基于2015款皇冠2.0T渦輪增壓系統(tǒng)新技術(shù)分析

謝丹

摘 要：近幾年，以小排量、高功率、降低油耗為研發(fā)趨勢(shì)的渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)成為各車企競(jìng)相追逐的目標(biāo)。對(duì)于2015款皇冠2.0T渦輪增壓系統(tǒng)，采用雙噴射、雙渦管、雙水冷循環(huán)、雙VVT-i（W）等技術(shù)，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)渦輪工作遲滯現(xiàn)象和噪聲大的問(wèn)題，又降低了油耗，提升了自身性能。簡(jiǎn)要介紹了新皇冠2.0T 8AR-FTS發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋一體式排氣歧管和雙渦管渦輪增壓器、VVT-iW、獨(dú)立的渦輪增壓冷卻系統(tǒng)、考慮增壓的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)等新技術(shù)，以期使使增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)工況下?lián)碛辛己玫钠ヅ湫阅堋?/p>

關(guān)鍵詞：雙渦管；VVT-iW；渦輪增壓冷卻系統(tǒng)；曲軸箱通風(fēng)

中圖分類號(hào)：U464.17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.125

在豐田皇冠2.0T 8AR-FTS中引入渦輪增壓技術(shù)的原因有2點(diǎn)：①皇冠只在我國(guó)和日本銷售，并且我國(guó)很可能成為其最大的銷售市場(chǎng)。②基于國(guó)家油耗限值政策，2015年乘用車平均燃料油耗量降至6.9 L/100 km，2020年降至5 L/100 km。目前，新能源汽車很好地解決了車企油耗限值的問(wèn)題。但是，由于其市場(chǎng)不成熟，要想在短期內(nèi)解決油耗降低的問(wèn)題，就只能在節(jié)能技術(shù)上下功夫，例如渦輪增壓技術(shù)。

1 缸蓋一體式排氣歧管和雙渦管渦輪增壓器

8AR-FTS發(fā)動(dòng)機(jī)是一款熱效率高、燃燒經(jīng)濟(jì)的直噴四沖程渦輪增壓汽油機(jī)（ESTEC D-4ST），其渦輪增壓器組成分為執(zhí)行器、渦輪殼體&可變控制旁通閥（WGV）、進(jìn)氣旁通閥（ABV）和葉輪&軸承殼體等4部分。進(jìn)氣旁通閥是由電腦直接控制的進(jìn)氣閥門，它利用WGV實(shí)現(xiàn)了良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，WGV開啟，部分廢氣不經(jīng)過(guò)廢氣渦輪直接排向排氣管，為三元催化器提供高溫廢氣，減少了三元催化器的加熱時(shí)間；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，WGV開啟，減少了泵氣損失。

皇冠D-4ST 2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)是世界上首次采用氣缸蓋內(nèi)置式4轉(zhuǎn)2排氣歧管和雙渦管渦輪增壓器的汽車。將排氣歧管集成在缸蓋內(nèi)，不僅會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)布局更緊湊，而且在排氣歧管周圍套上水套還可以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理，使冷啟動(dòng)時(shí)能夠有效利用廢氣熱量，減少熱機(jī)時(shí)間，在重負(fù)荷下降低流入渦輪增壓器的廢氣溫度，提高排放質(zhì)量。雙渦管結(jié)構(gòu)消除排氣干擾能使渦輪效率最大化，大大提高了響應(yīng)速度和扭矩輸出范圍。同時(shí)，渦輪增壓器的葉片形狀被充分優(yōu)化并進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了緊湊型高效渦輪增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)性能，有效緩解了其低速時(shí)的遲滯性，平順度也可以與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相媲美。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)峰值扭矩的爆發(fā)更早，百千米加速僅需7.7 s。

2 VVT-iW寬角度智能可變進(jìn)氣門正時(shí)系統(tǒng)

VVT-iW系統(tǒng)是在標(biāo)準(zhǔn)的VVT-i排氣機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上加大了進(jìn)氣門角度，進(jìn)而提高充氣效率。VVT-iW系統(tǒng)是由液壓驅(qū)動(dòng)，在進(jìn)氣側(cè)采用帶有中間位置鎖止銷裝置。這種設(shè)計(jì)可以與阿特金森循環(huán)技術(shù)協(xié)同作用，在阿特金森循環(huán)與奧拓循環(huán)兩種工作模式之間轉(zhuǎn)換。通過(guò)增大進(jìn)氣門正時(shí)延遲側(cè)的可調(diào)范圍，可以使進(jìn)氣門延遲關(guān)閉，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況下按照阿特金森循環(huán)原理運(yùn)行，最大限度地優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)需要強(qiáng)大的動(dòng)力時(shí)，系統(tǒng)采用奧托循環(huán)模式增強(qiáng)其動(dòng)力輸出，并提高其性能。

VVT-iW的正時(shí)機(jī)油控制閥集成在凸輪軸正時(shí)齒輪的安裝螺栓內(nèi)，縮短了控制油路的長(zhǎng)度，提高了低溫時(shí)的響應(yīng)速度。機(jī)油控制閥內(nèi)有3條控制油道，除了提前側(cè)和延遲側(cè)外，還有1條獨(dú)立的油道單獨(dú)控制2個(gè)鎖止銷的鎖止/解鎖動(dòng)作。用2個(gè)鎖止銷將葉片鎖止于正時(shí)可調(diào)范圍的中間位置，那么，中間位置鎖止機(jī)構(gòu)會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)將葉片置于延遲側(cè)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)，葉片也能自動(dòng)返回中間位置。

3 獨(dú)立的渦輪增壓冷卻系統(tǒng)

渦輪和渦輪端的軸承體直接接觸三大熱源，即溫度升高的壓縮空氣、高溫尾氣和葉輪轉(zhuǎn)速可達(dá)120 000 r/min甚至更高時(shí)產(chǎn)生的熱量。要想保證渦輪增壓器在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作，最有效的辦法就是冷卻散熱。渦輪增壓器的冷卻和中間冷卻器是通過(guò)獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一套系統(tǒng)進(jìn)行冷卻的。冷卻系統(tǒng)循環(huán)情況如圖1所示。水冷式中間冷卻器在多種工況下能實(shí)現(xiàn)低進(jìn)氣溫度，從而獲得高輸出功率。同時(shí)，為了使渦輪增壓器下游進(jìn)氣系統(tǒng)氣量最小，中間冷卻器可以直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，以獲得極高的響應(yīng)性能。

4 考慮增壓的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)

皇冠2.0T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)采用了3個(gè)機(jī)油分離器，它們分別位于缸體、氣缸蓋罩蓋的竄氣通道上，用于分離來(lái)自曲軸箱竄氣中的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油，緩解油液老化和機(jī)油消耗的問(wèn)題。當(dāng)渦輪增壓器不工作時(shí)，曲軸箱通風(fēng)閥（PVC）的狀態(tài)取決于進(jìn)氣歧管的真空程度，并且可將竄缸氣體直接引入進(jìn)氣歧管。但是，當(dāng)渦輪增壓器工作時(shí)，遵循文丘里效應(yīng)，噴射器將強(qiáng)制驅(qū)氣進(jìn)入渦輪增壓器空氣側(cè)，經(jīng)增壓后進(jìn)入進(jìn)氣歧管通風(fēng)。通風(fēng)路徑如圖2所示。

5 結(jié)論

為了保證皇冠2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩較高，改善渦輪工作遲滯的問(wèn)題，保證增壓系統(tǒng)不至于高速過(guò)熱，影響曲軸箱通風(fēng)，特采用了相關(guān)技術(shù)解決這些問(wèn)題，使增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下均擁有良好的匹配性能。

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〔編輯：白潔〕