浅谈未来提升发动机性能的主流增压技术发展趋势

采用涡轮增压器或机械增压器来提高发动机性能可谓历史悠久。增压作为一项重要的发动机技术，从20世纪80年代起开始逐渐成为主流，目前增压系统已经成为发动机的重要附属机件。

虽然自然吸气发动机仍在使用，但其应用范围明显已在按比例缩减。马勒动力总成研究总工Mike Bassett提到，日产和丰田通过采用先进的燃烧过程或阿特金森循环持续开发高效的自然吸气发动机，而对于插电式混合动力，将继续采用自吸发动机。

1双增压

对于所有柴油机和大多数现代的汽油机而言，涡轮增压系统已经成为必不可少的一部分，但其所带来的利弊又是什么？捷豹路虎发动机项目总工程师Damien Talue相信，机械增压及涡轮增压在汽油机上均可发挥作用。其中，机械增压发动机能使众多客户充分享受驾驶过程。结合捷豹最新的涡轮增压技术，能为客户提供一个相对完善的驾乘体验。

大陆公司涡轮增压器技术业务开发负责人NisarAl-Hasan认为，涡轮机对废气热焓的利用效率，比机械增压器更高，所以涡轮增压器在降低CO2排放方面具有巨大潜力。负责梅赛德斯-奔驰6缸汽油机开发项目的高级经理Ralph Weller博士表示，过去奔驰多采用机械增压器，涡轮增压的优势是可通过排气系统的热焓来直接驱动涡轮机而回收功率，无需耗费发动机自身功率。

然而，由皮带驱动的机械增压器，不完全依赖于废气能量，在任何循环工况点下都可使发动机获得功率上的收益。伊顿发动机进气管理工程经理Dan Ouwenga认为，机械增压器的技术优势已向发动机动力性提升方面进行了拓宽，且与其他发动机的重大技术改进同时使用。驱动机械增压器会产生寄生能量损耗，但其优势是可维持发动机的稳定运转。保持可靠的气流运动是未来推动发动机技术发展的关键因素，对于废气再循环（EGR）的运用非常重要，同时需让汽车制造商接受类型多种多样的先进燃烧技术。由废气驱动的涡轮机也存在其优势和弊端，对其进行驱动不耗费能量，但仅依靠废气能量的驱动方式限制了增压器的运转范围及增压器的开启时刻。

机械增压器必须集成到发动机的进气路径上，由曲轴进行机械式驱动，据博格华纳涡轮增压系统全球工程与创新副总Dr HermannBreitbach所言，就改善燃油经济性而言，需要更好地控制增压器的分离，这样实现整个机械增压器的安装较为困难。由于与发动机之间采用刚性连接，机械增压器的扭矩提升速度及低速扭矩特征表现良好，而与5～10年前的技术水平相比，涡轮增压器在该领域的技术水平已得以显著提升，二者之间差距并不明显。

机械增压器的一大技术弊端是其采用固定的速比，因此必须使用离合器、变速器或者电机应用至发动机的整个转速范围内，从而使其获得增压压力。涡轮增压器也存在缺陷，比如其热惯性，因为布置在发动机和排气后处理系统之间，涡轮会使催化器起燃的持续时间延迟，并在循环测试时使排放物有所增加。

2增压的优势

研发涡轮增压技术的重点在于减少其摩擦和惯量，以改善响应性和可操作性。例如可变几何截面涡轮增压器（VTG）特征，优化了低转速下压气机的响应性，当废气能量较低时，在大负荷运转工况下依旧能够输出充足的空气。二级涡轮增压器在高品质柴油机上应用了多年。在低转速工况下，废气能量较低时依然可使小涡轮具有良好的响应性；在高负荷工况下，大涡轮同样可以满足实现高功率和高扭矩输出的进气需求。但目前由于考虑到排气的高温，VTG在汽油机上依然很少见。

当保时捷摒弃自然吸气发动机后，引进了VTG以保证响应性。同时大众汽车在2017年也将此技术应用到最新款1.5 L TSI发动机上。发动机运转在一个大膨胀比的米勒（Miller）循环下，由于使用VTG技术，在1 400 r/min～4 000 r/min的转速范围内，能维持200 N•m的持平扭矩曲线。

根据不同的用途，涡轮增压器的工程技术需要进行相应调整。一大影响因素是其特定的输出需求，从单涡轮开始，然后采用双涡道涡轮，直至与梅赛德斯-奔驰一样采用双涡轮，或者为单/双涡管与电动增压器的结合。上述均适用于一台优质发动机或者低成本发动机，

在汽油机上，双涡道涡轮将分离的废气导入，最大化地利用废气脉冲，高度改善了其响应性。220 kW的Ingenium汽油机采用的双涡道增压器，采用陶瓷球轴承，具有优秀的瞬态响应性，缸盖集成排气歧管上还有一个电动废气阀，Ingenium是涡轮增压器技术得以高速发展的典型实例。柴油机增压的当前技术水平是采用配备有VTG的涡轮增压器和二级系统，同时汽油机增压的技术水平是采用单涡道或双涡道结构的高温废气阀涡轮。

大陆集团RAAX方面应用的涡轮增压器技术是采用一个特殊种类的混合流涡轮机，其结合了高效率和良好的惯性。同时对每款发动机开展专门为其量身定做的热力学方案设计，从而推动涡轮机技术发展。不可否认，量身订做的涡轮增压器比普通的模式化设计可以更好地满足客户需求。

汽车市场的OEM端主要使用两种类型的机械增压器：鲁氏（Rootes）类型；及与在Ford GT上使用相似的双蜗杆（Lysholm screw）类型。伊顿TVS2（双涡系）是一个Rootes型压气机。TVS2作为伊顿下一代机械增压器的重点开发项目，从其单独运转直到采用，可实现增压器的轻量化，且具有良好的NVH性能。

3着眼未来

未来发动机依然会从两类增压技术的基础上获得增压压力，并持续采用类似的方法对涡轮增压器技术进行深入开发。VTG在小型柴油车上很常见，由于二阶涡轮系统提供的经济效益，其在小型柴油车上的应用也日益广泛。对于新型汽油机而言，其主流趋势是应用米勒循环发动机并同时驱动VTG技术，其下一阶段的技术挑战是可变截面涡轮机技术在中小型汽油机上的应用。

涡轮增压器在整个系统中的作用及其如何与其他发动机技术相结合也很重要。汽油机在特定情形下可以与一个全可变电动液压驱动系统进行匹配，并将这些技术特征及进气方面的优势进行结合。机械增压器继续应用于高性能发动机上，同时也需满足先进燃烧技术的需求。马自达火花塞控制压燃点火（SCCI）SkyActiv-X汽油机是一个例子。以使用小型皮带驱动的机械增压器作为空气泵，提供的额外空气足以支撑发动机在稀薄燃烧工况下的运转。

伊顿将继续开发由其独创的TVS转子技术，安装还包括电动辅助。在量产市场上，还未看到机械增压器技术替代涡轮增压器的趋势，但是对于机械增压器而言，目前已出现了一个新的应用领域，即在EGR的高工况区域，其可以作为空气泵来作为先进燃烧系统的有力支持。