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2030年之前欧盟CO2排放应比2019年降低近三分之一，即使混合动力方案也需要效率最高的内燃机，以达到所期望的CO2排放值。特别是采用米勒循环的汽油机具有较好的应用前景。BorgWarner可变涡轮几何截面增压器是用于该循环的最佳增压系统。
1 初始状况
由于CO2排放限值日益严苛、SUV车型中重型车的所占份额不断增加以及柴油机保有量的进一步减少，除了电气化之外需应用以内燃机为基础的替代驱动方案，动力总成系统的混合动力化对于CO2平衡具有较好应用前景。动力总成系统的混合动力化能集成最新新技术，例如电动增压器技术，并需要辅以全新的废气涡轮增压设计策略。所有方案都要求在具有足够灵活性的同时在对发动机燃油耗具有重要意义的运行范围内实现高效率增压，以便使发动机在全负荷和部分负荷工况点可靠运行。此外，混合动力方案需要效率尽可能高的内燃机，以便使整个方案达到较高的CO2排放值。对提高效率具有卓越成效的一种发动机方案是应用米勒循环的汽油机，而可变涡轮几何截面（VTG）增压器是用于这种循环最佳的增压系统，另外还需详细研究汽油机VTG增压器的结构，特别是优化零部件效率以及使汽油机适用于米勒循环。
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，通过将摩擦功率减少到最低程度以及改善流通几何截面并提高效率。下文同样也将介绍改进后的细节。
2 动机
为了达到2023年后所要求的CO2排放目标值，改善内燃机热力学效率与动力总成系统混合动力化相结合是必不可少的。提高几何压缩比、稀薄充量、米勒循环及其组合是未来汽油机发展的重要理念，其目标是使汽油机工作过程效率接近柴油机的效率。
随着全混合动力和插电式混合动力的电动行驶里程增大，即有可能使混合动力内燃机方案达到最佳。与最佳的混合动力自然吸气发动机相比，采用高压缩比、米勒燃烧过程和外部冷却EGR相组合的涡轮增压汽油机能在更低的燃油耗情况下达到明显更高的比功率谱。由于在增压发动机情况下能调整和扩展最佳燃油耗运行范围，因此同样能获得运行策略和能量管理方面的优势，以此能使变速箱不会过于复杂，需要的电辅助也较少。
提高内燃机效率与更高的增压压力需求相组合，由于充量稀薄和中间膨胀，对增压系统提出了新的挑战。在该边界条件下，汽油机VTG比传统的废气放气阀技术更具优势。与废气放气阀增压器相比，VTG汽油机除了能使功率提高约15～20 kW之外，在保持以过量空气系数λ=1运行的情况下，能使额定功率时的燃油耗降低约7 %，这基本上是通过利用全部的废气热焓从而提高米勒循环度而实现的。
除此之外，VTG汽油机能在保持低速拐角扭矩不变的情况下，使涡轮前温度T3与催化转化器前温度T4之间的温度差约为25 ℃，因而高温VTG技术对于功率等级超过100 kW/L的发动机而言，也能使其达到RDE排放标准要求（图1）。
图1 VTG和滚珠轴承对未来发动机方案的贡献
内燃机的效率在混合动力方案中取决于最大的充量稀薄程度。在中等负荷范围（pme=1.0～1.4 MPa）内涡轮增压器效率降低从而提高EGR率，但是以此会使燃油耗的优化潜力受到限制。通过空气动力学部件的相应设计和应用滚珠轴承替代传统的机油润滑的滑动轴承，涡轮增压器的效率能比废气放气阀涡轮增压器最多提高约5 %。除此之外，涡轮的可变性以及因使用滚动轴承降低摩擦功率都有助于补偿由新燃烧过程所引起的滞后的负荷建立。与废气放气阀涡轮增压器相比，增大米勒循环度提高燃烧效率或者使用滚珠轴承就能在相似的米勒循环度情况下使动力学性能最多改善20%。图2示出了一款48 V-P2混合动力C级车在WLTC试验循环中节油潜力的模拟计算结果。由于使用了最优的米勒循环，冷却EGR和减少P2混合动力模式的辅助获得了比传统废气放气阀涡轮增压器低约3 %的CO2排放优势。
(WG=放气阀；T/C=涡轮增压器；LP-EGR=冷却ERG)
VTG技术从1997年即已开始应用于柴油机领域（图3），并且作为增压系统在轿车柴油机领域获得了巨大成功，目前又与汽油机在相似的情况下一直应用米勒循环。2006年汽油机VTG与BorgWarner涡轮增压器一起首次用于搭载于Porsche 911 Turbo汽车的3.6 L发动机上。随着米勒过程的应用，这种技术对于大量市场也是必不可少的。持续不断的开发和多年来自柴油机VTG开发的经验使得成本大大降低。
图3 BorgWarner涡轮系统公司VTG发展历程
（BVG=BorgWarner可变几何截面机构即喷嘴环）
简单的增压系统使用废气放气阀，以旁通涡轮叶轮的部分废气量。例如与双蜗道涡轮相匹配的多流道涡轮壳能扩大这种技术的运行范围，但是仍达不到应用VTG的运行范围。这种VTG涡轮是在涡轮叶轮前应用可调节导向叶片环（译注：国内通常称为可调节喷嘴环）来调节所利用的废气质量流量，以此涡轮就能在宽广的发动机运行范围内以更高的效率运行。除了涡轮叶轮之外，可调节的导向叶片也是涡轮空气动力学的核心技术，这些导向叶片被支承在一个喷嘴环中，可实现转动，并与高温废气直接接触。由于对材料性能的要求非常高，因而其长期以来主要能应用于废气温度低于约860 ℃的柴油机上，对材料的要求明显高于900 ℃。在进一步开发时BorgWarner公司可借鉴在Porsche 911 Turbo汽车上批量应用于汽油机1 050 ℃高温项目的经验，不仅在材料方面而且在成本方面以及使用米勒燃烧过程及其废气最高温度高达950 ℃等方面取得显著的技术进步，使得当今用于未来混合动力系统汽油机的VTG技术非常令人感兴趣。可预料到，在该情况下的发动机边界条件是提高的废气温度和空气需求量以及对RDE具有重要意义的运行范围。对废气涡轮增压器涡轮提出的技术挑战是在具有出色的空气动力学效率情况下具有较高的可靠性和良好的可调节性。
VTG涡轮的空气动力学效率可按图4中示出的效率抛物线简化地表示。采用可调节的导向叶栅进行调节能获得宽广的流量跨度，与采用废气放气阀调节和相似叶轮直径的固定蜗壳涡轮相比，其流量跨度能比加倍状态下更大。在导向叶片全关和全开时效率会低于最大值。关闭的导向叶片在空气动力学上就如喷嘴那样起作用，而往开启方向偏转叶栅的效果会越来越强烈，并且在整个调节范围内会改变对涡轮叶轮的入射角。导向叶片和涡轮叶轮的叶片角的合适组合能获得宽广的高效率运行范围，在流量范围边缘旁空气动力学所引起的效率抛物线落差将向发动机运行范围外移动。
图4 BorgWarner-VTG涡轮的效率抛物线
因此，涡轮在背压、功率以及与此相关的增压压力调节方面提供了较高的灵活性，从而在效率特性与各个发动机目标理想匹配的情况下为降低废气排放作出重要的贡献，对此起决定性作用的是对空气动力学具有重要影响的组件。
对效率抛物线产生重要影响的因素包括涡轮叶轮、导向叶片在喷嘴环中的排列和支承、导向叶片的几何形状、蜗壳和发动机专用接头的设计。所有涡轮都要通过动态优化以适应用户所应用的发动机与废气系统连接的法兰位置。若要做到被废气润湿的表面尽可能少以及前面部分的结构空间小的话，则取决于蜗壳的设计，两者都要能很好地与流向导向叶栅的流动的空气动力学目标相协调。
合适的流动导向有助于减少喷嘴环的热力-机械变形，因而要采取更多的结构设计措施使叶片间隙减小到最低程度。叶片本身的设计也有助于减少间隙流动损失（图5），这能提高发动机低速拐角扭矩范围的效率。VTG导向叶片具有享有专利权的S形状，这种形状能实现两项主要目标：流动偏转损失小以及叶片转动扭矩小但始终能开启叶片（失效保护功能）。喷嘴环的结构除了考虑到空气动力学效率目标和成本之外，还按照组合部件的理念进行设计，其中主要尺寸的选择针对目前和未来重要发动机等级热力学目标优化造型，而附加的中间结构尺寸则与生产品种相配套。除此之外，引入新的涡轮叶轮系列能使用相同的VTG喷嘴环，按照对柴油机和汽油机具有不同的效率抛物线曲线，使效率抛物线专门适应不同的发动机目标，例如在图4中所示，绿色和黄色两根中间抛物线是各自用不同型号的涡轮叶轮所达到的。
图5 叶片间隙中诱导的惯性流动
BorgWarner公司VTG涡轮的大多数叶轮应用径向结构型式，其至今仍是用于柴油机的标准结构型式。汽油机因其较高的爆燃倾向而要求较小的涡轮背压和逐步增大的流量，但是为了获得低速拐角扭矩特别是发动机的加速响应性能，即使在例如约30%～40%最大流量的小流量范围也必需具有良好的效率，在这方面径向叶轮具有明显的优势。与采用惯性最佳的小叶轮的固定涡轮蜗壳增压器相比，涡轮叶轮的惯性矩可减小约10%～20%，再加上出色的效率，VTG涡轮就能获得具有竞争力的加速响应性能，在相同的喷嘴环中可达到的最大流量要比柴油机应用标准的叶轮的对比值高出约20%，这是通过叶轮叶片形状的特殊设计达到的（图6）。叶片形状和叶轮盘是从空气动力学、力学和制造技术角度精心设计的。叶轮盘的热力-机械优化在减小惯性矩和提高质量流量的同时使应力降低到可获得长使用寿命的安全水平。
图6 用于高流量的涡轮叶轮设计
对空气动力学关系重大的涡轮构件的设计，除了应用来自许多量产项目的经验之外，也采用了包括自动优化过程在内的最现代化的数字方法。
4 用于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，而且因具有良好的转子稳定性，无论是压气机侧还是涡轮侧的轮廓间隙能优化到最佳程度，从而能进一步提高涡轮增压器的总效率（图8）。
图7 涡轮增压器滚珠轴承支承剖视图
图8 涡轮效率抛物线（左）和涡轮增压器总效率（右）（部分示意）
专门开发的滚珠轴承方案优化了声学传播路径以及转子动力学（轴轨迹稳定性）。与滑动轴承相比，滚珠轴承更高的轴承刚度需要优化振动能向周围传递的传播途径，因此要尽可能抑制振动，同时使轴承达到最高的稳定性。模拟与试验相互配合就能开发出这些目标尺寸达到最佳平衡的设计方案，首先要在机油压力相对较低的同时，特别关注应用低粘度机油（HTHS≈2.0 mPa·s）。
通过优化设计得到了套筒结构型式的滚珠轴承，并且轴承外套管浮动在一层机油油膜上（见图7），转子的这种系统减震由所形成的挤压减震油膜保障。为了确保建立起减震机油油膜，使用了一种由隔离密封圈组成的创新系统，这样就能使轴承套筒处于轴承通道的中心，改善了承载耐冲击能力（是声学性能的关键因素），同时又起到了挤压油膜减震压力范围相对于轴承壳体中无压力空间的密封作用，因此机油流量要加以引导，并减少流动损失。通过挤压油膜减震的优化设计就能抵抗滚珠轴承设计所决定的特有形式的弯曲。
滚珠轴承支承中的复杂关系需要广泛的优化或新的零部件设计方案、零件加工以及装配策略，通过这些优化方案的组合，例如提高轴承壳体的刚度，即使在冷起动条件下也能达到滑动轴承的声学水平，而且除了减小轴轨迹偏差之外，还能相对于较高的径向和轴向负荷而实现较高的可靠性。在使用滚珠轴承的情况下总是要重新进行声学性能评估，因为除了涡轮增压器之外，车辆的敏感性也对声学性能具有重大影响，因此振动传播途径的传递特性也需进行优化。
图8示出了在压气机侧和涡轮侧空气动力学部件相同的情况下滚珠轴承相对于滑动轴承的稳态测得的效率优势。左图是膨胀比为1.5时测得的组合涡轮效率，相对于滑动轴承效率最多能提高4%，随着涡轮功率的提升这种效率优势略有减小。图8右图是在压气机特性场中的涡轮增压器效率差特性曲线场，特别是在对燃油耗具有重要意义的部分负荷范围内，由于转子稳定性的改善（轮廓间隙减小）和轴承损失功率的减少，滚珠轴承最多能获得5%的效率优势。图9作为实例示出了在发动机转速1 500 r/min时两种轴承负荷突变的比较，显然使用滚珠轴承增压压力建立得更快，达到2MPa的平均有效压力要比滑动轴承早0.7 s，因此明显改善了加速响应性能，而效率优势也改善了比燃油耗同时降低了废气排放。
图9 滚珠轴承与滑动轴承负荷突变的比较
5 结论
对于汽油机而言，米勒燃烧过程和动力总成系统的混合动力化有助于达到规定的CO2排放目标，其中借助于汽油机VTG优化的增压系统是一个重要的模块。从柴油机领域起步，VTG的发展特别是对涡轮侧的优化和开发已进一步适应需求。BorgWarner公司的汽油机VTG增压器可用于所有典型排量的轿车，特别是可使得最高废气温度约为1 020～1 050 ℃的高比功率高增压汽油机以λ=1的状态运行。
除了所有排量和功率等级的全部产品系列之外，还可提供采用滚珠轴承的产品系列（BB01,BB02,BB03），这样就能进一步提高效率。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，推荐可用于未来混合动力应用场合的滚动轴承，并且在同时使用低粘度机油和低机油压力的情况下提高了对起动-停车性能的要求。
这两种技术能针对未来CO2排放目标以及动力总成系统混合动力化和电气化的发展逐步优化增压系统。
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【德】 R.CHRISTMANN等
【翻译】范明强
【编辑】伍赛特
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