车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望

车辆工程类毕业设计论文-汽车涡轮增压

第"-卷!第)期%##$年%月小型内燃机与摩托车

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综述

车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望

张俊红!李志刚!王铁宁

（天津大学机械学院!天津!"###$%）

已有百年的历史，经过不断地改进与完善，它已被广泛应用于各个摘!要：涡轮增压技术从提出至今，

工业领域，特别是汽车行业。鉴于该技术的重要性，本文的主旨就在于通过深入探讨涡轮增压技术在汽车行业的运用，从而对该技术的现状进行基本归纳与总结。为此，本文首先回顾了车用涡轮增压技术的发展历程，随后通过重点介绍当前车用涡轮增压器在技术、工艺和材料等方面取得的成果。对该技术的发展现状做出归纳总结，进而对涡轮增压技术在汽车行业的未来发展方向进行基本展望。关键词：涡轮增压技术!车用涡轮增压技术!涡轮增压器

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引言

自涡轮增压技术概念提出至今已有百年时间了，在这百年的时间里，涡轮增压技术经历了轴流式、径流式、混流式及配置放气阀、电机等自身的不断改进，其在航天、航海及陆地机械上得到了广泛的应用。特别是车辆的广泛应用及当前人们对车辆节能、功率和环保要求的不断提高，为车用涡轮增压技术的应用、发展和进步提供了广阔的空间和需求。

)!回顾

早在)K#+年，瑞士的,?A65DL*MB>:/博士就对涡轮机驱动压缩机这一装置申请了专利，并于)K#KN)K)%年设计开发了世界上第一台废气驱动的轴流式涡轮增压器，进而于)K)+年首先策划了将涡轮增压器应用于柴油动力机。但是，由于不能获得足够的压缩空气压力，这一创新并没有得到认可和重视。

涡轮增压技术的实际应用最先在第一次世界大战

作者简介：张俊红（)K-%.），女，副教授，博士，硕士生导师。主要从事动力系统现代设计、动力系统振动与噪声及其主动控制、涡轮增压器和中

冷器系统的设计及匹配问题的研究工作。万方数据

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期间的航空发动机上取得了一定的成功。随后在!"世纪#"$%"年代的欧洲和美国，涡轮增压技术进入了迅速发展和广泛应用的阶段。轴流式涡轮增压器被大量应用在航海、铁路、电厂和航空领域。特别是在美国，通用公司为军用飞机研制的涡轮增压器，被数以万计地应用在战斗机和轰炸机上。当时，涡轮增压技术的广泛应用也促进了许多新技术、新工艺的产生和发展，其中主要包括：

&）对材料耐热性的研究和开发；

油机轿车市场占有率已达#"K$’"K。现代柴油机已是高新技术产品的代表之一，现代柴油机具有节能、低污染的先天优势，能满足日益严格的排放法规要求，这得益于普遍采用了涡轮增压技术。通过采用涡轮增压及涡轮增压中冷技术可提高气缸充量容积效率，提高空燃比，大大增加功率；如功率保持不变，可降低废气烟度、废气温度和发动机的热负荷。在内燃机的发展历程中，涡轮增压技术的应用在提高内燃机的比功率和燃油经济性、降低排放等方面发挥了重要的作用，

!）对材料高温精确铸造技术的研究和开发；#）促使人们对径流式涡轮增压器的研发，并使之在小功率发动机上得到了应用。

!"世纪%"年代末’"年代初盖瑞特（()**+,）公司开始从事!"$-"./（&’$0123）的小功率引擎的涡轮增压器的研究，并取得了成功。盖瑞特公司开发出良好的涡轮增压器壳体的铸造技术、高速密封技术、径流式涡轮和离心式压缩机技术。&-’%年盖瑞特公司成立了空气学工业研发部（45*67+8+)*9:;<=>8,*5)?@5A585B<）也就是后来的盖瑞特引擎公司（()**+,,4>,BCDB,5A+），专门设计和生产涡轮增压器，这对于现代涡轮引擎的产生和发展具有划时代意义。在这期间，小型涡轮增压器首先在赛车上取得了惊人的成功，涡轮增压器所提供的大功率、大扭矩满足了人们当时的需求。随后小型涡轮增压器大量应用于大型拖拉机、载重卡车和小型汽车上。时至今日，几乎所有的卡车都搭载了涡轮增压器的引擎。

在小型车领域，!"世纪1"年代是涡轮增压器一个重要的转折点。保时捷-&&（带盖瑞特废气门的EEE涡轮增压器）轿车于&-1’年面世。&-11年绅宝6--通过一个带涡轮增压器的!F&G汽油发动机获得了与无涡轮增压的#F"G发动机同样的性能，使更多的人认识和接受了涡轮增压技术。随后的奔驰推出了#""H>*IB=5+8+?涡轮增压柴油发动机轿车，其能为驾车者提供最大的燃油经济性和驾驶性。别克公司接着宣布&-1J年的别克君威和利蒙斯运动型双门跑车配置涡轮引擎。在近!"年里，汽车生产厂家不断开发出具有涡轮增压技术的小型轿车。

在卡车领域，盖瑞特H"%涡轮增压器最早应用在迪尔农业机械上。随着发动机生产厂家逐渐认识到涡轮增压器对发动机工况、最大扭矩和燃油经济性提高的巨大贡献，H"%型涡轮增压器具有了更加广泛的应用。!"世纪1"年代卡车涡轮增压时代正慢慢形成。今天，中、重型车辆已经普遍选用柴油机作为动

力。在西欧，万方数据轿车选用柴油机的比例逐年上升，其中柴

被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑［&］

。

!L现状

近!"年，随着涡轮增压技术的普及、深入，有关涡轮增压方面的新技术、新工艺、新材料、新理念开始不断涌现。可以说，正是由于各种排放、噪声法规的大量出台和人们对涡轮增压技术的更高要求，特别是涡轮增压技术对高原发动机的功率补偿，车用涡轮增压技术迎来了发展的黄金时期。!F&L车用涡轮增压技术的特征

总体来说，当今的车用涡轮增压技术主要具有以下’点特征：

&）小型化

在发动机重量及体积增加很少的情况下，发动机不需要做重大改变，即很容易提高功率!"K$’"K。由于不像机械增压时压比受到限制，故近年来高增压的趋势越来越明显。高增压时，功率提高甚至可大于&""K。因此，采用涡轮增压技术，可在功率保持不变的前提下，大大降低发动机的整体尺寸，这对发动机及车辆的小型化、轻量化和降低成本有巨大的吸引力。

!）节能

涡轮增压器的原理是利用发动机排放的废气来驱动涡轮机，涡轮机转动来带动同轴的压气机工作，压气机对将进入发动机的新鲜空气进行压缩，从而增加发动机的进气量，提高发动机的功率、机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后耗油率可降低’K$&"K。因此我们能用小功率的带涡轮增压器的发动机来代替大功率的自然吸气的发动机，从而达到节能的目的。一台&F0’G排量的增压发动机的功率等于一台#F1JG

排量的非增压发动机的功率［!］。

#）环保

涡轮增压器能够使发动机节能，必将降低发动机有害气体和MN!的排放量。但增压在汽油机和柴油机对排放的影响是有所区别的。对汽油机来说，由于过量空气系数接近于&，增压对汽油机排放的影响局限于节能部分。柴油机的过量空气系数本来就远远超

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过!，增压使柴油机的过量空气系数进一步提高，对排放产生了明显的影响。若把自然吸气柴油机改成同样排量的增压柴油机，因其空气供应充足，碳烟和"#的排放大幅度减少；由于燃烧充分，燃烧温度升高，燃烧室的化学反应更趋强烈，$"化合物的排放也会降低。但吸入气缸的空气量增加和燃烧室温度升高，使平均有效%#&的排放量增加。因增压柴油机能提高燃油经济性，有时可放弃部分在燃油经济性的好处来换取全面降低排放。同时，提高了充量温度，缩短了滞燃承直径小，轴颈线速度低，摩擦损失小，轴承的寿命长，因此过去大多数增压器采用这种方式。但其结构复杂，跨距大，增压器转子粗重，压气机等不便于轴向进气。而内支承式轴承轴向尺寸小，轴承距离短，结构简单，易采用非冷却式壳体及轴向进气，便于清洗流道，但回转稳定性差，若采用滚动轴承，轴承直径大，轴颈

［,］

线速度高，轴承易损坏，拆装不方便。近年来，各大

涡轮增压器厂家逐渐采用内置式轴承支撑方式，在实际应用上取得了良好的效果。

期，降低了燃烧噪声。这可使重型柴油机%’!降低(’)，微粒减少*’)，比油耗改善!+)。

,）高原功率补偿

在高原条件下，发动机气缸进气流量减少，降低了含氧量，使燃烧过程恶化，后燃现象加重，燃烧持续期延长，冒烟加重。为了更好地组织燃烧，提高氧的利用率，采用涡轮增压技术，提高发动机的进气量，补偿因进气不足而损失的功率。

-）涡轮增压器与发动机多种匹配方式

为了最大限度地发挥涡轮增压技术的潜力和不同目的的需求，人们研究出了多种涡轮增压器与发动机的匹配方案。有高工况放气系统、低工况进排气旁通系统、可调涡轮喷嘴截面增压系统、电动放气涡轮增压系统、增压转换系统和带电机的涡轮增压器。此外，还有超高增压系统（$./01231）、扫气旁通系统（4"352.）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［6］。

7879车用涡轮增压器零部件改进与革新

与此同时，涡轮增压器的零部件也做了许多改进，主要有：

!）薄钢板涡轮壳体

满足欧!及更严格排放标准的柴油机，都必须安装催化转化器。而催化转化器的有效工作条件之一是必须达到一定的工作温度。涡轮壳体一般为铸件，质量及热惯性均较大。为了减少排气系统的热惯性，开发了薄钢板涡轮壳体，其质量小，热惯性也小，发动机起动后从排气系统吸收的热量较少，能够较快地使催化转化器达到工作温度，改善催化转化器的净化效果。

7）轴承支承方式改进

涡轮增压器支承转子的轴承为两个，若两个轴承位于转子两个叶轮的外侧称外支承式；若两个轴承位于转子两个叶轮的内侧称内支承式；若一个在内侧，另一个在外侧则称内外支承式。外支承式轴承运转的稳定性好，维护管理方便，便于拆装，轴承距离较远，转子

受高温气体的影响较小，万方数据便于布置与安装轴封装置，轴

6）轴承系统性能的提高

在小型车用涡轮增压器上采用滚动轴承代替滑动轴承，其机械效率可达*-)以上，增压器总效率可提高-):;)，

在小流量时甚至可提高7’)，这可大大改善车用发动机的低速工况性能；另外由于轴承中摩擦小，使得增压器转子转动非常灵活，可显著改善增压器的加速性。

,）透平叶片

新式透平采用宽弦叶片，和原来的%3、%1相比，叶片的根部加宽，这样就能承受更大的应力，同时把叶片种植在透平圆盘上，增加了刚性。以前的透平叶片为防止振动加剧，均采用减振钢丝把各个叶片连接起来，但采用这种结构后，进气阻力大，影响了透平的效率，因此，新式透平省去了减振钢丝，这样也为拆装、检修提供了方便，透平的效率也随之提高。

-）压气机

压气机叶轮在运转时，其圆周线速度超过-’’<=>，这将产生极大的离心力，为保证其工作可靠性和提高使用寿命，通过先进的计算方法，适应于高压条件下的钦合金压气机叶轮已经应用到新型废气涡轮增压器上，压比可达-8-?!。同时为保证在整个运转范围内有足够的喘振余量及高效率，压气机的出气壳采用优化的轮廓，可适于一个或二个出气口。

+）喷嘴环

新式废气涡轮增压器的喷嘴环，是用高强度的铸铁材料浇铸而成，保证使用寿命长。新式喷嘴环的形状保证了高效率，借助单独适配的喷嘴环可获得透平增压器和相应柴油机的最佳匹配。新发明的变截面喷嘴环，适应于频繁改变速度和负荷的柴油机。当柴油机负荷改变时，通过改变喷嘴环流通截面积，获得最佳匹配，即当低负荷运转时喷嘴环出口流通截面积减小，使废气的压力能更多地转化为动能，满足柴油机低负荷运转时需要的新鲜空气量。这样，既可降低燃油消耗量，又可减少排放污染物。

;）静音消音器

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新开发的径向消音器能把噪音降到!"#$%（&）以

下，径向布置的消音扇形片能提供最佳的流通条件，在透平的全部效率范围内，均能满足使用要求，增压器圆周上的过滤钢垫易于拆卸和清洗。’()*新工艺、新材料

涡轮增压器制造工艺的发展主要得益于+&,-+/,技术的发展与新设备的应用。目前采用准+&.、

三维设计方法设计离心式压气机与径流涡轮已经很普遍。三元流方法可以更准确、更全面地描述叶轮内部当前，金属涡轮增压器已广泛应用在汽车和国外

摩托车上，而陶瓷涡轮增压器及陶瓷发动机代表了当前该技术的重要发展方向。我国一汽、二汽、广西重柴、扬州柴油机等大汽车和柴油机制造公司都已成功开发出了涡轮增压器，而陶瓷材料的研究在我国起步较晚，但陶瓷材料国产汽车发动机已经问世。为了加速在国产摩托车发动机上应用涡轮增压技术的步伐，应首先在大排量摩托车上推广应用金属涡轮增压技术，同时在全国范围内积极开展陶瓷发动机和陶瓷涡流场，利用它对各种损失模型与叶轮内部流场的深入研究已经取得很大成绩，现已成为涡轮增压器叶轮设计的基本方法。近年也开始进行空气动力学计算、三元流场分析、叶轮及叶型设计、强度分析及性能预测等等。增压器主要零件的制造工艺受到了计算机技术发展的重大影响。现在涡轮增压技术的工艺、材料的发展集中体现在对涡轮增压器零部件的改进和革新。

今天的涡轮增压器的结构已经相当紧凑、合理、完善，材料性能的提高对涡轮增压器性能、成本的贡献是相当大的。可喜的是近年来高新技术材料应用研究进展很快，对增压器的发展起着非常重要的作用。01&2合金作为一种新型的高温材料，密度小（约)(34)(56-78)，只有镍基高温合金密度的二分之一左右）、高温强度及抗氧化性好，用于涡轮增压器可以大幅度降低其转动惯量，提高其瞬态响应性。采用高频感应快速熔化浇铸工艺铸造涡轮叶轮已经成功，采用粉末冶金成型方法也已制成涡轮毛胚。另外在增压器上也开发使用了陶瓷涡轮。采用陶瓷涡轮的技术难点主要是陶瓷涡轮与转轴的连接，日本主要采取陶瓷涡轮在转轴中间部位与转轴压配合连接和陶瓷涡轮在叶轮轮盘部位与转轴静压连接。国内在致力研制一种金属化合物以取代常规涡轮材料，其难点仍是涡轮与转轴的连接，一旦工艺成熟，可望得到大力推广。随着轻质材料的使用，涡轮的转动惯量大大降低，改善了响应特性，降低了排放；同时由于陶瓷涡轮的质量较轻，涡轮箱的壁厚能被设计得很薄，在保持包容性不变的前提下使增压器质量减轻。

在压气机方面，为了满足较高压比（一般为)(#以上）压气机叶轮采用钛合金；此外，新的轻质合金材料也在研制，美国盖瑞特公司、德国999公司研制了镁及碳纤维压气机叶轮，采用工程塑料压气机蜗壳取代铝合金蜗壳，使进一步减轻质量成为可能。其它一些轴系小件，尤其是止推轴承板已大量采用了粉末冶金材料。另外值得重视的是，压气机进气端与滤清器结合，采用静电滤清、进气预旋等措施提高滤清效果与

拓宽压气机流量范围。

万方数据轮增压器的开发应用研究，以促进涡轮增压技术尽快应用于国产摩托车上。

’(:*新理念

新型的废气涡轮增压器以提高可靠性、可维修性和经济性为重点，采用整体集成设计结合先进的材料使增压器提高了效率，减少了系统的零部件，简化了在机器上的安装，延长了大修间隔期，减少了维修工作量及维修工时，保证在整个寿命周期更低的运行成本。涡轮增压技术的发展与增压柴油机未来发展的要求密切相关，其主要服从于未来的排放法规要求和进一步降低燃油消耗，涡轮增压系统应有更高的热效率；在增压系统与发动机的匹配上有可能采用电子控制系统，使增压系统与燃油系统在发动机全工况内实现最佳匹配；对车用涡轮增压器将要求尺寸更小，质量更轻，效率更高，同时要求增压器有良好的可靠性，并可按发动机工况要求进行调节。

)*展望

’"世纪5"年代以来，排放法规日趋严格，根据我国等效采用欧洲排放法规计划，’"")年执行欧!标准，’"!"年与国际同步。要达到上述标准，就要综合应用电子控制技术、优化设计技术、废气增压技术和排气后处理技术等，才能极大地提高内燃机的综合性能。一般来说，在涡轮增压技术上有如下要求：欧!标准要匹配良好的涡轮增压器并带放气阀；欧"标准要采用可变喷嘴涡轮增压器；欧"标准以上则要使用电控可变喷嘴涡轮增压器。

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（收稿日期：’"")>")>!"）

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车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

张俊红， 李志刚， 王铁宁， Zhang Junhong， Li Zhigang， Wang Tiening天津大学机械学院,天津,300072

小型内燃机与摩托车

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