福特创造了激进的新型双涡轮增压设计

根据CarBuzz在美国专利商标局(USPTO)发现的一项新专利，涡轮增压发动机在快速增压响应和持续高端动力之间的妥协可能很快就会成为过去。

福特的工程师为这项新开发重新审视了复合涡轮增压的概念，但与既定布局有许多有趣的偏差，使其成为适用于柴油和燃气发动机的全新涡轮增压配置。这种新的增压系统可能会使福特F-150中的V6EcoBoost发动机在低转速响应方面表现得更像大排量V8，同时使其在高发动机转速下也更加强大——所有这些都无需在发动机中添加更多涡轮增压器方程。

保时捷的解决方案包括将涡轮一分为二并为涡轮增压器通电，但福特现在想出了更好的办法吗?

在我们深入了解使这项新专利如此令人兴奋的巧妙细节之前，让我们先来看看已建立的多涡轮布局。首先要记住的是，小型涡轮比大型涡轮的惯性小，因此启动增压更快。然而，小型涡轮限制了流入和流出发动机的气体，因此虽然它们在低发动机转速下响应迅速，但随着发动机转速的升高，它们的效率会下降。

大型涡轮增压器在高速时不会出现这种功率下降，但它们增加的惯性会导致更多的涡轮滞后和更慢的增压响应，同时它们会加速。OEM单涡轮增压设置的尺寸通常是低速响应和高端功率之间的折衷，但不能同时提供两者。因此，一些制造商已在大型发动机上采用双涡轮增压装置，以从小型涡轮增压器获得大部分响应，同时仍然能够移动足够的空气以在高转速下产生不错的动力。

涡轮增压器奔驰

最常见的多涡轮安装方法是并联布置，V6EcoBoost和大多数其他燃气双涡轮发动机目前使用的是这种布置。在这种布局中，发动机基本上分为两个较小的发动机，每个发动机占发动机总排量和气缸数的一半。双涡轮增压六缸发动机，无论其缸体布局如何，都近似为两个单涡轮增压三缸发动机，而双涡轮增压V8发动机则被近似为两个单涡轮增压四缸发动机。

发动机的每一半都有自己的排气歧管和涡轮增压器，两者尺寸相同，指定用于提供产生发动机总目标功率输出所需的一半气流。这使得工程师可以使用两个更小、更轻、惯性更低的涡轮而不是一个大涡轮，从而减少涡轮滞后并降低增压阈值(涡轮开始提供有用增压的发动机速度)。然而，这种并联双涡轮增压装置仍然限制了进入发动机的最大气流，因为这些小型涡轮增压器在发动机高速运转时就像限流器一样。

一些制造商还在燃气发动机上试验了顺序双涡轮增压装置，多年前的FD马自达RX-7和斯巴鲁力狮B4就是这种方法的著名例子。在这种安排下，小型涡轮增压器将在低转速时负责增压任务，而较大的涡轮增压器将在高转速时接管增压任务，理论上将小型和大型涡轮增压器的优点结合在一个组件中。

但是，您再也看不到这种布局，因为它从来没有真正发挥过很好的作用。除了它们折衷的流动动力学和降低的热力学效率之外，这种顺序涡轮布置需要大量额外的管道、阀门和其他笨重的控制硬件，以试图平滑扭矩曲线并实现小型和大型涡轮之间的平滑过渡交货范围。这在理论上是个好主意，但在实践中很少奏效。

第三种常见的双(或多)涡轮增压设置称为复合涡轮增压，通常用于OEM双涡轮增压柴油发动机。在这种配置中，较大的涡轮用作第一(初级)级，并将其所有通流气体发送到较小的(次级)涡轮增压器。

借助复合涡轮增压，大型主涡轮增压器的压缩机(新鲜空气)输出连接到较小的辅助涡轮增压器的压缩机进气口，主涡轮增压器的涡轮(排气)壳体出口为辅助涡轮增压器的涡轮壳体入口供气。简而言之，这意味着主涡轮是唯一从大气中获取进气的涡轮，也是唯一连接到发动机排气歧管的涡轮。二级涡轮从一级涡轮获得所有气流供应。

这种布置有效地增加了增压压力。而且，由于有一个大型、高容量的涡轮增压器，在空气进入发动机的进气歧管之前，将其新鲜空气输出强制进入一个较小的涡轮增压器，因此在高发动机转速下的气流也得到了很大的改善。这提供了两全其美，小型涡轮提供低转速响应，大型涡轮提供持续的高端耐力。

但是，此设置有许多缺点。由于工作中的多级空气压缩，它会在进气中产生大量热量，因此通常需要额外的中间冷却。歧管和增压管也非常复杂，其笨重的设计通常比传统的并联双涡轮增压布置占用更多空间。

虽然中冷确实会降低进气温度，但燃气发动机通常需要比柴油发动机更低的进气温度，以避免在增压压力升高和这种布局产生的进气流量增加时提前点火。因此，复合涡轮增压通常只在大型柴油发动机上使用，它们更容易安装在需要此类大型发动机和支持系统的大型车辆的引擎盖下。

福特的新专利采用了不同的方法，将第四种多涡轮布局引入了强制感应世界。通过结合并联和复合涡轮增压的设计元素，它还结合了两种布局最理想的特性。

新专利中详述的排气歧管设计与并联涡轮设计中使用的紧凑设置完全相同。两种涡轮增压器都具有相同尺寸的涡轮(排气)外壳，并且它们都直接从发动机获得废气流入。

主要区别在于它们的压缩机外壳，涡轮增压器连接在一起，因为它们处于复合设置中，但带有主中冷器以在空气进入二级涡轮之前降低进气温度。较大的主涡轮增压器的压缩机侧送入辅助涡轮增压器较小的压缩机外壳入口，空气从那里再次压缩，然后通过第二个中冷器进入发动机。

这意味着，虽然更大的涡轮需要更长的时间来加速，但其增加的流量将确保持续的高转速功率，而更小的涡轮的更轻的压缩机轮将提供确保低转速驾驶性能所需的快速增压响应。无论燃料类型如何，无论是汽油还是柴油，都可以使用这种新的复合并联增压系统设计。

此外，该专利还特别提到了可变几何涡轮(VGT)的使用，这将进一步改善初级和次级涡轮的响应。VGT通常仅用于涡轮柴油发动机，因为燃气发动机的废气温度通常比柴油发动机高得多。

到目前为止，这往往会使VGT在与燃气发动机配合时变得不可靠，除非在排气外壳的结构中使用高科技材料来应对较高的排气温度。保时捷使用其最新一代涡轮发动机对其进行管理，但成本问题使得将其推向大众市场并不经济。

福特采用不同的方法将VGT涡轮增压器应用于燃气发动机，通过改变发动机的进气门正时来实现米勒燃烧循环。该燃烧循环使进气门在压缩冲程的初始部分保持打开状态，这会迫使部分进气在进气门关闭之前返回燃烧室。

这导致膨胀比大于压缩比，这不仅提高了发动机的热效率，而且由于实际上延长了膨胀冲程而导致较低的排气温度。将此与对明智的废气再循环的精细电子控制相结合意味着废气温度下降到普通VGT排气外壳适合在燃气发动机上应用的水平。

这些创新共同构成了一种全新的燃气发动机涡轮增压方式。复合增压和不对称涡轮尺寸允许快速响应以及强大的高转速功率，VGT涡轮进一步改善涡轮响应，米勒燃烧循环提高发动机的热效率。

该发动机将比现有技术允许的更清洁、更高效，并且还表明，虽然福特已经加入了电动汽车的行列，但它显然也没有放弃燃气发动机。

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