从2014年起生效的欧Ⅵ排放法规制定了极为严格的排放水平。同时，车辆的平均C0₂ 排放必须小于130g/km。 为了满足这些极具挑战的目标，底盘和动力总成的更新换代十分必要。而增压系统在动力总成优化中扮演了重要角色，无论是提供更高的EGR率来帮助排放管理还是提高燃油经济性。

新一代VNT目标设定

霍尼韦尔分析了过往的发动机目标和动力总成趋势的数据库，将GTD的目标设定为所有已知转矩线的包容线（见图1蓝线）。同时与排放循环条件相一致的部分负荷工况点（NEDC循环）被用来定义设计增压器的额外约束。

发动机性能和排放目标将被转化为增压器压气机和涡轮端的运行条件即目标性能图。然后，需定义关键设计点作为优化的重点，并明确效率提高的目标来满足发动机的性能指标。

此外，其他的功能条件也须和客户一起定义好，比如VNT的最小流量偏移、迟滞、油封能力和最大的窜气量等这些最终将变成一份完整的功能说明书用于整个产品开发过程。

新一代VNT的关键部件开发

1.        压气机端设计

设计一个新的压气机端包含了性能、耐久能力（高周疲劳和低周疲劳）、尺寸（轮子直径和总长）以及加工能力限制之间的权衡。开发压气机的关键工具有CFD（主要用于气动设计的性能优化）和 FEA（用于机械设计）。对于低周疲劳评估，必须充分认识客户发动机的负荷循环和材料的属性。

图1中描述了新压轮的性能，有着与前代相似的流量宽度，并且在等压比下较前代有大约3个点的提高。

图1  GTD压气机性能

2. 涡轮端设计

与压端类似，新的涡轮端以及与之耦合的VNT设计，必须在气动和机械约束尤其是高周疲劳之间做出正确的妥协。霍尼韦尔为GTD开发了全新的喷嘴叶片轮廓、喷嘴环和涡轮。

高周疲劳（HCF），旨在避免涡轮因为通过叶片的压力扰动激发而产生的疲劳失效，是设计一个全新涡轮端要考虑的至关重要的元素。霍尼韦尔的设计理念包括了一系列气动方面和机械方面的计算步骤。其中，使用FEA来获得轮子的模态响应。 使用CFD来计算喷嘴叶片和叶轮通道中的非稳态压力场。该压力场会被施加于有限元模型上作为激励源来计算轮子的响应。最后，强迫响应的结果被图示在古德曼曲线（Goodman diagram）中，以保证轮子的应力水平在材料的极限之内。

GTD12涡轮端（适配1.6 L发动机）的台架性能结果显示，在小流量处获得了明显的效率提高，达到了目标设定值。

3.     轴承设计

对于流体动压轴承，不仅要保证止推能力和阻尼来减小振动的传递，更要确保高温低粘度工况下考虑不平衡影响时的工作稳定性。与此同时，摩擦损失还要尽可能小，这在实际设计中往往是对立的。

轴承的设计过程中使用了一套完整的专业工具，不仅包括实验工具来测量关键功能标准如摩擦损失，还包括计算工具来评估转子的稳定性、振动的传递和止推能力。

GTD采用的Z-bearing是一种半浮动油膜轴承，整合了推力轴承，减少了零件数目。通过提供更大的轴承跨度，带来更好的稳定性，这恰好解决了稳定性和极致性能之间的矛盾。Z-bearing的润滑油路设计及其精简——润滑油供给轴承外围的阻尼油膜和轴承本身，轴承内的油在喷射到中间壳油腔之前对推力面进行润滑。

通过优化推力面、滑动轴承面和轴径，Z-bearing获得了更好的性能，并满足各类关键油粘度下的稳定性和噪声振动的标准，允许使用0W20规格的润滑油。

4. VNT机构

VNT机构的设计是对于性能、高周疲劳和操控性（迟滞、驱动力）等要求的权衡。

霍尼韦尔通过CFD计算喷嘴叶片的气动负载水平。然后使用多体动力学仿真工具包对机构进行建模分析。整个优化工作集中于如何降低摩擦减小驱动力，并保证迟滞尽可能小。叶片轮廓对涡轮端的性能和高周疲劳有着重要影响，因此喷嘴设计需要多次迭代来确保所有功能标准之间的正确取舍。

GTD的性能和产品系列

1.     性能

发动机性能是评价增压器优化成功与否的关键指标。图2是GTD12对比GTC12的发动机台架实验结果（匹配1.6 L发动机）。针对小流量的气动和轴承优化工作带来了巨大的稳态效率提升，也大幅改善了瞬态响应。

图2  GTD12对比GTC12的发动机台架实验结果

2.     GTD 产品系列

GTD的第一个型号GTD12于2012年量产，相关的优化性能和操控性的理念被用于GTD全系列的产品开发上。这种理念促成了两年内GTD系列5个产品型号（GTD10～GTD20）的相继发布，涵盖功率段从50 kW～200 kW以上的欧Ⅵ发动机。

总结与展望

本文介绍了霍尼韦尔新一代欧Ⅵ VNT™ ——GTD 的开发理念，从性能指标设定到轮子、轴承和VNT机构的设计，并举例演示了对于前代产品的整体性能优势。新一代GTD产品通过压气机和涡轮的气动优化及轴承优化，带来了显著的低速端效率提升。而这些最终转化为车辆上改善的驾驶体验、降低的油耗，并且满足了欧Ⅵ的排放。一个完整的产品系列已经被开发出来覆盖所有的乘用车应用，包括1.2 L～3.0L以上的发动机。通过与工业需求的完美匹配，GTD系列将被安装于55%～60%的欧Ⅵ发动机上，彰显其商务上的成功。

展望排放法规的下一步演化，对于动力总成设计师的挑战愈来愈大。实际上，2017年的欧Ⅵc法规将引入新的排放循环（WLTC），相比NEDC循环除了要满足真实驾驶工况（RDE）的排放要求更注重高动态响应和高负荷工况。这种高动态响应，以及在高负荷下精确地驱动EGR的需求，将要求增压系统进一步强化性能和操控性，所有这些将持续推动霍尼韦尔的技术创新。