我国涡轮增压器发展趋势

  近几年,由于中国巨大的汽车市场的迅速增长,汇合科技进步成果,将引领汽车行业新的大发展,在能源危机和环境保护压力下,当代汽车发动机电子技术、涡轮增压技术的迅猛发展与涡轮增压器制造技术的发展互相作用,促进了涡轮增压器行业的迅速发展。同时,随着涡轮增压器效率的提高和匹配技术的发展,涡轮增压器技术在汽车行业得到了广泛的应用。自1989年以来,我国增压器的需求以每年30%的速度递增。
  涡轮增压器作为一种高效、节能、科技含量高的环保型产品,由于其具有改善汽车发动机尾气排放污染、提高发动机的功率和重量比、提高发动机的扭矩特性、降低燃油消耗和发动机噪音等优点,所以,增压发动机已经成为现代汽车和工程机械的标准配置。
  涡轮增压器技术通过涡轮增压器提高进气密度,可以全面改善发动机的动力性、经济性以及排放指标等综合性能,给发动机注入强劲动力,被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑。
  一、涡轮增压器的历史
  20世纪50年代初,涡轮增压技术开始应用于汽车。60年代起,国外开始在车用柴油机上大量采用涡轮增压技术。60年代末到70年代,由于国外排放法规的实施,增压技术从起初增加动力、降低油耗,发展成为解决排放的一个重要措施,从而进一步促进了增压技术的发展。目前,欧洲和美国的重型卡车的增压化基本达到100%;欧洲的柴油轿车的增压化也已经达到80%。
  我国从上世纪50年代末60年代初就开始生产增压器,轴流涡轮增压器是始于1959年,由上海新中动力机厂研制成功,第一台径流涡轮增压器的研制和生产是由上海求新造船厂1954年设计、1958年完成鉴定的。但由于种种原因,增压技术、特别是车用增压技术的应用长期徘徊不前。直到上世纪80年代,缸径大于95mm的多缸柴油机的增压机型逐步出现,重点解决了动力性和经济性问题;发展到1999年,国家有关部门发布了汽车和发动机的排放法规并且限期达标以后,通过增压技术全面改善柴油机的性能,终于走上了快车道。特别是最近几年,无论是汽油机还是柴油机,无论是小轿车还是卡车、客车或工程机械,都广泛地应用着这个叫涡轮增压器的关键零件。在西部高海拔地区,无论是汽车运输还是工程机械施工建设,发动机配备涡轮增压器似乎已经成为必须。
  二、我国涡轮增压器行业的现状
  1、国外情况
  目前,国外增压器制造公司已形成几个巨头:Honeywell、BorgWarner、Holset、IHI、三菱等。并呈现几个特点:一是各公司年产量及发展生产潜力都很大:Honeywell在2000年产440万台,2002年增至500万台,2003年总产量超过500万台,均占全球增压器产量的48%-50%;德国3K-Warner(即原KKK公司)80年代后期年产量为60万台,1997年生产100万台,1998年生产150万台,2003年约400万台(自称);Holset、IHI、三菱三家公司2002年均生产80万台以上的增压器。二是各公司各自有技术特色的专利产品;Honeywell和Holset以结构简单、效率高、流量可调而领先;IHI以结构尺寸小、不漏油著称;KKK具有结构紧凑、效率高、可靠性好等特点。三是小型化更趋明显,继IHI推出D2=34mm,n=270000r/min的产品之后,KKK以推出D2=31mm,n=280000r/min-300000r/min的小型涡轮增压器。四是各公司都十分重视可靠性;俄罗斯莫斯科洲涡轮增压器(TYP5TEXHHKA)有限公司确保增压器与柴油机同寿命,配件增压器保修期为18个月。KKK公司为汽油机增压器配套用的压气机叶轮宁可放宽叶轮效率的要求,采用径向叶片,用以确保可靠性。五是为适应欧Ⅲ后排放法规要求,采用VGT且由气动控制转入电动控制,与高压共轨电控系统(ECU)结合起来。六是用电动机辅助的涡轮增压器已出现。七是各大公司都采取了国际化战略以适应当今世界经济一体化大形势。普遍性的在世界各地设立独资或合资公司,并且,加大了资产重组与公司整合力度。现在,世界上五大增压器公司都在中国建立了独资或合资生产、研发基地,如上海Honeywell,无锡Holset,一汽三佳石川岛播磨,宁波BorgWarner,上柴三菱。另外,台湾的有关厂商及捷克的CZ公司也在寻找合作伙伴或在中国销售。
  2、国内情况
  目前,国内增压器生产企业呈现几个趋势:一是在大陆,独资、合资企业生产增压器的外资企业正在增点增产。二是生产增压器的民族工业正在体制改革,发展规划的顺序正在重新排队,2003年的产量顺序大体为Honeywell、Holset、丰沃、天雁、富源、康跃。三是一大批生产增压器的民族工业集中在江苏、辽宁、山东、浙江等地,可以用“雨后春笋”及“前赴后继”八个字来描写。有几家投资达几千万甚至上亿元,不惜成本购置先进设备,高薪聘请人才,来势之猛不可低估。四是有发展前途的增压器厂机械加工手段经历了普通车床、数控机床、加工中心、柔性生产线的过程;两轮、三壳的毛坯加工工艺也有了很大的改进,不少零件已为外资增压器厂采购。增压器性能已接近国际水平。五是专业化生产势头越来越明显,大而全的生产模式已不适应,这有得于提高产品质量,有利于市场竞争。六是开发自主产品,提高匹配技术,注意产品可靠性已越来越被民族工业的决策集团所重视。
  三、国内增压器行业的优劣势比较和发展特点
  1、国内车用增压器行业优劣势比较
  国家环保总局等部门公布了柴油车排放污染防治技术政策,提出我国柴油车在2004年前后要达到欧洲Ⅱ号标准,2008年达到欧洲Ⅲ号标准,2010年之后争取与国际排放控制水平接轨。此外,部分地区和城市开始提前实施欧Ⅱ排放标准;2005年,重型柴油车要达到欧Ⅱ标准。随着排放法规的贯彻和实施,内燃机国内市场竞争会更加激烈,从欧Ⅱ到欧Ⅲ、欧Ⅳ,已不是简单法规定义,而是意味着内燃机技术水平发展到一个新的层面,将会进一步加快国内企业优胜劣汰的过程。对于增压器行业来讲,随着增压中冷等技术的推广应用,对于增压器的材质、加工工艺都要提出了更为严格的要求,无论是通过合资合作、技术引进还是自主开放模式,只有抓住机遇才能获得发展壮大的机遇。
  目前,从产品质量看,我国汽车增压器的质量有了质的飞跃,对引进轿车发动机的配套能力进一步加强。同时国内增压器的出口业务也大幅增加。
  (1)国内增压器行业的比较劣势
  1)规模上的劣势
  2)研制开发能力上的差距
  3)生产供应方式方面的差距
  4)配套关系上的差距
  在国外,汽车制造商与OEM企业的关系完全是按市场经济的规律进行运作。这取决于两者目标的一致性,即市场最大化和利润最大化。在这种前提下,只要价格可以、技术标准达标、质量可靠、服务到位,两者的合作即可成交。
  在我国则往往要受到隶属关系、地区分割等因素的影响。导致各地区、各大集团都有自己的配套企业群,使国内增压器散乱差现象至今依然没有太大的改变。
  在目前我国汽车整车企业和汽车零部件企业的这种组织模式下、跨地区、跨集团间的企业兼并、资产重组、上规模、上档次,也必然成为一句空话。同时,由于这种规模和观念上的巨大落差,必然造成国内增压器技术水平、产品成本、产品质量以及服务网络等方面的差距进一步扩大。
  (2)国内增压器行业的比较优势
  1)既有市场的比较优势
  增压器企业与发动机企业的配套关系基本稳定,这是刚刚进入增压器行业或外资企业所缺乏的,这也是目前的增压器企业最大的优势。
  2)生产成本的比较优势
  对于国内增压器生产企业而言,劳动力成本的比较优势是国外先进同行所难以具备的。就增压器行业而言,劳动力成本只相当于欧美国家的1/10,优势明显。
  3)服务网络的比较优势
  无论是在困难还是在顺利的环境下,国内增压器企业无不下大力气在市场中进行服务网络的布局设点,巩固其即有市场。通过几年或数十年的苦心经营,逐渐形成了完善的服务网络,这是企业打造品牌形象,巩固市场的根本。如何优化、整合现有资源,不断延伸服务半径,深化服务理念已经成为国内增压器企业迫切需要解决的问题。
  2、国内增压器行业的发展特点
  ⑴迅速响应新技术、新材料、新工艺、新发明,新产品开发周期越来越短;
  ⑵增压器与发动机一起整体优化、电控化,即所谓发动机涡轮增压系统,更加强调系统强调系统综合效率或总效率;
  ⑶产品结构更加复杂,向小型化方向发展、且各公司产品结构趋同化;
  ⑷增压器制造更加专业化,加工数控化、生产自动化、设备柔性化;
  ⑸增压器制造业经济生产规模日益扩大,生产经营国际化、全球一体化;
  ⑹世界增压器制造业分布呈“三极”状,即美国、日本与中国,德国与英国(欧洲)各成一极。
  四、涡轮增压器的市场预测
  1、国内市场预测
  汽车零部件面向两大市场,一是主机配套市场,这个市场取决于主机的发展;二是社会汽车维修配件市场,取决于社会汽车保有量和零部件的寿命。
  主机配套市场,我国曾制定了“九五”、“十五”期间要求达到内燃机增压化比率,即:重型车发动机100%,中型车80%,轻型车60%,微型车25%配套增压器,轿车30%配套增压器。随着技术进步与发展,国际化进程加快与增压器产量增加、成本降低、价格趋向合理,这又会大大促进轿车、微型车的增压配套比例。所以这些增压比率目标将加速实现,并加速达到国外目前的装备水平,即柴油机100%增压,汽车机增压比率从现在的20%-30%加速上升。
  关于汽油机用增压器,我国目前已有批量投放市场的引进(合资)车型汽油发动机轿车,如奥迪A6 1.8T、PASSAT1.8T、BORA1.8T等,另外通用别克的增压汽油机轿车也即将投放市场。预计到2010年我国汽油机用增压器将会大批量的生产。
  关于柴油机轿车,由于柴油机环保性能优于汽油机,即排放污染较少,耗油也少,目前在欧洲柴油机轿车的比例已将近50%,预计在2010年我国会有大量的柴油轿车比例,约50%以上,目前上海大众、一汽大众等合资企业正积极准备生产的增压柴油轿车。另外,对于中国这个世界上最后一块大市场,各先进国家都针对中国国情,设计开发了适合中国人消费的普及型轿车,如德国大众汽车公司开发的路波3升(百公里油耗)增压柴油轿车就极具先进性与竞争力。
  根据汽车工业“九五”、“十五”发展纲要规划,各种汽车车型总量到2010年600万辆,其中轿车为400万辆,轻型客车、货车约为80万辆,中型客车、货车约为60万辆;大型客车,货车约为40万辆;重型货车约为20万辆。按照上述“九五”、“十五”增压比率,可得出到2010年为主机配套增压器需求量为240万台,其中轿车用增压器120万台。
  社会维修配件市场,根据2010年汽车保有量5000万辆(按照装有增压器的汽车平均按30%的保守估计),增压器寿命5000小时(约运行50-60万公里)每年行驶里程按8万公里,得出2010年,社会维修配件增压器的需求量为200?觸240万台,按平均数220万台计算。
  按照上述分析,到2010年,我国涡轮增压器的总需求量为460万台以上。
  实际上,2003年我国汽车产量已突破400万辆大关,达到440万辆,按现在的发展速度,2010年的增压器需求目标将提前实现,因为:⑴目前中国的载货卡车产品在国际上有一定的竞争力,随着世界制造中心向中国转移的步伐加快,卡车产量的增长将会加速,而卡车的增压率为100%;⑵目前我国已到了小汽车进入家庭的经济发展阶段,轿车的需求量大幅度增长,按照国家的产业政策,以及保护民族工业和国家战略利益的需要,轿车要国产化或本土化,这就要求汽车厂加快采用本土增压器的速度;⑶目前我国的客车档次较低,与国际水平相比差距很大,尤其随着高速公路的大规模建设,更增加了对高水平客车、甚至豪华客车的要求,这就必然促进客车产量的大幅度增长,这些客车必须采用增压发动机。
  2、国际市场预测
  2003年全世界汽车总产量约为5500-5600万辆,当年全世界增压器总产量约为1200多万台,即增压率约20%多(北美、日本的汽油机轿车较多,但增压比率较低,总产量较大使得总的增压率较低)。预计到2010年全球汽车总产量将超过6000万辆,按40%的增压率(随着技术发展与环保要求目渐严格,增压率必将不断提高)计算,增压器需求总量约为2400万台。
  最近,美国通用汽车公司总裁说,到2013年中国的汽车总需求量将达到1700万辆(现在美国市场规模),即使我们按他预测的50%计算,也超过前面述及的国家有关部门预计600万辆(2010年)的水平。另外,国际权威的汽车咨询公司预测中国2010年的汽车总产量在1000万辆以上;据中国经济时报2003年9月12日,曹健海《中国汽车需求将持续高速增长》预测,2010年我国汽车保有总量为6650-8431万辆,其中轿车:2894-3969万辆;2003年-2010年新增汽车需求总量为8825万辆(这意味着2003年-2010年的8年中平均每年汽车需求量达1000万辆),其中轿车为2999-4270万辆;福特公司也预测中国2010年的汽车总产量在700万辆以上。同时,目前的中国已成为世界经济发展的最重要亮点,“世界制造中心”已经不可避免地向我们走来。因此,总的来说,上面对国际市场的分析、预测是比较保守的。
  据Honeywell公司预计,2010年全球增压器总产量将达到4800万台(轿车+商用车)。
  五、我国涡轮增压器的未来发展方向
  据国内外的汽车排放法规执行情况,达欧Ⅰ标准,一般采用涡轮增压,达欧Ⅱ标准,一般采用涡轮增压+中冷,达欧Ⅲ标准,一般采用涡轮增压器+中冷+高压共轨+VGT,达欧Ⅳ标准,一般采用涡轮增压器+中冷+高压共轨+VGT+EGR,或三效催化或PM铺集,达欧Ⅲ标准,一般全部用上。
  为此,发展内燃机涡轮增压器要深入研究、解决的有两大问题:一是要有高效率、高压比、流量范围宽广、可靠性好、寿命长的涡轮增压器;二是要有能充分利用发动机排气能量,避免进排气干扰和与涡轮增压器有良好配合的增压器系统。为此,随着增压器技术的不断提高,涡轮增压器设计的目趋成熟,新型车用涡轮增压器将会朝着提高增压比,增加增压器效率,减少零件数,拓宽流量范围,朝着小型化的方面发展。
  1、加快混流涡轮的研究。
  随着涡轮增压器向高速、大容量变化,径流涡轮的比转速已达到极限,混流涡轮却能在径流涡轮同样轮径的情况下,流通能力可增加40%左右。由于混流涡轮叶轮进口倾斜,使气流在叶轮通道内的拐弯损失也大大减少,使混流涡轮在高比转速下仍能保持较高的效率,混流涡轮的效率比径流涡轮平均要高5%?觸8%左右。现在世界各国增压器公司在最新车用增压器产品上,已采用大容量混流涡轮和宽流量范围的前倾后弯压气机来获得高效率的增压器性能。
  2、加强可变截面、可调截面喷嘴的径流涡轮研究开发。
  目前,在中型载车重车用柴油机上使用旁通放气的较多,而在轻型、高速发动机上越来越多采用可调截面喷嘴增压器,既能满足发动机低速大扭矩和加速性的要求,又能在发动机高转速时,将增压压力控制在所需范围内。可调喷嘴截面增压器进一步与电子控制技术相结合,可实现全工况范围内发动机与增压器的最佳匹配,满足发动机性能的全面优化。
  3、加快涡轮增压器轴承的研究。
  从统计数字来看,涡轮增压器出毛病的几乎多数是轴承故障,可以这样说,轴承的寿命就是涡轮增压器的寿命。当前车用发动机的涡轮增压器的使用期限一般可达10-15万km,即约3000-5000小时,当然也有超过50万km的。对增压器结构的改进提高,主要从减少效率损失和结构可靠性方面开展工作,采用微型高速滚动轴承以减少机械效率损失是最好的方法之一。根据国外研究介绍,如以浮动轴承效率为100%计算,滚动轴承则为110%。为改善涡轮增压器轴承的工作条件,提高增压器的可靠性,据有关资料介绍,最新浮动轴承材料采用无磨擦力碳,其磨擦系数0.001,是现今磨擦系数最小的二硫化钼的1/20左右。近几年小型增压器的中间体轴承部位采用水冷结构的设计也逐渐增多,轿车用的小增压器几乎全部采用水冷结构。此外在中间体内轴承壳体采用铝合金制成,表面内孔采用发动机润滑油路的机油进行喷射冷却,切向供给润滑油可使浮动衬套的转速降低约20%,即机械损失减小20%左右。这种结构特点使发动机的紧急停车无水冷却时轴承壳体的温升也比较小,减少了结焦的隐患。
  4、减少机械损失,提高增压器的总效率。
  有关增压器公司在轴径尺寸、密封方式及配合间隙等方面开展了大量的研究工作,得出轴径尺寸和密封方式对增压压力的影响,并提出应合理掌握涡轮叶轮及压气机叶轮与轮盖的间隙,这对提高涡轮和压气机性能也是不可忽视的因素。
  5、加强陶瓷涡轮的研究开发。
  随着小型涡增压器在车用发动机上的广泛应用,车用发动机特别是汽油机排温高,要求加速性能好,而陶瓷材料其重量轻、耐热性好,且比重轻,用它来制造的涡轮能耐高温转动惯量小,易于加速,可借以提高发动机的加速性。但陶瓷涡轮存在脆性缺点,加工困难,在设计与制造上要把三元流动优化设计与加工方法很好结合起来。目前根据汽车用增压器的使用环境和条件,从使用的各种陶瓷材料中选择的结果,特别是使用1000℃以下的温度范围,从强度、耐热冲击性分析其氮化硅陶瓷的性能最好。
  6、加快可变几何尺寸的涡论增压器的研究开发。
  可通过改变涡轮喷嘴角度,以改变有效截面和效率曲线,达到调节排气量,适应发动机工况的目的。也可以采取放气阀和压气机进口节流装置来调节与发动机工况的配合。
  六、我国增压器行业的对策
  面对在资本、管理、人才、品牌、技术、质量、信息、策略、营销等方面都占优势的跨国公司,我国增压器生产企业应该如何迎接挑战,投入战斗。
  (1)进一步深化企业改革,切实转变经营机制,大力推进企业管理创新,加速推进现代企业制度建设,加快建立现代企业制度。
  (2)进行产品结构优化调整,形成合理的经济生产规模,降低研发和生产成本,发挥国产增压器的价格优势。为了降低研发和生产成本,应着重了解国内各柴油机生产厂的产品结构、产量和发展动态以便合理的制定本厂的产品结构,达到规模生产,降低生产成本的目的。
  (3)加快企业技术进步,加快新产品开发速度。要加强信息、情报工作,缩小与国外先进技术的差距,目前应着手可变涡轮嘴截面增压器、IEGR增压器及电辅助增压器的研究,以满足汽车动力和进一步排放法规的要求。
  (4)要提高产品质量,及时改造和升级换代、淘汰落后产品和工艺,创造出我国自己增压器的品牌。
  (5)建立现代营销体系,增强开拓市场的能力。要树立一切为用户的思想,加强与主机配套厂的联系,及时介绍本厂新品开发状况,经常了解用户的要求,要做好主机配套厂的生产服务,及时掌握产品的质量状况,与主机配套厂建立良好的合作关系。

(责任编辑:天博科技)
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