汽油机用带滚珠轴承的VTG涡轮增压器
1?初始条件
由于CO2的排放限值越来越严格，SUV车型中重型汽车的份额越来越大，柴油发动机的进一步减少，除了电动化之外，还需要基于内燃机的替代驱动方案，混合动力系统对于CO2平衡具有良好的应用前景。混合动力系统可以集成最新的新技术，如电动增压器技术，需要辅以全新的废气涡轮增压设计策略。所有方案都要求在足够灵活的同时，在对发动机油耗有重大意义的工作范围内高效增压，使发动机在全负荷和部分负荷工作点可靠运行。此外，混合动力方案要求内燃机具有尽可能高的效率，从而整个方案可以实现高的CO2排放值。提高效率的一个优秀的发动机方案是采用米勒循环的汽油机，可变涡轮几何截面(VTG)增压器是这种循环的最佳增压系统。此外，还需要对汽油机VTG增压器的结构进行详细研究，特别是优化零件的效率，使汽油机适合米勒循环。
进一步提高效率的可能性是在涡轮增压器上使用滚珠轴承，通过将摩擦功率降低到最小，改善流动几何形状并提高效率。改进的细节也将在下面介绍。
2?动机
为了在2023年后达到要求的CO2排放目标值，需要提高内燃机的热力学效率，将动力系统与混合动力相结合。提高几何压缩比、稀燃、米勒循环及其组合是未来汽油机发展的重要思路，其目标是使汽油机的工作过程效率接近柴油机。
随着全混合动力和插电式混合动力电动里程的增加，使得混合动力内燃机的方案优化成为可能。与最好的自然吸气混合动力发动机相比，采用高压缩比、米勒燃烧过程和外部冷却EGR的涡轮增压汽油机可以在较低的油耗下获得明显更高的比功率谱。因为在增压发动机的情况下可以调整和扩大最佳油耗运行范围，所以也可以获得运行策略和能量管理的优势，这样变速箱就不会太复杂，需要的电辅助也更少。
由于稀薄充气和中间膨胀，提高内燃机效率和更高增压压力需求的结合对增压系统提出了新的挑战。在这种边界条件下，汽油机VTG比传统的排气放气阀技术更具优势。与废气放气阀增压器相比，VTG汽油机不仅能提高功率约15 ~ 20？除了kW，额定功率时的油耗还能降低7？%，基本上是利用废气的全部焓来改善米勒循环实现的。
此外，VTG汽油发动机可以使涡轮前温度T3和预催化转化器温度T4之间的温度差大约为25？℃，那么高温VTG技术的功率水平是100以上吗？KW/L发动机，它也能满足RDE排放标准的要求(图1)。
在混合动力方案中，内燃机的效率取决于最大充气稀薄程度。在中等载荷范围内(PME = 1.0 ~ 1.4？MPa)降低了涡轮增压器的效率，增加了EGR率，但这会限制油耗的优化潜力。通过相应的气动元件设计，应用滚珠轴承代替传统的油润滑滑动轴承，涡轮增压器的效率可以提高5？%。此外，由于使用滚动轴承，涡轮的可变性和摩擦功率的降低有助于补偿由新的燃烧过程引起的延迟的负荷建立。与废气排气阀涡轮增压器相比，增加米勒循环提高燃烧效率或使用滚珠轴承，在米勒循环相近的情况下，动力性能最高可提高20%。图2显示了一个48？V-P2混合动力C级车在WLTC试验循环中的节油潜力模拟结果。由于使用了最佳米勒循环，冷却EGR和减少P2混合模式的辅助约为3？%二氧化碳排放优势。
3?汽油发动机VTG增压器
VTG技术自1997(图3)开始应用于柴油机领域，作为增压系统在轿车柴油机领域取得了巨大成功。目前，米勒循环已经应用于类似条件下的汽油机。2006年，汽油发动机VTG首次在保时捷上使用博格华纳涡轮增压器。911?涡轮增压车3.6？发动机上的l。随着米勒工艺的应用，这项技术对大量市场来说也是必不可少的。不断发展和多年的经验，从VTG发展柴油发动机，大大降低了成本。
一个简单的增压系统使用一个排气减压阀来旁路涡轮叶轮的部分废气。例如，与双蜗壳涡轮匹配的多通道涡轮壳体可以扩大该技术的操作范围，但它仍然不能达到VTG应用的操作范围。这种VTG涡轮在涡轮叶轮前使用一个可调节的导叶环来调节废气质量流量，因此涡轮可以在较宽的发动机工作范围内以较高的效率工作。除了涡轮叶轮，可调导叶也是涡轮空气动力学的核心技术。这些导向叶片支撑在一个喷嘴环中，该喷嘴环可以旋转并与高温废气直接接触。因为对材料性能要求非常高，所以主要是在排气温度低于860左右的情况下可以长时间使用？在40℃的柴油机上，对材料的要求明显高于900？博格华纳在进一步发展中可以向保时捷学习吗？911?涡轮汽车批量应用于汽油发动机。050?℃高温工程的经验，不仅在材料方面，而且在成本和使用米勒燃烧工艺方面，其废气的最高温度可达950？℃等方面取得了重大的技术进步，这使得VTG技术在未来应用于汽油发动机的混合动力系统非常引人关注。可以预计，在这种情况下，发动机的边界条件是废气温度和空气需求的增加，以及对RDE具有重要意义的工作范围。对废气涡轮增压器涡轮的技术挑战是在优异的空气动力学效率的条件下具有高可靠性和良好的可调节性。
VTG涡轮机的空气动力效率可以简化为图4所示的效率抛物线。可调导叶栅可获得较宽的流量跨度，与叶轮直径和废气泄压阀相近的固定蜗壳涡轮相比，其流量跨度可大于双态。当导叶完全关闭和完全打开时，效率将低于最大值。关闭的导叶在空气动力学上起到了喷嘴的作用，但是向开启方向偏转叶栅的效果会越来越强，在涡轮叶轮上的入射角在整个调节范围内都会发生变化。导叶和涡轮机叶轮的叶片角度的适当组合可以实现宽且有效的运行范围，并且在流量范围边缘附近由空气动力学引起的效率的抛物线下降将移出发动机运行范围。
因此，涡轮在背压、功率和相关增压压力调节方面提供了高灵活性，从而在效率特性与每个发动机目标理想匹配的情况下，为减少废气排放做出了重要贡献，而对空气动力学有重要影响的部件才是起决定性作用的部件。
对效率抛物线有重要影响的因素包括涡轮叶轮和导流叶片在喷嘴环中的布置和支撑、导流叶片的几何形状、蜗壳和发动机专用接头的设计。所有涡轮机应进行动态优化，以适应用户应用的发动机和排气系统的法兰位置。如果被废气润湿的表面越少越好，前部的结构空间越小，这取决于蜗壳的设计，两者都要很好地与流向导向叶栅的流动的气动目标相协调。
适当的流动引导有助于减小喷嘴环的热机械变形，因此应采取更多的结构设计措施来最小化叶片间隙。叶片本身的设计也有助于减少间隙流动损失(图5)，可以提高发动机低速转角扭矩范围的效率。VTG导叶具有专利的S形，可以实现两个主要目标:低流动偏转损失和低叶片旋转扭矩，但总是打开叶片(故障安全功能)。喷嘴环的结构不仅考虑了气动效率目标和成本，而且按照组合件的概念进行设计，其中主要尺寸的选择是为了当前和未来重要发动机等级的热力学目标进行优化建模，附加的中间结构尺寸与生产品种相匹配。此外，新的涡轮叶轮系列的引入可以使用相同的VTG喷嘴环，效率抛物线可以根据柴油机和汽油机的不同效率抛物线曲线专门适应不同的发动机目标。例如，如图4所示，绿色和黄色中间抛物线分别通过使用不同类型的涡轮叶轮来实现。
博格华纳公司的VTG透平机的大部分叶轮采用径向结构，这仍然是柴油机的标准结构。由于其高爆燃倾向，汽油发动机需要较小的涡轮背压和逐渐增加的流量。但为了获得低速转角扭矩，尤其是发动机的加速响应性能，即使在最大流量的30% ~ 40%左右这样的小流量范围内，也需要有良好的效率。在这方面，径向叶轮有明显的优势。与具有最佳惯性的小叶轮固定式涡轮增压器相比，涡轮叶轮的惯性矩可降低约10% ~ 20%。再加上卓越的效率，VTG涡轮可以获得极具竞争力的加速响应性能，在相同喷嘴环内的最大流量比柴油机使用的标准叶轮高20%左右，这是通过叶轮叶片形状的特殊设计实现的(图6)。叶片形状和叶轮盘从空气动力学、力学和制造工艺角度精心设计。对叶轮盘进行热力优化可以降低转动惯量，提高质量流量，同时将应力降低到可以获得较长使用寿命的安全水平。
除了从许多大规模生产项目中获得的经验之外，包括自动优化过程在内的最现代的数字方法也被用于具有重大空气动力学意义的涡轮部件的设计中。
4?涡轮增压器的滚珠轴承
与相同结构尺寸的滑动轴承相比，涡轮增压器中的滚珠轴承(图7)具有明显更低的机械损失，并且由于其良好的转子稳定性，压气机侧和涡轮侧的轮廓间隙都可以优化到最佳程度，从而进一步提高涡轮增压器的整体效率(图8)。
专门开发的滚珠轴承方案优化了声音传播路径和转子动力学(轴轨迹稳定性)。与滑动轴承相比，球轴承较高的轴承刚度需要优化振动能量向周围的传递路径，因此需要尽可能地抑制振动，使轴承达到最高的稳定性。通过模拟和实验的合作，可以开发出具有这些目标尺寸的最佳平衡的设计方案。首先要特别注意低粘度机油的应用(HTHS≈2.0？mPa秒).
通过优化设计得到套筒结构的滚珠轴承，轴承的外套筒浮在一层油膜上(见图7)。转子系统的阻尼由形成的挤压阻尼油膜保证。为了保证阻尼油膜的建立，采用了由隔离密封圈组成的创新系统，可以使轴承套处于轴承通道的中心，提高轴承抗冲击能力(这是声学性能的关键因素)，同时相对于轴承箱内的无压空间，起到密封受挤压油膜阻尼压力范围的作用，因此要引导油流，减少流动损失。通过挤压油膜阻尼的优化设计，可以抵抗由滚珠轴承的设计所决定的独特弯曲。
球轴承支撑中的复杂关系需要大量的优化或新的零件设计方案、零件加工和装配策略。通过这些优化方案的组合，例如，提高轴瓦的刚度，即使在冷启动条件下也可以实现滑动轴承的声学水平，并且除了减少轴线轨迹偏差之外，还可以相对于更高的径向和轴向载荷实现更高的可靠性。在使用滚珠轴承的情况下，总是需要重新评估声学性能，因为除了涡轮增压器之外，车辆的灵敏度对声学性能也有很大影响，因此需要优化振动传播路径的传输特性。
图8示出了在压缩机侧和涡轮机侧的空气动力学部件相同的条件下，滚珠轴承相对于滑动轴承的稳态测量效率优势。左图显示了当膨胀比为1.5时测得的涡轮机综合效率。与滑动轴承相比，效率最高可提高4%，并且这种效率优势随着涡轮功率的增加而略有降低。图8右侧的图示出了涡轮增压器在压气机特性场中的低效率特性曲线场，尤其是在对燃油消耗很重要的部分负荷范围内。由于转子稳定性的提高(轮廓间隙的减小)和轴承功率损耗的降低，球轴承最多可以获得5%的效率优势。图9以举例的方式示出了1的发动机转速。500?对比两种轴承在r/min时的载荷突变，很明显球轴承增压压力建立更快，2MPa的平均有效压力为0.7？早于滑动轴承。s，所以加速响应性能明显提高，效率优势也提高了燃油消耗率，降低了尾气排放。
5?结论
对于汽油机而言，米勒燃烧过程和动力系统的混合有助于实现指定的CO2排放目标，其中由VTG优化的增压系统是一个重要模块。从柴油机领域开始，VTG的发展，尤其是涡轮端的优化和发展，进一步适应了需求。博格华纳的汽油机VTG增压器可以用在所有典型排量的车上，尤其是最高排气温度可以达到1左右？020~1?050?高比功率、高增压的汽油机在℃时运行在λ=1。
除了所有排量和功率级别的所有产品系列，我们还可以提供带滚珠轴承的产品系列(BB01，BB02，BB03)，可以进一步提高效率。鉴于滚珠轴承在总效率、转子稳定性和瞬态性能方面的优势，推荐了可用于未来混合动力应用的滚动轴承，同时使用低粘度机油和低机油压力时，提高了对启停性能的要求。
这两种技术可以根据未来CO2排放目标和动力系统混合化、电气化的发展，逐步优化增压系统。
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