汽油機增壓技術的應用論述與研究

王占峰 馬赫陽 張強

（中國第一汽車集團有限公司 研發總院，長春 130013）

主題詞：汽油機 增壓技術 油耗 動力性 小型化

縮略語

VGT Variable Geometry Turbine（可變幾何截面渦輪增壓）

VNT Variable Nozzle Turbine（可變噴嘴渦輪）

WG Waste Gate(放氣閥)

BMEP Brake Mean Effective Pressure（制動平均有效壓力）

GDI Gasoline Direct Injection(汽油缸內直噴)

eBooster電子增壓器

eTurbo電動渦輪增壓器

TSI Turbo Supercharge Injection（雙增壓直噴）

TFSI Turbocharged Fuel Stratified Injection（渦輪增壓分層噴射）

ScTc Supercharger before Turbocharger(一級機械增壓、二級渦輪增壓的串聯兩級增壓)

TcSc Turbocharger before Supercharger(一級渦輪增壓、二級機械增壓的串聯兩級增壓)

TcTc Turbocharger Turbocharger（兩級渦輪串聯增壓）

1 前言

在當前能源及環境危機的背景下，國家對于汽車節能減排的要求不斷提升。發動機小型化技術已成為降低CO2的主要手段之一，其中增壓技術作為發動機小型化的關鍵技術，通過增加進氣質量提高功率和扭矩輸出，使小排量的發動機達到大排量發動機的動力性，同時降低發動機的泵氣損失和摩擦功，提高發動機的熱效率，在降低油耗和節能減排方面有著巨大優勢。增壓化已成為發動機升級發展的必然趨勢。

增壓技術根據工作原理的不同可分為機械增壓和渦輪增壓兩種，這兩種增壓機技術又可根據增壓器的結構特點分為不同的類型，如機械增壓器包括渦旋式、螺桿式、羅茨式等，渦輪增壓器包括單流道渦輪、雙流道渦輪、可變截面渦輪。根據增壓方式的不同，又可分為單級增壓和多級增壓。

2 機械增壓技術

機械增壓的結構布置如圖1，其直接與發動機曲軸連接，由曲軸帶動實現進氣增壓。主要包括羅茨式、渦旋式、螺桿式、等類型，由于制造工藝及成本等原因，羅茨式機械增壓器是目前應用最多的機械增壓器，羅茨式機械增壓器結構如圖2[1]，其轉子的空氣流道具有一定的錐度，使得進氣通過流道時不斷被壓縮，提高進氣壓力。

圖1 機械增壓結構布置示意

圖2 羅茨式機械增壓器結構[1]

機械增壓器在發動機怠速以外的工況都能產生增壓效果，同時轉速完全與發動機轉速聯動，這些都能保證機械增壓無論低轉速還是高轉速工況都可以獲得穩定的增壓效果，有較好的瞬態響應性能，相比于渦輪增壓，其建立起穩定增壓壓力的時間可縮短90%。并且機械增壓器結構比較簡單，布置靈活，工作溫度介于70°C～100°C之間，熱負荷較低，冷卻和潤滑的要求與自然吸氣發動機基本相同。

同時，機械增壓器與發動機曲軸直接相連，這將不可避免的損失一部分發動機功率，造成其效率不高，使發動機的燃油經濟性比渦輪增壓發動機差，并且體積大、生產工藝要求高。由以上原因使得機械增壓的應用沒有渦輪增壓技術廣泛。

奧迪、保時捷及日產等均有機型采用機械增壓技術。奧迪A7的2018款50 TFSI quattro動感型搭載了3.0 L機械增壓發動機，額定功率245 kW，額定扭矩達到了440 N?m。保時捷2017款4 Sport Turismo版同樣搭載了3.0 L機械增壓發動機，額定功率243 kW，額定扭矩為450 N?m。

英菲尼迪QX60和日產探路者應用的混動總成中也使用了機械增壓的2.5 L直列4缸發動機，額定功率為172 kW，額定扭矩330 N?m，發動機及其采用的機械增壓結構如圖3[2]。

3 渦輪增壓技術

渦輪增壓器的布置形式見圖4，發動機排出的高溫、高壓的廢氣驅動渦輪，由渦輪帶動壓氣機提高進氣壓力，實現進氣增壓，可使發動機的功率與扭矩提升20%～30%。廢氣能量利用及體積小等特點使得渦輪增壓成為各大主機廠進行機型升級的共同選擇之一。但由于葉輪存在慣性作用，渦輪增壓器有較明顯的“滯后效應”，相比機械增壓瞬態響應差。渦輪增壓器一般可分為可變幾何形狀和不可變幾何形狀兩大類，不可變幾何形狀渦輪又按流道結構的區別分為單流道渦輪和雙流道渦輪。

圖3 日產2.5 L 4缸機及機械增壓結構[2]

3.1 單流道渦輪增壓

帶廢氣閥的單流道渦輪增壓器被廣泛的應用于汽油機，也是通常所指的渦輪增壓技術，在此不過多舉例和贅述，以本田1.0TD L3發動機為例，采用的渦輪增壓器結構如圖5，可使動力性上代替1.5～1.8 L自然吸氣發動機，實現功率95 kW，扭矩200 N?m[3]。

圖5 單流道渦輪增壓器結構[3]

3.2 雙流道渦輪增壓

雙流道渦輪增壓結構示意圖如圖6[4],其用于直列四缸機上的原理如圖7[5]，1、4和2、3缸排氣分別流入不同的渦輪流道，其優勢在于可以避免多缸發動機排氣之間的相互干涉，降低發動機的排氣背壓，有利于減少各缸的殘余廢氣量，提高低端扭矩。并且雙流道也可以使加速時更多的排氣能量作用于渦輪的葉片，提高發動機的瞬態響應速度。采用雙流道可使低端扭矩提高15%左右，額定扭矩最低轉速提前100～200 r/min，瞬態加速響應時間縮短15%左右，如圖8、9所示。

圖6 雙流道渦輪增壓結構示意[4]

圖7 雙流道渦輪增壓工作原理[5]

圖8 雙流道渦輪動力性提升

圖9 雙流道渦輪加速響應提升

目前應用于MINI Copper S的BMW四缸機2.0 L發動機、一汽GC20TD、現代Theta GDI 2.0 L發動機及應用于A 45 AMG上的2.0 L高性能版發動機均匹配了雙流道渦輪，其中應用于A 45 AMG上的2.0 L發動機動力性可達265 kW、450N?m[6]。現代Theta GDI 2.0 L發動機額定功率達304 kW@6 000 r/min，額定扭矩365 N?m@1 750～4 500 r/min[7]。

3.3 可變渦輪增壓

可變幾何截面渦輪增壓VGT（Variable Geometry Turbine）主要是通過改變沖向渦輪葉片的廢氣流向和流速來改變其施加到渦輪的能量，擴寬渦輪的流量范圍，用于改善瞬態響應速度并提高動力性。

VGT在柴油機上的應用從20世紀90年代就已經開始了，但由于汽油機高達1 000℃甚至更高的排氣溫度使其直到現在才逐漸應用到汽油機上。

根據可變結構的不同VGT可分為可調流動渦輪、可變滑動渦輪、可變噴嘴渦輪和可變流動渦輪，其中應用較廣的是可變噴嘴渦輪(Variable Nozzle Turbine，VNT)，其結構如圖10所示[8]：

圖10 可變噴嘴渦輪結構[8]

采用VGT可在普通單流道渦輪增壓基礎上提高低端扭矩20%左右，額定扭矩最低轉速提前150～250 r/min，額定功率提升5%左右。同時使得瞬態加速響應時間縮短至少30%，如圖11、12所示。

圖11 VGT渦輪動力性提升

圖12 VGT渦輪加速響應提升

VGT技術最先被應用于保時捷997 GT2 RS中，采用了兩個VGT并聯的結構，取得了巨大的成功，將在下文并聯兩級增壓中詳述。接著在保時捷718 Boxster S的2.5 L直列四缸發動機及大眾EA211 1.5 TSI evo上采用了VGT渦輪增壓。如圖13為EA211 TSI evo發動機及匹配的VGT結構圖[9]，可實現功率96 kW，扭矩200 N?m，配合米勒循環等技術使百公里油耗相比于上一代EA211降低了1 L，其加速性能也明顯優于上一代EA211，1 500 r/min加速達到額定扭矩的時間縮短了35%。

圖13 EA211 TSI evo發動機及匹配的VGT結構[9]

4 兩級增壓技術

單級增壓可以實現發動機提高功率和扭矩，降低油耗的目的，但是無論是機械增壓還是渦輪增壓，都存在著一些無法彌補的缺陷，為了進一步提高發動機的性能，兩級增壓開始進入人們的視野。如圖14所示為汽油機增壓的發展趨勢，采用兩級增壓技術可使升功率、低端升扭矩明顯的提升，滿足未來發動機的發展需求。并且兩級增壓技術可以有效的改善瞬態響應性能。

圖14 汽油機升功率、低端升扭矩發展趨勢

4.1 并聯式兩級增壓技術

并聯式兩級增壓技術是指兩組同規格的渦輪通過并聯的方式連接，每組渦輪負責發動機半數汽缸的工作，其結構布置如圖15。其優點為采用兩個較小的渦輪代替一個大渦輪，提高低端扭矩，提高瞬態響應速度并減低管路的復雜程度。

其提高動力性及瞬態響應的效果如圖16、17。對于低速扭矩，并聯式增壓可提高15%左右，瞬態加速響應時間縮短至少10%。

并聯式兩級增壓技術主要應用于V型發動機上，這得益于V型機汽缸分別布置于兩側的結構特點，使并聯渦輪增壓器易于布置并各負責一側汽缸工作。

奧迪V6 TFSI 2.9L RS 4，RS 5在上一代3.0 L V6雙流道渦輪的基礎上的升級就采用了并聯式兩級增壓技術，如圖18為兩代發動機[10]。其額定功率可達331 kW，額定扭矩600 N?m，額定扭矩轉速為1 900 r/min至5 000 r/min。

圖15 并聯式兩級增壓結構布置

圖16 并聯兩級增壓動力性提升

圖17 并聯兩級增壓加速響應提升

圖18 奧迪V6 S4,S5和RS4 RS5渦輪升級示意[10]

BMW公司搭載于M5的V8 4.4 L發動機采用了2個較小的并聯渦輪增壓器，實現了高功率與低油耗相結合，額定功率可達412 kW@6 000～7 000 r/min和額定扭矩680 N?m@1 500～5 750 r/min，最高轉速可到7 200 r/min，百公里油耗僅9.9 L/100 km[11]。

為了進一步提高渦輪增壓的能力，將雙流道渦輪增壓或VGT并聯布置也被應用到了發動機上。

保時捷和奔馳均采用了并聯布置的雙流道渦輪，如圖19為奔馳搭載于AMG E63及S63的M177 LS2 V8 4.0 L發動機上采用的并聯的雙流道渦輪，可實現額定功率450 kW，額定扭矩900 N?m[12]。

保時捷911Turbo則采用了并聯式VGT的3.6 L 6缸汽油機。可以產生350 kW的輸出功率，扭矩也比先前增加了60 N?m超過了610 N?m，最大扭矩轉速也擴大到1 900 r/min～5 000 r/min。

圖19 奔馳4.0 L汽油機采用的并聯雙流道渦輪[12]

并聯兩級增壓技術多用于V型大排量的汽油機，但福特將此項技術應用于了1.0 L的直列3缸汽油機，其工作示意圖及結構如圖20[13]。福特這款發動機將各缸兩側的排氣道分別匯入兩個并聯的渦輪增壓器，第二個渦輪（TC2）只在高轉速高負荷工況才激活使用，在兩個渦輪配合使用下，額定功率可達110 kW，額定扭矩可達240 N?m@1 400 r/min～4 400 r/min。

圖20 福特1.0 L L3汽油機并聯增壓示意[13]

4.2 串聯式兩級增壓技術

串聯式兩級增壓技術可以是機械增壓和渦輪增壓串聯協同工作，以提高瞬態響應速度和低速扭矩，根據機械增壓和渦輪增壓布置位置的不同，可分為ScTc和TcSc兩種，如圖21。無論哪種構型，機械增壓均工作于中低速及瞬態工況，當渦輪增壓產生穩定增壓壓力后，機械增壓就不參與工作了。ScTc式增壓將機械增壓布置在前，其瞬態響應速度優于TcSc，但作為初級增壓的機械增壓器會更大。

圖21 串聯兩級增壓ScTc和TcSc結構布置示意

比較具有代表性的產品有大眾EA111 1.4TSI發動機和沃爾沃搭載于V60 Polestar上的2.0 L雙增壓發動機。沃爾沃的T6汽油機采用的機械、渦輪串聯增壓的結構如圖22所示，為TcSc構型[14]。

圖22 沃爾沃T6汽油機增壓結構[14]

由一大一小兩組渦輪串聯形成的兩級增壓結構如圖23。低轉速小渦輪介入工作，轉動慣量小，提高瞬態響應速度，轉速提高后大渦輪開始工作，提高動力性，RX-7的13B-REW引擎就是串聯渦輪的好例子。

圖23 串聯兩級增壓TcTc結構布置示意

如圖24、25，機械增壓與渦輪增壓串聯相比于雙渦輪增壓串聯結構，在單級渦輪基礎上可使低端扭矩提升30%左右，額定扭矩最低轉速提前200～300 r/min，瞬態響應改善至少30%，主要是由于機械增壓低速扭矩高及響應速度快的優點。但由于高速穩態工作后機械增壓不參與工作，雙渦輪串聯結構可在額定功率上提高10%左右。

圖24 兩種串聯兩級增壓動力性提升

4.3 電動輔助增壓技術

電動輔助增壓技術通常與渦輪增壓器匹配使用，彌補傳統廢氣渦輪增壓器低速扭矩不足以及瞬態響應慢的問題。但受限于電池能量，電動輔助增壓器通常只短時間工作。若將電動增壓與48 V、混動聯合使用可達到更好的效果。電動輔助增壓包括電驅動壓氣機增壓器（eBooster）和電動渦輪增壓器（eTurbo）兩種形式。

圖25 兩種串聯兩級增壓加速響應提升

電驅動壓氣機增壓器布置示意圖如圖26（a），電動壓氣機與渦輪增壓器串聯，并與一個旁通閥并聯，電動壓氣機工作時，旁通閥關閉，空氣經過電動壓氣機進行二次增壓；電動壓氣機不工作時，旁通閥打開。應用于2018款奔馳S級的3.0 L直列6缸發動機采用了eBooster，達到了原4.8 L V8發動機的功率輸出水平320 kW。

圖26 電動輔助增壓器布置示意

電動渦輪增壓器布置如圖26（b），主要工作在廢氣渦輪增壓器增壓壓力不足的低速大負荷工況，電機充當電動機帶動壓氣機工作。

奧迪2015年推出的TT Clubsport Turbo Concept車型中配備48 V驅動的電動渦輪，起步加速2.5 s比普通廢氣渦輪增壓車型多跑出6 m。

無論采用哪種電動輔助增壓技術，如圖27、28，均可使低端扭矩提升至少50%，額定扭矩最低轉速提前100～200 r/min左右，瞬態響應改善80%以上。

圖27 電動輔助增壓動力性提升

5 結論

（1）增壓技術作為發動機小型化的關鍵技術在節能減排方面有著巨大的潛力，增壓化已成為發動機發展的必然趨勢。

圖28 電動輔助增壓加速響應提升

（2）機械增壓器直接與曲軸相連接，有著增壓效果穩定，瞬態響應好的優點，但會消耗發動機功率，在燃油經濟性上稍差。

（3）在普通的單流道廢氣閥式渦輪增壓的基礎上，雙流道渦輪增壓及可變幾何截面渦輪增壓技術應運而生，改善渦輪增壓瞬態響應性，提高低端扭矩。

（4）隨著發動機性能需求日益增強及電動技術的發展，串聯、并聯及電動輔助等多級增壓技術也被應用于發動機中，可顯著改善單級增壓經濟性差、動力性不足或瞬態響應性差的問題。