为此采用排气旁通阀，在高速高负荷时，旁通阀打开，放掉一部分废气，以降低增压器转速，控制压比。放气的方式目前主要有以下2种：
（1）将部分排气放入大气；
（2）将部分增压空气放入大气。从热力学观点来看，放增压空气比放排气更不理想，但实际上两者对油耗率的影响差别不大。目前车用发动机常用的是将部分排气放入大气。
4 未来废气涡轮增压器的发展趋势
4.1 可变截面涡轮增压器
对于车用高速柴油机，为了改善低工况性能，可采用高速时放气的措施，这是一种简单而安全的措施，但高工况经济性不好。为了提高涡轮增压器的经济性能，近十几年科研工作者进行了大量的研究，其中可变喷嘴环截面涡轮增压器是呼声最高的，许多国家都进行了研究并取的了很大的进步。
可变截面涡轮增压是燃气通过涡轮喷嘴叶片时，根据涡轮增压柴油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度，使进入涡轮叶片的气流参数产生变化，通过涡轮焓降的变化实现涡轮功的变化，让压气机出口的增压压力发生变化，从而达到涡轮增压器与发动机在各工况下的良好匹配。可变截面涡轮增压器的原理简图如图4所示.由于发动机工况变化的瞬态性，因此可变喷嘴环叶片调整的响应性也是可变喷嘴环增压器难以推广的原因之一。近年来计算机技术的日益发展和新材料在实际中不断应用，困难已基本解决。可变截面涡轮增压系统因其实用性和优越的性能将受到更多的关注。目前在能满足欧Ⅳ、欧V的柴油机车上广泛采用。
4.2 复合增压技术
涡轮增压器优点很多，但也有它的缺点，其中最明显的是，“滞后响应”，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良后的反应时间也要1.7S，使发动机延迟增加或减少输出功率。这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉而且还会冒黑烟。如果采用机械增压则可以减少响应时间提高加速和起性能。目前很多高级汽车上装有复合增压器。随着成本的降低复合增压器将会越来越多的被采用。
4.3 其他方面
排气温度高，增压器转速高（20万转每分），机械负荷和热负荷高将大大提高对材料性能要求涡轮增压的优化控制；超高压比增压（两级涡轮增压系统）；增压器的小型高速化都是未来的发展方向。
5 结束语
随着废气涡轮增压技术的不断改进和优化，成本的不断降低；随着柴油机汽车的比例不断扩大；加之节能意识和排放法规的催化；汽车制造公司将会全面采用来提高汽车高性能化，因此，汽车全面增压的时代将会很快来临
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