汽油机可变涡轮增压器

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1 当今汽油机涡轮增压器的强化和突破

可变几何截面涡轮(VGT)增压器(图1)可在不同的废气质量流量和不断变化的运行工况下高效地利用废气能量。此类可变涡轮增压器目前已在柴油机上得以应用，在汽油机上也为进一步降低CO2排放起到了关键作用。但是在汽油机领域应用更为广泛的是废气放气阀涡轮增压器，因为汽油机的废气温度相对较高，因而可变几何截面涡轮技术已在柴油机领域被证实可行，但该技术如要应用于汽油机领域则面临着更高的技术挑战。

图1 汽油机可变涡轮增压器

为了降低燃油耗和CO2排放，在汽油机上越来越多地应用米勒-阿特金森循环，因而附带降低了废气温度，该项趋势使得在汽油机上也能采用可变涡轮技术。为此，德国大陆公司在采用径向-轴向流动(Raax)的高效涡轮增压器技术基础上开发出了可变Raax涡轮增压技术——Vraax。即使在此类采用可变涡轮技术的汽油机涡轮增压器上，涡轮也仅有非常小的惯性矩，因此该类涡轮增压器的响应特性和机动性得到了明显的改善。

2 用于增压的米勒-阿特金森循环边界条件

采用进气门早关或晚关的换气方案通常被用于提高发动机的效率，因为通过降低燃烧温度从而降低爆燃倾向，就能提高发动机的几何压缩比，以此提高了部分负荷时的效率。另一方面，当今汽油机多采用扫气换气，以此提升低转速时的扭矩。随着欧洲制定的实际行驶排放(RDE)法规的实施，全负荷时更多地倾向于放弃扫气和以小于化学计量比的状态进行燃烧，以此降低燃油耗以及CO和碳氢化合物(HC)排放。这两种变化对发动机动态特性和比功率起到了一定的负面作用。为了补偿这两种负面影响，需采取附加技术。

3 采用Vraax技术的新方式

Vraax涡轮增压器基于Raax设计的基本特点。此类涡轮型式呈现出较小的惯性矩，并对脉冲增压进行优化，此外其更适合于低速扭矩范围，通过较高的增压压力以改善发动机的响应特性。此类涡轮的废气流量是可进行调节的，而未来汽油机正需要此类可变结构，以便于更充分地利用废气总焓降，避免废气放气阀涡轮增压器所产生的旁通质量流量。为此，首先需关注涡轮较低的角动量，主要包括以下几个原因，(1)在微量扫气策略情况下，废气是超化学计量比的，因而催化转化器中的氮氧化物分布受限，而在采用化学计量比废气扫气的情况下，原始颗粒排放会随之升高，因此对于未来发动机而言，将会逐渐放弃扫气换气这种方式。(2)为了有效提升角动量，需将涡轮流量设计得更小，因此会使在额定工况下的废气背压升高，这往往会导致额定工况下低于化学计量比的运行，从而导致燃油耗和废气排放升高。

Vraax涡轮增压器可变导向叶片的几何形状可有效防止这两种情况出现，同时不会恶化角动量、瞬态特性或升功率，并且在低角动量时能减小涡轮流量,以便即使在没有扫气和额定功率较低的情况下也能改善响应特性。为了减小在化学计量比工况下燃烧时的爆燃倾向，可通过较大的涡轮流量降低废气背压(图2)。这样，在负荷较高时能显著减少换气损失，并且可降低实际行驶中的燃油耗，特别是在与颗粒捕集器相结合的情况下可显示出相关优势。

图2 可变导向叶片调节对涡轮增压器流量的影响

4 Vraax可变涡轮增压器的设计策略

柴油机燃烧室中的残余废气份额相对较高，而汽油机则因有爆燃风险而必须限制残余废气所占份额。对于可变结构的设计而言，用于汽油机或米勒发动机的VGT涡轮增压器在低角动量时导向叶片通道不要关闭得过小(图3)，在此将流量调节到小于最大流量约50%的导向叶片关闭角后，并未起到显著效果。对于该结构设计而言，首先需要对大于最大流量50%的导向叶片开启位置进行效率优化。适应性调整使得涡轮可针对额定功率效率进行优化，从而降低涡轮进口温度和进口压力。通过修改设计参数，可使其高效率区向高流量端移动，在低角动量范围内达到相似的效率水平，而在额定功率范围内用于汽油机的VGT涡轮增压器提升了约4%的效率(图4)。

图3 汽油机和柴油机VGT增压器的运行范围

图4 额定功率时的Vraas增压器的效率优势

为了促使高效率区逐渐向高流量区迁移，汽油机专用可变涡轮的导向叶片几何形状应与其开启位置时的运行条件相匹配。为了说明两者之间的差异，图5示出了汽油机和柴油机专用的导向叶片几何形状及其在涡轮压比π=3情况下在导向喷嘴环中所获得的马赫数分布的比较。需要关注的是，在叶片开启位置范围内流动速度较小的时候流动角度的变化以及所需要提高的最大流量参数。出于该原因，首先要缩短专用导向叶片的弦长，以便可以扩大叶片转动的几何范围，此外进口棱角以及进气侧和压力侧的轮廓要与开启的导向叶片位置相匹配，以便在上述运行范围内达到最佳的工作效率。

图5 专门为柴油机和汽油机设计的导向叶片几何形状及其所获得的马赫数分布的比较

5 可变涡轮技术的机械学和验证

图6所示的Vraax涡轮增压器的可变喷嘴环由导向叶片环、盖板、调节环、调节杆和导向叶片组成。调节杆由烧结材料制成的导向销进行径向支承，而调节环则是直接支承在导向叶片环上的，因而接触部位的磨损非常小，并具有良好的声学特性，同时其增压压力的滞后期较短。为了可靠地实现上文所述的功能，借助于有限元法(FEM)优化VGT设计，再通过发动机试验和燃烧室试验予以确认。

图6 Vraas涡轮增压器可变喷嘴环结构的零件分解图

对于发动机控制和标定过程而言，滞后特性是较为重要的，因为其影响到增压压力的调节。在该背景条件下，导向叶片设计使其可在每个位置都能在极短时间内被按时开启，以此由于增压压力滞后较小，从而改善了调节特性，同时由于上述结构设计而使得噪声和磨损都很小。图7示出了各种不同Vraax可变涡轮增压器样机在发动机试验台上测得的增压压力滞后现象及其与当前量产柴油机VGT的比较。在IAVF发动机技术公司统计的分布带中，前者在整个调节范围内具有较短的增压压力滞后期。

图7 在发动机试验台上测得的Vraas可变涡轮增压器样机的增压压力滞后及其与量产柴油机VGT的比较

为了评估可变喷嘴环内部接触部位的磨损状况，应用了基于放射性同位素方法的在线测量系统，该方法的优点是可以观测到烧结导向销和调节环等相对重要部位的运转表面与发动机运行工况点有关的磨损状况，而且可根据测定的磨损量评估其磨损速度。在发动机试验中曾施加各种不同的负荷谱，除了静态负荷状况之外，还采集和分析了动态负荷状况，已根据试验结果对设计进行了全面优化，并再辅以进一步的耐久性分析，最终获得了非常可靠的设计方案。

6 最佳增压

实际行驶排放(RDE)法规限定的更为严厉的废气排放要求也提高了对汽油机专用涡轮增压器的要求：因未来将取消扫气空气，获取较低的角动量将变得更为困难，与之相反，额定功率范围内又不得不降低排气背压。这两种目标设定能够采用可变导向叶片与米勒-阿特金森循环相结合，使其达到最佳效果。

在开发新型Vraax可变涡轮增压器时非常重视可靠性和可调节性，尤其是效率特性。采用新型的结构设计能有效避免薄弱环节的出现，还可借助于计算机辅助工程(CAE)进行优化。Vraax可变涡轮技术使良好的热力学与较高的可靠性相结合，这可在其机械性能领域得以反馈，尤其改善了增压压力滞后现象和磨损状况。Vraax增压压力滞后状况与竞争产品的对比，可在IAVF发动机技术公司统计的分布带中显示出非常良好的结果。

德国大陆公司在热力学要求方面针对用户提出的要求对涡轮进行继续优化，并专门针对汽油机的效率提升而继续开展研发进程。