Y12_0203_ALDC_02-可變截面渦輪增壓技術(shù)

1、可變截面渦輪增壓技術(shù)    普通渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(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)，排氣能量卻很小，此時(shí)渦輪增壓器就會(huì)由于驅(qū)動(dòng)力不足而無法達(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_同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這就是我們經(jīng)常說的“渦輪遲滯”現(xiàn)象。    對于傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來說，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

2、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(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。    為解決上述矛盾足，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

3、。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，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)技術(shù)稱為VTG（Variable Turbine Geometry）可變渦輪葉片技術(shù)，也有的廠商將這項(xiàng)技術(shù)稱為VNT，比如沃爾沃和奧迪，它們在本質(zhì)上是一樣的。圖1 渦輪外圍紅色葉片即導(dǎo)流葉片圖2 傳統(tǒng)渦輪并沒有導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu)  &#

4、160; 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(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)流葉片打開的角度較小。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

5、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。圖3可變截面渦輪增壓技術(shù)工作原理圖    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，在改裝市場的渦輪增壓器銷售冊上也常有標(biāo)明。A表

6、示Area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。圖3可變截面渦輪增壓技術(shù)工作原理圖    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?。▓D3左），提高空氣流速，高轉(zhuǎn)速時(shí)開度大（圖3右），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)

7、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)勢特性。    盡管結(jié)構(gòu)和原理都很簡單，但VGT可變截面渦輪技術(shù)對于增壓效果的提升非常顯著，在目前主流的渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上