单级顺序增压涡轮增压器——超低排放柴油机的增压新理念

涡轮增压柴油机以超低排放达到了较高的平均有效压力水平。传统涡轮增压器的涡轮与压气机的匹配要达到期望的性能和响应特性变得越来越困难。为了满足排放法规的要求,采用超高水平的废气再循环控制氮氧化物排放,采用柴油颗粒过滤器控制碳烟和颗粒排放。这些技术使涡轮修正流量减少到压气机修正流量的一半,从而使压气机与涡轮的匹配恶化。介绍一种通过改变压气机作功一转速关系来显著改善涡轮性能的新设计理念。通过使用双面压气机叶轮,使压气机的1个叶轮停止工作,从而改善压气机的流量范围。由于压气机的流量范围得到改善,叶轮后弯曲率得以减小,进而改善了高压比能力。与球轴承相结合,该理念会使单级涡轮增压器的涡轮效率改善几十个百分点,压力高、流量范围大、尺寸小的压气机能提供传统结构的涡轮增压器所无法达到的性能水平。     

进气参数对涡轮增压柴油机性能及排放的影响

涡轮增压柴油机的燃烧和排放性能在很大程度上受进气管增压空气参数(诸如进气总管空气压力和温度)的影响。为更深入地了解两种进气变量之间的关系及其对增压柴油机缸内燃烧和输出性能(包括燃油效率和排放)的影响,进行了分析和试验研究,本文概述其研究结果。了解和描述了进气总管状态对缸内燃烧性能参数的影响。研究指出,进气总管空气压力和温度是紧密相关的,与部分负荷工况或自然吸气柴油机相比,增压柴油机高负荷工况下两者有更强的依赖关系增压柴油机全负荷下进气总管空气温度改变时,总管空气压力亦随之变化,并且因此增压空气密度、柴油机效率和CO以及排烟都将发生变化,而NOx的变化相对来说更为明显。只改变进气总管空气压力,则性能和排放在部分负荷下的变化情况不同于全负荷。在进气总管温度保持不变的情况下,得出了进气总管空气压力随柴油机进口空气温度(即环境温度)的简单的变化关系式。还通过试验对进气总管空气变量对柴油机燃烧及其性能和排放的总的影响进行了研究。分析得出的预测值与试验值非常吻合。     

减排——对涡轮增压的新挑战

在今天的发动机开发中人们关注的主要焦点是如何满足未来排放法规的要求。这在很大程度上取代了传统的发动机开发的推动因素,诸如功率密度、效率和成本,所有这些因素在整个上世纪90年代已取得重大改进。这个新的焦点自然也对涡轮增压器制造商的开发工作有很大的影响。因为有效压比的积极作用被进气门关闭提前所消化,所以在过去10年中的开发工作已经导致功率密度的提高稍有停滞。在已实施严格的低NOx排放法规的地区,众所周知的发动机效率和低排放之间的折衷,常常需要喷射定时的延迟,这样就会导致发动机效率的损失。预计在不久的将来还将存在进一步降低排放的压力。一个很重要的问题是:这将会阻碍功率密度的进一步提高或针对高增压比水平而开展的开发工作将会充当发动机新一轮发展浪潮的推动力吗?非常高的增压比水平打开了降低循环温度之门,在诸多降低缸内温度的方法中,有一种特别令人感兴趣的方法是采用Miller定时。较低的循环温度不仅可以减少发动机的NOx排放量,而且还可以改善发动机效率和功率密度。对增压空气进行明智的管理也是保证在每种发动机负荷下提供适量空气的需要,并有助于对烟度和颗粒物排放量实行有效控制。ABB涡轮增压器公司在该领域通过与发动机制造商、大学及其他研究机构进行合作,积极开展了各项课题研究。研究结果表明,伴随着Miller方法、废气再循环、共轨或可变喷射压力、长行程等诸多发动机新技术的应用,高压比涡轮增压(单级或多级)的潜力仍然是巨大的。通常,单靠涡轮增压不可能解决所有问题。因此,本文客观地介绍未来实现高压比的多种方案,以满足各种型式和用途发动机的需要。然而,用来评判某个解决方法的适用性的标准在每种情况下都是一样的:低的排放(NOx和颗粒物),增强的工作能力,负荷响应和可靠性。所有这些都会为环境、发动机制造商、终端用户以及涡轮增压器制造商本身带来巨大益处。     

通过喷入压缩空气改善涡轮增压柴油机的扭矩特性

近年来,Knorr-Bremse制动器公司通过对汽车工业、商用车柴油机领域电控喷油（如共轨）,以及商用车制动装置领域高动态电控压缩空气元器件的开发整合,成功开发出一种主要基于量产元器件且达到初期开发状态的系统。该系统易于集成到进气管上,且能极大改善发动机及车辆的动态响应性和加速性能。     

Audi公司TT RS轿车用新型2．5L涡轮增压燃油分层喷射汽油机

Audi轿车搭载直列5缸涡轮增压发动机具有悠久的传统史。经过持续不断的开发,又将缸内直接喷射与涡轮增压相结合,2．5L发动机在5400～6500r／min时功率达到250kW,并在1600r／min时扭矩达到450N·m。Audi轿车的发动机动力指标与优化匹配的6档手动变速箱相结合,在保持适当燃油耗的情况下,能使其加速性和机动性指标达到运动型车型的水平。     

MIXPC涡轮增压系统5年来的发展

简要介绍了8缸、16缸、6缸及4缸采用MIXPC涡轮增压系统柴油机性能试验结果及与其它涡轮增压系统的比较,并阐述了MIXPC系统排气管系的设计特点.说明MIXPC系统的性能优于其它系统,可以应用于不同转速、不同平均有效压力、不同缸数的四冲程柴油机中.     

新开发的4B11型涡轮增压发动机

介绍日本三菱汽车公司新开发的、配装于Lancer Evolution X车上的直列4缸涡轮发动机。这款新开发的4811型涡轮发动机（2．0L）经改用铝制压铸机体和直动式配气系统之后，重量减轻12．5kg，并采用进、排气侧均可变正时的三菱可变正时气门机构MIVEC^TM，通过在全部运行区域设定最佳气门正时，实现了提高性能、降低燃油耗及排放的目标。进而，通过降低进、排气系统的压力损失，并重新设定涡轮增压器的规格，大幅度提高了低、中速扭矩及响应性。同时，还考虑到环保要求，采用了高性能金属催化器等，由此达到比2005年排放标准降低50%排放的水平。     

满足欧4标准的发动机及其排放控制技术

北美、日本和欧洲这些交通运输高度发达的国家已经引用越来越严的排放法规。在国际化形势下,其他新兴市场对排放和燃油质量的控制也日益严格。发动机管理与排放控制系统相结合可以满足越来越严的法规。讨论了几种发动机排放控制系统的实例以及开发排放控制系统组合的方法。还对某些原设备制造商宣称能在不用NOx后处理的情况下达到美国2010重型车排放法规和欧5重型车排放法规的观点进行了探讨。     

通过优化热管理降低涡轮增压直接喷射汽油机的二氧化碳排放

在Behr、Behr—Hella热管理和AVL三家公司共同合作的项目中,为降低涡轮增压直接喷射汽油机的二氧化碳排放,对各种热管理技术进行了试验研究。通过对外部废气再循环的冷却,能在发动机典型的工作点部分负荷时使燃油耗降低5％,在全负荷时由于避免了加浓而使燃油耗下降18％。在实际运行中可节省燃油约6％。在暖机阶段,通过停止冷却液的供给使新欧洲行驶循环中的燃油耗进一步降低约3％。此外,发动机试验表明,通过按工况控制的节温器在不同的负荷点改变冷却液温度（最大为10K）能进一步挖掘降低燃油耗的潜力1．4％。     

Opel公司的新型涡轮增压直接喷射1．6L4缸汽油机

Opel公司称,开发了1款采用涡轮增压和直接喷射的新型1．6L4缸汽油机,其具有2种功率变型,即功率125kW、最大扭矩280N．m的EcoTurbo机型,以及功率147kW、扭矩300N．m的Performance了urbo机型。该新型汽油机的特点是：（1）采用2根反向旋转的平衡轴;（2）使用由曲轴箱与铝压铸底座组成的薄壁压铸机体;（3）1个集成在排气歧管中,并采用特殊涡轮设计的增压器涡壳。     

欧6直喷汽油机的挑战及对可行性解决方案的评价

2011年末颁布的欧6排放法规明确了未来几年的需求框架。6．0×10^11km^-1的颗粒数限值对直喷汽油机来说是真正的挑战。通过可视化单缸发动机的研究,讨论颗粒形成的因果关系,这可以为降低颗粒排放提出系统需求及功能定义。在1款欧5汽油机上进行的可再现性研究成功降低了发动机的原始排放,为喷油器中央布置的汽油机达到欧6颗粒数限值确定了方向。     

重型柴油机达到欧4和欧5标准的排放控制方案

现代柴油机是最通用的车辆动力之一。柴油机因较高的燃油经济性和扭矩得以长期用于全球重型车辆。此外,如今的涡轮增压小型高速柴油机有很高的动力性,以及优异的驱动性,加上很低的CO2排放,使得柴油机驱动的轻型车也越来越多。然而,只有当柴油车的废气排放满足日益严格的排放法规,它才可能被接受。在美国,重型柴油车和轻型柴油车要满足2007年开始生效的严格的排放法规,必须加装颗粒过滤器。从2010年起,排放法规将进一步收紧,这些车辆还必须加装NOx控制系统。欧洲与美国相似,先是欧4、欧5,最终将实施欧6排放法规。实际上,这样的目标意味着NOx和颗粒排放要比之前降低多达90％。评述了世界范围内重型柴油车为满足现行以及即将实施的欧6排放法规所使用的废气排放控制装置,以及控制策略的发展,探讨了有助于满足重型车法规要求的柴油机氧化催化器、通流式颗粒过滤器以及NOx控制催化器（选择性催化还原系统）的应用,并给出了不同控制方案的比较分析。     

Iveco公司能满足欧6排放标准的柴油机

Iveco公司推出了首款能满足欧6排放标准的柴油机。这款排量为11．1L的Cursor11车用柴油机将代替10．3L的Cursor10车用柴油机。排量的增大使发动机额定转速从2100r／min降至1900r／min。同时,最大额定功率从标定的343kw增大到了358kW,最大扭矩在1050r／min时就达到2250N·m。     

2．0L涡轮增压进气道喷射与缸内直接喷射汽油机应用无节气门负荷控制策略的对比研究

对1台2．0L涡轮增压进气道喷射汽油机和1台对比用的2．0L涡轮增压缸内直接喷射汽油机进行了台架试验研究,这2台汽油机都采用全机械式连续可变气门升程技术的无节气门负荷控制策略。对比中使用的基础发动机是不带连续可变气门升程机构的缸内直接喷射涡轮增压汽油机。运行试验重点是研究部分负荷时的燃油耗及全负荷时的低速最大扭矩。在这2种发动机运行模式下,采用连续可变气门升程机构后,发动机性能比无连续可变气门升程机构的涡轮增压发动机更好。这是因为更好的涡轮增压器响应优化了扭矩特性。带连续可变气门升程机构的涡轮增压进气道喷射发动机的扭矩与涡轮增压直接喷射的基础发动机相当,但低速状态下扭矩比基础发动机更好。涡轮增压连续可变气门升程缸内直接喷射汽油机在全负荷低速状态下能获得最大扭矩。涡轮增压连续可变气门升程进气道喷射汽油机在降低燃油耗方面具有更大的潜力。     

3MW公司装用3个涡轮增压器的新型6缸两级增压柴油机（第1部分）——曲柄连杆机构和增压系统

BMW公司为运动型汽车开发的装用3个涡轮增压器的新型TwinPowerTurbo-3．0L-6缸两级增压柴油机是柴油机发展史的又一个里程碑。新机型进一步拓宽了BMW公司发动机的标准部件,并以93kw的升功率和247N·m的升扭矩成为轿车柴油机中的顶级机型,其动力性能超过了更大排量和更多缸数的机型,而燃油耗并不高。第1部分介绍基本型发动机的设计、增压方案、热力学和喷油系统。     

BMW公司装用3个涡轮增压器的新型6缸两级增压柴油机（第2部分）——进气系统、冷却系统和废气系统

BMW公司为运动型汽车开发的装用3个涡轮增压器的新型T、winPower Turbo-3．0 L-6缸两级增压柴油机是柴油机发展史上的又一个里程碑。新机型进一步拓宽了BMw公司的标准部件,并以93kw的升功率和247N·m的升扭矩成为轿车柴油机中的顶级机型。仅依靠创新的增压系统与能承受高负荷的基础发动机的结合并不足以达到这样的动力性能指标,因此,必须专门为优化高增压度而设计进气系统、冷却系统和废气装置．以获得高效的增压空气冷却。第2部分介绍零部件的开发及其在汽车上达到的效果。     

Daimler公司满足欧6和第4阶段排放标准的10．7L商用车柴油机

OM470型10．7L柴油机是Daimler公司15．6L以下排量的新型重栽商用车柴油机系列的代表机型,已被投放市场。该机型通过了载货车和公交车用欧6柴油机的认证,能用作欧4和第4阶段（Tier4）排放标准等级的工业用柴油机,而且适用于全球市场。鉴于未来柴油机小型化,以及降低二氧化碳排放和燃油耗的要求,这种机型在Daimler公司重载商用车柴油机系列中起着越来越重要的作用。详细介绍了OM470型柴油机为达到欧6排放标准的热力学开发,以及为达到欧4和Tier4排放标准的配套情况。     

满足最低废气排放限值的Volkswagen新型2L涡轮增压直喷式柴油机（第一部分）

对欧洲的Volkswagen Tiguan和Audi A4轿车上已使用的共轨柴油机作了进一步改进之后,从2008年中期开始在美国上市的VW Jetta轿车可满足全球最严格的排放法规Tier2 Bin5中对废气排放限值的要求。除了采取燃油喷射系统优化、低压废气再循环系统和新型气缸压力调节法的实用化等机内措施外,NOx后处理系统的应用是其技术特点。新的柴油机系统要求针对全新的燃烧方式开发新的控制算法和进行细致的参数匹配。