图1  DualBoost的全新概念涡轮增压器

第一代DualBoost涡轮增压器已经提供了比成熟的径流涡轮技术好得多的瞬态性能，并且仍然具有很高的继续开发潜力。

全球OEM厂商都将持续减少排放和大幅提高燃油效率作为未来几年的目标。汽油发动机的增压技术是实现这些目标的途径之一。霍尼韦尔涡轮技术部门的工程师充分理解所面临的挑战，并设计出了一种叫做DualBoost的全新概念涡轮增压器（见图1），可以推动整个产业阶跃式发展。

与业界使用超过35年的由一个单面离心压缩机和一个径流式涡轮机组成的典型空气动力学解决方案相比，DualBoost代表了设计范式的一种转变。这种新型增压器由一个双面压缩机轮和一个轴流式涡轮机组成，它具有和传统涡轮增压器相仿的效率，但转动惯量却不到传统设备的50%，这意味着它可以达到通常的稳态指标，同时却又提供了卓越的瞬态性能。DualBoost既可用于提高发动机输出功率和车辆性能，也可为发动机低速化和小型化的技术趋势提供支持，最终最大程度地降低排放并提高燃油效率。

动力总成的需求

在理想情况下，一辆车从状态1加速到状态2所做的功可以近似看作其动能的变化，发动机为此所做的功可以看作是功率——时间曲线所覆盖的面积。对于性能相同但是发动机不同的两辆车而言，如果运行方式相同，那么所做的功必然相等。

由公式（1）和（2）可以计算出功率、BMEP（平均有效压力）和转矩与时间之间的关系曲线，从而对典型的小型化（见图2）和低速化问题进行研究。所采用的参考基准是一台采用VVT技术的现代化1.8 L GDI汽油发动机，在1 750r/min转速时可输出240Nm（BMEP≈1.7MPa）的峰值转矩。

图1突出显示了我们对于三种情况的研究结果。

（1）低速化：14%（从1750r/min降到1500r/min）；

（2）小型化：11%（从1.8L减小到1.6L）；

（3）综合情况。

综合情况下的BMEP增加了30%、峰值转矩时间缩短了26%，从而得到了两倍的“增压转矩斜率”，重要的研究结果数值见表。

涡轮增压器指标

将车辆动能公式中的质量速度（mv2）项换成转子的极惯性矩－角速度（Iω2）项，就可以对涡轮增压器进行类似的动能分析了。于是公式将变成：

涡轮机效率

涡轮机效率是叶尖速比（U/Co）的函数，其中U表示涡轮增压器的涡轮机叶尖速，而Co表示进气的等熵喷射速率。多年来，由于更大直径的压缩机和小尺寸“低惯量”涡轮机日趋成风，涡轮机效率已经越来越低。而现代汽油发动机需要更好的瞬态性能且排气流量高度不稳定，使得这个问题更加严重化。废气中的主要能量位于每个脉冲的高压部分。在瞬态过程起始阶段，脉冲过程中的U/Co到达0.2时，涡轮机效率通常很低，因而很难提取能量和快速加速。显然，改善低U/Co条件下的涡轮机效率对涡轮增压器和发动机的瞬态和稳态性能都非常有好处。

图2  发动机小型化目标

效率/惯性的折中考虑

虽然经过了高度简化，但是公式（5）对于我们了解效率和惯性等基本的涡轮增压器参数之间的相互影响和以及各自的权重仍然很有帮助。更高的效率一直都是人们追求的目标，但是在零时间内达到峰值转矩的惟一途径就是使惯性为零。

因此，现代涡轮机设计者所面临的挑战就是既要最大程度地提高低U/Co条件下的涡轮机效率，又要通过正确的权重折中尽可能减小旋转惯性。

DualBoost概念

霍尼韦尔涡轮技术部门采取“回归根本”的策略，对于由一个离心压缩机和一个径流涡轮机组成的传统空气动力学概念提出了质疑。

与径流涡轮机相比，轴流涡轮机在低U/Co值时具有更高的涡轮机效率（见图3a），尤其是设计者充分利用轴流涡轮机本质上更低的机械应力，从而实现叶轮的非零进气角。并且，它们在本质上还具有更小的惯性。

霍尼韦尔涡轮技术部门的DualBoost团队充分利用了这些现象，所开发的新型轴流涡轮机在低U/Co条件下具有更高的涡轮机效率，并且比同等流量径流涡轮机的转动惯性小50%（见图3b）。

将上述轴流涡轮机与一个双面平行流压缩机搭配使用可实现：在U/Co曲线更靠上的部分对涡轮机进行加速；平衡机器中的气动推力负荷，以实现稳态下的准“零负荷”概念；比同等容量的传统压缩机具有更小的惯性（见图4）。DualBoost显然仍采用了“低惯性”理念，并且在实现过程中没有使用任何特殊材料。

图5  稳态性能、瞬态转矩

发动机测试结果

我们将第一台DualBoost涡轮增压器在发动机上进行测试，与一台传统的径流涡轮机进行比较。测试是在采用双VVT技术的一台福特1.6L I4汽油GDI发动机（λ=1）上进行的，与表中所述的C类情况相似。

两种涡轮增压器都进行了尺寸换算和匹配，以使其在2:1的压缩比下具有相同的折算质量流量，两者均可实现满负荷稳态转矩和功率指标（见图5a）。完整的数据显示它们也具有类似的发动机ΔP和BSFC性能。但是，DualBoost的瞬态转矩曲线比标准涡轮增压器的曲线上升斜率要陡得多（见图5b）。新型涡轮增压器比作为参考基准的标准涡轮增压器早400ms就达到了180Nm的转矩，而达到270Nm转矩的时间更是提前了600ms。

总结与展望

通过重新思考汽油涡轮增压器的基本空气动力学设计，霍尼韦尔最终提出了一种具有以下特点的新型涡轮增压器概念：

（1）与传统涡轮增压器相比，它具有相当的稳态性能和燃油经济性；

（2）仅使用传统的材料和简单的固定几何形状；

（3）将低发动机转速时的峰值转矩时间缩短25%以上；

（4）将瞬态过程第一秒后输出的转矩增加15%以上。

这种新理念是实现汽油发动机小型化和低速化的关键因素，并有助于改善燃油消耗和减少CO2排放，而这些都是具有折中操纵性能的传统涡轮增压器所无法实现的。

第一代DualBoost涡轮增压器已提供了比成熟的径流涡轮技术更好的瞬态性能，且仍然具有很高的继续开发潜力。