涡轮增压器：从环保杀手变为环保王牌

作者：广冈 延隆    来源：日经商务周刊

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 原来曾是跑车装备代名词的涡轮增压器变成了环保车的王牌。该装置可以增强小型发动机的动力。乘着强化环保规定的东风，涡轮增压器在全球的市场快速扩大。位于全球第三集团军的IHI和三菱重工正准备通过新技术来追赶位居前两名的美国企业。 “涡轮增压器”是通过送入压缩空气来增大发动机功率的“增压器”装置。估计会有很多日本人联想到1980年代流行的、燃效很差却以大功率为荣的跑车。但之后日本经济泡沫破灭，同时人们的环保意识也日益提高。于是，一切优先经济的时代逐渐结束，涡轮增压器的人气也日渐低落。 涡轮增压器原理 但现在，涡轮增压器市场却转向了快速增长。世界四强之一的IHI表示，“2011年的涡轮增压器全球需求为2200万台，2015年将会达到3500万台”（车辆增压器板块企划部部长武井伸郎）。 涡轮增压器最初是在2000年前后得到复苏机会的。当时的原因是，欧洲企业为了应对日益严格的环保规定，开始推进发动机的“小型化”。 有效利用排气能量 小型化是指减小发动机的排量。欧洲厂商当时迫切需要应对严格的环保规定，于是发动机小型化成为减排有害物质的有力方法。但是，如果只单纯地减小排量，发动机的输出功率也会降低，由此可能丧失乘坐舒适性。为此，欧洲厂商想到了使用涡轮增压器，在保持燃效性能的同时，弥补输出功率的不足。 涡轮增压器过去曾给人留下“环保反派”的印象，现在却变成了刚好相反的“环保王牌”。以环保为目的的涡轮增压器最初在欧洲被柴油发动机所接受。柴油发动机与汽油发动机相比，具有低速时输出功率较低的特点，涡轮增压器可以弥补这一点，这也对普及涡轮增压器起到了推动作用。 之后，日美等以汽油发动机为主流的市场也开始执行严格的燃效规定。2006年，德国大众（VW）推出了为低排量汽油发动机安装增压器的汽车。数量多于柴油发动机的汽油发动机的小型化步伐由此开始加快，涡轮增压器市场呈现爆炸性扩大。 涡轮增压器的基本构造十分简单。主要部件是将废气流转变为旋转运动的涡轮机，以及为发动机提供压缩空气的压缩机。这两个旋转体通过轴连接在一起。 首先，利用发动机汽缸排放的废气，驱动涡轮机旋转。通过轴来带动压缩机旋转并吸入空气，然后对其压缩，再强力送入汽缸。如果空气量多，燃烧就会变得剧烈，并相应地输出强大的功率。因为能够有效地利用排气能量，所以效率比较高。 改善爆震及响应延迟现象 但如果将为柴油发动机开发的涡轮增压器直接安装在汽油发动机上，就无法发挥作用。原因是必须解决汽油发动机特有的“爆震（异常燃烧）”现象。 提高发动机效率的王道是“提高压缩比”。汽缸内的混合气体压缩程度越高，就越能使燃料一次性燃烧，并在瞬间产生巨大的功率。不过，压缩比过高的话，容易发生爆震。本来应该由火花塞选择恰当的时机使混合气体燃烧，但混合气体却在没有预料到的时候自然点火。这也会导致发动机出现故障。 为解决爆震问题，业界开发出了“直喷”方式。传统型汽油发动机在汽缸前将汽油混入空气并送入汽缸。而直喷方式直接向汽缸喷射燃料。燃料在汽缸内气化时，因为会抢夺周围的热量，所以不容易发生爆震。柴油发动机之所以与涡轮增压器比较相配，是因为很早以前就开始采用直喷方式，爆震也比较少。欧洲厂商在发动机小型化方面处于领先地位的原因也在于此。 解决了最大问题“爆震”之后，涡轮增压器开始在低燃耗技术中占据重要位置，但这种装置也存在弱点。那就是踩下油门之后到发挥增压效果之前存在响应延迟，也就是“涡轮迟滞（Turbo Lag）”。 即便排气量增加，具有一定重量的涡轮机的转速也不能马上提高。请想象一下风车，估计就容易理解了。刚开始即便向风车用力吹气，也不会使其马上开始全速旋转。要解决涡轮迟滞问题，光是涡轮机、压缩机及轴等的轻量化就存在限制。 由此诞生的是，在向涡轮机吹入排放气体时缩小间隙的构造。就像为了让水在挤压软管时强力流出而缩小喷口直径的做法那样，在排气量较少时缩小喷出孔来加快流速，从而使涡轮机高速旋转。通过进行多种改进，使原来长达两秒钟左右的涡轮迟滞缩短到了一秒钟左右。 还有一种不存在响应延迟的增压方式。那就是使用“机械增压器”。利用经由皮带等从发动机的输出轴取出的动力来压缩空气。因为与发动机直接相连，所以可在踩下油门的同时发挥增压效果。 机械增压器不会发生响应延迟的特点获得好评，并被“超小型化”汽车所采用。最具有代表性的就是日产汽车全面改进、将排量从1.5升减小至1.2升的“NOTE”。该车配备了装有机械增压器的“HR12DDR”新型直喷发动机，每升燃效最高可达到25.2km（JC08模式），比上一代车型提高了四成。 对实现如此高的燃效作出贡献的是名为“米勒循环”的机制。可为防止吸气量过多而进行调节，从而成功减少了名为泵气损失的内部阻力。 另一方面，因限制了吸气量，输出功率也会降低，这是米勒循环的缺点。在日产开发HR12DDR的岸一昭介绍说，“低转速区的实际排量与900cc发动机同等”。 如果吸气时送入压缩空气，会产生功率，但估计采用这一实际排量时，涡轮增压器的涡轮机无法充分转动。因此，日产采用了美国伊顿（Eaton）的机械增压器。机械增压器内部设有螺旋状转子，转子旋转时，会向汽缸推出空气。据日产介绍，装载较重的行李或者爬坡时，可启动机械增压器立即增压，从而输出与1.5升发动机相当的功率。 因机械增压器从发动机取出动力，所以工作时燃效效率会降低。因此，日产还准备了不使用时可断开机械增压器和发动机动力的机构。 涡轮增压器和机械增压器虽同为增压器，但擅长领域不同。因此，大众公司还推出了同时配备机械增压器和涡轮增压器的汽车。尽管这样部件重量会增大，但可在低速区使用机械增压器，在高速区使用涡轮增压器，同时发挥二者的优势。 三菱重工及IHI等打算通过在新一代涡轮增压器上安装电动压缩机，来消除涡轮迟滞现象。不仅可产生与大众配备两种增压器的汽车相同的效果，而且能够减轻部件重量。 日本企业紧追美国厂商 涡轮增压器的全球市场一直由排名前四的企业垄断。第一位是美国霍尼韦尔，第二位是美国博格华纳。IHI和三菱重工均认为自己排名第三，两公司进行着激烈的竞争。近年来，德国博世与德国玛勒（Mahle）的联合出资企业及德国大陆两家部件厂商也涉足了该市场，但尚无法发挥很大的影响力，四家公司的核心地位仍然不可动摇。 “需要在1000度高热环境下每分钟转速最大达到20万。而且要求具备行驶20万km也不会损坏的耐久性”（IHI的武井部长）。较高的流体分析技术、具备较高耐久性和耐热性的材料与构造设计、降低噪声的技术、用来验证与发动机的匹配情况的模拟技术。随便拿出其中一项技术，也不可能在朝夕之间掌握，目前的涡轮增压器正是这些技术的结晶。正因为四家公司在船舶涡轮机、飞机的喷气发动机用涡轮增压器等方面积累了技术经验，才能够参与技术竞争。 而且，因为涡轮增压器与汽车的心脏部位——发动机的开发密切相关，所以还需要与汽车厂商开展长期合作。虽为模拟机械部件，但中国等新兴市场国家的厂商却难以效仿，其原因也正在于此。 三菱重工还改进了制造技术，并开始在相模原制作所采用切削铝材料的方式生产压缩机用叶轮。“可以实现以前铸造工艺无法制造的复杂叶片形状，有望提高空气压缩性能”（通用机车与坦克事业本部涡轮事业部事业部长梶野武）。该公司还在研究涡轮机使用的、更硬的镍合金材料的切削生产技术。 三菱重工2011年底在美国印第安纳州设立了涡轮增压器生产基地，并宣布2014年秋季开始量产。IHI打算在2013年2月底之前从德国戴姆勒手中收购涡轮增压器合资公司的49％股份，使其变成自己的全资子公司。还打算向戴姆勒继续供应涡轮增压器，并扩大与其他大型汽车公司的业务。 IHI表示，“目标是2015年获得25％以上的世界份额，之后获得30％的份额”。三菱重工表示，“目标是2016年获得30％的份额”。尽管日本企业在混合动力车等环保车技术方面处于全球领先高水平，但在涡轮增压器等增压器领域还只是挑战者。因为环保性能是日本车的竞争力核心，所以日本企业也要力争在备受关注的增压器领域达到全球一流水平。（记者：广冈 延隆，《日经商务周刊》） (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/23/2013)