基于某两款发动机研究双涡管技术对于发动机性能的影响

李娜

摘 要：随着现代社会对于传统汽车的动力性、经济性、排放性的要求越来越高，汽车发动机技术必须不断的推陈出新，才能满足日益严格市场要求。涡轮增压技术作为发动机的成熟技术，可以有效的提高发动机的动力性和经济性，如今已经被广泛的应用于汽车行业中。涡轮增压技术在拥有诸多优点的同时，也存在着一定的不足，如低速时响应性差、能量回收率低的问题。相对传统单涡管增压器，双涡管技术不仅有效分离了相互干扰的废气脉冲，提高了废气能量的利用效率，优化了增压过程，为发动机提供更强劲的动力;它同时还可以改善发动机低转速时，涡轮增压器反应迟滞的问题。文章对某两代发动机涡轮增压器进行对比，阐述了双涡管增压器的结构、工作原理以及技术先进性;同时，利用发动机台架实验采集两款发动机的实验数据，分析双涡管技术对于发动机性能的影响。

关键字：汽油发动机;涡轮增压;双涡管

中图分类号：U463.8  文献标识码：B  文章编号：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

緒论

随着汽车工业的发展，涡轮增压技术如今已经广泛的应用于车用发动机上，它的特点是回收了一部分废气能量，用于对进入气缸前的空气进行增压，增大了进气密度，从而提高了发动机的经济性和动力性。但同时，传统涡轮增压技术的仍然存在需要解决的问题，如增压器在发动机低转速时出现的瞬时响应差，涡轮迟滞的问题。双涡管技术的出现，进一步改善发动机动力性和经济性的同时，有效改善了涡轮迟滞的问题。这项技术的创新之处在于，改变了涡轮前废气通道的结构，将相互影响的废气脉冲之间进行分流，使涡轮提高废气能量利用率，从而提高涡轮增压器的效率，进一步改善发动机的动力性和经济性。同时，由于双涡管技术还提高了发动机低转速时废气能量的利用率，这也有效缓解涡轮的迟滞问题。

本文对某公司新旧两代发动机的涡轮增压技术对比，通过阅读文献阐述了双涡管技术的原理、结构特性，以及对比于传统单涡管增压器的技术先进性。同时利用台架试验采集发动机整机数据，通过绘制发动机外特性曲线图研究双涡管技术对于发动机性能的影响。

1 废气涡轮增压技术对废气能量的利用

1.1 废气涡轮增压技术原理

发动机所能发出的最大功率主要是由气缸内燃料的有效燃烧所放出的热量决定的，而这又受到了每个循环吸入气缸内的实际空气量的限制。如果空气在进入气缸前得到压缩，使得进气密度增大，那么在相同气缸容积的情况下，可以有更多的新鲜空气进入气缸，增加循环供油量，就可以得到更大的发动机的输出功率[1]。

涡轮增压技术为有效的增大进气密度的常用技术之一。图1为涡轮增压器示意图。从图上可以看到，涡轮增压器是采用同轴相连的压气机和涡轮机，涡轮在发动机排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压的功能。在整机结构上，增压器的涡轮废气入口与发动机排气歧管相连，涡轮废气出口与排气管相连。压气机的进气口与进气管相连，排气口与进气歧管相连，使增压后的空气进入气缸。增压器在工作过程当中，基本上不会消耗发动机的动力，拥有良好的加速持续性。

1.2 废气脉冲的产生及影响

按照对废气能量的利用方式，涡轮增压的增压方式可以分为定压增压和脉冲增压。定压增压是指所有气缸的排气管汇集到一个排气总管上，然后驱动废气涡轮。排气管到涡轮前的压力几乎是恒定不变的。脉冲增压，即所有气缸的排气管直接连接在废气涡轮上，由于取消了排气总管，各个气缸排出的废气直接到达涡轮入口处，涡轮前的压力是变化的，压力波以脉冲的方式驱动涡轮工作。脉冲增压可实现涡轮增压器的快速响应特性。相比于定压增压，脉冲增压可以较好的利用废气的能量[1]。因此，目前市场上大部分涡轮增压发动机均采用脉冲增压的方式。

由于发动机在工作过程中，只有排气行程才会排出废气，因此涡轮增压器废气通道前的压力只有在排气行程是才是最大的。比如在一个四冲程单缸发动机，一个工作循环曲轴转动720°，只有在排气冲程的180°时才产生废气压力（不考虑气门正时），其余540°排气管压力都等于涡轮后压力，无法推动涡轮工作。图2显示了在四冲程单缸发动机工作过程中，涡轮前的废气通道的压力变化。涡轮在一个排气冲程结束后，如果想要继续工作，只能等待下一个排气冲程的到来[2]。由于排气没有连续性，因此增压器的工作连续性不佳。

对于四冲程四缸发动机，有四个排气行程，排气的连续性得到很大的改善。但是由于气门正时的影响，排气开始出现重叠，即前一缸的排气门还没有关闭时，下一缸的排气门已经开启。如果按照排气门提早30°打开，延迟30°关闭来计算，则按照公式1-1可以得出，排气门开启状态对应的曲轴转角达到960°，也就是说，有240°的曲轴转角时，相邻点火的两个气缸会产生废气脉冲相互干扰的现象。这会导致后一缸的废气压力波来到前一缸的排气门背面，产生背压，导致前一缸的废气排不干净，甚至是后一缸的废气直接进入到前一缸气缸中，直接影响了前一缸的下一次燃烧过程。

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

同时，由于废气脉冲之间的相互干扰，压力波叠加的作用会使得最小压力与最大压力差明显减小，压力波作用在涡轮上的脉冲也随之减小，进而导致废气涡轮增压器内的脉冲增压减少，从而影响了增压效果。废气脉冲间的相互干扰，也会影响到增压器的响应速度。

2 涡轮增压双涡管技术

2.1 單涡管增压器的结构特性

A款发动机采用传统的单涡管涡轮增压器，此款增压器集成了排气歧管，有效地减小了排气侧的体积，为了降低涡轮迟滞的影响，该涡轮增压器采用小型低惯量转子。这款发动机在设计开发时，也考虑到了减少各个气缸之间废气脉冲的互相干扰的影响，所以在排气歧管部分做了两个分支，根据发动机的点火顺序1-3-4-2，将1缸和4缸共用一条废气道，2缸和3缸共用一条废气道（图3左）。但是由于在涡轮壳体部分还是共用一条废气道（图3右），因此并不没有完全分离相互影响的脉冲，影响也没有完全消除。

2.2 双涡管增压器的结构特性

双涡管技术（Twin Scroll Technology），也就是在传统的涡轮增压器基础上，将进入涡轮前的废气道从结构上一分为二，这样可以把废气有效的分离成单独的两部分，完全摆脱了由于排气重叠导致的废气脉冲互相干扰的问题。图4即为双涡管增压器的结构。从图上可以看到，废气自离开排气门后到到达涡轮之前，始终被分在两个单独的废气道中，没有排气重叠的两个气缸共用一条废气道，从而实现了废气脉冲间互不干扰的目的。

1.排气歧管 2.双涡管废气入口 3.压气机入口 4.压气机出气口

5.中间轴 6.涡轮 7.废气阀 M16/7：电磁阀

下面以B款发动机上搭载的双涡管涡轮增压器为例进行说明。图5即为B款发动机双涡管涡轮增压器示意图。与A发动机相同的是，B搭载的涡轮增压器也集成了排气歧管，并且将排气歧管内的废气道一分为二，不同的是，B款增压器的涡轮壳体部分，也分为两个废气道。已知发动机的点火顺序1-3-4-2，1缸和4缸没有排气重叠，2缸和3缸没有排气重叠。所以在结构上，1缸和4缸共用一个废气道，2缸和3缸共用一个废气道。1缸在排气后期3缸排气门开启，由于两个气缸的废气脉冲分属两条废气道，二者互不影响;3缸排气后期4缸排气门开启，同样也由于两个气缸的废气脉冲分属两条废气道，二者互不影响;4缸和2缸，2缸和1缸，均是同样的情况。如此循环往复，四个缸的排气过程互不影响。

2.3 双涡管技术的优点

由于双涡管技术有效隔离了相互影响的废气脉冲，因此废气到达涡轮处的压力分布更好，更有效地将废气能量输送到涡轮增压器的涡轮机，增加了涡轮的效率。同时，这种设计也可以允许更大的气门重叠，从而改善进入每个气缸的空气充量的质量和数量，提高了发动机的动力性。

涡轮增压技术最大的缺点是反应迟滞的问题。它主要是由于在低转速的情况下，发动机的废气量较小，没有办法产生足够推动涡轮的压力波，从而导致压气机无法产生足够的增压空气。

为了充分考虑涡轮迟滞带来的负面影响，在设计压气机壳体及涡轮壳体时，A/R值是一个很重要的几何特性参数。R（Radius）为涡轮轴承中心到涡轮进风口（或者是压气机出风口）横截面中心点的距离。A（Area）指涡轮进风口（或者压气机的出风口）对应以上中心点所在的横截面积[3]。二者的比值即A/R值，如图6所示。

A/R参数对压气机性能影响很小，但对涡轮性能影响较大。可以通过调整A/R值来调整涡轮废气流量。一般来说，A/R值越小，废气的流速越高，涡轮在低转速区域的增压反应越快，涡轮迟滞降低，涡轮也就能在较低的转速区域取得较高的增压。相对于传统单涡管，双涡管有着更小的涡管截面积，即A值小，因此在低转速区可以获得更好的涡轮响应，增压反应更快，降低了涡轮迟滞。

所以说，双涡管技术在提升发动机动力性的同时，也改善了涡轮迟滞的问题，可谓是一举两得。

3 双涡管技术对于发动机性能的影响

经过理论分析可知，双涡管技术可以在涡轮增压技术的基础上，进一步改善发动机的动力性、经济性，并可以缓解涡轮增压器反应迟滞的问题。为了验证这个结论，利用某公司发动机台架实验室资源，采集A、B两款发动机的数据进行经过分析和对比。

发动机的动力性能通常可由最高车速、加速时间、等方面的指标进行评价。通过发动机外特性曲线，可以有效的判断发动机这几方面的能力。外特性曲线，是当发动机节气门完全开启时测得的发动机输出功率或扭矩随转速变化的曲线，表示了發动机所能得到的最大动力性能。它表现的曲线特征是：功率曲线和扭矩曲线都呈现凸形曲线，但两者表现是不一样的。在汽油发动机外特性曲线中：功率曲线在较低转速下数值很小，但随转速增加而迅速增长，但转速增加到一定区间后，功率增长速度变缓，直至最大值后就会下降，尽管此时转速仍会继续增长。扭矩曲线则与功率曲线相反，它往往在较低转速下就能获得最大值，然后随转速上升而下降[4]。

在实验过程中，分别记录了A、B两款发动机在1000RPM至6000RPM转速下的功率、扭矩数据，通过数据绘制两款发动机的外特性曲线，研究双涡管技术对于发动机性能的影响。

从图7外特性扭矩曲线对比中可以看到，同样是2.0L的排量，B发动机相比A发动机来说，最大输出扭矩有了很大的提升。在发动机最大扭矩输出区间内，B发动机可以输出大于400Nm的扭矩，而A发动机的扭矩大约只有350Nm。另外，从图中我们还可以看到，在发动机转速从1000RPM升至2000RPM时，扭矩处在快速提升过程。在此区间内，B发动机的曲线斜率越大，说明B发动机可以用更短的时间达到扭矩峰值。这表示在起步过程中，随着转速的提高，扭矩的快速提升将会使用更短的时间，即发动机的起步加速性能更好。

图8为外特性功率曲线对比图。从曲线的走势可以判断出，随着转速的增加，功率一直在不断增加，直到发动机的转速到达一个特定点，无论转速怎么增加，功率也不会再增加了，反而呈现了下降的趋势。此时达到的车速即为汽车的最高车速。B发动机2.0L发动机的最高功率可达220KW，而A发动机2.0L发动机的最高功率仅为155KW。这也就表示，B发动机所能达到的最高车速大于A发动机。

为了进一步了解A、B两款发动机在性能上的差异，实验还采集了1.5L排量的B发动机的数据，用来对比2.0L A发动机的性能。图9即为外特性曲线对比，从图上可以观察到，采用双涡管技术的B发动机，1.5L排量发动机与2.0L A发动机最大扭矩输出相差约70Nm，功率方面则相差大约20KW。但是由于1.5L排量更小，结构更加紧凑，因此B发动机的体积功率更高，具备更好的燃油经济性。

4 结论

双涡管技术在传统的涡轮增压技术基础上，通过有效分离相互干扰的废气脉冲，进一步增加了涡轮增压器的效率，从而改善了发动机的动力性和燃油经济性。并且由于将传统增压器的涡管壳体改为两个废气通道，使涡管半径更小，减小了A/R比，有效缓解的发动机低转速时反应迟滞的问题。

通过深入的理论学习和理论分析，对双涡管技术的原理、结构特性以及技术先进性有了全面的认识。并通过采集两款发动机的数据，对传统单涡管和双涡管技术进行数据分析对比，进一步论证了双涡管技术对于发动机性能的影响。

双涡管技术的出现，是涡轮增压技术的一大突破，另外也为汽车行业从业人员打开了新的思路，即通过改变涡管结构，可以有效提高涡轮增压器的效率，从而进一步改善发动机的性能。

参考文献

[1] 颜伏伍.汽车发动机原理[M]北京：人民交通出版社股份有限公司，2014：209-230.

[2] 蒋浩丰.宝马车N20发动机双涡管废气涡轮增压系统解析[J]汽车维护与修理 2013（8）：74-76.

[2] 吴爽.涡轮增压器排气端智能可变A/R值机构介绍[J].机电技术. 2014，（3）：99-100.

[3] 王志辛.汽油发动机外特性曲线解析[J]佳木斯教育学院学报. 2014，138（3）：272-273.