基于2015款皇冠2.0T涡轮增压系统新技术分析

谢丹

摘 要：近几年，以小排量、高功率、降低油耗为研发趋势的涡轮增压技术已经成为各车企竞相追逐的目标。对于2015款皇冠2.0T涡轮增压系统，采用双喷射、双涡管、双水冷循环、双VVT-i（W）等技术，既弥补了传统涡轮工作迟滞现象和噪声大的问题，又降低了油耗，提升了自身性能。简要介绍了新皇冠2.0T 8AR-FTS发动机缸盖一体式排气歧管和双涡管涡轮增压器、VVT-iW、独立的涡轮增压冷却系统、考虑增压的曲轴箱强制通风系统等新技术，以期使使增压系统与发动机在各个工况下拥有良好的匹配性能。

关键词：双涡管；VVT-iW；涡轮增压冷却系统；曲轴箱通风

中图分类号：U464.17 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.125

在丰田皇冠2.0T 8AR-FTS中引入涡轮增压技术的原因有2点：①皇冠只在我国和日本销售，并且我国很可能成为其最大的销售市场。②基于国家油耗限值政策，2015年乘用车平均燃料油耗量降至6.9 L/100 km，2020年降至5 L/100 km。目前，新能源汽车很好地解决了车企油耗限值的问题。但是，由于其市场不成熟，要想在短期内解决油耗降低的问题，就只能在节能技术上下功夫，例如涡轮增压技术。

1 缸盖一体式排气歧管和双涡管涡轮增压器

8AR-FTS发动机是一款热效率高、燃烧经济的直喷四冲程涡轮增压汽油机（ESTEC D-4ST），其涡轮增压器组成分为执行器、涡轮壳体&可变控制旁通阀（WGV）、进气旁通阀（ABV）和叶轮&轴承壳体等4部分。进气旁通阀是由电脑直接控制的进气阀门，它利用WGV实现了良好的燃油经济性。当发动机启动时，WGV开启，部分废气不经过废气涡轮直接排向排气管，为三元催化器提供高温废气，减少了三元催化器的加热时间；当发动机低负荷运转时，WGV开启，减少了泵气损失。

皇冠D-4ST 2.0T发动机是世界上首次采用气缸盖内置式4转2排气歧管和双涡管涡轮增压器的汽车。将排气歧管集成在缸盖内，不仅会使发动机布局更紧凑，而且在排气歧管周围套上水套还可以优化发动机热管理，使冷启动时能够有效利用废气热量，减少热机时间，在重负荷下降低流入涡轮增压器的废气温度，提高排放质量。双涡管结构消除排气干扰能使涡轮效率最大化，大大提高了响应速度和扭矩输出范围。同时，涡轮增压器的叶片形状被充分优化并进行了轻量化设计，实现了紧凑型高效涡轮增压器的瞬态响应性能，有效缓解了其低速时的迟滞性，平顺度也可以与自然吸气发动机相媲美。另外，发动机峰值扭矩的爆发更早，百千米加速仅需7.7 s。

2 VVT-iW宽角度智能可变进气门正时系统

VVT-iW系统是在标准的VVT-i排气机构基础上加大了进气门角度，进而提高充气效率。VVT-iW系统是由液压驱动，在进气侧采用带有中间位置锁止销装置。这种设计可以与阿特金森循环技术协同作用，在阿特金森循环与奥拓循环两种工作模式之间转换。通过增大进气门正时延迟侧的可调范围，可以使进气门延迟关闭，让发动机在低负荷工况下按照阿特金森循环原理运行，最大限度地优化燃油经济性。当需要强大的动力时，系统采用奥托循环模式增强其动力输出，并提高其性能。

VVT-iW的正时机油控制阀集成在凸轮轴正时齿轮的安装螺栓内，缩短了控制油路的长度，提高了低温时的响应速度。机油控制阀内有3条控制油道，除了提前侧和延迟侧外，还有1条独立的油道单独控制2个锁止销的锁止/解锁动作。用2个锁止销将叶片锁止于正时可调范围的中间位置，那么，中间位置锁止机构会在发动机熄火时将叶片置于延迟侧。当发动机再次启动时，叶片也能自动返回中间位置。

3 独立的涡轮增压冷却系统

涡轮和涡轮端的轴承体直接接触三大热源，即温度升高的压缩空气、高温尾气和叶轮转速可达120 000 r/min甚至更高时产生的热量。要想保证涡轮增压器在最适宜的温度范围内工作，最有效的办法就是冷却散热。涡轮增压器的冷却和中间冷却器是通过独立于发动机冷却系统的一套系统进行冷却的。冷却系统循环情况如图1所示。水冷式中间冷却器在多种工况下能实现低进气温度，从而获得高输出功率。同时，为了使涡轮增压器下游进气系统气量最小，中间冷却器可以直接安装在发动机上，以获得极高的响应性能。

4 考虑增压的曲轴箱强制通风系统

皇冠2.0T涡轮增压发动机的曲轴箱通风系统采用了3个机油分离器，它们分别位于缸体、气缸盖罩盖的窜气通道上，用于分离来自曲轴箱窜气中的发动机机油，缓解油液老化和机油消耗的问题。当涡轮增压器不工作时，曲轴箱通风阀（PVC）的状态取决于进气歧管的真空程度，并且可将窜缸气体直接引入进气歧管。但是，当涡轮增压器工作时，遵循文丘里效应，喷射器将强制驱气进入涡轮增压器空气侧，经增压后进入进气歧管通风。通风路径如图2所示。

5 结论

为了保证皇冠2.0T发动机在低速时的转矩较高，改善涡轮工作迟滞的问题，保证增压系统不至于高速过热，影响曲轴箱通风，特采用了相关技术解决这些问题，使增压系统与发动机在各种工况下均拥有良好的匹配性能。

参考文献

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〔编辑：白洁〕