基于某兩款發動機研究雙渦管技術對于發動機性能的影響

李娜

摘 要：隨著現代社會對于傳統汽車的動力性、經濟性、排放性的要求越來越高，汽車發動機技術必須不斷的推陳出新，才能滿足日益嚴格市場要求。渦輪增壓技術作為發動機的成熟技術，可以有效的提高發動機的動力性和經濟性，如今已經被廣泛的應用于汽車行業中。渦輪增壓技術在擁有諸多優點的同時，也存在著一定的不足，如低速時響應性差、能量回收率低的問題。相對傳統單渦管增壓器，雙渦管技術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，優化了增壓過程，為發動機提供更強勁的動力;它同時還可以改善發動機低轉速時，渦輪增壓器反應遲滯的問題。文章對某兩代發動機渦輪增壓器進行對比，闡述了雙渦管增壓器的結構、工作原理以及技術先進性;同時，利用發動機臺架實驗采集兩款發動機的實驗數據，分析雙渦管技術對于發動機性能的影響。

關鍵字：汽油發動機;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

隨著汽車工業的發展，渦輪增壓技術如今已經廣泛的應用于車用發動機上，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，從而提高了發動機的經濟性和動力性。但同時，傳統渦輪增壓技術的仍然存在需要解決的問題，如增壓器在發動機低轉速時出現的瞬時響應差，渦輪遲滯的問題。雙渦管技術的出現，進一步改善發動機動力性和經濟性的同時，有效改善了渦輪遲滯的問題。這項技術的創新之處在于，改變了渦輪前廢氣通道的結構，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，進一步改善發動機的動力性和經濟性。同時，由于雙渦管技術還提高了發動機低轉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動機的渦輪增壓技術對比，通過閱讀文獻闡述了雙渦管技術的原理、結構特性，以及對比于傳統單渦管增壓器的技術先進性。同時利用臺架試驗采集發動機整機數據，通過繪制發動機外特性曲線圖研究雙渦管技術對于發動機性能的影響。

1 廢氣渦輪增壓技術對廢氣能量的利用

1.1 廢氣渦輪增壓技術原理

發動機所能發出的最大功率主要是由氣缸內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吸入氣缸內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，增加循環供油量，就可以得到更大的發動機的輸出功率[1]。

渦輪增壓技術為有效的增大進氣密度的常用技術之一。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，渦輪在發動機排氣能量的推動下旋轉，帶動壓氣機工作，實現進氣增壓的功能。在整機結構上，增壓器的渦輪廢氣入口與發動機排氣歧管相連，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，基本上不會消耗發動機的動力，擁有良好的加速持續性。

1.2 廢氣脈沖的產生及影響

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動渦輪工作。脈沖增壓可實現渦輪增壓器的快速響應特性。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動機均采用脈沖增壓的方式。

由于發動機在工作過程中，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動機，一個工作循環曲軸轉動720°，只有在排氣沖程的180°時才產生廢氣壓力（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束后，如果想要繼續工作，只能等待下一個排氣沖程的到來[2]。由于排氣沒有連續性，因此增壓器的工作連續性不佳。

對于四沖程四缸發動機，有四個排氣行程，排氣的連續性得到很大的改善。但是由于氣門正時的影響，排氣開始出現重疊，即前一缸的排氣門還沒有關閉時，下一缸的排氣門已經開啟。如果按照排氣門提早30°打開，延遲30°關閉來計算，則按照公式1-1可以得出，排氣門開啟狀態對應的曲軸轉角達到960°，也就是說，有240°的曲軸轉角時，相鄰點火的兩個氣缸會產生廢氣脈沖相互干擾的現象。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速度。

2 渦輪增壓雙渦管技術

2.1 單渦管增壓器的結構特性

A款發動機采用傳統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子。這款發動機在設計開發時，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，根據發動機的點火順序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 雙渦管增壓器的結構特性

雙渦管技術（Twin Scroll Technology），也就是在傳統的渦輪增壓器基礎上，將進入渦輪前的廢氣道從結構上一分為二，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構。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款發動機雙渦管渦輪增壓器示意圖。與A發動機相同的是，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。所以在結構上，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。如此循環往復，四個缸的排氣過程互不影響。

2.3 雙渦管技術的優點

由于雙渦管技術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量和數量，提高了發動機的動力性。

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

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。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參數對壓氣機性能影響很小，但對渦輪性能影響較大。可以通過調整A/R值來調整渦輪廢氣流量。一般來說，A/R值越小，廢氣的流速越高，渦輪在低轉速區域的增壓反應越快，渦輪遲滯降低，渦輪也就能在較低的轉速區域取得較高的增壓。相對于傳統單渦管，雙渦管有著更小的渦管截面積，即A值小，因此在低轉速區可以獲得更好的渦輪響應，增壓反應更快，降低了渦輪遲滯。

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

3 雙渦管技術對于發動機性能的影響

經過理論分析可知，雙渦管技術可以在渦輪增壓技術的基礎上，進一步改善發動機的動力性、經濟性，并可以緩解渦輪增壓器反應遲滯的問題。為了驗證這個結論，利用某公司發動機臺架實驗室資源，采集A、B兩款發動機的數據進行經過分析和對比。

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

在實驗過程中，分別記錄了A、B兩款發動機在1000RPM至6000RPM轉速下的功率、扭矩數據，通過數據繪制兩款發動機的外特性曲線，研究雙渦管技術對于發動機性能的影響。

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發動機相比A發動機來說，最大輸出扭矩有了很大的提升。在發動機最大扭矩輸出區間內，B發動機可以輸出大于400Nm的扭矩，而A發動機的扭矩大約只有350Nm。另外，從圖中我們還可以看到，在發動機轉速從1000RPM升至2000RPM時，扭矩處在快速提升過程。在此區間內，B發動機的曲線斜率越大，說明B發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，隨著轉速的提高，扭矩的快速提升將會使用更短的時間，即發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，隨著轉速的增加，功率一直在不斷增加，直到發動機的轉速到達一個特定點，無論轉速怎么增加，功率也不會再增加了，反而呈現了下降的趨勢。此時達到的車速即為汽車的最高車速。B發動機2.0L發動機的最高功率可達220KW，而A發動機2.0L發動機的最高功率僅為155KW。這也就表示，B發動機所能達到的最高車速大于A發動機。

為了進一步了解A、B兩款發動機在性能上的差異，實驗還采集了1.5L排量的B發動機的數據，用來對比2.0L A發動機的性能。圖9即為外特性曲線對比，從圖上可以觀察到，采用雙渦管技術的B發動機，1.5L排量發動機與2.0L A發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，結構更加緊湊，因此B發動機的體積功率更高，具備更好的燃油經濟性。

4 結論

雙渦管技術在傳統的渦輪增壓技術基礎上，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，從而改善了發動機的動力性和燃油經濟性。并且由于將傳統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，有效緩解的發動機低轉速時反應遲滯的問題。

通過深入的理論學習和理論分析，對雙渦管技術的原理、結構特性以及技術先進性有了全面的認識。并通過采集兩款發動機的數據，對傳統單渦管和雙渦管技術進行數據分析對比，進一步論證了雙渦管技術對于發動機性能的影響。

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

參考文獻

[1] 顏伏伍.汽車發動機原理[M]北京：人民交通出版社股份有限公司，2014：209-230.

[2] 蔣浩豐.寶馬車N20發動機雙渦管廢氣渦輪增壓系統解析[J]汽車維護與修理 2013（8）：74-76.

[2] 吳爽.渦輪增壓器排氣端智能可變A/R值機構介紹[J].機電技術. 2014，（3）：99-100.

[3] 王志辛.汽油發動機外特性曲線解析[J]佳木斯教育學院學報. 2014，138（3）：272-273.