汽車(chē)改裝之——可變截面渦輪增壓技術(shù)

1、“跑道上的車(chē)的狀態(tài)是很復(fù)雜的，只有多調(diào)整，體會(huì)各種設(shè)定下車(chē)的姿態(tài) 和感覺(jué)，才能真正明白怎么調(diào)車(chē)”。其實(shí)改車(chē)就如同在跟車(chē)對(duì)話(huà)，當(dāng)你聽(tīng) 得懂它的時(shí)候，就能調(diào)校出一部好的改裝車(chē)了。改車(chē)是一個(gè)發(fā)揮主觀(guān)能 動(dòng)性的過(guò)程，如何更好地提高原車(chē)性能，不光是機(jī)械系統(tǒng)的問(wèn)題，也需要 我們發(fā)揮辯證思維不斷的嘗試，同樣的東西，在不同人手下也是千變?nèi)f化。 優(yōu)秀的汽車(chē)改裝技師，不僅需要過(guò)硬的技術(shù)，扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需耍熱 情、細(xì)心、愛(ài)心與探索的精神。今天我們來(lái)講一講可變截面渦輪技術(shù)，我們知道，渦輪大小、渦輪進(jìn) 氣量和渦輪遲滯是三個(gè)統(tǒng)一的矛盾體。普通渦輪增壓器在全負(fù)荷狀態(tài)下吋 進(jìn)氣量非?？捎^(guān)，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，就會(huì)由于廢

2、氣驅(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)。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i個(gè)方法就是 使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪。首先，小渦輪會(huì)擁冇較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此在發(fā) 動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，也能驅(qū)動(dòng)渦輪能達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，從而有效改善渦輪遲滯的 現(xiàn)彖。不過(guò)，使用小渦輪也冇它的缺點(diǎn)：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高傳速時(shí)，小渦輪由于 排氣截面較小，會(huì)使排氣阻力增加，即產(chǎn)生排氣冋壓，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)速下口j以擁冇出色壇壓效果，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)

3、擁有更強(qiáng)的動(dòng)力表現(xiàn)，但 是低速卜渦輪更難以被驅(qū)動(dòng)，因此渦輪遲滯也會(huì)更明顯。為解決上述孑盾，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

4、高溫 的航空材料技術(shù)，從而成功開(kāi)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)技術(shù)稱(chēng)為vtg (variable turbine geometry) 可變渦輪葉片技術(shù)。com.onvgt可變截面渦輪技術(shù)的核心部分就是町調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片，從 上圖我們可以看到，渦輪的外側(cè)增加了一環(huán)可由電了系統(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(guò)調(diào)整葉片角度，控制流 過(guò)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)流葉片打開(kāi)的角度較小。根據(jù)流體力學(xué)原理，此 時(shí)導(dǎo)入渦輪

5、處的空氣流速就會(huì)加快，增大渦輪葉片處的廢氣壓強(qiáng)，從而可 以更容易推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，冇效減輕渦輪遲滯的現(xiàn)象，也改善了發(fā)動(dòng)機(jī)低傳 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(kāi)的角度，在全負(fù)荷狀態(tài)下，葉片則保持全開(kāi)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。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在 有風(fēng)的天氣，大家在空曠處感受到的風(fēng)力會(huì)明顯比在非封閉的狹窄的通道 處（比如兩個(gè)相隔很近的樓宇z間）小很多。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(guò)載保護(hù)，因此使用 了 vgt技術(shù)的渦輪增壓器也就不需要設(shè)置排氣泄壓閥。左圖發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，導(dǎo)流葉片開(kāi)

6、度?。挥覉D反之我們也可以從渦輪的性能指標(biāo)a/r上來(lái)說(shuō)明可變截面渦輪增壓技術(shù) 的原理。a表示aera區(qū)域，指的是渦輪排氣側(cè)入口處最窄的橫切而積(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屮心點(diǎn)到渦輪木體屮心點(diǎn)的距離，而兩者 的比例就是a/rffio相對(duì)而言，壓縮機(jī)端葉輪受a/r值的影響并不人，不 過(guò)卻對(duì)排氣端渦輪有著十分重要的意義。當(dāng)a/r值越小時(shí)，表示廢氣通過(guò)渦輪的流速較高，這種特性可以?xún)有?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)速吋則會(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值越人時(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(guò)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)葉片開(kāi)度較小時(shí)， 排氣入口的橫切面積便會(huì)相應(yīng)減小，a值會(huì)隨之變小，從而擁有小渦輪響