汽油機增壓技術(shù)的應(yīng)用論述與研究

王占峰 馬赫陽 張強

（中國第一汽車集團有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：汽油機 增壓技術(shù) 油耗 動力性 小型化

縮略語

VGT Variable Geometry Turbine（可變幾何截面渦輪增壓）

VNT Variable Nozzle Turbine（可變噴嘴渦輪）

WG Waste Gate(放氣閥)

BMEP Brake Mean Effective Pressure（制動平均有效壓力）

GDI Gasoline Direct Injection(汽油缸內(nèi)直噴)

eBooster電子增壓器

eTurbo電動渦輪增壓器

TSI Turbo Supercharge Injection（雙增壓直噴）

TFSI Turbocharged Fuel Stratified Injection（渦輪增壓分層噴射）

ScTc Supercharger before Turbocharger(一級機械增壓、二級渦輪增壓的串聯(lián)兩級增壓)

TcSc Turbocharger before Supercharger(一級渦輪增壓、二級機械增壓的串聯(lián)兩級增壓)

TcTc Turbocharger Turbocharger（兩級渦輪串聯(lián)增壓）

1 前言

在當(dāng)前能源及環(huán)境危機的背景下，國家對于汽車節(jié)能減排的要求不斷提升。發(fā)動機小型化技術(shù)已成為降低CO2的主要手段之一，其中增壓技術(shù)作為發(fā)動機小型化的關(guān)鍵技術(shù)，通過增加進氣質(zhì)量提高功率和扭矩輸出，使小排量的發(fā)動機達到大排量發(fā)動機的動力性，同時降低發(fā)動機的泵氣損失和摩擦功，提高發(fā)動機的熱效率，在降低油耗和節(jié)能減排方面有著巨大優(yōu)勢。增壓化已成為發(fā)動機升級發(fā)展的必然趨勢。

增壓技術(shù)根據(jù)工作原理的不同可分為機械增壓和渦輪增壓兩種，這兩種增壓機技術(shù)又可根據(jù)增壓器的結(jié)構(gòu)特點分為不同的類型，如機械增壓器包括渦旋式、螺桿式、羅茨式等，渦輪增壓器包括單流道渦輪、雙流道渦輪、可變截面渦輪。根據(jù)增壓方式的不同，又可分為單級增壓和多級增壓。

2 機械增壓技術(shù)

機械增壓的結(jié)構(gòu)布置如圖1，其直接與發(fā)動機曲軸連接，由曲軸帶動實現(xiàn)進氣增壓。主要包括羅茨式、渦旋式、螺桿式、等類型，由于制造工藝及成本等原因，羅茨式機械增壓器是目前應(yīng)用最多的機械增壓器，羅茨式機械增壓器結(jié)構(gòu)如圖2[1]，其轉(zhuǎn)子的空氣流道具有一定的錐度，使得進氣通過流道時不斷被壓縮，提高進氣壓力。

圖1 機械增壓結(jié)構(gòu)布置示意

圖2 羅茨式機械增壓器結(jié)構(gòu)[1]

機械增壓器在發(fā)動機怠速以外的工況都能產(chǎn)生增壓效果，同時轉(zhuǎn)速完全與發(fā)動機轉(zhuǎn)速聯(lián)動，這些都能保證機械增壓無論低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速工況都可以獲得穩(wěn)定的增壓效果，有較好的瞬態(tài)響應(yīng)性能，相比于渦輪增壓，其建立起穩(wěn)定增壓壓力的時間可縮短90%。并且機械增壓器結(jié)構(gòu)比較簡單，布置靈活，工作溫度介于70°C～100°C之間，熱負荷較低，冷卻和潤滑的要求與自然吸氣發(fā)動機基本相同。

同時，機械增壓器與發(fā)動機曲軸直接相連，這將不可避免的損失一部分發(fā)動機功率，造成其效率不高，使發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性比渦輪增壓發(fā)動機差，并且體積大、生產(chǎn)工藝要求高。由以上原因使得機械增壓的應(yīng)用沒有渦輪增壓技術(shù)廣泛。

奧迪、保時捷及日產(chǎn)等均有機型采用機械增壓技術(shù)。奧迪A7的2018款50 TFSI quattro動感型搭載了3.0 L機械增壓發(fā)動機，額定功率245 kW，額定扭矩達到了440 N?m。保時捷2017款4 Sport Turismo版同樣搭載了3.0 L機械增壓發(fā)動機，額定功率243 kW，額定扭矩為450 N?m。

英菲尼迪QX60和日產(chǎn)探路者應(yīng)用的混動總成中也使用了機械增壓的2.5 L直列4缸發(fā)動機，額定功率為172 kW，額定扭矩330 N?m，發(fā)動機及其采用的機械增壓結(jié)構(gòu)如圖3[2]。

3 渦輪增壓技術(shù)

渦輪增壓器的布置形式見圖4，發(fā)動機排出的高溫、高壓的廢氣驅(qū)動渦輪，由渦輪帶動壓氣機提高進氣壓力，實現(xiàn)進氣增壓，可使發(fā)動機的功率與扭矩提升20%～30%。廢氣能量利用及體積小等特點使得渦輪增壓成為各大主機廠進行機型升級的共同選擇之一。但由于葉輪存在慣性作用，渦輪增壓器有較明顯的“滯后效應(yīng)”，相比機械增壓瞬態(tài)響應(yīng)差。渦輪增壓器一般可分為可變幾何形狀和不可變幾何形狀兩大類，不可變幾何形狀渦輪又按流道結(jié)構(gòu)的區(qū)別分為單流道渦輪和雙流道渦輪。

圖3 日產(chǎn)2.5 L 4缸機及機械增壓結(jié)構(gòu)[2]

3.1 單流道渦輪增壓

帶廢氣閥的單流道渦輪增壓器被廣泛的應(yīng)用于汽油機，也是通常所指的渦輪增壓技術(shù)，在此不過多舉例和贅述，以本田1.0TD L3發(fā)動機為例，采用的渦輪增壓器結(jié)構(gòu)如圖5，可使動力性上代替1.5～1.8 L自然吸氣發(fā)動機，實現(xiàn)功率95 kW，扭矩200 N?m[3]。

圖5 單流道渦輪增壓器結(jié)構(gòu)[3]

3.2 雙流道渦輪增壓

雙流道渦輪增壓結(jié)構(gòu)示意圖如圖6[4],其用于直列四缸機上的原理如圖7[5]，1、4和2、3缸排氣分別流入不同的渦輪流道，其優(yōu)勢在于可以避免多缸發(fā)動機排氣之間的相互干涉，降低發(fā)動機的排氣背壓，有利于減少各缸的殘余廢氣量，提高低端扭矩。并且雙流道也可以使加速時更多的排氣能量作用于渦輪的葉片，提高發(fā)動機的瞬態(tài)響應(yīng)速度。采用雙流道可使低端扭矩提高15%左右，額定扭矩最低轉(zhuǎn)速提前100～200 r/min，瞬態(tài)加速響應(yīng)時間縮短15%左右，如圖8、9所示。

圖6 雙流道渦輪增壓結(jié)構(gòu)示意[4]

圖7 雙流道渦輪增壓工作原理[5]

圖8 雙流道渦輪動力性提升

圖9 雙流道渦輪加速響應(yīng)提升

目前應(yīng)用于MINI Copper S的BMW四缸機2.0 L發(fā)動機、一汽GC20TD、現(xiàn)代Theta GDI 2.0 L發(fā)動機及應(yīng)用于A 45 AMG上的2.0 L高性能版發(fā)動機均匹配了雙流道渦輪，其中應(yīng)用于A 45 AMG上的2.0 L發(fā)動機動力性可達265 kW、450N?m[6]?，F(xiàn)代Theta GDI 2.0 L發(fā)動機額定功率達304 kW@6 000 r/min，額定扭矩365 N?m@1 750～4 500 r/min[7]。

3.3 可變渦輪增壓

可變幾何截面渦輪增壓VGT（Variable Geometry Turbine）主要是通過改變沖向渦輪葉片的廢氣流向和流速來改變其施加到渦輪的能量，擴寬渦輪的流量范圍，用于改善瞬態(tài)響應(yīng)速度并提高動力性。

VGT在柴油機上的應(yīng)用從20世紀90年代就已經(jīng)開始了，但由于汽油機高達1 000℃甚至更高的排氣溫度使其直到現(xiàn)在才逐漸應(yīng)用到汽油機上。

根據(jù)可變結(jié)構(gòu)的不同VGT可分為可調(diào)流動渦輪、可變滑動渦輪、可變噴嘴渦輪和可變流動渦輪，其中應(yīng)用較廣的是可變噴嘴渦輪(Variable Nozzle Turbine，VNT)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示[8]：

圖10 可變噴嘴渦輪結(jié)構(gòu)[8]

采用VGT可在普通單流道渦輪增壓基礎(chǔ)上提高低端扭矩20%左右，額定扭矩最低轉(zhuǎn)速提前150～250 r/min，額定功率提升5%左右。同時使得瞬態(tài)加速響應(yīng)時間縮短至少30%，如圖11、12所示。

圖11 VGT渦輪動力性提升

圖12 VGT渦輪加速響應(yīng)提升

VGT技術(shù)最先被應(yīng)用于保時捷997 GT2 RS中，采用了兩個VGT并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，取得了巨大的成功，將在下文并聯(lián)兩級增壓中詳述。接著在保時捷718 Boxster S的2.5 L直列四缸發(fā)動機及大眾EA211 1.5 TSI evo上采用了VGT渦輪增壓。如圖13為EA211 TSI evo發(fā)動機及匹配的VGT結(jié)構(gòu)圖[9]，可實現(xiàn)功率96 kW，扭矩200 N?m，配合米勒循環(huán)等技術(shù)使百公里油耗相比于上一代EA211降低了1 L，其加速性能也明顯優(yōu)于上一代EA211，1 500 r/min加速達到額定扭矩的時間縮短了35%。

圖13 EA211 TSI evo發(fā)動機及匹配的VGT結(jié)構(gòu)[9]

4 兩級增壓技術(shù)

單級增壓可以實現(xiàn)發(fā)動機提高功率和扭矩，降低油耗的目的，但是無論是機械增壓還是渦輪增壓，都存在著一些無法彌補的缺陷，為了進一步提高發(fā)動機的性能，兩級增壓開始進入人們的視野。如圖14所示為汽油機增壓的發(fā)展趨勢，采用兩級增壓技術(shù)可使升功率、低端升扭矩明顯的提升，滿足未來發(fā)動機的發(fā)展需求。并且兩級增壓技術(shù)可以有效的改善瞬態(tài)響應(yīng)性能。

圖14 汽油機升功率、低端升扭矩發(fā)展趨勢

4.1 并聯(lián)式兩級增壓技術(shù)

并聯(lián)式兩級增壓技術(shù)是指兩組同規(guī)格的渦輪通過并聯(lián)的方式連接，每組渦輪負責(zé)發(fā)動機半數(shù)汽缸的工作，其結(jié)構(gòu)布置如圖15。其優(yōu)點為采用兩個較小的渦輪代替一個大渦輪，提高低端扭矩，提高瞬態(tài)響應(yīng)速度并減低管路的復(fù)雜程度。

其提高動力性及瞬態(tài)響應(yīng)的效果如圖16、17。對于低速扭矩，并聯(lián)式增壓可提高15%左右，瞬態(tài)加速響應(yīng)時間縮短至少10%。

并聯(lián)式兩級增壓技術(shù)主要應(yīng)用于V型發(fā)動機上，這得益于V型機汽缸分別布置于兩側(cè)的結(jié)構(gòu)特點，使并聯(lián)渦輪增壓器易于布置并各負責(zé)一側(cè)汽缸工作。

奧迪V6 TFSI 2.9L RS 4，RS 5在上一代3.0 L V6雙流道渦輪的基礎(chǔ)上的升級就采用了并聯(lián)式兩級增壓技術(shù)，如圖18為兩代發(fā)動機[10]。其額定功率可達331 kW，額定扭矩600 N?m，額定扭矩轉(zhuǎn)速為1 900 r/min至5 000 r/min。

圖15 并聯(lián)式兩級增壓結(jié)構(gòu)布置

圖16 并聯(lián)兩級增壓動力性提升

圖17 并聯(lián)兩級增壓加速響應(yīng)提升

圖18 奧迪V6 S4,S5和RS4 RS5渦輪升級示意[10]

BMW公司搭載于M5的V8 4.4 L發(fā)動機采用了2個較小的并聯(lián)渦輪增壓器，實現(xiàn)了高功率與低油耗相結(jié)合，額定功率可達412 kW@6 000～7 000 r/min和額定扭矩680 N?m@1 500～5 750 r/min，最高轉(zhuǎn)速可到7 200 r/min，百公里油耗僅9.9 L/100 km[11]。

為了進一步提高渦輪增壓的能力，將雙流道渦輪增壓或VGT并聯(lián)布置也被應(yīng)用到了發(fā)動機上。

保時捷和奔馳均采用了并聯(lián)布置的雙流道渦輪，如圖19為奔馳搭載于AMG E63及S63的M177 LS2 V8 4.0 L發(fā)動機上采用的并聯(lián)的雙流道渦輪，可實現(xiàn)額定功率450 kW，額定扭矩900 N?m[12]。

保時捷911Turbo則采用了并聯(lián)式VGT的3.6 L 6缸汽油機?？梢援a(chǎn)生350 kW的輸出功率，扭矩也比先前增加了60 N?m超過了610 N?m，最大扭矩轉(zhuǎn)速也擴大到1 900 r/min～5 000 r/min。

圖19 奔馳4.0 L汽油機采用的并聯(lián)雙流道渦輪[12]

并聯(lián)兩級增壓技術(shù)多用于V型大排量的汽油機，但福特將此項技術(shù)應(yīng)用于了1.0 L的直列3缸汽油機，其工作示意圖及結(jié)構(gòu)如圖20[13]。福特這款發(fā)動機將各缸兩側(cè)的排氣道分別匯入兩個并聯(lián)的渦輪增壓器，第二個渦輪（TC2）只在高轉(zhuǎn)速高負荷工況才激活使用，在兩個渦輪配合使用下，額定功率可達110 kW，額定扭矩可達240 N?m@1 400 r/min～4 400 r/min。

圖20 福特1.0 L L3汽油機并聯(lián)增壓示意[13]

4.2 串聯(lián)式兩級增壓技術(shù)

串聯(lián)式兩級增壓技術(shù)可以是機械增壓和渦輪增壓串聯(lián)協(xié)同工作，以提高瞬態(tài)響應(yīng)速度和低速扭矩，根據(jù)機械增壓和渦輪增壓布置位置的不同，可分為ScTc和TcSc兩種，如圖21。無論哪種構(gòu)型，機械增壓均工作于中低速及瞬態(tài)工況，當(dāng)渦輪增壓產(chǎn)生穩(wěn)定增壓壓力后，機械增壓就不參與工作了。ScTc式增壓將機械增壓布置在前，其瞬態(tài)響應(yīng)速度優(yōu)于TcSc，但作為初級增壓的機械增壓器會更大。

圖21 串聯(lián)兩級增壓ScTc和TcSc結(jié)構(gòu)布置示意

比較具有代表性的產(chǎn)品有大眾EA111 1.4TSI發(fā)動機和沃爾沃搭載于V60 Polestar上的2.0 L雙增壓發(fā)動機。沃爾沃的T6汽油機采用的機械、渦輪串聯(lián)增壓的結(jié)構(gòu)如圖22所示，為TcSc構(gòu)型[14]。

圖22 沃爾沃T6汽油機增壓結(jié)構(gòu)[14]

由一大一小兩組渦輪串聯(lián)形成的兩級增壓結(jié)構(gòu)如圖23。低轉(zhuǎn)速小渦輪介入工作，轉(zhuǎn)動慣量小，提高瞬態(tài)響應(yīng)速度，轉(zhuǎn)速提高后大渦輪開始工作，提高動力性，RX-7的13B-REW引擎就是串聯(lián)渦輪的好例子。

圖23 串聯(lián)兩級增壓TcTc結(jié)構(gòu)布置示意

如圖24、25，機械增壓與渦輪增壓串聯(lián)相比于雙渦輪增壓串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在單級渦輪基礎(chǔ)上可使低端扭矩提升30%左右，額定扭矩最低轉(zhuǎn)速提前200～300 r/min，瞬態(tài)響應(yīng)改善至少30%，主要是由于機械增壓低速扭矩高及響應(yīng)速度快的優(yōu)點。但由于高速穩(wěn)態(tài)工作后機械增壓不參與工作，雙渦輪串聯(lián)結(jié)構(gòu)可在額定功率上提高10%左右。

圖24 兩種串聯(lián)兩級增壓動力性提升

4.3 電動輔助增壓技術(shù)

電動輔助增壓技術(shù)通常與渦輪增壓器匹配使用，彌補傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器低速扭矩不足以及瞬態(tài)響應(yīng)慢的問題。但受限于電池能量，電動輔助增壓器通常只短時間工作。若將電動增壓與48 V、混動聯(lián)合使用可達到更好的效果。電動輔助增壓包括電驅(qū)動壓氣機增壓器（eBooster）和電動渦輪增壓器（eTurbo）兩種形式。

圖25 兩種串聯(lián)兩級增壓加速響應(yīng)提升

電驅(qū)動壓氣機增壓器布置示意圖如圖26（a），電動壓氣機與渦輪增壓器串聯(lián)，并與一個旁通閥并聯(lián)，電動壓氣機工作時，旁通閥關(guān)閉，空氣經(jīng)過電動壓氣機進行二次增壓；電動壓氣機不工作時，旁通閥打開。應(yīng)用于2018款奔馳S級的3.0 L直列6缸發(fā)動機采用了eBooster，達到了原4.8 L V8發(fā)動機的功率輸出水平320 kW。

圖26 電動輔助增壓器布置示意

電動渦輪增壓器布置如圖26（b），主要工作在廢氣渦輪增壓器增壓壓力不足的低速大負荷工況，電機充當(dāng)電動機帶動壓氣機工作。

奧迪2015年推出的TT Clubsport Turbo Concept車型中配備48 V驅(qū)動的電動渦輪，起步加速2.5 s比普通廢氣渦輪增壓車型多跑出6 m。

無論采用哪種電動輔助增壓技術(shù)，如圖27、28，均可使低端扭矩提升至少50%，額定扭矩最低轉(zhuǎn)速提前100～200 r/min左右，瞬態(tài)響應(yīng)改善80%以上。

圖27 電動輔助增壓動力性提升

5 結(jié)論

（1）增壓技術(shù)作為發(fā)動機小型化的關(guān)鍵技術(shù)在節(jié)能減排方面有著巨大的潛力，增壓化已成為發(fā)動機發(fā)展的必然趨勢。

圖28 電動輔助增壓加速響應(yīng)提升

（2）機械增壓器直接與曲軸相連接，有著增壓效果穩(wěn)定，瞬態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點，但會消耗發(fā)動機功率，在燃油經(jīng)濟性上稍差。

（3）在普通的單流道廢氣閥式渦輪增壓的基礎(chǔ)上，雙流道渦輪增壓及可變幾何截面渦輪增壓技術(shù)應(yīng)運而生，改善渦輪增壓瞬態(tài)響應(yīng)性，提高低端扭矩。

（4）隨著發(fā)動機性能需求日益增強及電動技術(shù)的發(fā)展，串聯(lián)、并聯(lián)及電動輔助等多級增壓技術(shù)也被應(yīng)用于發(fā)動機中，可顯著改善單級增壓經(jīng)濟性差、動力性不足或瞬態(tài)響應(yīng)性差的問題。