詳解VGT可變截面渦輪增壓器

1、詳解VGT可變截面渦輪增壓器2010年11月27日 08:12  來(lái)源：Che168  類型：轉(zhuǎn)載  編輯：胡正暘    隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的要求也越來(lái)越苛刻，不僅要擁有強(qiáng)勁的動(dòng)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(dòng)機(jī)在各種工況下都能要達(dá)到其最高效的工作狀態(tài)，因此就必須滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工作狀態(tài)下對(duì)于進(jìn)氣量的需求。這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)的各部件都能夠通過“可變”來(lái)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(shí)/升程技術(shù)，可變進(jìn)氣歧管技術(shù)都是如此。那么在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上常見的VGT可變截面渦輪增壓技術(shù)，又有些什么作

2、用呢？下面我們就一起來(lái)了解一下。廢氣帶動(dòng)渦輪，渦輪再帶動(dòng)葉輪對(duì)空氣進(jìn)行增壓，從而有效增大進(jìn)氣量    渦輪增壓技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)上常見的技術(shù)之一，它的原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單：渦輪增壓器就相當(dāng)于一個(gè)由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣所驅(qū)動(dòng)的空氣泵。在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)燃燒過程中，大約會(huì)有1/3的能量進(jìn)入了冷卻系統(tǒng)，1/3的能量用來(lái)推動(dòng)曲軸做工，而最后1/3則隨廢氣排出。拿一臺(tái)功率200千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)舉例，按照上面提到的比例，它在排氣上的消耗的動(dòng)力大約會(huì)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(dòng)能可能只有十幾千瓦。但是千萬(wàn)別小看這十幾千瓦，要知道家用的落地

3、扇功率不過60瓦左右！也就是說(shuō)，即使十幾千瓦也足夠驅(qū)動(dòng)兩百多臺(tái)電風(fēng)扇了！可想而知，用廢氣渦輪驅(qū)動(dòng)空氣所帶來(lái)的增壓效果非?？捎^。BMW的并聯(lián)雙渦輪技術(shù)    雖然發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷狀態(tài)下時(shí)排氣能量非?？捎^，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，排氣能量卻小的可憐，此時(shí)渦輪增壓器就會(huì)由于驅(qū)動(dòng)力不足而無(wú)法達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，這樣造成的結(jié)果就是，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓器并不能發(fā)揮作用，這時(shí)候渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力表現(xiàn)甚至?xí)∮谝慌_(tái)同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這就是我們經(jīng)常說(shuō)的“渦輪遲滯（Turbo lag）”現(xiàn)象。大眾TSI發(fā)動(dòng)機(jī)的小尺寸渦輪擁有較低的啟動(dòng)慣量   

4、對(duì)于傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，解決渦輪遲滯現(xiàn)象的一個(gè)方法就是使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪，首先，小渦輪會(huì)擁有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)較低轉(zhuǎn)速下渦輪就能達(dá)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(diǎn)：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，小渦輪由于排氣截面較小，會(huì)使排氣阻力增加（產(chǎn)生排氣回壓），因此發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和最大扭矩會(huì)受到一定的影響。而對(duì)于產(chǎn)生回壓較小的大渦輪來(lái)說(shuō)，雖然高轉(zhuǎn)速下可以擁有出色增壓效果，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)擁有更強(qiáng)的動(dòng)力表現(xiàn)，但是低速下渦輪更難以被驅(qū)動(dòng)，因此渦輪遲滯也會(huì)更明顯。保時(shí)捷已將可變截面渦輪技術(shù)應(yīng)用在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上    為解決

5、這個(gè)矛盾，讓渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)而生。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排氣溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到1000°C左右（柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為400°C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(xiàng)技術(shù)也遲遲未能在汽油機(jī)上應(yīng)用。近年來(lái)，博格華納與保時(shí)捷聯(lián)手克服了這個(gè)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(dòng)機(jī)，保時(shí)捷則將這項(xiàng)

6、技術(shù)稱為VTG（Variable Turbine Geometry）可變渦輪葉片技術(shù)。    使用了兩個(gè)VTG可變截面渦輪增壓器的保時(shí)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(shí)的升功率也達(dá)到了駭人的102.6kw/L。最難能可貴的是，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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

7、。 從原理上看，柴油機(jī)的VGT技術(shù)和保時(shí)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(shí)捷的VTG技術(shù)來(lái)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    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(duì)位置是固定的，但是葉片角度可以調(diào)整，在系統(tǒng)工作時(shí)，廢氣會(huì)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(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速排氣壓力較低的時(shí)候，導(dǎo)流葉片打

8、開的角度較小。一般的渦輪并沒有導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu)    根據(jù)流體力學(xué)原理，此時(shí)導(dǎo)入渦輪處的空氣流速就會(huì)加快，增大渦輪處的壓強(qiáng)，從而可以更容易推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而有效減輕渦輪遲滯的現(xiàn)象，也改善了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的響應(yīng)時(shí)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(dá)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(jìn)行有效控制，這也就實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪的過載保護(hù)，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

9、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(huì)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(huì)更加直觀。也有的廠商將這項(xiàng)技術(shù)成為VNT，比如沃爾沃和奧迪，它們?cè)诒举|(zhì)上是一樣的    A/R值是渦輪增壓器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，用以表達(dá)渦輪的特性，在改裝市場(chǎng)的渦輪增壓器銷售冊(cè)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(diǎn)到渦輪本體中心點(diǎn)的距離，而兩者的比例就是A/R值。相對(duì)而言，壓氣端葉輪受A/R

10、值的影響并不大，不過A/R值卻對(duì)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(shí)開度?。ㄈ缟献髨D），提高空氣流速，高轉(zhuǎn)速時(shí)開度大（如上右圖），減小排氣負(fù)壓    當(dāng)A/R值越小時(shí)，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(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)則會(huì)產(chǎn)生較大的排氣背壓，使高轉(zhuǎn)速時(shí)功率受到限制。反之，當(dāng)A/R值越大時(shí)，渦輪的響應(yīng)速度就越慢，低轉(zhuǎn)速時(shí)渦輪遲滯明顯，不過在高轉(zhuǎn)速時(shí)，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(qiáng)的動(dòng)力表現(xiàn)。    而VGT技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的截面可變就是指改變A值。當(dāng)葉片角度較小時(shí)，排氣入口的橫切面積便會(huì)相應(yīng)減小，因此A值會(huì)隨之變化，從而擁有小渦輪響應(yīng)快的特點(diǎn)。而當(dāng)葉片角度增大時(shí)，A值隨之增大，這時(shí)A/R值增大，從而在高轉(zhuǎn)速下獲得更強(qiáng)的動(dòng)力輸出?？偠灾?，透過變更葉片的角度，VTG系統(tǒng)可隨時(shí)改變排氣渦輪的A/R值，從而兼顧大/小渦輪的優(yōu)勢(shì)特性?？偨Y(jié)：