在渦輪增壓內燃機上，增壓空氣系統如要在加速過程中驅動渦輪增壓器的轉子，能採用可變幾何截面渦輪增壓器和電動輔助增壓器以替代機械式壓氣機，從而改善增壓發動機瞬態執行時的動態效能。保時捷工程公司比較了幾種不同的氣動助力方案，並得出了相關結論。

0 前言

透過採用廢氣渦輪增壓器能有效地提高內燃機的升功率和工作效率，但是渦輪增壓器要從某個轉速起才能充分發揮其效能。由於渦輪增壓器的渦輪和壓氣機具有一定慣性，在低轉速時為了能快速且有效地壓縮空氣，內燃機的空氣流量往往會不夠充足。因此，與功率相同的自然吸氣發動機相比，在瞬態加速過程期間扭矩的輸出會存在延遲現象，而且渦輪增壓器尺寸越大，這種效應就越明顯。

研究人員為此開發了1種氣動助力系統，該系統可將渦輪延遲的影響降至最低程度。其藉助於儲存在壓縮空氣罐中的壓縮空氣，即使在低轉速時也能使發動機快速地實現扭矩輸出。與機械式壓氣機、可變幾何截面渦輪增壓器或者電輔助增壓器等替代方案相比，氣動助力系統的結構較為簡單，其由壓縮空氣罐、管道系統、控制閥和空氣壓縮機等部件組成。

1 方案比較

保時捷工程公司在潛力評估框架中研究和評價了4種不同的氣動助力方案，緊接著使這些方案分別與1個較大的和1個較小的渦輪增壓器相組合，從而使這些配置方案增加到8個，而且對2種不同的情況分別進行了試驗研究。其中1種採用了引數恆定不變的壓力助力系統，另1種則採用了引數可變的壓力助力系統，並將在發動機其他技術不變和採用相同試驗車輛的情況下，以50~120 km/h的瞬態加速策略作為評價標準。

研究人員將試驗結果與由大型渦輪增壓器與機械式壓氣機而組合成的基準系統進行比較。這種基準增壓方式可將較高的峰值扭矩和較高的額定功率實現有機結合，從而成為可進行比較的衡量尺度。這4種氣動助力方案的區別在於輸送到內燃機和廢氣渦輪增壓器系統中的壓縮空氣本身，原則上匯入壓縮空氣可採用下列幾種方式：（1）將壓縮空氣匯入廢氣渦輪增壓器壓氣機前端；（2）將壓縮空氣匯入進氣道；（3）將壓縮空氣直接匯入氣缸；（4）將壓縮空氣匯入排氣歧管。

2 理想系統的試驗結果

研究人員分別對每種方案進行了試驗研究，邊界條件是恆定不變的壓力和不受限制的壓縮空氣罐容量。而針對壓縮空氣罐閥的控制方式應滿足基準系統所需的加速數值。根據試驗結果，所有的配置方案都有效滿足了所要求的加速響應特性（圖1）。在採用大型渦輪增壓器和將助力空氣匯入排氣歧管的情況下，增壓器壓氣機會在特性曲線場外區域執行，這樣就會發生一系列效應（圖1（b）中箭頭所指）。由於在壓氣機葉輪中會出現進氣充量回流的現象，因此研究人員放棄了這種方案。

另1個比較標準是基準加速策略系統必須提供一定的空氣質量，並出現了顯著差異（圖2）。相差較大的空氣需求量是由方案條件所決定的：在壓縮空氣從壓氣機前端或進氣道匯入的情況下，所有的空氣都必須由壓縮空氣罐提供，而在壓縮空氣直接匯入氣缸的情況下只需提供助力執行過程所需的附加空氣。此外，在配置小型渦輪增壓器的情況下，渦輪和壓氣機能迅速地達到相應轉速，因而對氣動助力輔助的要求較低。此外，研究人員在將氣動助力系統整合到車輛上時，由於裝配尺寸的原因，壓縮空氣罐的容積受到一定方案情況下的空氣消耗量限制。如果使用10 L容積和2。0 MPa的壓縮空氣罐，可用於加速方案的最大空氣質量為100 g。在該背景下，僅將壓縮空氣匯入氣缸的2種方案（空氣質量為50 g或17 g）及將壓縮空氣匯入排氣歧管與小型渦輪增壓器（空氣質量為43 g）的組合配置才可實現上述目標，因此仍須開展進一步的試驗研究。

3 真實系統的試驗結果

與理想系統相比，真實的空氣供應過程會受制於某些邊界條件：

（1）在實施加速策略期間壓縮空氣罐中的壓力會有所降低；

（2）環境空氣經壓縮後溫度會有所升高；

（3）可供使用的空氣質量取決於壓縮空氣罐中的壓力和容積。

這些情況與其在真實發動機中的轉換有著重要關聯。圖3示出了壓縮空氣直接匯入氣缸後並與大型渦輪增壓器相匹配時，壓縮空氣罐壓力及其容積、加速策略實施的時間（b）或爆燃指數（c）之間的關係，而圖3（a）則示出了發動機扭矩隨時間的提升，其中下方的虛線曲線①代表發動機的基本配置（大型渦輪增壓器，無輔助措施），上方的虛線曲線③代表基準值（渦輪增壓器與機械式壓氣機）。

助力空氣的壓縮過程會導致壓縮空氣罐中的氣體溫度提高，從而增大了發動機的爆燃傾向。為了避免爆燃對發動機造成的損傷，在每種情況下都必須遵守爆燃極限（爆燃指數≤250）。在該邊界條件下，理想系統內可能存在的最大助力壓力2。0 MPa就要降至0。7 MPa，以致於只能轉換到圖3（a）中的扭矩提升曲線②。從圖3（b）中也可清楚地看到，為了達到目標系統的動態效能，由此可輸出的功率依然相對較低。在圖3（b）中右上角的深色區域相當於基準系統所能達到的效能水平，同時也是所要達到的目標範圍，而左下角區域則代表加速時間會延長2。5 s（基本水平），其他區域則代表著處於兩者之間的數值。正如圖中所示，基本系統主要為圖3（b）中的①水平。所考察的最大空氣容積為10 L 且具有0。7 MPa壓力的助力系統（圖3（b）中的②）低於目標水平（圖3（b）中的③）。為了能使系統具有合適的加速功率，也就是要達到圖3（b）的右上角深色區域，在壓縮空氣容積為10 L的情況下助力壓力至少應達到1。3 MPa。

圖3（c）示出了發動機爆燃指數的示意圖，圖中左側深色區域為目標值，其他區域則為不容許採用的過高爆燃指數，並由此明顯表示了上述關係。在壓縮空氣罐容積為10 L的情況下，0。7 MPa壓力就對應著所容許的爆燃極限。更高的壓力會相應提高發生爆燃的風險，為達到效能所需的1。3 MPa助力壓力，由此會使爆燃指數上升至800。

圖4是由圖3疊加而成的，作為圖形調整的結果可以看到，這種配置因存在明顯的相互作用，動態加速效能和爆燃極限2個目標無法同時實現。與小型渦輪增壓器相組合的方案也會導致類似的結果，以致於將助力空氣直接匯入氣缸的方案也與此相似。

最終，研究人員所考察的8種方案中僅有將助力空氣匯入排氣歧管並與小型渦輪增壓器相組合的方案才能有效實現目標。正如圖5所示，採用容積為5 L的壓縮空氣罐和2。0 MPa的最大壓力就能使加速時間達到基準水平。在採用了該方案的情況下，壓縮過程會使助力空氣的溫度提高，且對發生爆燃的影響較小，可予以忽略。

4 雙渦輪增壓

當今所採用的增壓系統往往是由1個較大的渦輪增壓器與1個較小的渦輪增壓器所組合而成的，因此研究人員對這種配置方案也一起進行了試驗研究。試驗結果表明，氣動助力系統可輔助增壓機組的高壓級進行協同運作，附加改善了響應特性和峰值扭矩，而增壓機組的低壓級則能確保發動機達到最高功率。在該雙渦輪增壓器配置方案中，小型渦輪增壓器可透過改善動態效能的方式進行最佳化，以此能縮短氣動助力系統的執行時間，因此在2。0 MPa壓力情況下，所需的壓縮空氣罐容積從5 L縮小到4 L。

研究人員還進一步考察了雙渦輪增壓器與氣動助力系統和將少量燃油噴入排氣歧管的組合方案。後者產生的效果也支援了氣動助力系統的功能，從而在2。0 MPa的壓力情況下僅需配備2。5 L壓縮空氣罐系統中的空氣壓縮機僅需消耗較少的壓縮功。按照研究人員的粗略評估，這種附加的節油效果同時也可補償所增加的燃油耗。

5 結論和展望

正如保時捷工程公司根據潛力評估所得出的結果，氣動助力系統能有效改善配備廢氣渦輪增壓器的發動機的加速響應效能，從而得到採用附加機械式壓氣機的發動機的時間-扭矩曲線（圖6）。但從理論出發，僅透過兩級渦輪增壓器與氣動助力系統相組合的方案才能滿足峰值扭矩、最高功率和加速響應性等方面的要求。在首次試驗中，向排氣歧管中噴射附加燃油的方案已充分表明了其為提高系統性能的另1種方法。氣動助力方案對發動機燃油耗和廢氣排放特性會產生一定影響，特別是在真實的行駛過程中。該方案取決於驅動系統許多不同的因素，根據現有的研究結果尚無法對此予以評價，而且主要問題在於氣動助力系統在實際運用過程中是否也能作為最佳化增壓發動機動態效能的替代方案。這不僅僅是純粹的自然技術，同時還取決於各個汽車製造商的驅動技術平臺和組合部件策略。