全球航运日益频繁，尤其中国在这方面的发展势头更为显著。中国知名发动机制造商在航运、电力和机车领域采用了ABB 涡轮增压系统。由于燃油效率和排放方面的法规日益严格，中国造船业和航运业希望通过与ABB 合作以增强竞争力。
大型发动机的发展总是与废气涡轮增压器的发展紧密相关。近年来，通过提高平均有效压力，压气机增压比的每一次进展为改善发动机性能带来了新机遇。
目前，涡轮增压器已经发展至顶峰，因此传递出这样一个信号:转向新领域——多级增压技术。
两级增压技术增压压力更高
尽管起初兴趣很大，但早期研究到目前为止极少应用到工业生产中。上世纪90 年代这种情况发生了改变。主要有两点原因：一是日益从紧的排放法规促进柴油机的快速发展，对增压压力提高的要求远远超过了本身功率提高所要求的增压压力。二是目前的涡轮增压技术已非常先进，可以考虑发展两级增压技术。近年来两级增压技术已经应用到商业之中。然而，从目前来看，汽车及工业用高速发动机由于面临比大型柴油机更严格的排放限制，二级增压技术的应用还有一定限制。现在对大型柴油机的严格排放限制已经实行，更为苛刻的排放限制正在规划中。
效率困局
研究柴油
1 具有中冷的增压器效率增加
2 单级增压和两级增压的权衡
对照损失可知主要原因是源于气体性质（工质比热随温度变化）。柴油机设计的改进并不能对此有任何帮助。散热损失是第二大损失，但柴油机设计改进也不能使散热降低很多。但是，这两个因素都与最高循环温度有很大关系。
ABB 研究表明可以重新考虑采用传统的“高温”方式提高效率。但同时升高的最高循环温度将促进NOx 的生成，而NOx 排放降低是一个关键的环境目标。因此如何在提高柴油机效率的同时减少排放呢？
米勒定时
要做到这一点，一个方法就是降低发动机压缩行程始点的温度，例如利用米勒定时。在米勒循环中，为了得到所需的空燃比，新鲜空气的压力比通常情况要高很多。对进气门的关闭进行定时以便气缸中吸入适量空气。压缩空气在气缸内膨胀，导致温度在压缩行程开始时降低。
采用米勒定时后，一个显著的改善就是降低了爆压。同样达到60% 的效率，应用米勒定时发动机的爆压比传统发动机要低约80bar（190bar 对比270bar）。这样，应用了米勒定时后，在相对较低的爆压下就可能达到很好的效率。同时，由于较低的燃烧温度，NOx 的排放也降低了。由此可以推出在相同效率前提下，米勒定时可以在不增加爆压的情况下提高输出功率，这就延长了已有四冲程内燃机的设计寿命。米勒定时对于气体发动机有更多好处。
虽然气体发动机有NOx 排放低的优点，但是因为爆燃的影响，最大燃烧温度限制了发动机的平均有效压力和效率的提高。由于米勒循环允许更低的燃烧温度，这样压缩比、爆压、平均有效压力等参数就可达到更高值。这就大大地缩小了气体发动机与柴油机在输出功率与效率上的差距。
发动机设计者面临的挑战
上面所有的考虑都是基于理论的米勒过程。然而，为了达到这些效果，涡轮增压系统将必须提供两倍于目前水平的增压压力。发动机制造商们也必须解决某些问题。如为了达到更高的压力和强度，增压系统整体上必须重新设计，气门机构也需要改进和调整。对低温燃烧进行更加深入的研究和开发全新的发动机控制系统也将是必须的。
涡轮增压过程如何变化？
在理想的米勒循环中，总的涡轮增压效率可达到70%。然而，这需要增压器能够提供8~10 压比的同时，效率达到约80%。当然，这样的增压器是不存在的，很难想象谁能够生产出这样的增压器。
然而，带中间冷却的两级增压系统能够达到这样的水平。这里，高压比和高效率的关系非常重要。中间冷却是关键，因为它使得压缩过程近似于等温压缩，从而改善了空气压缩过程并减少了压缩所需的能量。效率的增加取决于中冷温度和总压比1 。
但是，中间冷却不是两级涡轮增压系统具有更高效率的唯一原因。另一个原因可从废气端找到答案：两个涡轮的可用膨胀能量比单个涡轮要高， 因为损失在高压级， 增加低压级进口能量，由于低的单位载荷，压气机和涡轮效率通常较高，同样可期待轴承摩擦损失和边界层损失都较低。
另外的重点是即使用较高效率的增压系统，在高压比情况下必须使用较小的涡轮面积。以适当的压比开始，随着功率的增加，有效的涡轮面积增加，这意味着部分负荷可用压比减少。基于过往经验，高压增压系统将因此导致更糟的部分负荷性能。但情况并非如此。至少部分负荷的增压压力将高于 介绍的情况。
从单级到两级
从单级到两级高压增压系统是一个重要的转变，有关压比变化和大幅增加的论据有以下几个方面：
两台相关联的小增压器使用以后，涡轮面积是控制因素，并随着压比增加而减小。
中间冷却导致增压系统效率大幅增加，这有利于压比的增加。
系统匹配通常不受地图宽度和设计条件的限制。
两级增压提供了良好的控制适应性。由于每一步压比适当，可靠性和耐久性通常较好。
较小的增压器提供较好的加速性和振动性能。
单级和两级增压系统之间的转换能够简单地从相对于压比的定性值对图表中进行推断2 。
两种系统数值相等的点当然取决于数值定义的方式，但图表总是看起来非常相似。由于存在不确定性，因此一个大步骤要比采取大量小措施显得更为合理。对于增压器和发动机制造商来说，这并不是因为简单的重复投资，而是因为必须要这么做。
高压涡轮增压系统的潜力
ABB 完成的调查表明高压涡轮增压系统对将来发动机的发展具有广阔的潜力，较高的功率密度，较高的效率和较低的排放。例如使用米勒循环，它有利于实现效率转换和NOx 排放之间的平衡。保持空燃比在一个满意的水平，它也能实现更好的开发废气再循环潜力，
根据实际发动机上的两级增压首次试验结果，可以说仍需相当大量的开发工作，包括增压系统和发动机。鉴于这一点，由于下一步开发旨在低排放，因此充分开拓单级增压限制显得十分合理。
同时，可以说高增压系统，特别是两级增压系统的主要进展具有显著的好处，这为发动机制造商提供了更多自由空间去探索其发动机完美设计的潜能，为终端客户降低燃油消耗，为环境减少NOx 和COx 排放。
Ennio Codan
ABB 增压系统
瑞士巴登
ennio.codan@ch.abb.com
