第4章 新型增压系统

4.1 可变涡轮截面增压器

现代增压直喷式柴油机越来越多地应用可变涡轮几何截面增压器（VTG），但是过去因汽油机的废气温度明显更高及其流量跨度更大，使得这种完全成熟的废气涡轮增压器技术没有能成功地推广到汽油机上。直到2005 年底才克服了这些技术方面的挑战，成功地批量应用于现代缸内直喷式汽油机。

现代缸内直喷式汽油机与废气涡轮增压相结合更能发挥汽油缸内直接喷射技术的优势，特别是随着发动机小型化趋势越来越明显，废气涡轮增压技术也显得越来越重要，其中诸如机械增压与废气涡轮增压相组合在机动性和燃油耗方面确实非常令人信服，但是其在应用的复杂性、机组的匹配和系统成本等方面的问题可能为其他更为有效的解决方案提供了足够的发展空间，其中可变涡轮几何截面（VTG）涡轮增压器在很多方面都显示出优越性，因而应用得越来越多。

为了能适应发动机小型化的发展趋势，开发出明显更为紧凑的VTG增压器，则必须应对以下方面的挑战：现代缸内直喷式汽油机的废气温度大约要比柴油机高200 K，而且由于其转速较高，以及应用稀薄燃烧过程，废气质量流量的跨度明显较大，显然要成功地将VTG涡轮增压器应用到现代缸内直喷式汽油机上还需要进行一些相关的开发和匹配工作。

（1）热力学潜力

为了评估VTG涡轮增压器相对于废气放气阀涡轮增压器的潜力，在动态发动机试验台上进行了一系列的试验，试验载体是6000r/min时功率为155 kW的1.8 L缸内直喷式汽油机，其基本机型配备采用废气放气阀的单蜗道涡轮增压器，最初配气正时并不改变，而所使用的VTG涡轮增压器则采用柴油机应用的结构形式，但是配备了较大的叶片间隙，这对于效率和流量性能具有重要意义。首先考察沿全负荷曲线的运行值，采用VTG增压器时额定功率约提高6%，这相当于平均压力提高约1bar，比燃油耗从336g/kW·h降低到313g/kW·h（图4-1）。

虽然两种试验方案在发动机低转速时的转矩建立几乎是相同的，但是VTG涡轮增压器改善了整个发动机特性曲线场的燃油耗，其最佳效率点的燃油耗从235g/kW·h降低到了230g/kW·h。这种改善效果首先应归因于VTG涡轮增压器降低了涡轮进口压力，因而额定功率点的扫气压力差提高了约250 mbar，这就降低了换气功并减少了残余废气含量。扫气压差大大改善的原因首先在于VTG涡轮增压器协调了压气机与涡轮之间的质量流量平衡。由于取消了为调节功率而放掉废气，VTG涡轮增压器为能获得相同的压气机驱动功率就只需较少的比热焓降，根据在发动机上测得的运行值，就显示出VTG涡轮增压器具有明显较好的涡轮效率，因为其全部的废气质量流量始终都被有效地利用了。当然，可以确定在发动机低转速范围内，只要废气旁通道仍然是关闭的，废气放气阀涡轮增压器会呈现出稍微较高的效率最佳点，但其优势却是微不足道的。在这种窄小的运行范围内，VTG涡轮增压器中位于涡轮前的导向叶片环（也称为喷嘴环）可能产生流动干扰，在导向叶片环开度很小时流道很窄，对废气起到强烈的阻尼作用，因此在发动机低转速范围内这种影响就显露出来了，使涡轮效率明显较低（图4-2）。在VTG调节机构靠近最小调节触止（调节范围的机械限位）的极小的叶片开度位置时所产生的流动损失会导致废气背压也就是气缸中的残余废气份额比例过大地增大，此时点火时间点也必须相应延迟，这就会阻碍转矩的提高，并会使燃油耗变差。

图4-3示出了导向叶片80%和100%开度时VTG涡轮的效率特性曲线场。从发动机转速4000r/min起，VTG涡轮以80%以上的导向叶片开度运行，此时VTG涡轮所达到的效率明显高于放气阀增压器旁通道打开时的效率。但是可清楚地看到，随着导向叶片开度的增大，效率会大大降低，因此在增压压力水平高时会使VTG流量范围上端区域的涡轮效率变化非常敏感。为了要避开这种范围，控制VTG导向叶片环每个运行点的精度就显得非常重要，因此VTG增压器要应用电动调节器采取闭环反馈高精度地调节导向叶片的开度。

放气阀涡轮增压器能通过打开旁通阀使发动机在宽广的范围内无节流运行，而采用VTG涡轮增压器的发动机在高发动机转速时，为了控制负荷必须明显较早地使用节气门。由于VTG增压器的涡轮导向叶片环在额定功率时就已几乎达到全开度了，此时较高的涡轮效率几乎可完全抵消发动机进气侧节气门的节流损失，因而也能使部分负荷时的燃油耗不增加。

对VTG涡轮增压器潜力所进行的发动机试验研究证实，在整个发动机特性曲线场内VTG增压器的涡轮效率明显较高。在低转速范围内，利用正扫气压差进行发动机扫气对汽油机VTG涡轮增压器是有利的，因为减小了废气涡轮增压器所要覆盖的流量跨度，而比放气阀涡轮增压器更宽广的正扫气压差范围支持了发动机扫气。VTG涡轮增压器在汽油机上运行时，可利用的流量范围要比在柴油机上的小，而汽油机VTG涡轮增压器在流量范围上下限运行时，因效率大大降低，对于废气背压和残余废气含量会产生不利的影响，因此与采用放气阀增压器的汽油机相比，VTG涡轮增压器汽油机更必须考虑使用节气门来调节负荷，这样就能避免可能会出现的有关增压压力降低和换气方面的缺陷。

在VTG增压器导向叶片关得很小时脉冲增压效果减小，但是VTG增压器具有比放气阀增压器明显更好的动压头效果，完全能补偿这种缺陷。

（2）结构形式

最初，汽油机VTG涡轮增压器（图4-4 和图4-5）无论是工作原理还是基本结构都与目前所使用的第3 代柴油机VTG涡轮增压器相似，并用固定在压气机壳体上的电动调节器作为执行机构，通过杠杆机构将其旋转运动传递到VTG组件。这种电动调节器具有精确的位置识别和反馈功能。它不需其他的支承板直接用螺钉固定在压气机壳体上，由其纤维加强的聚丙烯外壳隔热。调节范围从电动调节器上的90 °转换到VTG调节环上的50 °，这样就能有针对性地加大导向叶片环的调节力，以克服由废气在导向叶片环上所产生的高阻力。调节环通过一根单独的调节杆获得所要求的运动，调节杆就被连接在与导向叶片轴拨叉分度相同的调节环上，其圆周上均匀分布着转动11 个导向叶片轴的拨叉槽，而调节环由类似于传统滚动轴承一样支承在一个保持架中的6个滚柱上进行轴向和径向导向。调节杆大多滑动啮合在调节环上，而且有较大的接触面，以防止磨损或卡住而引起变形。导向叶片在叶片轴承环的11 个轴孔中转动。叶片轴承环成为废气从涡轮螺旋壳中流出进入导向叶片流道的一个侧壁，并通过4个间距支撑套与作为该流道另一个侧壁的圆盘用螺钉紧固连接。这个被称为VTG组件的结构单元（图4-5）被预先装配好，并与涡轮外周套螺纹连接后被螺栓紧固在涡轮壳中（图4-6）。虽然汽油机VTG组件与柴油机VTG组件与从外观上看起来非常相似，其中仅调节环组件是新开发的一个重要核心部件，但是在设计中其余所有零部件所使用的材料和表面特性都已与汽油机上更苛刻的边界条件进行了匹配，其中主要的挑战在于选择高耐热材料，首先它们从摩擦学和热膨胀角度要彼此相互协调，所选择的表面品质和尺寸公差在工艺可靠性上都应是可制造的。作为一个特殊例子，首次使用了空气隙隔热（LSI）热屏蔽保护装置（图4-7）。这种热屏蔽保护装置的任务是用中间轴承壳与VTG组件之间的空气隙防御流过的高温废气使涡轮侧密封环过热而失效。因为VTG组件与温度相对较低的中间轴承壳之间的间距在运行时根据温度梯度的不同是变化的，为了可靠地密封，热屏蔽保护装置必须呈现弹簧变形曲线。汽油机的废气温度比柴油机更高，因而在VTG涡轮增压器中首次必须为高温碟形弹簧附加一个隔热装置，采取这种方法可使在密封环上测到的峰值温度降低150 K。

（3）汽油机VTG的发展

缸内直喷式汽油机的未来与具有高工作能力的增压装置密切相关。为此专门开发的最新一代汽油机VTG涡轮增压器已投入批量生产，它们是为最高废气温度达1050℃设计的。进一步的开发设计与改进材料和加工工艺相结合确保了这种VTG涡轮增压器从高端产品成功地转换成适合于大批量生产的增压装置。通过使用新型的涡轮叶轮能进一步改善涡轮增压器的加速性，第一步通过设计优化使惯性矩减小了15%～20%，使涡轮叶轮的流通能力和压比更适应于汽油机的需求，压气机叶轮同样也如此；第二步采用比迄今为止明显更轻的涡轮叶轮材料，因此稳态试验测量到的优点即使在实际行驶运行中仍能充分发挥作用。用钢板制成的采用空气隙热屏蔽保护装置的涡轮壳，VTG涡轮增压器比放气阀涡轮增压器更易于实施，因为前者可取消难于成形的废气旁通道。与铸造壳体相比，恰恰正是在替代优质铸钢的场合降低成本的潜力是十分可观的。其他方面的优点是废气涡轮增压器的总重量可减轻20%～25%，并且即使在低部分负荷时也能保持较高的催化转化器入口温度水平。

（4）汽油机双蜗道涡轮VTG新方案

采用双联蜗道涡轮壳（Zwillingsstromgehäuse）的涡轮增压器迄今已作为汽油机废气放气阀涡轮增压器的标准方案，只是在更好地利用脉冲效应的同时要容许稳态效率存在轻微的不足。通常这种涡轮增压器的双联蜗道涡轮壳具有中间隔壁，理想的结构形式是该隔壁一直延伸到接近涡轮，以免废气从一个蜗道溢流到另一个蜗道。在与VTG涡轮组合的情况下，虽然通过导向叶片时被双联蜗道加强的废气脉冲又部分地受到阻尼，然而仍有助于涡轮功率有所提高，但是此时因废气管路分开改善了换气效果能减少气缸中的残余废气含量，同时能使爆燃极限移向更早的点火提前角，因而能改善比燃油耗。由于导向叶片环位于VTG涡轮叶轮之前，这就使得涡轮壳中间隔壁与涡轮叶轮之间的距离比自由流动的放气阀涡轮增压器大得多，因而涡轮叶轮进口前大得多的横截面会使废气流动相互混合和脉冲蜕变，当然若使用双蜗道涡轮壳（Doppelstromgehäuse）替代双联蜗道涡轮壳（Zwillingsstromgehäuse）（图4-8）的话，能明显减少这种不利的效应。前者的两个蜗道并非是并排布置的，而是叠加布置且废气出口在涡轮叶轮圆周上错开180 °，这种布置方式能使两股废气流一直分开直至接近涡轮叶轮，避免加大过渡横截面，而且减少了通过导向叶片的脉冲阻尼，因为与双联蜗道涡轮壳相比，在相同的流量下其导向叶片打开得更大。由于在双蜗道涡轮壳结构情况下，蜗道只有一半的导向叶片环圆周可供废气流入涡轮叶轮，在废气流量大的时候会产生不可接受的高背压，因此在中等直至高发动机转速时必须组合使用一种所谓的冲击障壁效应转换（Stoβ-Stau -Umschal-tung）。这种冲击障壁效应转换是将两个废气管路组合联接，以加大可供使用的涡轮流通横截面。在结构设计上最重要的是应用一个简单的阀将两个蜗道的流通通道联通起来，而该阀则用一个气动膜盒进行控制。采取这种措施甚至能覆盖比采用单蜗道VTG涡轮增压器更大的涡轮流量范围。与双联蜗道涡轮相比，稳态供气时稍微变差的涡轮效率可由换气方面的好处得到更多的补偿，因而能够明显提高低转速范围的转矩。包括配气正时优化在内的GT Power发动机模拟结果表明，在低转速范围内能显著改善转矩和充气效率。两股废气流良好的分离能大大改善扫气效果。在该特性曲线场范围内燃油耗微不足道的变差是可忍受的，并可从因附加的扫气空气份额使增压器耗功较大得到解释。由于扫气对于相同的废气温度降低了加浓需求，因而降低了燃油耗。采取选择得合适的进排气凸轮轴调节，双蜗道涡轮壳VTG增压器就能获得明显的优势。与标准的放气阀涡轮增压器相比，充气效率显著提高，1500r/min时转矩的提高超过40%（图4-9）。

综上所述，通过热力学优化能大大增大VTG涡轮增压器的流量范围而无明显的效率损失，因而缸内直喷式汽油机能耗用比柴油机更大的进气空气质量流量。在发动机试验台上稳态测量和在汽车上动态测量到的增压压力建立及其流通能力方面的优势与轿车直喷式柴油机所用的VTG涡轮增压器性能相当。汽油机VTG涡轮增压器能确保在高的交变热负荷下的可靠性。为了获得适合于现代缸内直喷式汽油机使用的紧凑的高功率增压机组，致力于优化涡轮导向叶片环方案，为进一步的发展奠定了良好的基础。开发下一代VTG涡轮增压器，使用新型的涡轮和压气机叶轮形式以及换装新型的涡轮壳将更进一步提高汽油机VTG涡轮增压器的动态特性。