基于某兩款發(fā)動(dòng)機(jī)研究雙渦管技術(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

李娜

摘 要：隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性的要求越來越高，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)必須不斷的推陳出新，才能滿足日益嚴(yán)格市場(chǎng)要求。渦輪增壓技術(shù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟技術(shù)，可以有效的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，如今已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于汽車行業(yè)中。渦輪增壓技術(shù)在擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在著一定的不足，如低速時(shí)響應(yīng)性差、能量回收率低的問題。相對(duì)傳統(tǒng)單渦管增壓器，雙渦管技術(shù)不僅有效分離了相互干擾的廢氣脈沖，提高了廢氣能量的利用效率，優(yōu)化了增壓過程，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供更強(qiáng)勁的動(dòng)力;它同時(shí)還可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓器反應(yīng)遲滯的問題。文章對(duì)某兩代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器進(jìn)行對(duì)比，闡述了雙渦管增壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及技術(shù)先進(jìn)性;同時(shí)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)采集兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析雙渦管技術(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

關(guān)鍵字：汽油發(fā)動(dòng)機(jī);渦輪增壓;雙渦管

中圖分類號(hào)：U463.8 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-122-04

Abstract： With the high development of society， traditional vehicles face to more and more challenges in power， economy， and emissions. Engine technology must be continuously updated to meet the increasingly stringent market requirements. Nowadays， as a widely used technology in engine， turbocharging can improve the power and economy effectively to the engine. While turbocharging has many advantages， it also has certain short points， such as turbo lag in low speeds and low energy recovery. Compared with traditional turbocharger， twin scroll turbocharger is connected to the exhaust manifold via two input lines leading to the turbine， and two scrolls where separate waste gates controls the gases from each input， therefore allowing a more effective flow of exhaust gases to the turbo. Twin scroll turbocharger can provide more powerful power for the engine; and improve the effect of turbo lag as well. With comparing the different turbocharging technology in two generation engines， explain the structure， working principle， and technological advancement of the twin-scroll turbo. At the same time， the data in the article is collected by using the engine bench test to analyze the twin-scroll turbo impact on engine performance.

Keywords： Gasoline Engine; Turbocharger; Twin-scroll technology

緒論

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，渦輪增壓技術(shù)如今已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)上，它的特點(diǎn)是回收了一部分廢氣能量，用于對(duì)進(jìn)入氣缸前的空氣進(jìn)行增壓，增大了進(jìn)氣密度，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。但同時(shí)，傳統(tǒng)渦輪增壓技術(shù)的仍然存在需要解決的問題，如增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)的瞬時(shí)響應(yīng)差，渦輪遲滯的問題。雙渦管技術(shù)的出現(xiàn)，進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，有效改善了渦輪遲滯的問題。這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新之處在于，改變了渦輪前廢氣通道的結(jié)構(gòu)，將相互影響的廢氣脈沖之間進(jìn)行分流，使渦輪提高廢氣能量利用率，從而提高渦輪增壓器的效率，進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，由于雙渦管技術(shù)還提高了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)廢氣能量的利用率，這也有效緩解渦輪的遲滯問題。

本文對(duì)某公司新舊兩代發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓技術(shù)對(duì)比，通過閱讀文獻(xiàn)闡述了雙渦管技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)特性，以及對(duì)比于傳統(tǒng)單渦管增壓器的技術(shù)先進(jìn)性。同時(shí)利用臺(tái)架試驗(yàn)采集發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)數(shù)據(jù)，通過繪制發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線圖研究雙渦管技術(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1 廢氣渦輪增壓技術(shù)對(duì)廢氣能量的利用

1.1 廢氣渦輪增壓技術(shù)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)所能發(fā)出的最大功率主要是由氣缸內(nèi)燃料的有效燃燒所放出的熱量決定的，而這又受到了每個(gè)循環(huán)吸入氣缸內(nèi)的實(shí)際空氣量的限制。如果空氣在進(jìn)入氣缸前得到壓縮，使得進(jìn)氣密度增大，那么在相同氣缸容積的情況下，可以有更多的新鮮空氣進(jìn)入氣缸，增加循環(huán)供油量，就可以得到更大的發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率[1]。

渦輪增壓技術(shù)為有效的增大進(jìn)氣密度的常用技術(shù)之一。圖1為渦輪增壓器示意圖。從圖上可以看到，渦輪增壓器是采用同軸相連的壓氣機(jī)和渦輪機(jī)，渦輪在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量的推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓的功能。在整機(jī)結(jié)構(gòu)上，增壓器的渦輪廢氣入口與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管相連，渦輪廢氣出口與排氣管相連。壓氣機(jī)的進(jìn)氣口與進(jìn)氣管相連，排氣口與進(jìn)氣歧管相連，使增壓后的空氣進(jìn)入氣缸。增壓器在工作過程當(dāng)中，基本上不會(huì)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，擁有良好的加速持續(xù)性。

1.2 廢氣脈沖的產(chǎn)生及影響

按照對(duì)廢氣能量的利用方式，渦輪增壓的增壓方式可以分為定壓增壓和脈沖增壓。定壓增壓是指所有氣缸的排氣管匯集到一個(gè)排氣總管上，然后驅(qū)動(dòng)廢氣渦輪。排氣管到渦輪前的壓力幾乎是恒定不變的。脈沖增壓，即所有氣缸的排氣管直接連接在廢氣渦輪上，由于取消了排氣總管，各個(gè)氣缸排出的廢氣直接到達(dá)渦輪入口處，渦輪前的壓力是變化的，壓力波以脈沖的方式驅(qū)動(dòng)渦輪工作。脈沖增壓可實(shí)現(xiàn)渦輪增壓器的快速響應(yīng)特性。相比于定壓增壓，脈沖增壓可以較好的利用廢氣的能量[1]。因此，目前市場(chǎng)上大部分渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)均采用脈沖增壓的方式。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，只有排氣行程才會(huì)排出廢氣，因此渦輪增壓器廢氣通道前的壓力只有在排氣行程是才是最大的。比如在一個(gè)四沖程單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)工作循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)720°，只有在排氣沖程的180°時(shí)才產(chǎn)生廢氣壓力（不考慮氣門正時(shí)），其余540°排氣管壓力都等于渦輪后壓力，無法推動(dòng)渦輪工作。圖2顯示了在四沖程單缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，渦輪前的廢氣通道的壓力變化。渦輪在一個(gè)排氣沖程結(jié)束后，如果想要繼續(xù)工作，只能等待下一個(gè)排氣沖程的到來[2]。由于排氣沒有連續(xù)性，因此增壓器的工作連續(xù)性不佳。

對(duì)于四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，有四個(gè)排氣行程，排氣的連續(xù)性得到很大的改善。但是由于氣門正時(shí)的影響，排氣開始出現(xiàn)重疊，即前一缸的排氣門還沒有關(guān)閉時(shí)，下一缸的排氣門已經(jīng)開啟。如果按照排氣門提早30°打開，延遲30°關(guān)閉來計(jì)算，則按照公式1-1可以得出，排氣門開啟狀態(tài)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到960°，也就是說，有240°的曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，相鄰點(diǎn)火的兩個(gè)氣缸會(huì)產(chǎn)生廢氣脈沖相互干擾的現(xiàn)象。這會(huì)導(dǎo)致后一缸的廢氣壓力波來到前一缸的排氣門背面，產(chǎn)生背壓，導(dǎo)致前一缸的廢氣排不干凈，甚至是后一缸的廢氣直接進(jìn)入到前一缸氣缸中，直接影響了前一缸的下一次燃燒過程。

4×（30°+180°+30°）=960° ???????????????????????（1）

同時(shí)，由于廢氣脈沖之間的相互干擾，壓力波疊加的作用會(huì)使得最小壓力與最大壓力差明顯減小，壓力波作用在渦輪上的脈沖也隨之減小，進(jìn)而導(dǎo)致廢氣渦輪增壓器內(nèi)的脈沖增壓減少，從而影響了增壓效果。廢氣脈沖間的相互干擾，也會(huì)影響到增壓器的響應(yīng)速度。

2 渦輪增壓雙渦管技術(shù)

2.1 單渦管增壓器的結(jié)構(gòu)特性

A款發(fā)動(dòng)機(jī)采用傳統(tǒng)的單渦管渦輪增壓器，此款增壓器集成了排氣歧管，有效地減小了排氣側(cè)的體積，為了降低渦輪遲滯的影響，該渦輪增壓器采用小型低慣量轉(zhuǎn)子。這款發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，也考慮到了減少各個(gè)氣缸之間廢氣脈沖的互相干擾的影響，所以在排氣歧管部分做了兩個(gè)分支，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序1-3-4-2，將1缸和4缸共用一條廢氣道，2缸和3缸共用一條廢氣道（圖3左）。但是由于在渦輪殼體部分還是共用一條廢氣道（圖3右），因此并不沒有完全分離相互影響的脈沖，影響也沒有完全消除。

2.2 雙渦管增壓器的結(jié)構(gòu)特性

雙渦管技術(shù)（Twin Scroll Technology），也就是在傳統(tǒng)的渦輪增壓器基礎(chǔ)上，將進(jìn)入渦輪前的廢氣道從結(jié)構(gòu)上一分為二，這樣可以把廢氣有效的分離成單獨(dú)的兩部分，完全擺脫了由于排氣重疊導(dǎo)致的廢氣脈沖互相干擾的問題。圖4即為雙渦管增壓器的結(jié)構(gòu)。從圖上可以看到，廢氣自離開排氣門后到到達(dá)渦輪之前，始終被分在兩個(gè)單獨(dú)的廢氣道中，沒有排氣重疊的兩個(gè)氣缸共用一條廢氣道，從而實(shí)現(xiàn)了廢氣脈沖間互不干擾的目的。

1.排氣歧管 2.雙渦管廢氣入口 3.壓氣機(jī)入口 4.壓氣機(jī)出氣口

5.中間軸 6.渦輪 7.廢氣閥 M16/7：電磁閥

下面以B款發(fā)動(dòng)機(jī)上搭載的雙渦管渦輪增壓器為例進(jìn)行說明。圖5即為B款發(fā)動(dòng)機(jī)雙渦管渦輪增壓器示意圖。與A發(fā)動(dòng)機(jī)相同的是，B搭載的渦輪增壓器也集成了排氣歧管，并且將排氣歧管內(nèi)的廢氣道一分為二，不同的是，B款增壓器的渦輪殼體部分，也分為兩個(gè)廢氣道。已知發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序1-3-4-2，1缸和4缸沒有排氣重疊，2缸和3缸沒有排氣重疊。所以在結(jié)構(gòu)上，1缸和4缸共用一個(gè)廢氣道，2缸和3缸共用一個(gè)廢氣道。1缸在排氣后期3缸排氣門開啟，由于兩個(gè)氣缸的廢氣脈沖分屬兩條廢氣道，二者互不影響;3缸排氣后期4缸排氣門開啟，同樣也由于兩個(gè)氣缸的廢氣脈沖分屬兩條廢氣道，二者互不影響;4缸和2缸，2缸和1缸，均是同樣的情況。如此循環(huán)往復(fù)，四個(gè)缸的排氣過程互不影響。

2.3 雙渦管技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

由于雙渦管技術(shù)有效隔離了相互影響的廢氣脈沖，因此廢氣到達(dá)渦輪處的壓力分布更好，更有效地將廢氣能量輸送到渦輪增壓器的渦輪機(jī)，增加了渦輪的效率。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)也可以允許更大的氣門重疊，從而改善進(jìn)入每個(gè)氣缸的空氣充量的質(zhì)量和數(shù)量，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

渦輪增壓技術(shù)最大的缺點(diǎn)是反應(yīng)遲滯的問題。它主要是由于在低轉(zhuǎn)速的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣量較小，沒有辦法產(chǎn)生足夠推動(dòng)渦輪的壓力波，從而導(dǎo)致壓氣機(jī)無法產(chǎn)生足夠的增壓空氣。

為了充分考慮渦輪遲滯帶來的負(fù)面影響，在設(shè)計(jì)壓氣機(jī)殼體及渦輪殼體時(shí)，A/R值是一個(gè)很重要的幾何特性參數(shù)。R（Radius）為渦輪軸承中心到渦輪進(jìn)風(fēng)口（或者是壓氣機(jī)出風(fēng)口）橫截面中心點(diǎn)的距離。A（Area）指渦輪進(jìn)風(fēng)口（或者壓氣機(jī)的出風(fēng)口）對(duì)應(yīng)以上中心點(diǎn)所在的橫截面積[3]。二者的比值即A/R值，如圖6所示。

A/R參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)性能影響很小，但對(duì)渦輪性能影響較大。可以通過調(diào)整A/R值來調(diào)整渦輪廢氣流量。一般來說，A/R值越小，廢氣的流速越高，渦輪在低轉(zhuǎn)速區(qū)域的增壓反應(yīng)越快，渦輪遲滯降低，渦輪也就能在較低的轉(zhuǎn)速區(qū)域取得較高的增壓。相對(duì)于傳統(tǒng)單渦管，雙渦管有著更小的渦管截面積，即A值小，因此在低轉(zhuǎn)速區(qū)可以獲得更好的渦輪響應(yīng)，增壓反應(yīng)更快，降低了渦輪遲滯。

所以說，雙渦管技術(shù)在提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的同時(shí)，也改善了渦輪遲滯的問題，可謂是一舉兩得。

3 雙渦管技術(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

經(jīng)過理論分析可知，雙渦管技術(shù)可以在渦輪增壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，并可以緩解渦輪增壓器反應(yīng)遲滯的問題。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，利用某公司發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室資源，采集A、B兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)過分析和對(duì)比。

發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能通?？捎勺罡哕囁?、加速時(shí)間、等方面的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，可以有效的判斷發(fā)動(dòng)機(jī)這幾方面的能力。外特性曲線，是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門完全開啟時(shí)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率或扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，表示了發(fā)動(dòng)機(jī)所能得到的最大動(dòng)力性能。它表現(xiàn)的曲線特征是：功率曲線和扭矩曲線都呈現(xiàn)凸形曲線，但兩者表現(xiàn)是不一樣的。在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線中：功率曲線在較低轉(zhuǎn)速下數(shù)值很小，但隨轉(zhuǎn)速增加而迅速增長(zhǎng)，但轉(zhuǎn)速增加到一定區(qū)間后，功率增長(zhǎng)速度變緩，直至最大值后就會(huì)下降，盡管此時(shí)轉(zhuǎn)速仍會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。扭矩曲線則與功率曲線相反，它往往在較低轉(zhuǎn)速下就能獲得最大值，然后隨轉(zhuǎn)速上升而下降[4]。

在實(shí)驗(yàn)過程中，分別記錄了A、B兩款發(fā)動(dòng)機(jī)在1000RPM至6000RPM轉(zhuǎn)速下的功率、扭矩?cái)?shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)繪制兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，研究雙渦管技術(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

從圖7外特性扭矩曲線對(duì)比中可以看到，同樣是2.0L的排量，B發(fā)動(dòng)機(jī)相比A發(fā)動(dòng)機(jī)來說，最大輸出扭矩有了很大的提升。在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩輸出區(qū)間內(nèi)，B發(fā)動(dòng)機(jī)可以輸出大于400Nm的扭矩，而A發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩大約只有350Nm。另外，從圖中我們還可以看到，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1000RPM升至2000RPM時(shí)，扭矩處在快速提升過程。在此區(qū)間內(nèi)，B發(fā)動(dòng)機(jī)的曲線斜率越大，說明B發(fā)動(dòng)機(jī)可以用更短的時(shí)間達(dá)到扭矩峰值。這表示在起步過程中，隨著轉(zhuǎn)速的提高，扭矩的快速提升將會(huì)使用更短的時(shí)間，即發(fā)動(dòng)機(jī)的起步加速性能更好。

圖8為外特性功率曲線對(duì)比圖。從曲線的走勢(shì)可以判斷出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，功率一直在不斷增加，直到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)一個(gè)特定點(diǎn)，無論轉(zhuǎn)速怎么增加，功率也不會(huì)再增加了，反而呈現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。此時(shí)達(dá)到的車速即為汽車的最高車速。B發(fā)動(dòng)機(jī)2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)的最高功率可達(dá)220KW，而A發(fā)動(dòng)機(jī)2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)的最高功率僅為155KW。這也就表示，B發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最高車速大于A發(fā)動(dòng)機(jī)。

為了進(jìn)一步了解A、B兩款發(fā)動(dòng)機(jī)在性能上的差異，實(shí)驗(yàn)還采集了1.5L排量的B發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，用來對(duì)比2.0L A發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。圖9即為外特性曲線對(duì)比，從圖上可以觀察到，采用雙渦管技術(shù)的B發(fā)動(dòng)機(jī)，1.5L排量發(fā)動(dòng)機(jī)與2.0L A發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩輸出相差約70Nm，功率方面則相差大約20KW。但是由于1.5L排量更小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，因此B發(fā)動(dòng)機(jī)的體積功率更高，具備更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

雙渦管技術(shù)在傳統(tǒng)的渦輪增壓技術(shù)基礎(chǔ)上，通過有效分離相互干擾的廢氣脈沖，進(jìn)一步增加了渦輪增壓器的效率，從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。并且由于將傳統(tǒng)增壓器的渦管殼體改為兩個(gè)廢氣通道，使渦管半徑更小，減小了A/R比，有效緩解的發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)反應(yīng)遲滯的問題。

通過深入的理論學(xué)習(xí)和理論分析，對(duì)雙渦管技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)特性以及技術(shù)先進(jìn)性有了全面的認(rèn)識(shí)。并通過采集兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，對(duì)傳統(tǒng)單渦管和雙渦管技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比，進(jìn)一步論證了雙渦管技術(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

雙渦管技術(shù)的出現(xiàn)，是渦輪增壓技術(shù)的一大突破，另外也為汽車行業(yè)從業(yè)人員打開了新的思路，即通過改變渦管結(jié)構(gòu)，可以有效提高渦輪增壓器的效率，從而進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

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