李娜

摘 要：隨著現(xiàn)代社會對于傳統(tǒng)汽車的動力性、經(jīng)濟性、排放性的要求越來越高，汽車發(fā)動機技術(shù)必須不斷的推陳出新，才能滿足日益嚴格市場要求。渦輪增壓技術(shù)作為發(fā)動機的成熟技術(shù)，可以有效的提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，如今已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于汽車行業(yè)中。渦輪增壓技術(shù)在擁有諸多優(yōu)點的同時，也存在著一定的不足，如低速時響應(yīng)性差、能量回收率低的問題。相對傳統(tǒng)單渦管增壓器，雙渦管技術(shù)不僅有效分離了相互干擾的廢氣脈沖，提高了廢氣能量的利用效率，優(yōu)化了增壓過程，為發(fā)動機提供更強勁的動力;它同時還可以改善發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時，渦輪增壓器反應(yīng)遲滯的問題。文章對某兩代發(fā)動機渦輪增壓器進行對比，闡述了雙渦管增壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及技術(shù)先進性;同時，利用發(fā)動機臺架實驗采集兩款發(fā)動機的實驗數(shù)據(jù)，分析雙渦管技術(shù)對于發(fā)動機性能的影響。

關(guān)鍵字：汽油發(fā)動機;渦輪增壓;雙渦管

中圖分類號：U463.8 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-122-04

Abstract： With the high development of society， traditional vehicles face to more and more challenges in power， economy， and emissions. Engine technology must be continuously updated to meet the increasingly stringent market requirements. Nowadays， as a widely used technology in engine， turbocharging can improve the power and economy effectively to the engine. While turbocharging has many advantages， it also has certain short points， such as turbo lag in low speeds and low energy recovery. Compared with traditional turbocharger， twin scroll turbocharger is connected to the exhaust manifold via two input lines leading to the turbine， and two scrolls where separate waste gates controls the gases from each input， therefore allowing a more effective flow of exhaust gases to the turbo. Twin scroll turbocharger can provide more powerful power for the engine; and improve the effect of turbo lag as well. With comparing the different turbocharging technology in two generation engines， explain the structure， working principle， and technological advancement of the twin-scroll turbo. At the same time， the data in the article is collected by using the engine bench test to analyze the twin-scroll turbo impact on engine performance.

Keywords： Gasoline Engine; Turbocharger; Twin-scroll technology

緒論

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，渦輪增壓技術(shù)如今已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于車用發(fā)動機上，它的特點是回收了一部分廢氣能量，用于對進入氣缸前的空氣進行增壓，增大了進氣密度，從而提高了發(fā)動機的經(jīng)濟性和動力性。但同時，傳統(tǒng)渦輪增壓技術(shù)的仍然存在需要解決的問題，如增壓器在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)的瞬時響應(yīng)差，渦輪遲滯的問題。雙渦管技術(shù)的出現(xiàn)，進一步改善發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的同時，有效改善了渦輪遲滯的問題。這項技術(shù)的創(chuàng)新之處在于，改變了渦輪前廢氣通道的結(jié)構(gòu)，將相互影響的廢氣脈沖之間進行分流，使渦輪提高廢氣能量利用率，從而提高渦輪增壓器的效率，進一步改善發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。同時，由于雙渦管技術(shù)還提高了發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時廢氣能量的利用率，這也有效緩解渦輪的遲滯問題。

本文對某公司新舊兩代發(fā)動機的渦輪增壓技術(shù)對比，通過閱讀文獻闡述了雙渦管技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)特性，以及對比于傳統(tǒng)單渦管增壓器的技術(shù)先進性。同時利用臺架試驗采集發(fā)動機整機數(shù)據(jù)，通過繪制發(fā)動機外特性曲線圖研究雙渦管技術(shù)對于發(fā)動機性能的影響。

1 廢氣渦輪增壓技術(shù)對廢氣能量的利用

1.1 廢氣渦輪增壓技術(shù)原理

發(fā)動機所能發(fā)出的最大功率主要是由氣缸內(nèi)燃料的有效燃燒所放出的熱量決定的，而這又受到了每個循環(huán)吸入氣缸內(nèi)的實際空氣量的限制。如果空氣在進入氣缸前得到壓縮，使得進氣密度增大，那么在相同氣缸容積的情況下，可以有更多的新鮮空氣進入氣缸，增加循環(huán)供油量，就可以得到更大的發(fā)動機的輸出功率[1]。

渦輪增壓技術(shù)為有效的增大進氣密度的常用技術(shù)之一。圖1為渦輪增壓器示意圖。從圖上可以看到，渦輪增壓器是采用同軸相連的壓氣機和渦輪機，渦輪在發(fā)動機排氣能量的推動下旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機工作，實現(xiàn)進氣增壓的功能。在整機結(jié)構(gòu)上，增壓器的渦輪廢氣入口與發(fā)動機排氣歧管相連，渦輪廢氣出口與排氣管相連。壓氣機的進氣口與進氣管相連，排氣口與進氣歧管相連，使增壓后的空氣進入氣缸。增壓器在工作過程當中，基本上不會消耗發(fā)動機的動力，擁有良好的加速持續(xù)性。

1.2 廢氣脈沖的產(chǎn)生及影響

按照對廢氣能量的利用方式，渦輪增壓的增壓方式可以分為定壓增壓和脈沖增壓。定壓增壓是指所有氣缸的排氣管匯集到一個排氣總管上，然后驅(qū)動廢氣渦輪。排氣管到渦輪前的壓力幾乎是恒定不變的。脈沖增壓，即所有氣缸的排氣管直接連接在廢氣渦輪上，由于取消了排氣總管，各個氣缸排出的廢氣直接到達渦輪入口處，渦輪前的壓力是變化的，壓力波以脈沖的方式驅(qū)動渦輪工作。脈沖增壓可實現(xiàn)渦輪增壓器的快速響應(yīng)特性。相比于定壓增壓，脈沖增壓可以較好的利用廢氣的能量[1]。因此，目前市場上大部分渦輪增壓發(fā)動機均采用脈沖增壓的方式。

由于發(fā)動機在工作過程中，只有排氣行程才會排出廢氣，因此渦輪增壓器廢氣通道前的壓力只有在排氣行程是才是最大的。比如在一個四沖程單缸發(fā)動機，一個工作循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)動720°，只有在排氣沖程的180°時才產(chǎn)生廢氣壓力（不考慮氣門正時），其余540°排氣管壓力都等于渦輪后壓力，無法推動渦輪工作。圖2顯示了在四沖程單缸發(fā)動機工作過程中，渦輪前的廢氣通道的壓力變化。渦輪在一個排氣沖程結(jié)束后，如果想要繼續(xù)工作，只能等待下一個排氣沖程的到來[2]。由于排氣沒有連續(xù)性，因此增壓器的工作連續(xù)性不佳。

對于四沖程四缸發(fā)動機，有四個排氣行程，排氣的連續(xù)性得到很大的改善。但是由于氣門正時的影響，排氣開始出現(xiàn)重疊，即前一缸的排氣門還沒有關(guān)閉時，下一缸的排氣門已經(jīng)開啟。如果按照排氣門提早30°打開，延遲30°關(guān)閉來計算，則按照公式1-1可以得出，排氣門開啟狀態(tài)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角達到960°，也就是說，有240°的曲軸轉(zhuǎn)角時，相鄰點火的兩個氣缸會產(chǎn)生廢氣脈沖相互干擾的現(xiàn)象。這會導致后一缸的廢氣壓力波來到前一缸的排氣門背面，產(chǎn)生背壓，導致前一缸的廢氣排不干凈，甚至是后一缸的廢氣直接進入到前一缸氣缸中，直接影響了前一缸的下一次燃燒過程。

4×（30°+180°+30°）=960° ???????????????????????（1）

同時，由于廢氣脈沖之間的相互干擾，壓力波疊加的作用會使得最小壓力與最大壓力差明顯減小，壓力波作用在渦輪上的脈沖也隨之減小，進而導致廢氣渦輪增壓器內(nèi)的脈沖增壓減少，從而影響了增壓效果。廢氣脈沖間的相互干擾，也會影響到增壓器的響應(yīng)速度。

2 渦輪增壓雙渦管技術(shù)

2.1 單渦管增壓器的結(jié)構(gòu)特性

A款發(fā)動機采用傳統(tǒng)的單渦管渦輪增壓器，此款增壓器集成了排氣歧管，有效地減小了排氣側(cè)的體積，為了降低渦輪遲滯的影響，該渦輪增壓器采用小型低慣量轉(zhuǎn)子。這款發(fā)動機在設(shè)計開發(fā)時，也考慮到了減少各個氣缸之間廢氣脈沖的互相干擾的影響，所以在排氣歧管部分做了兩個分支，根據(jù)發(fā)動機的點火順序1-3-4-2，將1缸和4缸共用一條廢氣道，2缸和3缸共用一條廢氣道（圖3左）。但是由于在渦輪殼體部分還是共用一條廢氣道（圖3右），因此并不沒有完全分離相互影響的脈沖，影響也沒有完全消除。

2.2 雙渦管增壓器的結(jié)構(gòu)特性

雙渦管技術(shù)（Twin Scroll Technology），也就是在傳統(tǒng)的渦輪增壓器基礎(chǔ)上，將進入渦輪前的廢氣道從結(jié)構(gòu)上一分為二，這樣可以把廢氣有效的分離成單獨的兩部分，完全擺脫了由于排氣重疊導致的廢氣脈沖互相干擾的問題。圖4即為雙渦管增壓器的結(jié)構(gòu)。從圖上可以看到，廢氣自離開排氣門后到到達渦輪之前，始終被分在兩個單獨的廢氣道中，沒有排氣重疊的兩個氣缸共用一條廢氣道，從而實現(xiàn)了廢氣脈沖間互不干擾的目的。

1.排氣歧管 2.雙渦管廢氣入口 3.壓氣機入口 4.壓氣機出氣口

5.中間軸 6.渦輪 7.廢氣閥 M16/7：電磁閥

下面以B款發(fā)動機上搭載的雙渦管渦輪增壓器為例進行說明。圖5即為B款發(fā)動機雙渦管渦輪增壓器示意圖。與A發(fā)動機相同的是，B搭載的渦輪增壓器也集成了排氣歧管，并且將排氣歧管內(nèi)的廢氣道一分為二，不同的是，B款增壓器的渦輪殼體部分，也分為兩個廢氣道。已知發(fā)動機的點火順序1-3-4-2，1缸和4缸沒有排氣重疊，2缸和3缸沒有排氣重疊。所以在結(jié)構(gòu)上，1缸和4缸共用一個廢氣道，2缸和3缸共用一個廢氣道。1缸在排氣后期3缸排氣門開啟，由于兩個氣缸的廢氣脈沖分屬兩條廢氣道，二者互不影響;3缸排氣后期4缸排氣門開啟，同樣也由于兩個氣缸的廢氣脈沖分屬兩條廢氣道，二者互不影響;4缸和2缸，2缸和1缸，均是同樣的情況。如此循環(huán)往復(fù)，四個缸的排氣過程互不影響。

2.3 雙渦管技術(shù)的優(yōu)點

由于雙渦管技術(shù)有效隔離了相互影響的廢氣脈沖，因此廢氣到達渦輪處的壓力分布更好，更有效地將廢氣能量輸送到渦輪增壓器的渦輪機，增加了渦輪的效率。同時，這種設(shè)計也可以允許更大的氣門重疊，從而改善進入每個氣缸的空氣充量的質(zhì)量和數(shù)量，提高了發(fā)動機的動力性。

渦輪增壓技術(shù)最大的缺點是反應(yīng)遲滯的問題。它主要是由于在低轉(zhuǎn)速的情況下，發(fā)動機的廢氣量較小，沒有辦法產(chǎn)生足夠推動渦輪的壓力波，從而導致壓氣機無法產(chǎn)生足夠的增壓空氣。

為了充分考慮渦輪遲滯帶來的負面影響，在設(shè)計壓氣機殼體及渦輪殼體時，A/R值是一個很重要的幾何特性參數(shù)。R（Radius）為渦輪軸承中心到渦輪進風口（或者是壓氣機出風口）橫截面中心點的距離。A（Area）指渦輪進風口（或者壓氣機的出風口）對應(yīng)以上中心點所在的橫截面積[3]。二者的比值即A/R值，如圖6所示。

A/R參數(shù)對壓氣機性能影響很小，但對渦輪性能影響較大?？梢酝ㄟ^調(diào)整A/R值來調(diào)整渦輪廢氣流量。一般來說，A/R值越小，廢氣的流速越高，渦輪在低轉(zhuǎn)速區(qū)域的增壓反應(yīng)越快，渦輪遲滯降低，渦輪也就能在較低的轉(zhuǎn)速區(qū)域取得較高的增壓。相對于傳統(tǒng)單渦管，雙渦管有著更小的渦管截面積，即A值小，因此在低轉(zhuǎn)速區(qū)可以獲得更好的渦輪響應(yīng)，增壓反應(yīng)更快，降低了渦輪遲滯。

所以說，雙渦管技術(shù)在提升發(fā)動機動力性的同時，也改善了渦輪遲滯的問題，可謂是一舉兩得。

3 雙渦管技術(shù)對于發(fā)動機性能的影響

經(jīng)過理論分析可知，雙渦管技術(shù)可以在渦輪增壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步改善發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性，并可以緩解渦輪增壓器反應(yīng)遲滯的問題。為了驗證這個結(jié)論，利用某公司發(fā)動機臺架實驗室資源，采集A、B兩款發(fā)動機的數(shù)據(jù)進行經(jīng)過分析和對比。

發(fā)動機的動力性能通?？捎勺罡哕囁?、加速時間、等方面的指標進行評價。通過發(fā)動機外特性曲線，可以有效的判斷發(fā)動機這幾方面的能力。外特性曲線，是當發(fā)動機節(jié)氣門完全開啟時測得的發(fā)動機輸出功率或扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，表示了發(fā)動機所能得到的最大動力性能。它表現(xiàn)的曲線特征是：功率曲線和扭矩曲線都呈現(xiàn)凸形曲線，但兩者表現(xiàn)是不一樣的。在汽油發(fā)動機外特性曲線中：功率曲線在較低轉(zhuǎn)速下數(shù)值很小，但隨轉(zhuǎn)速增加而迅速增長，但轉(zhuǎn)速增加到一定區(qū)間后，功率增長速度變緩，直至最大值后就會下降，盡管此時轉(zhuǎn)速仍會繼續(xù)增長。扭矩曲線則與功率曲線相反，它往往在較低轉(zhuǎn)速下就能獲得最大值，然后隨轉(zhuǎn)速上升而下降[4]。

在實驗過程中，分別記錄了A、B兩款發(fā)動機在1000RPM至6000RPM轉(zhuǎn)速下的功率、扭矩數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)繪制兩款發(fā)動機的外特性曲線，研究雙渦管技術(shù)對于發(fā)動機性能的影響。

從圖7外特性扭矩曲線對比中可以看到，同樣是2.0L的排量，B發(fā)動機相比A發(fā)動機來說，最大輸出扭矩有了很大的提升。在發(fā)動機最大扭矩輸出區(qū)間內(nèi)，B發(fā)動機可以輸出大于400Nm的扭矩，而A發(fā)動機的扭矩大約只有350Nm。另外，從圖中我們還可以看到，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1000RPM升至2000RPM時，扭矩處在快速提升過程。在此區(qū)間內(nèi)，B發(fā)動機的曲線斜率越大，說明B發(fā)動機可以用更短的時間達到扭矩峰值。這表示在起步過程中，隨著轉(zhuǎn)速的提高，扭矩的快速提升將會使用更短的時間，即發(fā)動機的起步加速性能更好。

圖8為外特性功率曲線對比圖。從曲線的走勢可以判斷出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，功率一直在不斷增加，直到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速到達一個特定點，無論轉(zhuǎn)速怎么增加，功率也不會再增加了，反而呈現(xiàn)了下降的趨勢。此時達到的車速即為汽車的最高車速。B發(fā)動機2.0L發(fā)動機的最高功率可達220KW，而A發(fā)動機2.0L發(fā)動機的最高功率僅為155KW。這也就表示，B發(fā)動機所能達到的最高車速大于A發(fā)動機。

為了進一步了解A、B兩款發(fā)動機在性能上的差異，實驗還采集了1.5L排量的B發(fā)動機的數(shù)據(jù)，用來對比2.0L A發(fā)動機的性能。圖9即為外特性曲線對比，從圖上可以觀察到，采用雙渦管技術(shù)的B發(fā)動機，1.5L排量發(fā)動機與2.0L A發(fā)動機最大扭矩輸出相差約70Nm，功率方面則相差大約20KW。但是由于1.5L排量更小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，因此B發(fā)動機的體積功率更高，具備更好的燃油經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

雙渦管技術(shù)在傳統(tǒng)的渦輪增壓技術(shù)基礎(chǔ)上，通過有效分離相互干擾的廢氣脈沖，進一步增加了渦輪增壓器的效率，從而改善了發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性。并且由于將傳統(tǒng)增壓器的渦管殼體改為兩個廢氣通道，使渦管半徑更小，減小了A/R比，有效緩解的發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時反應(yīng)遲滯的問題。

通過深入的理論學習和理論分析，對雙渦管技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)特性以及技術(shù)先進性有了全面的認識。并通過采集兩款發(fā)動機的數(shù)據(jù)，對傳統(tǒng)單渦管和雙渦管技術(shù)進行數(shù)據(jù)分析對比，進一步論證了雙渦管技術(shù)對于發(fā)動機性能的影響。

雙渦管技術(shù)的出現(xiàn)，是渦輪增壓技術(shù)的一大突破，另外也為汽車行業(yè)從業(yè)人員打開了新的思路，即通過改變渦管結(jié)構(gòu)，可以有效提高渦輪增壓器的效率，從而進一步改善發(fā)動機的性能。

參考文獻

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