关于涡轮增压器改善车辆环保性能的可能性分析

涡轮增压器是帮助发动机实现小型化与高功率化的有效装置。因此，研究人员正在持续不断地研发分别匹配柴油机与汽油机的涡轮增压新技术。日本IHI公司为实现涡轮增压器的小型化，提高车用涡轮增压器性能，改进部件结构和降低成本，着重开展相关基础技术的研发，并采用一系列新技术、新工艺，开发出能配装各种车型的新型涡轮增压器。在简要介绍IHI公司涡轮增压技术的同时，也描述了涡轮增压器的发展前景。

1 IHI公司车用增压器技术规划中心

IHI公司的车用增压器部门承担的业务包括掌握用户在车用、工业用及休闲设备专用小型增压器方面的需求，开展技术研发，并提供从产品订货阶段的评估到供货、售后服务及相关附带工作等各种产品服务。其中，技术规划中心的作用是确立车用涡轮增压器未来技术研发、设计及生产工艺的发展方向，并开展新产品研发，以优先满足用户的需求。该技术中心在促进各业务部门之间合作与协调的同时，也承担对包括国外生产基地在内的相关公司提供技术支持，推进研发与生产进展的任务。

截止2014年2月，IHI公司的车用增压器部门在全球范围内的生产基地共有7个，包括在日本、美国、意大利、德国和泰国的各1个，以及中国的2个生产基地。IHI公司2013年度的增压器产量约有600万台，居世界第3位，在日本国内则排名第1位。

2 用户对涡轮增压器需求的变化

用户对车用涡轮增压器的需求随着时代的发展也在出现各种变化，因此，产品研发必须顺应时代需求，以达到可靠、高性能的制造水平。

早期的涡轮增压器研发重点是增大发动机的输出功率，但从1990年左右起，对涡轮增压器的研究方向开始转向减轻环境负担，净化废气排放，以及改善车辆的燃油经济性。下文将介绍涡轮增压器在汽车技术研发中所发挥的作用。

3 降低柴油机对地球环境造成的负荷

世界各国正在持续收紧汽车排放法规，尤其是针对柴油机排放的颗粒（PM，即黑色碳烟）及氮氧化物（NOx），相关的法规限值已经变得极为严格。

PM是由氧气不足导致燃油不完全燃烧而产生的，因此，促进燃油与空气的良好混合是解决这一问题的关键。目前的柴油机中，由于采用高压喷射燃油形成微细的油雾，提高了燃油与空气的混合效率，混合气状况有了很大的改善，但在燃烧过程中仍有可能会出现氧气不足的现象，从而导致生成PM。对此，IHI公司开发的高效率涡轮增压器向燃烧室内送入足够的空气，为解决上述问题提供了有效的技术对策。

一直以来，以欧洲市场为中心，配装涡轮增压柴油机的乘用车在其环保性能方面获得了较高的评价，因而有着稳定的市场需求。然而，要满足目前日趋严格的排放法规要求，还必须采取进一步改进燃烧过程的技术措施（如低温预混合燃烧），以同时降低碳烟和NOx排放。为了在维持高废气再循环（EGR）率的同时获得高增压压力，就必须有高效率的涡轮增压器。IHI公司研制的涡轮增压器对于解决上述课题作出了贡献，使清洁型柴油机获得了能与汽油机相匹敌的环保性能。

4 涡轮增压器对汽油机小型化的贡献

近10年来，在以欧洲为中心的汽车市场，发动机缩缸强化的设计理念正在形成技术潮流，即缩小发动机的排量，并搭载涡轮增压器，在维持原有功率输出性能的同时，改善燃油经济性。针对改善车辆燃油经济性的课题，一直以来，都是以欧洲汽车制造商为主，在推进发动机缩缸强化的研究工作，但最近，在北美地区及中国的汽车市场，发动机小型化设计也正在成为主流技术。

此外，基于发动机缩缸强化设计理念打造的德国VWGolf车已获得2013－2014年日本汽车年度大奖。在日本，进口汽车获此殊荣尚属首次，这也是日本市场对配装涡轮增压器的小型化车用发动机普遍认可的证明。

欧盟各国，以及美国、日本等国都已制定了极为严格的燃油耗标准限值。至2020年，欧盟各国将汽油车的CO2排放限值定为95g/km，这一限值与日本混合动力车的排放水平相同，而且法规规定必须是车队平均排放水平，可以说是相当严格的限值。为了利用发动机缩缸强化的设计理念达到上述严格的燃油耗标准限值，对涡轮增压器的要求会被进一步提高，其需求也会进一步增长。图1示出了涡轮增压器技术研发的市场背景（各国的CO2排放法规限值）。

5 改善车辆加速时增压滞后的技术

以往，在配装涡轮增压器的汽车上，会出现踩下油门后加速响应滞后的现象，这被称为“涡轮迟滞”，曾经是涡轮增压系统中必须解决的课题。针对这一课题，研究人员陆续开发了即便在排气流量较小的情况下也能使涡轮增压器加速到必要转速的高性能涡轮叶轮，以及低机械损失的轴承，还有从低速到高速宽广运行区域内的高效率压气机叶轮等技术，在提高涡轮增压器综合效率方面进行了持续不断的努力。与发动机方面的改进措施相结合后，近年来配装涡轮增压器的车辆已几乎不再出现增压滞后的现象。此外，对与柴油机匹配的涡轮增压器，必须有效控制其空气流量。为此，开发了能改变排气进入涡轮的喷嘴部分面积可变的可变截面涡轮增压系统（VGS），即在喷嘴部位设置导向叶片，可根据排气流量调节叶片开度，以控制排气流速。采用该项技术后，就能对空气流量实施控制，改善燃烧，并降低NOx排放，以实现柴油机的清洁燃烧。图2为涡轮增压器的结构。

今后，以基于柴油机的清洁燃烧及整体效率提升而改善燃油经济性为目标，研究人员还将进行电动增压器的研发，即利用电动机进行能量回收，并且在不依赖排气能量的前提下确保空气质量流量。

6 支撑涡轮增压器发展的基础技术

涡轮增压器是超高转速的机械装置，要在超过900℃的高温环境下工作，最小尺寸的涡轮转速可达到300 000r/min。为了在这样的工作条件下获得高性能与高可靠性，必须具备各种相应的技术。IHI集团下述分设喷气发动机、旋转机械、发电设备、社会基础设施及工业机械等不同的产品研制部门，拥有通用的基础技术，也正是由于IHI公司具备完善的基础技术体系，才能够为用户提供高性能的涡轮增压器产品。

6.1 旋转机械技术

在涡轮增压器的研发中，以喷气发动机为代表的高转速旋转机械平衡技术、轴承及摩擦学相关技术等基础技术发挥着重要的作用。

6.2 流体解析技术

快速发展的计算机技术支撑了计算流体动力学技术的发展，使涡轮和压气机中的气体流动预测成为可能，大幅改善了涡轮增压器的性能。

6.3 材料和结构设计技术

为了维持涡轮增压器在高温高速环境下的耐久性，对其材料及结构设计实施多次改进。除了探索更佳的原材料及结构型式外，还追求对材料及结构极限能有更为精准的把握，力求进一步提高涡轮增压器的效率。

6.4 减振降噪技术

由于涡轮增压器的转速极高，因此，对作为振动及噪声源的旋转零件的非平衡状态进行矫正的技术至关重要。近年来，多数用户都希望涡轮增压器产品能具有良好的静音性，因此，研究人员对所有产品均实施高速运转区域的检查，进行微米级的平衡调整。

6.5 协调技术

涡轮增压器与发动机组合后的综合性能已获得普遍关注。因此，IHI公司的研究人员对用户的车型及发动机实施评估，以设计并生产出与其相匹配的涡轮增压器产品。这可以说是为每种车型量身定制涡轮增压器，实时掌握为数众多的下一代发动机的开发计划，开发相应的涡轮增压技术。图3示出了为支持涡轮增压器开发的基础技术。

7 通过改进生产工艺提高性能并降低成本

涡轮增压器制造工序中有待解决的首要课题是降低成本。虽然燃油耗标准及排放法规对涡轮增压器性能的要求逐年提高，但降低成本依然是势在必行的。部分情况下，也会因车辆的全面改型而要求涡轮增压器的成本比之前的销售价格有大幅降低。

在面临苛刻条件挑战的情况下，研究人员应着力解决的问题包括：兼顾原材料供应与生产工序的设计，以及能稳定确保品质的可靠性设计等。在原材料供应方面，不仅必须保证采购到品质良好的原材料或配件，还必须努力发掘及开拓新的材料供应商。此外，由于设计对成本也具有极为显著的影响力，所以，应把握生产现场的状况，并将其反映到设计中。同时，还要根据不同生产基地的人力成本差异，相应地改变制造工艺。

制造技术的进步也是成本降低的一大因素。例如，以往压气机的叶轮只能采用铸造工艺，但现在已有部分生产商利用5轴加工机床实施切削加工工艺来生产叶轮。只须改变加工机床的控制程序，就能改变工件形状，从而加工出任意形状的工件，在多品种小批量的生产中，这将有利于大幅降低成本。对于生产企业而言，像这样通过改变制造方法或生产工艺来获得产品竞争力是至关重要的策略，而这必须从设计阶段就开展积极的探索和研究。

8 应对全球市场的需求

今后，车用涡轮增压器的发展将在很大程度上受市场发展趋势的影响。从全球汽车市场的发展趋势来看，今后汽油机的小型化趋势及清洁型柴油机依然占据主流地位。为此，应持续研发能领先于行业的技术，以适应用户的需求。中国、印度等东南亚国家在今后预计会进一步推进其汽车化社会的进程，但这些国家的燃油耗标准及废气排放法规也将执行与欧洲相同的标准。可以预测，配装涡轮增压器的环保型车辆的需求将会出现全球性的增长。

此外，为了应对排放法规的日趋收紧，适应多样化的市场需求，目前，各制造商也在对各种增压新技术进行研究，包括可配装于燃料电池车的特殊涡轮增压器，以及能有效应用蓄电池而不采用涡轮机的环保型电动增压器等。

9 结语

进一步提高涡轮增压器的效率与可靠性是研发人员肩负的使命。因此，提高涡轮增压器向小型化、轻量化发展的技术水平，追求产品的极限设计是不可或缺的。

此外，推进涡轮增压器及今后发动机系统的自身发展也是研究人员的梦想。例如，为涡轮增压器赋予智能控制技术，通过传感器与控制单元，在监测排气状况的同时，对包括发动机在内的动力传动系统实施优化控制，从而显著改善车辆的燃油经济性及行驶性能。