【德】 M.KLUIN C.GLAHN I.HERMANN A.K?NIGSTEIN

1 未來發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的邊界條件

降低CO2排放和油耗是汽車制造商開發(fā)的重要目標(biāo)。在量產(chǎn)情況下,需要兼顧成本效益達(dá)到低燃油耗的技術(shù)已成為開發(fā)的重點(diǎn)。

量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)要滿足以上要求,其設(shè)計(jì)方案還受到其他邊界條件的影響。如圖1所示,未來的汽油機(jī)開發(fā)需要確認(rèn)基本結(jié)構(gòu)(如氣缸數(shù)或噴射系統(tǒng)),確定燃燒過程(均質(zhì)化學(xué)計(jì)量比)和功率目標(biāo)值,確保平均有效壓力大于2 MPa、升功率大于85 k W。

圖1 未來汽油機(jī)設(shè)計(jì)的基本邊界條件

2 增壓是提高效率的關(guān)鍵

正如參考文獻(xiàn)[1]所介紹的那樣,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步小型化或采用新的燃燒過程,增壓壓力的預(yù)期需求會(huì)提高。而且由于升功率和駕駛靈活性的要求,使最大扭矩特性曲線平臺(tái)的寬度增大,這就要求大大擴(kuò)展增壓系統(tǒng)的運(yùn)行范圍。而目前汽油機(jī)由廢氣放氣閥調(diào)節(jié)的單級(jí)廢氣渦輪增壓器已無(wú)法完全滿足如此寬廣的運(yùn)行范圍要求,特別是渦輪側(cè)受其工作原理限制會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的高增壓壓力與額定功率時(shí)的高渦輪效率之間產(chǎn)生目標(biāo)沖突,這會(huì)導(dǎo)致增壓方案扭矩特性曲線最大扭矩平臺(tái)的寬度、駕駛靈活性或升功率受到極大的限制。而多級(jí)增壓系統(tǒng)因其高成本,原則上排除了作為量產(chǎn)替代方案的可能性,因此可變渦輪幾何截面(VTG)增壓器就成為了提高增壓壓力可行的解決方案。

3 汽油機(jī)的渦輪增壓器方案

VTG增壓器在渦輪葉輪進(jìn)口處安裝了可變導(dǎo)向葉片,而汽油機(jī)的廢氣溫度遠(yuǎn)超過900℃,因成本和疲勞強(qiáng)度方面的缺陷,阻礙了VTG增壓器在汽油機(jī)上的應(yīng)用。但是近年來,由于模擬方法計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)及制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展,使得導(dǎo)向葉片機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和材料選擇已能滿足汽油機(jī)廢氣穩(wěn)態(tài)溫度高達(dá)980℃的要求,渦輪效率和成本效益也隨之顯著提高,因而這種技術(shù)也能應(yīng)用于量產(chǎn)。

VTG渦輪增壓器方案的特點(diǎn)是增壓壓力的調(diào)節(jié)被轉(zhuǎn)換成改變流入渦輪的條件,同時(shí)也取消了渦輪的旁通道,這樣在減少額外費(fèi)用的同時(shí),還使通過渦輪的全部質(zhì)量流量都實(shí)現(xiàn)了膨脹作功,從而在發(fā)動(dòng)機(jī)高功率時(shí)顯著提高渦輪效率。雖然由此必須放大渦輪的吸氣能力,但這能夠通過可變性在穩(wěn)態(tài)低端扭矩范圍(低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩建立)和瞬態(tài)過程中予以補(bǔ)償。在運(yùn)行范圍內(nèi),流入渦輪葉片的氣流尚未達(dá)到最佳狀態(tài),可以通過調(diào)整導(dǎo)向葉片減小渦輪流入橫截面,以及由此產(chǎn)生的高動(dòng)壓頭能力得以補(bǔ)償,這就導(dǎo)致了更高的渦輪總功率。總而言之,與廢氣放氣閥渦輪增壓器相比,VTG渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)提供了更大的渦輪功率潛力,而在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)提供了更高的渦輪效率潛力,這顯著擴(kuò)展了渦輪增壓器的運(yùn)行范圍和增壓壓力的可支配性。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

VTG渦輪增壓器的特性被充分運(yùn)用到以功率為導(dǎo)向和以效率為導(dǎo)向的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案(圖2)。

圖2 VTG渦輪增壓器在汽油機(jī)上的應(yīng)用場(chǎng)景

在以功率為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方案中,渦輪的可變性首先用于額定功率時(shí)降低廢氣背壓(較高的渦輪效率),從而擴(kuò)展化學(xué)計(jì)量比混合氣的運(yùn)行范圍及提高升功率的可能性,同時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的大扭矩及渦輪增壓器的高瞬態(tài)響應(yīng)特性,從而獲得出色的駕駛靈活性。

在以效率為導(dǎo)向的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案中,首先需要寬廣的增壓壓力水平,用于補(bǔ)償燃燒過程的低充氣系數(shù),而高增壓壓力時(shí)的高渦輪效率也有助于使發(fā)動(dòng)機(jī)升功率保持在高水平上,不會(huì)因渦輪設(shè)計(jì)得過大而限制低轉(zhuǎn)速扭矩和駕駛靈活性,從而能獲得具有高壓縮比和良好功率值的高效燃燒過程。

這兩種應(yīng)用場(chǎng)景可在試驗(yàn)中轉(zhuǎn)換。基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了Ecotec直噴式汽油機(jī)系列的渦輪增壓器。功率導(dǎo)向方案采用了4缸1.6 L發(fā)動(dòng)機(jī),將原有增壓器換用VTG渦輪增壓器;效率導(dǎo)向方案以3缸1.0 L汽油機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī),除了采用VTG渦輪增壓器之外,還采用了全新的燃燒過程,并將幾何壓縮比提高到12.0,同時(shí)還使用了進(jìn)氣門早關(guān)的米勒配氣定時(shí)。除此之外,氣缸中的充量運(yùn)動(dòng)水平通過進(jìn)氣道和燃燒室的適應(yīng)性,滿足了增壓壓力的負(fù)荷需求。發(fā)動(dòng)機(jī)其他技術(shù)規(guī)格分別詳細(xì)地列于圖2。

5 功率導(dǎo)向方案的技術(shù)評(píng)價(jià)

按照穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷來評(píng)價(jià)VTG技術(shù),其中發(fā)動(dòng)機(jī)的整體邊界條件為額定功率點(diǎn)增壓空氣最高溫度35℃、壓氣機(jī)前壓力損失8 k Pa、渦輪后壓力損失40 k Pa,目標(biāo)扭矩限制在300 N·m(平均有效壓力2.37 MPa),因而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4 700 r/min時(shí)功率達(dá)到147 k W,并一直保持到轉(zhuǎn)速6 000 r/min。就氣缸充量和廢氣而言,發(fā)動(dòng)機(jī)以化學(xué)計(jì)量比混合氣運(yùn)行,并在低轉(zhuǎn)速時(shí)力爭(zhēng)達(dá)到當(dāng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)的最大扭矩,而在高功率時(shí)除了扭矩之外首先也要將廢氣溫度限制在950℃以下。

圖3示出了采用廢氣放氣閥的基本型發(fā)動(dòng)機(jī)(黑線)和采用VTG增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)(黃線和棕線)的特性曲線。即使最大功率相同,采用VTG增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)能顯著提高低速扭矩,其中發(fā)動(dòng)機(jī)從VTG增壓器高的動(dòng)壓頭中獲得好處,這會(huì)導(dǎo)致較大的熱焓落差,從而大幅提高增壓壓力,即使在額定功率范圍內(nèi),VTG渦輪增壓器相對(duì)于廢氣放氣閥也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)渦輪前壓力大幅降低時(shí),渦輪顯現(xiàn)出較高的效率,不僅降低了泵吸損失,而且因氣缸內(nèi)殘余廢氣含量較少,明顯改善了燃燒重心位置,因此全負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗最多可降低約10%。

VTG使渦輪前的廢氣背壓明顯降低,同時(shí)引入附加的廢氣后處理裝置將變得非常簡(jiǎn)單且不會(huì)受到限制,而在采用廢氣放氣閥渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)上,由于通過提高廢氣后處理裝置的壓力梯度,渦輪前的壓力大幅升高,導(dǎo)致功率降低。另一方面,能顯著提高絕對(duì)化學(xué)計(jì)量比額定功率,從相同的渦輪前廢氣背壓限值和燃空比出發(fā),VTG渦輪增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率達(dá)到163 k W,最大化學(xué)計(jì)量比功率達(dá)到120 kW(無(wú)整體式排氣歧管方案),分別提高了9.8%和14.6%(圖4)。

圖3 采用廢氣放氣閥渦輪增壓器和VTG渦輪增壓器的功率導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)方案的全負(fù)荷特性

圖4 渦輪入口前溫度限制在950℃和980℃時(shí)廢氣放氣閥渦輪增壓器和VTG渦輪增壓器的功率潛力

若容許的渦輪入口穩(wěn)態(tài)最高溫度提高到980℃,則能進(jìn)一步提供擴(kuò)展額定功率的可能性。這種溫度極限的提高對(duì)兩種渦輪增壓器方案的最大化學(xué)計(jì)量比功率都產(chǎn)生了有利的效果,若采用VTG渦輪增壓器,由于不受渦輪前壓力的限制還可以提升最大額定功率。因此,采用VTG渦輪增壓器在λ為0.85時(shí)升功率能達(dá)到107 k W(絕對(duì)值171 k W)。這清楚地表明,采用VTG渦輪增壓器可顯著改善增壓壓力的可能性。

穩(wěn)態(tài)測(cè)量?jī)H受到渦輪側(cè)可能的熱焓落差和效率的影響,而在瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子慣性還起著重要作用。VTG渦輪增壓器因通過葉輪的質(zhì)量流量大,轉(zhuǎn)子慣性增加10%以上(較大的葉輪直徑),而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到具有代表性的1 500 r/min時(shí),平均有效壓力從0.2 MPa負(fù)荷突變至全負(fù)荷時(shí)與廢氣放氣閥渦輪增壓器的比較表明,VTG渦輪增壓器的這種缺陷因廢氣動(dòng)力學(xué)能量的提高得到有效補(bǔ)償(圖5),特別是在瞬態(tài)扭矩建立的第二個(gè)階段在負(fù)荷突變期間渦輪效率的提高使扭矩曲線升高的斜率進(jìn)一步增大,不僅改善了駕駛的靈活性,而且還能為滿足所有的廢氣排放要求進(jìn)行可靠的低速扭矩標(biāo)定,而不會(huì)對(duì)瞬態(tài)特性產(chǎn)生明顯的不利影響。

圖5 采用廢氣放氣閥和VTG渦輪增壓器的功率導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)方案的一般性瞬態(tài)特性(1 500 r/min,平均有效壓力0.2 MPa,節(jié)氣門全開)

采用VTG渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷范圍內(nèi)顯示出優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)效率與出色的駕駛靈活性,并可顯著降低燃油耗。如圖6所示,與采用廢氣放氣閥渦輪增壓器的基本型發(fā)動(dòng)機(jī)相比,在全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)循環(huán)(WLTP)中,VTG渦輪增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)有0.5%的節(jié)油潛力,主要是因?yàn)樵诓糠重?fù)荷下燃油耗有輕微改善(泵吸損失減小)及在相對(duì)較低的負(fù)荷運(yùn)行范圍內(nèi)換檔點(diǎn)稍有移動(dòng)(低速化)。而在以額定扭矩或額定功率為中心的極端負(fù)荷下,按照實(shí)際行駛排放(RDE)和全德汽車俱樂部(ADAC)的高速公路行駛循環(huán),要求發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在通過減少燃油加濃達(dá)到顯著節(jié)油效果的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)。

圖6 采用廢氣放氣閥和VTG渦輪增壓器的功率導(dǎo)向發(fā)動(dòng)機(jī)方案行駛循環(huán)的節(jié)油潛力

6 效率導(dǎo)向方案的技術(shù)評(píng)價(jià)

在以效率為導(dǎo)向的發(fā)動(dòng)機(jī)方案中,改善的渦輪效率不是用來擴(kuò)展λ為1.00的運(yùn)行范圍,而是提高壓縮比降低部分負(fù)荷狀態(tài)下的燃油耗。與基本型發(fā)動(dòng)機(jī)相比,此時(shí)λ為1.00的運(yùn)行范圍保持不變,WLTP循環(huán)燃油耗降低了1.8%,但是在這種配置中額定功率范圍的有效效率仍保持在基本型發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。

為了能規(guī)避目標(biāo)沖突并進(jìn)一步消除節(jié)流,提高部分負(fù)荷效率,可應(yīng)用米勒循環(huán)配氣定時(shí)。1.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)以廢氣放氣閥渦輪增壓器作為測(cè)試機(jī)型,最大升功率為85 k W,將幾何壓縮比改為12.0,在燃燒過程中使進(jìn)氣門早關(guān),重新匹配進(jìn)氣道優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì),使燃燒過程適應(yīng)充量運(yùn)動(dòng)要求。

圖7示出了1.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)及2種米勒循環(huán)方案的全負(fù)荷曲線比較,可以看到,采用米勒循環(huán)燃燒過程和廢氣放氣閥渦輪增壓器的基本型發(fā)動(dòng)機(jī)方案的扭矩特性曲線達(dá)不到開發(fā)目標(biāo),進(jìn)氣門早關(guān)導(dǎo)致充氣系數(shù)明顯降低,必須采用更高的增壓壓力予以補(bǔ)償,通過旁通閥調(diào)節(jié)的渦輪受增壓壓力特性曲線的限制平臺(tái)寬度無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)目標(biāo)運(yùn)行范圍(渦輪前壓力被限制在325 k Pa),因此目標(biāo)扭矩和目標(biāo)功率只能通過加大發(fā)動(dòng)機(jī)排量來實(shí)現(xiàn),這樣就使升功率降低到70 k W,減小了發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的效果。圖7還示出了在廢氣最高溫度950℃情況下,VTG渦輪增壓器能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供足夠的渦輪功率,采用這種渦輪增壓器方案就能將燃燒過程轉(zhuǎn)換成米勒循環(huán)配氣定時(shí)且無(wú)需加大發(fā)動(dòng)機(jī)排量。在λ為1.00時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率能達(dá)到85 k W,而且在常用的中等轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供了小于220 g/(k W·h)的優(yōu)異燃油耗。在這樣的標(biāo)定情況下,為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的高增壓壓力需求,需要在運(yùn)行范圍內(nèi)調(diào)整壓氣機(jī)(移動(dòng)喘振極限)和有效的增壓空氣冷卻,以便提升燃燒過程的總體潛力。

就循環(huán)燃油耗而言,應(yīng)用VTG渦輪增壓器和米勒循環(huán)燃燒過程要防止為獲得更高的功率而加大發(fā)動(dòng)機(jī)排量。除了具有最佳協(xié)調(diào)排量的米勒循環(huán)使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油3.1%之外,相對(duì)于常規(guī)渦輪增壓器,如采用VTG渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī),燃油耗還能進(jìn)一步降低3.0%(圖8)。因此,總的來講,米勒循環(huán)燃燒過程與VTG渦輪增壓相結(jié)合,可以使1.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)在WLTP循環(huán)中的節(jié)油潛力約為6%。

圖7 采用廢氣放氣閥和VTG渦輪增壓器的米勒發(fā)動(dòng)機(jī)方案的全負(fù)荷特性

7 結(jié)語(yǔ)和展望

圖8 采用廢氣放氣閥和VTG渦輪增壓器的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)方案在行駛循環(huán)中的燃油耗潛力

對(duì)兩種不同發(fā)動(dòng)機(jī)方案的試驗(yàn)研究已表明,即使在汽油機(jī)上采用VTG渦輪增壓器的增壓壓力可支配性也能顯著提高,其中對(duì)于以功率為導(dǎo)向的發(fā)動(dòng)機(jī)方案,較高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有較高的渦輪效率,可以使廢氣背壓明顯降低,因此VTG渦輪增壓器為這種發(fā)動(dòng)機(jī)方案提供了提高化學(xué)計(jì)量比功率的潛力,同時(shí)也保證了廢氣背壓升高的耐久性。此外,因?yàn)閂TG方案容許高達(dá)980℃的渦輪前廢氣溫度,因而對(duì)于高的升功率極具吸引力。即使如此,在低速扭矩范圍和瞬態(tài)特性方面的可變性提供了足夠的儲(chǔ)備,因而即使在滿足所有RDE要求的情況下,仍能滿足所有的駕駛靈活性的要求。

正是在與高效燃燒過程的組合中,由于這種燃燒過程通常會(huì)導(dǎo)致充氣系數(shù)的降低,因而VTG是這種發(fā)動(dòng)機(jī)方案必要的組成部分。通過應(yīng)用這種技術(shù),就能在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高增壓壓力水平,從而實(shí)現(xiàn)駕駛靈活性和達(dá)到提高功率的目的。但是,為了能可靠地達(dá)到這些目標(biāo),渦輪能耐受高達(dá)950℃廢氣溫度也是這種發(fā)動(dòng)機(jī)方案必須具備的條件。

總而言之,試驗(yàn)研究已表明,在汽油機(jī)上實(shí)現(xiàn)VTG也是未來提高效率措施的關(guān)鍵。采用這種技術(shù)的可靠耐久的渦輪增壓系統(tǒng)可用于高達(dá)950～980℃的廢氣溫度,從而成為未來汽油機(jī)的重要部件。