发动机技术：空气系统之双涡轮增压
双涡轮增压的作用
通过上期作品讲解，大家应该对增压器的适用性有了基本印象，理想的发动机增压系统应该满足以下条件：
——低转速时可以达到很高的压比，且响应迅速；
——高转速时不至于超速或压比过高；
——压比在一定范围内可以调节。
发动机燃烧做功
可变截面增压器可以通过调整涡轮机的流通面积，在一定程度上满足以上要求。但一方面涡轮机的调整幅度有限；另一方面压气机不可调整，使增压压比受限，且高效率流量范围较窄；再就是叶轮的惯量是不变的，限制了响应性的进一步提升。
那有没有一种方案能更好地协调增压器低速性能和高速性能之间的矛盾呢？双涡轮增压就可以做到。该技术使用一大一小两个涡轮增压器，低速时使用小增压器，高速时使用大增压器，充分结合两个增压器的优势。
上汽π的双涡轮增压
典型双涡轮增压的布置
典型的双涡轮增压器采用串联布置形式，两个增压器的压气机通过管路串联在一起，涡轮机也同样如此。
小增压器更靠近排气管，由于废气压力高，又叫做高压级增压器。大增压器的更靠近尾管，废气压力相对偏低，又叫做低压级增压器。
双涡轮增压器的结构
双涡轮增压器可以在仅小增压器工作，大小两个增压器同时工作，仅大增压器工作三种状态中依次切换。为了控制工作状态，有废气调节阀，用于分配通往高压级和低压级的废气比例；又有空气旁通阀，用于旁通通往高压级的空气量。
两个增压器可以全部采用普通放气阀增压器，可选的，有的高压级增压器采用了可变截面增压器，进一步提升发动机性能。上汽π柴油机的双涡轮增压版，其高压级便采用了霍尼韦尔的VNT增压器。
上汽π的双涡轮增压布置
双涡轮增压的原理详解
下面以奔驰OM651发动机为例，详细解读双涡轮增压的原理。
车辆大油门行驶，当发动机转速低于1200rpm时，废气调节阀和空气旁通阀全部关闭。此时全部废气首先流过高压级增压器的涡轮，然后再流向低压级增压器的涡轮，最后流出双涡轮增压系统。此时大部分的排气能量作用在高压级增压器的涡轮上，尽管排气流量低，仍然能够快速产生很高的增压压力。剩余的排气能量作用在低压级增压器的涡轮上，但由于能量低，作用不明显。在此状态下低压级增压器的放气阀也是关闭的。
发动机低速运行时的状态
当发动机转速在1200rpm到2800rpm之间时，废气调节阀逐渐打开，而空气旁通阀仍然关闭。此时部分废气不经过高压级增压器的涡轮，直接流向低压级增压器的涡轮。更多的排气能量作用在低压级增压器的涡轮上，并通过传动轴带动低压级增压器的压气机叶轮工作，对空气进行预压缩。随后空气经过高压级增压器的压气机叶轮，被二次压缩。所以在这种状态下，两个增压器一起工作。低压级增压器的放气阀在此过程中仍然是关闭的。
发动机中速运行时的状态
当发动机转速在2800rpm以上时，高压级增压器已经达到极限，如果继续加载会导致其产生堵塞现象，高压级增压器转速会不升反降。所以此时将废气调节阀全部打开，几乎全部废气流向低压级增压器的涡轮。空气如果继续经过高压级增压器，一方面不会被再次压缩，另一方面经过高压级增压器的压气机叶轮时会产生额外的压力损失和温升。此时打开空气旁通阀，使几乎全部空气直接流向中冷器。放气阀视具体工况动作，当进气压力过高时将打开，以调节低压级增压器的输出。
发动机高速运行时的状态
级间中冷器
由于经过两级增压器加压后，空气温度升高显著，有时仅靠一个中冷器无法达到良好的冷却效果。从而使进气温度过高，热膨胀导致实际进入缸内的空气量减少，影响发动机性能。为了解决这个问题，有时会在低压级增压器的压气机之后，高压级增压器的压气机之前再额外增加一个中冷器，称为级间中冷器，以提高冷却效果。
级间中冷器
双涡轮增压的优缺点
双涡轮增压技术的优点类似于可变截面增压器，但优势更显著：
——全转速范围内更高的输出扭矩和功率；
——更快的低速响应性；
——全工况更低的油耗；
——辅助实现EGR率；
——高原功率损失显著减少。
详细介绍请参考上一期关于可变截面增压器的介绍，这里不再赘述。
双涡轮增压器
双涡轮增压的主要缺点如下：
——成本高：因为是两个增压器，所以零部件成本高；标定时需要控制各个控制阀的动作，增加了开发时间和成本。如果是两个普通增压器的组合方案，那么成本比一个可变截面增压器还要便宜些。但如果是VNT+普通放气阀增压器组合方案，则成本将大大增加。
——整机可靠性问题多：由于在排量不变的情况下，通过双涡轮增压提升了发动机功率和扭矩，部分零部件在高负荷下故障风险加大。
——曲轴箱压力增加：由于使用了两个增压器且增压压力变大，导致曲轴箱压力增加。如果是开式呼吸系统，可能出现下排气大的现象；局部位置还可能出现渗油的问题；
——双涡轮增压占用空间大，机舱内布置困难。
奔驰双涡轮增压
结语
由于双涡轮增压的缺点，特别是成本和可靠性问题，所以目前国产发动机鲜有使用双涡轮增压技术的。同时显而易见的是，那些采用了双涡轮增压技术的发动机，相对于使用普通增压技术的发动机，其性能有明显优势。
如果你想买一款高端车，要求具有极致的提速能力，踩油门时带给人明显推背感；或者强大的越野能力，能够跋山涉水上高原走泥路。认准具有双涡轮增压配置的车，一定不会让你失望。
