性能更好的涡轮增压器提高燃油经济性

发布时间：2009-10-15 来源：ABB评论

        世界经济衰退导致燃料价格出现下降，但这种趋势不可能长久。随着世界经 济的复苏，燃料价格毫无疑问还会再次上扬。需求的下降有助于化石燃料的 供应更为持久，同时降低排放。不过从长期来看，今后燃料消耗仍会不断增 长，排放不断增加。
        为满足未来更高的增压比和发动机降低排放的要求，ABB 设计了新型 A100 系列涡轮增压器。这一系列的涡轮增压器给发动机提供了更大的功率和 燃油经济性，同时有助于降低排放。
        稀缺能源的争夺、不可预测的燃 料成本以及更加严格的排放 法规，都对柴油发动机和气体发动机 的发展产生重要影响 (见 资料库 1 )。 另外，发动机不断要求提高功率密 度 (单位容积所发出的功率)，增加 输出功率，也都影响着涡轮增压器 技术的发展 (见 资料库 2 )。
        涡轮增压器是利用发动机废气驱动 的气体压缩机。其设计结构为强制 空气进入进气歧管，增加油气混合 物中的空气含量，使燃料的燃烧更 加充分，产生更多动力。
        更加严格的排放法规和不可预 测的燃油成本影响着柴油机和 气体机的发展。
        提高压气机的压比 1) 不仅是为了增 加功率输出 (从历史而言，这是涡轮 增压器的主要目的)，而且也是为了 大幅降低排放。这都需要提高涡轮 增压器效率，例如，Miller/Atkinson 过程 2) 几乎是所有现代柴油机和气 体机的基础。涡轮增压器有助于降 低柴油机氮氧化物的排放，而在气 体机里，涡轮增压器则用于改变爆 震的起始点 3)。涡轮增压器产生的高 压比也是高海拔地区运行发动机所 必需的，高压比可以补偿高海拔地 区空气压力的下降，从而将发动机 空气进口压力维持在海平面的空气 进口压力。
        增效节能的发动机需要高效的 涡轮增压系统。
        提高发动机功率，意味着要增加有 效压力 (即发动机做功的能力)，因 此也要提高涡轮增压器压比。但涡 轮增压器压比的增加必须与优化燃 烧技术同步。开发现代涡轮增压系 统时，必须考虑新内燃机的尺寸和 后处理系统的排气装置。总而言 之，如果要提高发动机的效率，涡 轮增压系统效率也必须提高。
        性能是关键
        过去十年，发动机制造厂成功地大 幅提高了发动机的平均输出功率。 例如，在高速机领域，发动机平均 输出功率大约提高 50 %，而油耗降低了大约 10 %，发动机排放减少达 80 % (见图 1 )。同时以设计发动机 时给定的压气机的压比和流量以及 由此确定的压气机功率作为参考基 准，由此对涡轮增压器热动力性能 和机械性能的技术要求提高了一倍 以上。一般而言，提升高速柴油机 和气体机平均有效压力和压气机压 比的要求呈上升趋势 (见图 2 )。此 外， 由于气体机的相关控制系统 损耗较高，以及不同的燃料管理， 气体机一般比柴油机需要更高的压 比。铝合金压气机叶轮由于运行效 率高，且满负荷连续运行的压比高 达 5.8，给涡轮增压器的设计制造设 立了新的功率密度标准，把单级涡 轮增压性能向前推进了一大步。

        从 TPS 到 A100-M/H 涡轮增压器 ABB 推出 TPS 系列涡轮增压器已有 十年，超过 25,000 台的涡轮增压器 成功运行于额定功率在 500 kW 至 3,300 kW 的小型中速柴油机和大型 高速柴油机和气体机之上。对于目 前功率的发动机来说，尽管这些涡 轮增压器仍是首选，但由于市场需 要功率和效率更高，排放更低的发 动机，因此需要新的发动机设计理 念和新一代的涡轮增压器。为满足 这些要求，ABB 开发出高压 A100- M/H 系列涡轮增压器，其中 A100-H 系列用于高速发动机，A100-M 径流 式涡轮增压器系列用于小型中速发 动机 (见图 3 )。

        A100-M/H 系列的结构尺寸与业经 现场使用过的 TPS 涡轮增压器相 同。与TPS 系列涡轮增压器相类似， 它们的进出油管集成在底座上。如 要改进现有 TPS 涡轮增压发动机平 台，就可直接使用 A100 径流涡轮增 压器与发动机配合，而无需对涡轮 增压器的安装进行改动。是否开发 结构尺寸更小或更大的 A100-H，取 决于未来的市场需求。
        设计理念
        A100 径流式涡轮增压器是模块化 结构，为能与每台柴油机和气体机的 特殊使用要求匹配，零部件的数量 应尽量减少。使用不同的壳体材料 以满足不同涡轮进口的温度要求。 A100-M 径流式涡轮增压器具有众多 的特殊设计和结构特征，因此既适 用于小型中速发动机，也适用于重 油发动机，或使用脉冲式涡轮增压 系统 4)。由于这些发动机的排气温度 通常低于高速发动机，A100-M 涡轮 增压器的轴承壳体可选择是否使用 水冷却。
        铝合金压气机叶轮
        在目前压比要求非常高的情况下， 由于 ABB 为 A100 径流式涡轮增压 器开发了一种冷却技术，因此可以 继续使用铝合金压气机叶轮。这就 是说，可以避免使用成本很高的钛 合金叶轮，同时还能保持运行可靠 性以及部件更换间隔长的优势，这 也正是用户对 ABB 涡轮增压器所 期望的。
        各方面的测试证明，冷却压缩空气 对于发动机生产厂来说是一种效率最高，成本最低的解决方案。这个 理念已在现场验证，多年来作为一 种可选特征已应用于 ABB 更大的 TPL..-C 涡轮增压器。
        涡轮增压器的安全试验
        A100 系列涡轮增压器外壳结构充分 考虑了更高的机械性能要求。ABB 在其设计过程中与发动机生产厂密 切合作，确保涡轮增压器在发动机 机座上的最佳安装状态，同时保持 早期 TPS 系列所具有的较小尺寸。考 虑到大幅提高功率密度是一项极其 重要的因素，因此对涡轮增压器箱 体的安全技术规范进行了数学和试 验上的验证。
        除了提高箱体的技术指标之外，由 于传输功率的增加，因此也要提高 传动轴的强度。对传动轴规格修 改，也意味着需要提高轴承组件的 强度，因为这种轴承组件以早期的 TPS 轴承技术要求为基础。再者，为 了确保涡轮增压器的安全和高效运 转，A100 系列的涡轮还配置了一种 能保证涡轮箱体正确安装的对中装 置，这种装置在 ABB 的 TPS-F 涡轮 增压器上得到了成功运用。
        冷却技术使 A100 径流式涡轮 增压器可以继续使用铝合金 压气机叶轮，避免使用昂贵的 钛合金叶轮。
        热动力性能
        ABB 为新型 A100-M/H 涡轮增压器 开发了三种全新压气机级，每种压 气机配置不同的叶轮叶片。这既可 大幅提高压比，同时又能保持现有 TPS-F 涡轮增压器的压气机流量范围 (见图 4 )。

        A100 涡轮增压器配有整体铝合金压 气机叶轮。ABB 已经开发了新型高 压扩压器 5) 和压气机叶片，以及创新 型叶轮冷却方式，可确保铝合金叶 轮在满负荷运行时压比达到 5.8。相 对于每种尺寸的涡轮增压器，都有 一系列压气机级可供选用，以便在 运用中获得最佳匹配。图 5 所示的 压气机特性图是通过测试新近推出 的 A140 涡轮增压器而获得，特性图 显示其高效率、很好的宽度以及足 够的超速裕度。典型的满负荷运行 压比可以达到 5.8，压气机效率可以 达到 80 %。

        新的涡轮级
        除了现有的 TPS 混流式涡轮以外， ABB 又开发了新一代混流式涡轮， 以便与 A100 涡轮增压器进行配套。 运行范围较大是这种新型涡轮系 列的特点，因此可在更广泛的应用 范围内利用新压气机级所能达到的高压比。优化设计涡轮的每种流量 范围的结果表明， 新型涡轮的运 行效率要高于现有的 TPS 涡轮。为 进一步降低流量损耗，采用柔性密 封。这使得在更高增压压力的情况 下，涡轮增压的性能得到很大提高 (见图 6 )。

        新一代 A100 系列涡轮增压器 标志着现代中高速发动机单 级涡轮增压技术发展的重大 突破。
        开发中的重大突破
        由于现有的压气机和涡轮的规格范 围广泛，所以 ABB 的 A100 系列涡 轮增压器广泛适用于船舶、工业、 发电和机车等领域。与 TPS 系列涡 轮增压器相比，新一代 A100 系列涡 轮增压器在满负荷优化运行时具有 杰出的热动力性能 (见图 7 )。在新 发动机设计所要求的精确压比范围 内，新 A100 系列涡轮增压器的效率 性能比 TPS 型涡轮增压器也要好得 多。新一代 A100 系列涡轮增压器代 表着现代中高速发动机单 级涡轮增压器发展的重大 突破。

        鉴定试验
        像所有新开发的涡轮增压 器一样，ABB 的 A100 系列 涡轮增压器必须采用燃烧 器试验台进行强制性鉴定 试验，以确保未来发动机 应用的运行可靠性。一系 列全面的测试包括从新压 气机和涡轮的热动力检查 到所有新设计零部件的机 械性能鉴定。
        新设计的 A100 涡轮增压器应用于 连续满负荷的高压工况， 运行转 速比 TPS 涡轮增压器更高。另外， 在高达1 2 0 % 超速状态下， 测量 了 A100 径向轴承组件中的主轴运 转， 以确保在超过现有 TPS 速度 范围的情况下， 使新转子部件能 发挥出最佳性能。在所要求的高 转速条件下， 新径向轴承与新压 气机和涡轮组装后表现出良好的 稳定性。
        维护与服务
        A100 系列涡轮增压器的维护间隔与 TPS 系列的涡轮增压器相类似。虽 然提高了新系列 A100 涡轮增压器的 热动力性能和机械性能的要求，但 仍可满足高可靠性和低维护的运行 要求。遍布世界各地的 ABB A100 系 列产品的维护服务网络可以提供必 要的专有技能服务和后勤支持，以 满足客户需要。配置 A100 系列涡轮 增压器的先进柴油发动机和汽油发 动机用户可依赖 ABB 的新一代涡轮 增压器所提供的高标准性能和维护 服务。
        上市计划和早期效果
        2007 年中，第一台 A140 原型样机 在 ABB 测试台上调试成功。第一 款新系列涡轮增压器成功通过严 格检查后，已经进入量产阶段 (见 资料库 3 )。目前，ABB 正将其他规格 的 A100-M/H 涡轮增压器推向市场。 在将 A100 系列推向市场的过程中， 为了验证热动力性能，还在发动机 试验台上进行了测试。A100 系列 产品能够达到较高的压比和效率， 这清楚地说明，该系列涡轮增压器 能够满足未来发动机对高功率密度 的要求。在发动机试验台上进行的 数百小时连续运转也证实，A100 系 列产品的性能达到了很高水平。目 前，新一代涡轮增压器正在一些特 定应用现场试运行，其他新规格的 涡轮增压器也在发动机上顺利进行 了试验。