淺談未來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主流增壓技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

采用渦輪增壓器或機(jī)械增壓器來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能可謂歷史悠久。增壓作為一項(xiàng)重要的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，從20世紀(jì)80年代起開(kāi)始逐漸成為主流，目前增壓系統(tǒng)已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要附屬機(jī)件。

雖然自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)仍在使用，但其應(yīng)用范圍明顯已在按比例縮減。馬勒動(dòng)力總成研究總工Mike Bassett提到，日產(chǎn)和豐田通過(guò)采用先進(jìn)的燃燒過(guò)程或阿特金森循環(huán)持續(xù)開(kāi)發(fā)高效的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，而對(duì)于插電式混合動(dòng)力，將繼續(xù)采用自吸發(fā)動(dòng)機(jī)。

1雙增壓

對(duì)于所有柴油機(jī)和大多數(shù)現(xiàn)代的汽油機(jī)而言，渦輪增壓系統(tǒng)已經(jīng)成為必不可少的一部分，但其所帶來(lái)的利弊又是什么？捷豹路虎發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目總工程師Damien Talue相信，機(jī)械增壓及渦輪增壓在汽油機(jī)上均可發(fā)揮作用。其中，機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能使眾多客戶充分享受駕駛過(guò)程。結(jié)合捷豹最新的渦輪增壓技術(shù)，能為客戶提供一個(gè)相對(duì)完善的駕乘體驗(yàn)。

大陸公司渦輪增壓器技術(shù)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)負(fù)責(zé)人NisarAl-Hasan認(rèn)為，渦輪機(jī)對(duì)廢氣熱焓的利用效率，比機(jī)械增壓器更高，所以渦輪增壓器在降低CO2排放方面具有巨大潛力。負(fù)責(zé)梅賽德斯-奔馳6缸汽油機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的高級(jí)經(jīng)理Ralph Weller博士表示，過(guò)去奔馳多采用機(jī)械增壓器，渦輪增壓的優(yōu)勢(shì)是可通過(guò)排氣系統(tǒng)的熱焓來(lái)直接驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)而回收功率，無(wú)需耗費(fèi)發(fā)動(dòng)機(jī)自身功率。

然而，由皮帶驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓器，不完全依賴(lài)于廢氣能量，在任何循環(huán)工況點(diǎn)下都可使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得功率上的收益。伊頓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管理工程經(jīng)理Dan Ouwenga認(rèn)為，機(jī)械增壓器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已向發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性提升方面進(jìn)行了拓寬，且與其他發(fā)動(dòng)機(jī)的重大技術(shù)改進(jìn)同時(shí)使用。驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓器會(huì)產(chǎn)生寄生能量損耗，但其優(yōu)勢(shì)是可維持發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。保持可靠的氣流運(yùn)動(dòng)是未來(lái)推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，對(duì)于廢氣再循環(huán)（EGR）的運(yùn)用非常重要，同時(shí)需讓汽車(chē)制造商接受類(lèi)型多種多樣的先進(jìn)燃燒技術(shù)。由廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)也存在其優(yōu)勢(shì)和弊端，對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)不耗費(fèi)能量，但僅依靠廢氣能量的驅(qū)動(dòng)方式限制了增壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍及增壓器的開(kāi)啟時(shí)刻。

機(jī)械增壓器必須集成到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣路徑上，由曲軸進(jìn)行機(jī)械式驅(qū)動(dòng)，據(jù)博格華納渦輪增壓系統(tǒng)全球工程與創(chuàng)新副總Dr HermannBreitbach所言，就改善燃油經(jīng)濟(jì)性而言，需要更好地控制增壓器的分離，這樣實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械增壓器的安裝較為困難。由于與發(fā)動(dòng)機(jī)之間采用剛性連接，機(jī)械增壓器的扭矩提升速度及低速扭矩特征表現(xiàn)良好，而與5～10年前的技術(shù)水平相比，渦輪增壓器在該領(lǐng)域的技術(shù)水平已得以顯著提升，二者之間差距并不明顯。

機(jī)械增壓器的一大技術(shù)弊端是其采用固定的速比，因此必須使用離合器、變速器或者電機(jī)應(yīng)用至發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，從而使其獲得增壓壓力。渦輪增壓器也存在缺陷，比如其熱慣性，因?yàn)椴贾迷诎l(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理系統(tǒng)之間，渦輪會(huì)使催化器起燃的持續(xù)時(shí)間延遲，并在循環(huán)測(cè)試時(shí)使排放物有所增加。

2增壓的優(yōu)勢(shì)

研發(fā)渦輪增壓技術(shù)的重點(diǎn)在于減少其摩擦和慣量，以改善響應(yīng)性和可操作性。例如可變幾何截面渦輪增壓器（VTG）特征，優(yōu)化了低轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)的響應(yīng)性，當(dāng)廢氣能量較低時(shí)，在大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況下依舊能夠輸出充足的空氣。二級(jí)渦輪增壓器在高品質(zhì)柴油機(jī)上應(yīng)用了多年。在低轉(zhuǎn)速工況下，廢氣能量較低時(shí)依然可使小渦輪具有良好的響應(yīng)性；在高負(fù)荷工況下，大渦輪同樣可以滿足實(shí)現(xiàn)高功率和高扭矩輸出的進(jìn)氣需求。但目前由于考慮到排氣的高溫，VTG在汽油機(jī)上依然很少見(jiàn)。

當(dāng)保時(shí)捷摒棄自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)后，引進(jìn)了VTG以保證響應(yīng)性。同時(shí)大眾汽車(chē)在2017年也將此技術(shù)應(yīng)用到最新款1.5 L TSI發(fā)動(dòng)機(jī)上。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在一個(gè)大膨脹比的米勒（Miller）循環(huán)下，由于使用VTG技術(shù)，在1 400 r/min～4 000 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，能維持200 N?m的持平扭矩曲線。

根據(jù)不同的用途，渦輪增壓器的工程技術(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。一大影響因素是其特定的輸出需求，從單渦輪開(kāi)始，然后采用雙渦道渦輪，直至與梅賽德斯-奔馳一樣采用雙渦輪，或者為單/雙渦管與電動(dòng)增壓器的結(jié)合。上述均適用于一臺(tái)優(yōu)質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)或者低成本發(fā)動(dòng)機(jī)，

在汽油機(jī)上，雙渦道渦輪將分離的廢氣導(dǎo)入，最大化地利用廢氣脈沖，高度改善了其響應(yīng)性。220 kW的Ingenium汽油機(jī)采用的雙渦道增壓器，采用陶瓷球軸承，具有優(yōu)秀的瞬態(tài)響應(yīng)性，缸蓋集成排氣歧管上還有一個(gè)電動(dòng)廢氣閥，Ingenium是渦輪增壓器技術(shù)得以高速發(fā)展的典型實(shí)例。柴油機(jī)增壓的當(dāng)前技術(shù)水平是采用配備有VTG的渦輪增壓器和二級(jí)系統(tǒng)，同時(shí)汽油機(jī)增壓的技術(shù)水平是采用單渦道或雙渦道結(jié)構(gòu)的高溫廢氣閥渦輪。

大陸集團(tuán)RAAX方面應(yīng)用的渦輪增壓器技術(shù)是采用一個(gè)特殊種類(lèi)的混合流渦輪機(jī)，其結(jié)合了高效率和良好的慣性。同時(shí)對(duì)每款發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展專(zhuān)門(mén)為其量身定做的熱力學(xué)方案設(shè)計(jì)，從而推動(dòng)渦輪機(jī)技術(shù)發(fā)展。不可否認(rèn)，量身訂做的渦輪增壓器比普通的模式化設(shè)計(jì)可以更好地滿足客戶需求。

汽車(chē)市場(chǎng)的OEM端主要使用兩種類(lèi)型的機(jī)械增壓器：魯氏（Rootes）類(lèi)型；及與在Ford GT上使用相似的雙蝸桿（Lysholm screw）類(lèi)型。伊頓TVS2（雙渦系）是一個(gè)Rootes型壓氣機(jī)。TVS2作為伊頓下一代機(jī)械增壓器的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，從其單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)直到采用，可實(shí)現(xiàn)增壓器的輕量化，且具有良好的NVH性能。

3著眼未來(lái)

未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)依然會(huì)從兩類(lèi)增壓技術(shù)的基礎(chǔ)上獲得增壓壓力，并持續(xù)采用類(lèi)似的方法對(duì)渦輪增壓器技術(shù)進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)。VTG在小型柴油車(chē)上很常見(jiàn)，由于二階渦輪系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)效益，其在小型柴油車(chē)上的應(yīng)用也日益廣泛。對(duì)于新型汽油機(jī)而言，其主流趨勢(shì)是應(yīng)用米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)并同時(shí)驅(qū)動(dòng)VTG技術(shù)，其下一階段的技術(shù)挑戰(zhàn)是可變截面渦輪機(jī)技術(shù)在中小型汽油機(jī)上的應(yīng)用。

渦輪增壓器在整個(gè)系統(tǒng)中的作用及其如何與其他發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相結(jié)合也很重要。汽油機(jī)在特定情形下可以與一個(gè)全可變電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配，并將這些技術(shù)特征及進(jìn)氣方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)合。機(jī)械增壓器繼續(xù)應(yīng)用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上，同時(shí)也需滿足先進(jìn)燃燒技術(shù)的需求。馬自達(dá)火花塞控制壓燃點(diǎn)火（SCCI）SkyActiv-X汽油機(jī)是一個(gè)例子。以使用小型皮帶驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓器作為空氣泵，提供的額外空氣足以支撐發(fā)動(dòng)機(jī)在稀薄燃燒工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)。

伊頓將繼續(xù)開(kāi)發(fā)由其獨(dú)創(chuàng)的TVS轉(zhuǎn)子技術(shù)，安裝還包括電動(dòng)輔助。在量產(chǎn)市場(chǎng)上，還未看到機(jī)械增壓器技術(shù)替代渦輪增壓器的趨勢(shì)，但是對(duì)于機(jī)械增壓器而言，目前已出現(xiàn)了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，即在EGR的高工況區(qū)域，其可以作為空氣泵來(lái)作為先進(jìn)燃燒系統(tǒng)的有力支持。