2030年之前歐盟CO2排放應比2019年降低近三分之壹，即使混合動力方案也需要效率最高的內燃機，以達到所期望的CO2排放值。特別是采用米勒循環的汽油機具有較好的應用前景。BorgWarner可變渦輪幾何截面增壓器是用於該循環的最佳增壓系統。
1?初始狀況
由於CO2排放限值日益嚴苛、SUV車型中重型車的所占份額不斷增加以及柴油機保有量的進壹步減少，除了電氣化之外需應用以內燃機為基礎的替代驅動方案，動力總成系統的混合動力化對於CO2平衡具有較好應用前景。動力總成系統的混合動力化能集成最新新技術，例如電動增壓器技術，並需要輔以全新的廢氣渦輪增壓設計策略。所有方案都要求在具有足夠靈活性的同時在對發動機燃油耗具有重要意義的運行範圍內實現高效率增壓，以便使發動機在全負荷和部分負荷工況點可靠運行。此外，混合動力方案需要效率盡可能高的內燃機，以便使整個方案達到較高的CO2排放值。對提高效率具有卓越成效的壹種發動機方案是應用米勒循環的汽油機，而可變渦輪幾何截面（VTG）增壓器是用於這種循環最佳的增壓系統，另外還需詳細研究汽油機VTG增壓器的結構，特別是優化零部件效率以及使汽油機適用於米勒循環。
進壹步提高效率的可能性是在渦輪增壓器上使用滾珠軸承，通過將摩擦功率減少到最低程度以及改善流通幾何截面並提高效率。下文同樣也將介紹改進後的細節。
2?動機
為了達到2023年後所要求的CO2排放目標值，改善內燃機熱力學效率與動力總成系統混合動力化相結合是必不可少的。提高幾何壓縮比、稀薄充量、米勒循環及其組合是未來汽油機發展的重要理念，其目標是使汽油機工作過程效率接近柴油機的效率。
隨著全混合動力和插電式混合動力的電動行駛裏程增大，即有可能使混合動力內燃機方案達到最佳。與最佳的混合動力自然吸氣發動機相比，采用高壓縮比、米勒燃燒過程和外部冷卻EGR相組合的渦輪增壓汽油機能在更低的燃油耗情況下達到明顯更高的比功率譜。由於在增壓發動機情況下能調整和擴展最佳燃油耗運行範圍，因此同樣能獲得運行策略和能量管理方面的優勢，以此能使變速箱不會過於復雜，需要的電輔助也較少。
提高內燃機效率與更高的增壓壓力需求相組合，由於充量稀薄和中間膨脹，對增壓系統提出了新的挑戰。在該邊界條件下，汽油機VTG比傳統的廢氣放氣閥技術更具優勢。與廢氣放氣閥增壓器相比，VTG汽油機除了能使功率提高約15～20?kW之外，在保持以過量空氣系數λ=1運行的情況下，能使額定功率時的燃油耗降低約7?%，這基本上是通過利用全部的廢氣熱焓從而提高米勒循環度而實現的。
除此之外，VTG汽油機能在保持低速拐角扭矩不變的情況下，使渦輪前溫度T3與催化轉化器前溫度T4之間的溫度差約為25?℃，因而高溫VTG技術對於功率等級超過100?kW/L的發動機而言，也能使其達到RDE排放標準要求（圖1）。
內燃機的效率在混合動力方案中取決於最大的充量稀薄程度。在中等負荷範圍（pme=1.0～1.4?MPa）內渦輪增壓器效率降低從而提高EGR率，但是以此會使燃油耗的優化潛力受到限制。通過空氣動力學部件的相應設計和應用滾珠軸承替代傳統的機油潤滑的滑動軸承，渦輪增壓器的效率能比廢氣放氣閥渦輪增壓器最多提高約5?%。除此之外，渦輪的可變性以及因使用滾動軸承降低摩擦功率都有助於補償由新燃燒過程所引起的滯後的負荷建立。與廢氣放氣閥渦輪增壓器相比，增大米勒循環度提高燃燒效率或者使用滾珠軸承就能在相似的米勒循環度情況下使動力學性能最多改善20%。圖2示出了壹款48?V-P2混合動力C級車在WLTC試驗循環中節油潛力的模擬計算結果。由於使用了最優的米勒循環，冷卻EGR和減少P2混合動力模式的輔助獲得了比傳統廢氣放氣閥渦輪增壓器低約3?%的CO2排放優勢。
3?汽油機VTG增壓器
VTG技術從1997年即已開始應用於柴油機領域（圖3），並且作為增壓系統在轎車柴油機領域獲得了巨大成功，目前又與汽油機在相似的情況下壹直應用米勒循環。2006年汽油機VTG與BorgWarner渦輪增壓器壹起首次用於搭載於Porsche?911?Turbo汽車的3.6?L發動機上。隨著米勒過程的應用，這種技術對於大量市場也是必不可少的。持續不斷的開發和多年來自柴油機VTG開發的經驗使得成本大大降低。
簡單的增壓系統使用廢氣放氣閥，以旁通渦輪葉輪的部分廢氣量。例如與雙蝸道渦輪相匹配的多流道渦輪殼能擴大這種技術的運行範圍，但是仍達不到應用VTG的運行範圍。這種VTG渦輪是在渦輪葉輪前應用可調節導向葉片環（譯註：國內通常稱為可調節噴嘴環）來調節所利用的廢氣質量流量，以此渦輪就能在寬廣的發動機運行範圍內以更高的效率運行。除了渦輪葉輪之外，可調節的導向葉片也是渦輪空氣動力學的核心技術，這些導向葉片被支承在壹個噴嘴環中，可實現轉動，並與高溫廢氣直接接觸。由於對材料性能的要求非常高，因而其長期以來主要能應用於廢氣溫度低於約860?℃的柴油機上，對材料的要求明顯高於900?℃。在進壹步開發時BorgWarner公司可借鑒在Porsche?911?Turbo汽車上批量應用於汽油機1?050?℃高溫項目的經驗，不僅在材料方面而且在成本方面以及使用米勒燃燒過程及其廢氣最高溫度高達950?℃等方面取得顯著的技術進步，使得當今用於未來混合動力系統汽油機的VTG技術非常令人感興趣。可預料到，在該情況下的發動機邊界條件是提高的廢氣溫度和空氣需求量以及對RDE具有重要意義的運行範圍。對廢氣渦輪增壓器渦輪提出的技術挑戰是在具有出色的空氣動力學效率情況下具有較高的可靠性和良好的可調節性。
VTG渦輪的空氣動力學效率可按圖4中示出的效率拋物線簡化地表示。采用可調節的導向葉柵進行調節能獲得寬廣的流量跨度，與采用廢氣放氣閥調節和相似葉輪直徑的固定蝸殼渦輪相比，其流量跨度能比加倍狀態下更大。在導向葉片全關和全開時效率會低於最大值。關閉的導向葉片在空氣動力學上就如噴嘴那樣起作用，而往開啟方向偏轉葉柵的效果會越來越強烈，並且在整個調節範圍內會改變對渦輪葉輪的入射角。導向葉片和渦輪葉輪的葉片角的合適組合能獲得寬廣的高效率運行範圍，在流量範圍邊緣旁空氣動力學所引起的效率拋物線落差將向發動機運行範圍外移動。
因此，渦輪在背壓、功率以及與此相關的增壓壓力調節方面提供了較高的靈活性，從而在效率特性與各個發動機目標理想匹配的情況下為降低廢氣排放作出重要的貢獻，對此起決定性作用的是對空氣動力學具有重要影響的組件。
對效率拋物線產生重要影響的因素包括渦輪葉輪、導向葉片在噴嘴環中的排列和支承、導向葉片的幾何形狀、蝸殼和發動機專用接頭的設計。所有渦輪都要通過動態優化以適應用戶所應用的發動機與廢氣系統連接的法蘭位置。若要做到被廢氣潤濕的表面盡可能少以及前面部分的結構空間小的話，則取決於蝸殼的設計，兩者都要能很好地與流向導向葉柵的流動的空氣動力學目標相協調。
合適的流動導向有助於減少噴嘴環的熱力-機械變形，因而要采取更多的結構設計措施使葉片間隙減小到最低程度。葉片本身的設計也有助於減少間隙流動損失（圖5），這能提高發動機低速拐角扭矩範圍的效率。VTG導向葉片具有享有專利權的S形狀，這種形狀能實現兩項主要目標：流動偏轉損失小以及葉片轉動扭矩小但始終能開啟葉片（失效保護功能）。噴嘴環的結構除了考慮到空氣動力學效率目標和成本之外，還按照組合部件的理念進行設計，其中主要尺寸的選擇針對目前和未來重要發動機等級熱力學目標優化造型，而附加的中間結構尺寸則與生產品種相配套。除此之外，引入新的渦輪葉輪系列能使用相同的VTG噴嘴環，按照對柴油機和汽油機具有不同的效率拋物線曲線，使效率拋物線專門適應不同的發動機目標，例如在圖4中所示，綠色和黃色兩根中間拋物線是各自用不同型號的渦輪葉輪所達到的。
BorgWarner公司VTG渦輪的大多數葉輪應用徑向結構型式，其至今仍是用於柴油機的標準結構型式。汽油機因其較高的爆燃傾向而要求較小的渦輪背壓和逐步增大的流量，但是為了獲得低速拐角扭矩特別是發動機的加速響應性能，即使在例如約30%～40%最大流量的小流量範圍也必需具有良好的效率，在這方面徑向葉輪具有明顯的優勢。與采用慣性最佳的小葉輪的固定渦輪蝸殼增壓器相比，渦輪葉輪的慣性矩可減小約10%～20%，再加上出色的效率，VTG渦輪就能獲得具有競爭力的加速響應性能，在相同的噴嘴環中可達到的最大流量要比柴油機應用標準的葉輪的對比值高出約20%，這是通過葉輪葉片形狀的特殊設計達到的（圖6）。葉片形狀和葉輪盤是從空氣動力學、力學和制造技術角度精心設計的。葉輪盤的熱力-機械優化在減小慣性矩和提高質量流量的同時使應力降低到可獲得長使用壽命的安全水平。
對空氣動力學關系重大的渦輪構件的設計，除了應用來自許多量產項目的經驗之外，也采用了包括自動優化過程在內的最現代化的數字方法。
4?用於渦輪增壓器的滾珠軸承
與相同結構尺寸的滑動軸承相比，渦輪增壓器中的滾珠軸承（圖7）具有明顯更低的機械損失，而且因具有良好的轉子穩定性，無論是壓氣機側還是渦輪側的輪廓間隙能優化到最佳程度，從而能進壹步提高渦輪增壓器的總效率（圖8）。
專門開發的滾珠軸承方案優化了聲學傳播路徑以及轉子動力學（軸軌跡穩定性）。與滑動軸承相比，滾珠軸承更高的軸承剛度需要優化振動能向周圍傳遞的傳播途徑，因此要盡可能抑制振動，同時使軸承達到最高的穩定性。模擬與試驗相互配合就能開發出這些目標尺寸達到最佳平衡的設計方案，首先要在機油壓力相對較低的同時，特別關註應用低粘度機油（HTHS≈2.0?mPa·s）。
通過優化設計得到了套筒結構型式的滾珠軸承，並且軸承外套管浮動在壹層機油油膜上（見圖7），轉子的這種系統減震由所形成的擠壓減震油膜保障。為了確保建立起減震機油油膜，使用了壹種由隔離密封圈組成的創新系統，這樣就能使軸承套筒處於軸承通道的中心，改善了承載耐沖擊能力（是聲學性能的關鍵因素），同時又起到了擠壓油膜減震壓力範圍相對於軸承殼體中無壓力空間的密封作用，因此機油流量要加以引導，並減少流動損失。通過擠壓油膜減震的優化設計就能抵抗滾珠軸承設計所決定的特有形式的彎曲。
滾珠軸承支承中的復雜關系需要廣泛的優化或新的零部件設計方案、零件加工以及裝配策略，通過這些優化方案的組合，例如提高軸承殼體的剛度，即使在冷起動條件下也能達到滑動軸承的聲學水平，而且除了減小軸軌跡偏差之外，還能相對於較高的徑向和軸向負荷而實現較高的可靠性。在使用滾珠軸承的情況下總是要重新進行聲學性能評估，因為除了渦輪增壓器之外，車輛的敏感性也對聲學性能具有重大影響，因此振動傳播途徑的傳遞特性也需進行優化。
圖8示出了在壓氣機側和渦輪側空氣動力學部件相同的情況下滾珠軸承相對於滑動軸承的穩態測得的效率優勢。左圖是膨脹比為1.5時測得的組合渦輪效率，相對於滑動軸承效率最多能提高4%，隨著渦輪功率的提升這種效率優勢略有減小。圖8右圖是在壓氣機特性場中的渦輪增壓器效率差特性曲線場，特別是在對燃油耗具有重要意義的部分負荷範圍內，由於轉子穩定性的改善（輪廓間隙減小）和軸承損失功率的減少，滾珠軸承最多能獲得5%的效率優勢。圖9作為實例示出了在發動機轉速1?500?r/min時兩種軸承負荷突變的比較，顯然使用滾珠軸承增壓壓力建立得更快，達到2MPa的平均有效壓力要比滑動軸承早0.7?s，因此明顯改善了加速響應性能，而效率優勢也改善了比燃油耗同時降低了廢氣排放。
5?結論
對於汽油機而言，米勒燃燒過程和動力總成系統的混合動力化有助於達到規定的CO2排放目標，其中借助於汽油機VTG優化的增壓系統是壹個重要的模塊。從柴油機領域起步，VTG的發展特別是對渦輪側的優化和開發已進壹步適應需求。BorgWarner公司的汽油機VTG增壓器可用於所有典型排量的轎車，特別是可使得最高廢氣溫度約為1?020～1?050?℃的高比功率高增壓汽油機以λ=1的狀態運行。
除了所有排量和功率等級的全部產品系列之外，還可提供采用滾珠軸承的產品系列（BB01,BB02,BB03），這樣就能進壹步提高效率。鑒於滾珠軸承在總效率、轉子穩定性和瞬態性能方面的優勢，推薦可用於未來混合動力應用場合的滾動軸承，並且在同時使用低粘度機油和低機油壓力的情況下提高了對起動-停車性能的要求。
這兩種技術能針對未來CO2排放目標以及動力總成系統混合動力化和電氣化的發展逐步優化增壓系統。
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