剖析 通用汽車 雙蝸殼渦輪增壓器 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)

得益于博格華納 (BorgWarner) 在渦輪增壓技術(shù)方面的最新突破，通用汽車（GM）的全新 L3B 汽油四缸發(fā)動(dòng)機(jī)獲得了比V6 發(fā)動(dòng)機(jī)更優(yōu)越的功率和扭矩輸出，可為全尺寸皮卡提供與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)媲美的燃油效率。

博格華納 B03 雙蝸殼渦輪增壓器的內(nèi)蝸殼和外蝸殼呈同心圓排列（CAD 效果圖）。

 

通用汽車（General Motors）專為卡車設(shè)計(jì)的全新 2.7L L3B 汽油四缸發(fā)動(dòng)機(jī)配備豐富的先進(jìn)功能，其功率輸出比現(xiàn)行 4.3L LV3 六缸發(fā)動(dòng)機(jī)高 9%、扭矩輸出高 14％?，F(xiàn)階段，這款 L3B四缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)主要搭載 Hydra-Matic 8 速變速器 8L90，它也是 2019 款雪佛蘭Silverados 皮卡（LT 級(jí)和RST 級(jí)）和 2019 款 GMC Sierra 皮卡的基礎(chǔ)配置發(fā)動(dòng)機(jī)。 
 

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，卡車的占空比范圍更大，因此設(shè)計(jì)一款適合全尺寸皮卡的四缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)并非易事。在車輛掛高擋的穩(wěn)定巡航狀態(tài)下，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供杰出的經(jīng)濟(jì)性，而一旦轉(zhuǎn)速和增壓升至一定水平即可提供充足的推力。但為卡車設(shè)計(jì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)在于不同操作模式之間的轉(zhuǎn)換，也就是說(shuō)當(dāng)油門突然全開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)如何才能立刻準(zhǔn)備就緒開始運(yùn)行。
 

Silverado皮卡首席工程師 Tom Sutter 解釋說(shuō)：“我們的目標(biāo)是在節(jié)流閥升至 1500 rpm 后，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在 2 秒內(nèi)就具備輸出 90% 峰值扭矩的能力，遠(yuǎn)超其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。”

博格華納 B03 渦輪增壓器的橫截面。渦輪增壓器的氣流主要由A/R 比控制，即渦輪機(jī)殼體導(dǎo)管的橫截面積除以導(dǎo)管圓心與渦輪機(jī)葉輪軸之間的距離后得到的值。

博格華納和雙蝸殼發(fā)動(dòng)機(jī)

博格華納（BorgWarner）的 B03 雙渦殼渦輪增壓器已經(jīng)有數(shù)十年歷史，但直到最近才應(yīng)用至輕型車輛中。“我們從 2012 年開始嘗試將這項(xiàng)技術(shù)從商用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到輕型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，”博格華納全球工程和創(chuàng)新副總裁 Hermann Breitbach 博士指出，“雙蝸殼渦輪增壓器的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)流閥響應(yīng)，這種增壓器的節(jié)流閥響應(yīng)性能遠(yuǎn)超任何同類產(chǎn)品。” 
 

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，各類渦輪增壓器的基本工作原理都一樣，即從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口回收隨廢氣一起排出的能量。具體來(lái)說(shuō)，渦輪增壓器利用這些熱氣推動(dòng)渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)為氣體加壓，最終即迫使這些高于大氣壓的高壓氣體流入進(jìn)氣歧管。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，這項(xiàng)由瑞士工程師 Alfred Buchi 推出的重大創(chuàng)新已經(jīng)幫助無(wú)數(shù)飛機(jī)、輪船、卡車和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提高了輸出功率和工作效率。
 

正如上文的介紹，為了能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口排出的熱氣順利推動(dòng)渦輪葉輪的旋轉(zhuǎn)，所有渦輪增壓器都必須讓這些熱氣在抵達(dá)渦輪葉輪前形成旋轉(zhuǎn)的渦流。通常來(lái)說(shuō)，這個(gè)步驟是由一條彎曲的管道來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是渦輪增壓器的蝸殼管道或渦流管道。根據(jù)蝸殼或渦輪的不同設(shè)計(jì)，渦輪增壓器對(duì)熱氣中的熱量和動(dòng)量的利用效率也有不同。
 

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，渦輪增壓器將使用一根粗管道處理這些廢氣，而且?guī)缀醪粫?huì)對(duì)氣體流動(dòng)施加任何限制。然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，渦輪需要些許推力才能開始旋轉(zhuǎn)。為此，雙蝸殼增壓器在在渦輪機(jī)入口處設(shè)計(jì)了兩根纏繞其上的管道，連接廢氣出口，保證每次的排氣都能“盡全力”推動(dòng)渦輪機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

通用汽車推進(jìn)系統(tǒng)工程師表示，雙蝸殼（左）和雙渦流（右）渦輪增壓器設(shè)計(jì)。其中，雙蝸殼增壓器的重量更輕，成本也有可能低于雙渦流發(fā)動(dòng)機(jī)。

專為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)工況量身定制 
 

考慮到全新 L3B 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了 1-3-4-2 的點(diǎn)火順序，最佳布置應(yīng)為：將發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸 1 和氣缸 4 連接至渦輪增壓器的一根管道，并將氣缸 3 和氣缸 2 連接到另一根管道。這樣做能夠盡可能增加每股廢氣之間的間隔，并降低廢氣抵達(dá)葉輪前被中斷的可能性。
 

接著，下一個(gè)需要考慮的問題是管道與渦輪機(jī)的連接。通常來(lái)說(shuō)，“雙渦流”渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)更加常見，也就是說(shuō)將兩條管道并排放置。遺憾的是，在這種設(shè)計(jì)下，廢氣流出管道的位置可能出現(xiàn)短路，也就是說(shuō)，當(dāng)從兩根管道排出的氣流本應(yīng)共同推動(dòng)渦輪葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，卻可能由于相互碰撞和沖擊而意外流回管道中。對(duì)于大中型發(fā)動(dòng)機(jī)而言，這并不是什么大問題。但對(duì)于較小的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，這種短路會(huì)增加渦輪延遲，也就是延緩渦輪增壓器增壓的速度。
 

對(duì)比之下，雙蝸殼發(fā)動(dòng)機(jī)的兩根管道則呈同心圓排列，內(nèi)部管道在即將抵達(dá)葉輪時(shí)，會(huì)先在渦輪機(jī)外殼之外繞半圈，而外部管道還會(huì)再多繞半圈，從而避免了任何短路或相互干擾的可能性。 
 

博格華納北美工程總監(jiān) Douglas Erber 表示，“這種雙蝸殼分離設(shè)計(jì)可以增加高壓氣體脈沖之間的間隔，確保讓更多能量抵達(dá)渦輪，總體可以減少渦輪延遲，并顯著改善節(jié)流閥響應(yīng)性能。” 
 

當(dāng) L3B發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在 1500 rpm 時(shí)，增壓廢氣將以 40 毫秒的周期輪番沖擊增壓器葉輪的不同側(cè)面，使其快速加速旋轉(zhuǎn)。蝸殼管道出口與渦輪葉輪之間的間隙只有 1 毫米（0.039 英寸），而雙渦流渦輪通常則有 5 毫米（0.197英寸）的間隙。
 

細(xì)心的觀察者可能會(huì)注意到，在雙蝸殼增壓器中，外蝸殼的橫截面積要比內(nèi)蝸殼更大。這是由于渦輪增壓器的氣流主要由A/R 比控制，即渦輪機(jī)殼體導(dǎo)管的橫截面積除以導(dǎo)管圓心與渦輪機(jī)葉輪軸之間的距離得到的比值。因此，為了使雙蝸殼設(shè)計(jì)的兩個(gè)蝸殼都具備相同的 A/R 和相似的流動(dòng)特性，外蝸殼的面積必須更大。
 

當(dāng)然了，在一些發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，雙蝸殼增壓器內(nèi)外蝸殼的A/R 可能會(huì)特意略有不同。然而，經(jīng)過工程師的驗(yàn)證，對(duì)于 L3B 發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，相同的A/R 比更加適合。

通用汽車的全新 L3B 汽油四缸發(fā)動(dòng)機(jī)專為輕質(zhì)卡車設(shè)計(jì)，這也是通用首次在全尺寸皮卡中使用的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)。

多種配置

L3B發(fā)動(dòng)機(jī)助理總工程師 Craig Marriott 解釋道：“我們?cè)谠缙谘邪l(fā)中評(píng)估對(duì)比了多種不同的渦輪配置，最終確定雙蝸殼增壓器的架構(gòu)最適合我們的卡車應(yīng)用。這種渦輪增壓器不僅可以顯著優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)響應(yīng)性能，甚至還稍稍提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率輸出。”
 

在L3B 卡車發(fā)動(dòng)機(jī)中，B03 渦輪增壓器可以提供 22 psi（1.5 bar）的增壓。
 

當(dāng)被問及這項(xiàng)技術(shù)是否可能擴(kuò)展到其他通用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，Marriott 補(bǔ)充道，“目前，我還無(wú)法透露未來(lái)計(jì)劃，但請(qǐng)保持期待！”
 

在重量、體積和成本方面，通用汽車的渦輪增壓器工程師Alec Peeples 透露，雙蝸殼設(shè)計(jì)“比雙渦流設(shè)計(jì)略輕，因?yàn)殡p蝸殼增壓器中的內(nèi)蝸殼僅繞了一個(gè)半圈，此外同心圓的布局也稍微更緊湊一些，盡管確實(shí)從中心軸線向外延伸得更遠(yuǎn)。由于渦輪機(jī)殼體材料相對(duì)較重且成本較高，因此雙蝸殼設(shè)計(jì)可能比雙渦流設(shè)計(jì)更便宜。”
 

博格華納 Erber 表示，這兩種設(shè)計(jì)的成本非常相似。他補(bǔ)充說(shuō)，事實(shí)上，推進(jìn)系統(tǒng)工程師在選擇增壓器時(shí)，不僅可以考慮雙蝸殼設(shè)計(jì)、雙渦流設(shè)計(jì)、單蝸殼設(shè)計(jì)，而且還可以考慮一些可變?nèi)~輪設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是了解每個(gè)產(chǎn)品都有自己獨(dú)特的需求。
 

不過，無(wú)論具體選擇哪種類型的渦輪增壓器，毫無(wú)疑問，這項(xiàng)由瑞典工程師Alfred Buchi 在 1905 年創(chuàng)造的發(fā)明將繼續(xù)協(xié)助更多發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品不斷提高性能。

 

作者：Don Sherman

來(lái)源：SAE《汽車工程》雜志

翻譯：SAE 中國(guó)辦公室