可使排气能量恢复和增加的可变几何涡轮增压技术综述外文翻译资料

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可使排气能量恢复和增加的可变几何涡轮增压技术综述

摘要：

随着排放法规的要求正在变得越来越严格，更高功率密度（较小尺寸的/促进更多的合适尺寸的）的增压需求正在驱动着涡轮增压系统的发展。可变几何涡轮增压系统（VGT）是基于标准的固定几何涡轮增压系统的。目前，可变几何涡轮增压系统提供重要的多种选项或者补充相对先进的涡轮增压选项。本文突出综述了包括在市面上销售的或者在公开范围内发展的涡轮机和压缩机的可变几何技术，并讨论了各自的相对优点。随着柴油机增压系统的突起，注意力转移到了控制方案的采用和操作可变几何装置所需的驱动系统以及与汽油机涡轮增压器设计相关的具体挑战上。

关键词：涡轮增压，可变几何涡轮，可变几何压气机，可变喷嘴涡轮，可变几何涡轮增压器，汽车涡轮增压

1.介绍

为了应对越来越严格的排放法规，全世界的发动机制造商都采取了一系列广泛的涡轮增压技术，以确保在缩小发动机尺寸的同时能维持住发动机的性能。可变几何涡轮增压代表着现如今汽车技术的很大一部分。可变几何涡轮增压技术（也称之为可变喷嘴涡轮增压器）被大范围的应用，例如在商用车、非公路用车、乘用车、海运和铁路等内燃机上的应用。除了排放物本身和缩小发动机零部件之外，其它关键的可发展的方向包括增强瞬态响应能力，改善扭矩特性，促进预防和改善燃油经济性。

涡轮增压器的使用在过去的二十年里有了大幅的增长，而且直到最近还在那些被自然吸气发动机统治的领域有了特别的增长，还依然可行。（尤其是在中国和美国）。随着可变几何涡轮增压器的实现，在近年来公布了可变几何涡轮增压器所占有显著比例的大幅增长的数字，而且可预计可变涡轮增压器的市场占有率正在上升。预计到了2020年可变涡轮增压器将占领全球涡轮增压器市场63.3%的份额。在亚洲/太平洋地区，可变涡轮增压器的采用正在迅速的增长，并且在大量计算时预计从2015年到2020年将有一个14.61%左右较高的年复合增长率。

因此，可变涡轮增压器重要的方面不仅是因为它的市场份额和单独或单级增压时表现出来的价值，而且在与其它近期的或更先进的技术如电控涡轮增压技术和超级充电技术相比时它还是一个效能价格更合算的增压设备。另外，由于相同成本效益的原因，作为多级架构（二到三级）先进技术一部分的它们正遭遇到越来越多的问题。

此外，可变几何（VG）增压的另一部分，压气机的那一部分可变几何很少有实现的，但同时这一部分也是有着重大好处的尤其是基于每一阶段都能够持续提供最大化增压上。另外，压气机被要求运行在越来越大的工作范围，并且这被认为是潜在地推动更先进的发动机循环（例如米勒循环和阿特金森循环）。

本文的目的是针对可变几何涡轮增压技术提出一个完整的综述，包括那些已经商业化销售的和目前正在开发的，并突出可变几何涡轮增压技术与更复杂的增压结构起冲突时现有动力总成开发增加更多复杂选项的优点。可变几何的工作原理最初是笼统的，随后被详细的划分为涡轮机和压气机两种不同的可变几何系统范围。本文总结了目前的控制系统、控制策略和驱动方法，在讨论所得出的可变几何涡轮增压技术的开发与实现在未来的发展趋势结论之后可断定可变几何涡轮增压技术将被明确努力的覆盖应用到汽油机上。

2.涡轮增压系统

现如今的涡轮增压器市场产品多种多样，因为制造商们努力提供更好的技术去实现降低排放物。有很多的可用的增压技术在商业市场上以及正在开发中。最基础的技术就是常规的固定几何涡轮增压器，它由一根共同的轴来连接涡轮机和压气机。当运行在低负荷工况时电辅助涡轮系统在驾驶模式中使用电机给公共轴传递额外动力，以改善固定几何涡轮的性能。可变几何设备采用不同的设计或者说采用不同的方法去改变引导废气进入涡轮转子的涡壳或入口的截面面积，这些设备也可以和扩散器相结合使压气机产生可变几何形状的效果。

复合涡轮增压中尽管增压系统与另外的一个系统没有直接连接（只有能量的回收），这是一项余热能回收技术，通过一个额外的动力涡轮来回收两种形式的能量：机械能和电能。在电涡轮复合系统中能量通过电池以电能的形式被转移到发动机或者汽车辅助设备上去；机械能通过高的传动比转变为动能回到发动机中去。

相继涡轮增压是一个另外的选择，包括使用两种（通常）或更多的不同尺寸的涡轮增压器全部运行或者部分按顺序来运行。其中一个小的涡轮增压器由于转动惯量低而用于发动机低速运转时，而更大的涡轮增压器用于的发动机转速较高时，通常还有一个阶段大小两个涡轮增压器在同时运行。虽然知道这种增压系统存在笨重、成本高和有热惯量等缺点，但这项技术还是正变得越来越重要，以满足未来发动机日益增长的功率密度需求。

3.固定几何涡轮在增压器的局限性

减小发动机尺寸意味着可能得到更轻、更小和更紧凑的动力系统，但涡轮增压在这些情况下会有一些局限性。到目前为止，涡轮增压已被广泛使用在压缩点火发动机上（CI）。而火花点火发动机（SI）与涡轮增压器的匹配较为困难，这是因为火花点火发动机有较宽的转速范围并且需要仔细的控制点火正时以避免产生爆震。火花点火发动机一般较低的压缩比下工作以防止产生自燃和限制爆震，这使得通过使用涡轮增压来实现降低燃油消耗更难以实现。压缩点火发动机在涡轮增压器与发动机的匹配方面也存在着困难，尤其是瞬态响应方面。

固定几何涡轮增压器最广为诟病的就是涡轮增压迟滞，以及涡轮增压器在低转速时瞬态响应能力差的问题。图1展示了火花点火发动机中导致涡轮增压迟滞的主要影响因素。最大的因素是涡轮转动的惯性，这是因为气流不足以使涡轮转子达到更高的速度，而可变几何系统可以直接解决这个问题。通过牛顿第二运动定律对旋转系统分析表明减少涡轮转子的尺寸和质量可降低涡轮迟滞。

图1.涡轮增压发动机瞬态响应中系统迟滞的主要影响因素

除了涡轮转子的尺寸外，另一个重要的影响涡轮迟滞和过度增压的涡轮增压器设计参数就是纵横比（AR），这是蜗壳截面面积除以蜗壳截面中心到蜗壳几何中心的距离的比值。一个小的纵横比意味着排气进入涡轮的初始速度得到增加，因此，涡轮转子将会得到更大的动能。可变几何装置本质上就是通过改变涡壳的流通截面积来调整纵横比以提高发动机在低转速运行时的排气流速。

图2展示了一条涡轮增压比与质量流量之间的典型曲线，这些变量之间的理想关系是线性的，但这在固定几何涡轮增压器（固定纵横比）上是不可能实现的。为了实现更接近线性关系，可以通过使用可变几何涡轮增压装置来调整不同载荷条件下的涡轮流通截面积。总之，固定几何涡轮增压器是当发动机处于某特定工况下时才能达到最佳效果，而在其它发动机工况下增压系统的效率是很有限的。可变几何涡轮增压技术可使涡轮增压器在整个发动机运行范围内都发挥出最佳的性能。

图2.固定及和涡轮增压器典型的增压比与流量关系曲线

4.可变几何涡轮增压的工作原理

可变几何涡轮增压设备被设计成在发动机低转速时提高增压压力，减少响应时间，增加有效扭矩，在发动机高转速时降低增压程度以防止超压，降低发动机排放，改善燃油经济性并且要增加涡轮增压器的整体运行范围。

有很多不同的机械系统可以用来控制纵横比的值，关于这点在本文的第5和第6部分有讨论。然而，所有的技术都有一个共同的目标，那就是通过喷嘴系统或者其它可动的部件来提供一个可变的横截面积。在发动机低转速运行时，大部分可变涡轮增压系统的基本工作原理是将进气入口到涡轮转子之间的区域变窄（减小纵横比），这样就使排气流速增加了。相反的，在较高负荷时这个通道就打开来。这些位置由ECU（发动机电控单元）控制，ECU按照已经编好的程序在任何给定的发动机工况下去调节喷嘴的几何截面形状以实现性能最佳。简单来说，可变几何涡轮增压系统（除了可变出口涡轮机外）具有在不改变转动惯量的前提下可调节排气的流动条件的能力。早期的研究中，例如Lundstrom 和 Gall的研究中突出了早期可变几何设备和固定几何设备的显著差异，特别是在改善加速和响应时间上。

涡轮增压器的性能通常由无量纲质量流量和速度来表示，这可以对涡轮机的膨胀比来进行绘制曲线。涡轮机的径向流动流量范围被流动阻力限制在高的压力比上。涡轮机喷嘴部分可允许的最小面积（A*）可以定义（假设为理想气体的等熵过程）为如公式（1）所示：

(1)

喷嘴的喉部面积是限制涡轮增压器性能的一个因素，许多可变几何涡轮增压器在概念上允许改变这一区域。这个有效面积取决于通道的高度（可在滑动叶片系统中调整）和叶片的角度（可在旋转叶片系统中调整）。在无叶片系统中，有效面积取决于导流器面积和进气角度，这可以通过改变进气涡壳的横截面面积来控制。

图3显示了一个6缸、11升的涡轮增压柴油机在二档加速时，比较使用可变几何涡轮增压器和使用固定几何涡轮增压器分别所带来的影响。图中的实线在三种情况下表现为陡峭的曲线；可变几何涡轮增压器相比于普通的涡轮增压器，改善了涡轮增压器转速、发动机转速以及增压压力。还可以看出在3秒钟左右喷嘴打开以降低增压压力，以防止过度增压；排气旁通阀是不需要的所以不存在相关的节流损失。

图3.FGT和VGT的对比

图4.不同喷嘴位置下的增压比、流量和效率

可变几何涡轮增压器的峰值效率一般低于固定几何涡轮增压器，部分原因是在涡壳和运动部件的支承周围有泄漏存在。从图4中可以看出，当喷嘴偏离最佳位置时峰值效率很明显的下降了，尽管如此，可变涡轮增压器由于其较宽广的工作范围，在整体效率上还是要优于固定几何涡轮增压器的。

5.涡轮机的可变几何系统

在市场上主要有两种类型的涡轮机设计：轴流式涡轮机和径流式

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