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盖世直播辛军涡轮增压技术研发与未来技术提

发布时间:2019-09-13 02:49:53

  【盖世直播】辛军:涡轮增压技术研发与未来技术提升策略

  奕森科技总裁 辛军

  尊敬的何部长,各位来宾,上午好。为了达到2020年和2025年油耗的法规,小排量化增压发动机是一个有效方案。

  考虑到大家可能会关心涡轮增压的技术,我的报告主要围绕涡轮增压技术发展趋势与今后的技术升级,内容有四部分组成,首先简单介绍一下市场需求,然后是涡轮增压的开发思路,还有涡轮增压相关的核心技术,我会针对性的选择几个涡轮增压机系统应用的案例分享给大家。

  涡轮增压市场的需求预测,基于两个大原因,一是环境污染,二是国家的能源安全,基本上我们中国的60%的石油都是来自进口。因为这两个原因,中国制定了非常严格的油耗法规和排放法规。这里两个结论解释一下,第一个结论,大概十年前,中国的汽车油耗和欧洲的油耗比,相差了15年,而现在大家可以看到中国的油耗和欧洲的油耗相差三年。因此,过去中国汽车的技术可以跟随欧洲的汽车市场,因为我们有反应的时间,但是现在只有三年的时间。一个发动机的开发基本上有五年的时间,这就意味着中国发动机的开发和整车的开发,某种意义上需要和欧洲同步。第二个结论,即使油耗法规2025年达到4升,但是和欧洲那时的碳排放还是有5年的差距,今天欧洲市场的油耗,就是我们中国2020年的油耗目标,欧洲市场现在电动汽车市场占有到多少?从这个角度来看,中国2020年-2025年,汽车系统的主要动力来源还是内燃机,应该在未来的10年到20年,内燃机驱动的汽车应该还是一个主流,所以我们更加关注如何提高内燃机的效率。

  也是基于这样的一个观点,整个全球汽车行业,汽车公司和咨询公司,也提出了技术路线图,从这个技术路线图可以看到,为了进一步提高发动机的效率,涡轮增压器从2010年起被大量的应用。这是2025年乘用车的预测,蓝色图是中国乘用车市场总的销售量,这里已经考虑到,2020年有7%是电动车,2025年有15%电动车。假设2025年传统汽车80%采用涡轮增压器,涡轮增压器年需求量将近是2400万台,今天这个市场应该来说中国是500万台,也就是未来十年时间里,涡轮增压年产600万台到年产2400万台。主机厂采用涡轮增压器的时候要考虑哪些东西呢?要降低汽车油耗,除降低发动机油耗以外,在动力总成系统优化方面,一个有效的办法就是把发动机转速尽可能的往下降(down speeding),要满足这一点, 发动机需要有更大的低速扭矩。另外消费者也追求汽车的最高车速,就是既要有更大的低速扭矩,还要有更高的额定功率

  ,这对涡轮增压设计是比较挑战的。另外一般而言,涡轮增压发动机有加速滞后,我们希望减小涡轮增压器滞后。而基于我们客户对涡轮增压器的要求和需求,我们在涡轮增压器开发的时候也采用常规的V型开发流程。

  下面我介绍一下涡轮增压器的核心技术,结合前面这些市场和客户的需求,我们认为涡轮增压器的核心技术主要在这四个方面:空气动力学,包括压气机,涡轮和控制;2、轴承系统,包括密封;3、结构、材料和疲劳;4、NVH的控制。

  空气动力学,一方面,我们在压气机设计的时候考虑什么?主要考虑四个方面,一是提高压气机的效率,二是更小的喘振线,三是更大的堵塞线,四是更高的压气机转速。奕森科技有几个产品,比如我们在开发给飞机用的涡轮增压器,飞机在七千米或者一万米的高空,有很高压比需求,我们会采用Ported Shroud压壳的设计。

  从涡轮角度来说,既要提高涡轮涡端的效率,又需要降低涡端的惯性,因为涡轮增压器的能量是来自于涡端,如果涡端能快速的响应发动机排气管所排出的废气能力,就能缩短涡轮增压器的响应时间。目前市场上采用的,涡轮设计有径向流,混流,还有轴流。这些不同的涡轮设计,对效率和动态响应,也是一个翘翘板。这是我们画的一个图,给大家一个参考,基本上为了提高这个动态效率,把惯量降低,但是惯量降低10%的话,就牺牲1%的效率。还有单涡管和双涡管,比较好的动态响应是双涡管。

  涡轮控制,这里面有两个技术我们要关注。第一个是VGT,VGT不是新的技术,在柴油机领域VGT大概用了十年多了,汽油机是今年在大众上第一个,汽油机VGT最大的好处是在较低的背压情况下,就能达到很高的增压压力,从客户需求来说,发动机的低转动扭矩就高了。

  有关空气动力学的具体应用,我举个案例,左边这个图是霍尼韦尔的概念,是背靠背压轮设计,径流式涡轮,能减少50%的惯量,减少25%的响应时间,增加20%的低速扭矩。

  下面介绍一下轴承系统,首先我介绍一下推力轴承,因为涡轮增压器在不同工况,会承受大小不等的轴向力,都是有这个推力轴承承担的,有3Pad、5pad和6pad,轴向力越大,需要更大推力轴承承载能力,也许需要用7 pad推力轴承。Pad面越多,摩擦损失就越大,这会影响涡轮增压器的效率,我们要选择合适的应用。

  轴承系统里还有一个很关键的零件是浮动轴承,影响浮动轴承的关键参数很多,轴承内外间隙非常重要。我们考核轴承系统的指标是什么呢?涡轮增压器最高转速高达29万转,如何选择轴承系统从0到29万转都有比较低的噪音。另外抗污染能力也很重要,如何确保轴承系统在机油的使用时间里,能够确保涡轮增压器是没有问题的,另外轴承摩擦损失也是涡轮增压器里面总体损失很关键的一部分,如何设计这个轴承系统,把涡轮增压器的摩擦损失也降到最低。

  轴承系统的密封,主要是解决几各方面的密封,一个方面是废气从排气管进过涡端,废气不会漏进到润滑系统。另外要避免发动机的润滑油在压端从润滑系统进入到压气机,尤其是对高功率的直喷汽油机,润滑油进入到燃烧室里,在高负荷时会引起超级暴震。

  下面讲一下有关结构、材料和疲劳方面的考量。我们要考虑在涡轮壳的材料上采取什么新的技术,能进一步提高排气温度。这个图各种材料耐温都不一样,有的是900度,未来可能高达1050度。

  涡轮增压器的轻量化,这是我们公司自己相关的两个案例,左边这个图现在正在开发的一个全铝的增压器,右边这个图是航空发动机涡轮增压器所采用的涡壳,涡壳可以降到2.5毫米,大幅度降低了重量。涡轮增压器相关的NVH控制,在我们设计的方面,改善压轮叶片设计,改善再循环流道设计,来确保涡轮增压的噪音。

  这个幻灯片是奕森科技现在已经开发完成的涡轮增压器的平台,主要在1.0、1.5、2.0,基本上能涵盖95%以上的市场需求。针对低空飞行器,是航空内燃机涡轮增压器,这是我们公司正在开发的三个不同的涡轮增压器。

  前面就介绍了涡轮增压器核心的技术,下面我介绍一下涡轮增压器在哪些具体的应用。第一个是采用VGT的涡轮增压器,跟米勒循环相匹配,使发动机既有较低油耗,又不牺牲发动机性能。第二个是涡轮增压器加涡轮增压器,小的涡轮增压器用在中低速,大的涡轮增压器用在高速,可以实现最大升功率,在12V电源系统具有好的性价比,这个技术已经很成熟了。另外是涡轮增压器加电动增压器,可以实现最快的瞬态低速扭矩响应。还有一个应用是,涡轮增压加上机械增压。最后这一个是FreeValve匹配涡轮增压,可以带来非常大的灵活性,能大幅度降低发动机的油耗,而同时又能有效提高低速扭矩、快速起燃发动机废气后处理系统。这个是奕森科技正在开发的微燃机增程式概念,具有单位体积功率密度大的优点。

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  文章标签: 涡轮增压 汽车与环境

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