變的是截面 詳解VGT可變截面渦輪增壓器.doc

文章要點： VGT渦輪增壓器同時具有大渦輪和小渦輪的特點，能夠提供更寬廣的扭矩平臺 VGT渦輪的葉片大小并不可變，但是渦輪特性可變 隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對于汽車發(fā)動機的要求也越來越苛刻，不僅要擁有強勁的動力，還必須擁有極高的效率和足夠清潔的排放。這就要求發(fā)動機在各種工況下都能要達到其最高效的工作狀態(tài)，因此就必須滿足發(fā)動機各個工作狀態(tài)下對于進氣量的需求。這就要求發(fā)動機的各部件都能夠通過“可變”來滿足在不同工況下的條件。比如我們所熟悉的可變氣門正時/升程技術(shù)，可變進氣歧管技術(shù)都是如此。那么在柴油發(fā)動機上常見的VGT可變截面渦輪增壓技術(shù)，又有些什么作用呢？下面我們就一起來了解一下。廢氣帶動渦輪，渦輪再帶動葉輪對空氣進行增壓，從而有效增大進氣量渦輪增壓技術(shù)是發(fā)動機上常見的技術(shù)之一，它的原理其實非常簡單：渦輪增壓器就相當(dāng)于一個由發(fā)動機排出的廢氣所驅(qū)動的空氣泵。在發(fā)動機的整個燃燒過程中，大約會有1/3的能量進入了冷卻系統(tǒng)，1/3的能量用來推動曲軸做工，而最后1/3則隨廢氣排出。拿一臺功率200千瓦的發(fā)動機舉例，按照上面提到的比例，它在排氣上的消耗的動力大約會有70千瓦。這部分功率有一大部分隨著高溫的廢氣以熱能的形式消耗掉，而廢氣本身的動能可能只有十幾千瓦。但是千萬別小看這十幾千瓦，要知道家用的落地扇功率不過60瓦左右！也就是說，即使十幾千瓦也足夠驅(qū)動兩百多臺電風(fēng)扇了！可想而知，用廢氣渦輪驅(qū)動空氣所帶來的增壓效果非?？捎^。BMW的并聯(lián)雙渦輪技術(shù) 雖然發(fā)動機全負(fù)荷狀態(tài)下時排氣能量非?？捎^，但當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，排氣能量卻小的可憐，此時渦輪增壓器就會由于驅(qū)動力不足而無法達到工作轉(zhuǎn)速，這樣造成的結(jié)果就是，在低轉(zhuǎn)速時，渦輪增壓器并不能發(fā)揮作用，這時候渦輪增壓發(fā)動機的動力表現(xiàn)甚至?xí)∮谝慌_同排量的自然吸氣發(fā)動機，這就是我們經(jīng)常說的“渦輪遲滯（turbo lag）”現(xiàn)象。大眾1.4TSI發(fā)動機的小尺寸渦輪，擁有較低的啟動慣量，在1750rpm時就能夠輸出220Nm的最大扭矩 對于傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動機來說，解決渦輪遲滯現(xiàn)象的一個方法就是使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪，首先，小渦輪會擁有較小的轉(zhuǎn)動慣量，因此在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時，在發(fā)動機較低轉(zhuǎn)速下渦輪就能達到最佳的工作轉(zhuǎn)速，從而有效改善渦輪遲滯的現(xiàn)象。不過，使用小渦輪也有它的缺點：當(dāng)發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時，小渦輪由于排氣截面較小，會使排氣阻力增加（產(chǎn)生排氣回壓），因此發(fā)動機最大功率和最大扭矩會受到一定的影響。而對于產(chǎn)生回壓較小的大渦輪來說，雖然高轉(zhuǎn)速下可以擁有出色增壓效果，發(fā)動機也會擁有更強的動力表現(xiàn)，但是低速下渦輪更難以被驅(qū)動，因此渦輪遲滯也會更明顯。保時捷已將可變截面渦輪技術(shù)應(yīng)用在汽油發(fā)動機上 為解決這個矛盾，讓渦輪增壓發(fā)動機在高低轉(zhuǎn)速下都能保證良好的增壓效果，VGT(Variable Geometry Turbocharger）或者叫VNT可變截面渦輪增壓技術(shù)便應(yīng)運而生。在柴油發(fā)動機領(lǐng)域，VGT可變截面渦輪增壓技術(shù)早已得到了很廣泛的應(yīng)用。由于汽油發(fā)動機的排氣溫度要遠遠高于柴油發(fā)動機，達到1000C左右（柴油發(fā)動機為400C左右），而VGT所使用的硬件材質(zhì)很難承受如此高溫的環(huán)境，因此這項技術(shù)也遲遲未能在汽油機上應(yīng)用。近年來，博格華納與保時捷聯(lián)手克服了這個難題，使用了耐高溫的航空材料技術(shù)，從而成功開發(fā)出了首款搭載可變截面渦輪增壓器的汽油發(fā)動機，保時捷則將這項技術(shù)稱為VTG（Variable Turbine Geometry）可變渦輪葉片技術(shù)。 使用了兩個VTG可變截面渦輪增壓器的保時捷911 Turbo，在僅使用了3.8L的排量的條件下，就壓榨出了368kw/6000rpm的最大功率和650Nm/1950-5000rpm的最大扭矩。還能在超增壓模式下，將功率提升到390kw，最大扭矩提升到驚人的700Nm，而此時的升功率也達到了駭人的102.6kw/L。最難能可貴的是，這臺發(fā)動機在VTG技術(shù)的幫助下，從1950-5000rpm范圍內(nèi)都可以維持650Nm的最大扭矩輸出，在低轉(zhuǎn)速下基本察覺不到渦輪遲滯情況。從原理上看，柴油機的VGT技術(shù)和保時捷的VTG并沒有本質(zhì)的區(qū)別，基本的原理和結(jié)構(gòu)都是相似的。下面，我們就通過保時捷的VTG技術(shù)來了解一下可變截面渦輪增壓器的工作原理。圖中渦輪外圍的紅色葉片就是導(dǎo)流葉片一般的渦輪并沒有導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu) VGT技術(shù)的核心部分就是可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片，從圖上我們可以看到，渦輪的外側(cè)增加了一環(huán)可由電子系統(tǒng)控制角度的導(dǎo)流葉片，導(dǎo)流葉片的相對位置是固定的，但是葉片角度可以調(diào)整，在系統(tǒng)工作時，廢氣會順著導(dǎo)流葉片送至渦輪葉片上，通過調(diào)整葉片角度，控制流過渦輪葉片的氣體的流量和流速，從而控制渦輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動機低轉(zhuǎn)速排氣壓力較低的時候，導(dǎo)流葉片打開的角度較小。根據(jù)流體力學(xué)原理，此時導(dǎo)入渦輪處的空氣流速就會加快，增大渦輪處的壓強，從而可以更容易推動渦輪轉(zhuǎn)動，從而有效減輕渦輪遲滯的現(xiàn)象，也改善了發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時的響應(yīng)時間和加速能力。而在隨著轉(zhuǎn)速的提升和排氣壓力的增加，葉片也逐漸增大打開的角度，在全負(fù)荷狀態(tài)下，葉片則保持全開的狀態(tài)，減小了排氣背壓，從而達到一般大渦輪的增壓效果。此外，由于改變?nèi)~片角度能夠?qū)u輪的轉(zhuǎn)速進行有效控制，這也就實現(xiàn)對渦輪的過載保護，因此使用了VGT技術(shù)的渦輪增壓器都不需要設(shè)置排氣泄壓閥。 需要指出的是，VGT可變截面渦輪增壓器只能通過改變排氣入口的橫切面積改變渦輪的特性，但是渦輪的尺寸大小并不會發(fā)生變化。如果從渦輪A/R值去理解的話，可變截面渦輪的原理會更加直觀。也有的廠商將這項技術(shù)成為VNT，比如沃爾沃和奧迪，它們在本質(zhì)上是一樣的 A/R值是渦輪增壓器的一項重要指標(biāo)，用以表達渦輪的特性，在改裝市場的渦輪增壓器銷售冊上也常有標(biāo)明。A表示Aera區(qū)域，指的是渦輪排氣側(cè)入口處最窄的橫切面積（也就是可變截面渦輪技術(shù)中的“截面”），R（Radius）則是代表半徑意思，指的是入口處最窄的橫切面積的中心點到渦輪本體中心點的距離，而兩者的比例就是A/R值。相對而言，壓氣端葉輪受A/R值的影響并不大，不過A/R值卻對排氣端渦輪有著十分重要的意義。導(dǎo)流葉片的開度能夠影響導(dǎo)向渦輪葉片的氣流速度，低轉(zhuǎn)速時開度?。ㄗ髨D），提高空氣流速，高轉(zhuǎn)速時開度大（右圖），減小排氣負(fù)壓 當(dāng)A/R值越小時，表示廢氣通過渦輪的流速較高，這種特性可以有效減輕渦輪遲滯，渦輪也就能在較低的轉(zhuǎn)速區(qū)域取得較高的增壓，而發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時則會產(chǎn)生較大的排氣背壓，使高轉(zhuǎn)速時功率受到限制。反之，當(dāng)A/R值越大時，渦輪的響應(yīng)速度就越慢，低轉(zhuǎn)速時渦輪遲滯明顯，不過在高轉(zhuǎn)速時，擁有較小的排氣背壓，且能夠更好的利用排氣能量，從而獲得更強的動力表現(xiàn)。 而VGT技術(shù)所實現(xiàn)的截面可變就是指改