告別渦輪遲滯，淺析先進(jìn)渦輪增壓技術(shù)

2020-05-18 15:40:03

渦輪增壓技術(shù)是通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣方式提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的重要技術(shù)之一，隨著節(jié)能趨勢(shì)加嚴(yán)，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，渦輪增壓技術(shù)愈發(fā)普及。根據(jù)霍尼韋爾的預(yù)測(cè)，到 2021年，全球搭載渦輪增壓的新車年銷量將接近半數(shù)，達(dá)到5200萬(wàn)輛。
渦輪增壓技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的進(jìn)步和不斷升級(jí)，發(fā)展出了可變截面渦輪增壓、雙渦輪增壓、雙渦管增壓器、電動(dòng)增壓器眾多新產(chǎn)品并得到推廣應(yīng)用。博格華納、霍尼韋爾、康明斯、三菱重工、IHI 等在該領(lǐng)域技術(shù)先進(jìn)，并引領(lǐng)著行業(yè)的發(fā)展。
可變截面渦輪：
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)，排氣能量小，渦輪增壓器會(huì)由于驅(qū)動(dòng)力不足而無(wú)法達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，不能發(fā)揮作用，此時(shí)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)，即“渦輪遲滯”現(xiàn)象。
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(guò)，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，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。
為解決上述矛盾，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或稱 VNT 可變截面渦輪增壓技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。可變幾何截面渦輪增壓主要是通過(guò)改變沖向渦輪葉片的廢氣流向和流速來(lái)改變其施加到渦輪的能量，擴(kuò)寬渦輪的流量范圍，用于改善瞬態(tài)響應(yīng)速度并提高動(dòng)力性。

VGT在柴油機(jī)上的應(yīng)用從20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開(kāi)始了，但由于汽油機(jī)高達(dá)1000℃甚至更高的排氣溫度使其直到現(xiàn)在才逐漸應(yīng)用到汽油機(jī)上。采用VGT可在普通單流道渦輪增壓基礎(chǔ)上提高低端扭矩20%左右，額定扭矩最低轉(zhuǎn)速提前150～250 r/min，額定功率提升 5%左右。同時(shí)使得瞬態(tài)加速響應(yīng)時(shí)間縮短至少30%。大眾最新的1.5TSI發(fā)動(dòng)機(jī)就搭載了VTG可變截面增壓器，技術(shù)源自保時(shí)捷。

單渦輪雙渦管：
帶廢氣閥的單流道渦輪增壓器被廣泛的應(yīng)用于汽油機(jī)，也是通常所指的渦輪增壓技術(shù)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸在工作時(shí)，存在進(jìn)氣門和排氣門同時(shí)開(kāi)啟的情況。當(dāng)一個(gè)氣缸氣門重疊時(shí)，點(diǎn)火相鄰的氣缸處于排氣行程。如果這兩個(gè)氣缸排氣管相通，會(huì)形成氣流干擾，導(dǎo)致廢氣流回氣缸，影響氣缸進(jìn)氣量，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率。
單渦輪雙渦管是將將一個(gè)渦輪增壓器的氣流在經(jīng)過(guò)渦管時(shí)分為兩股氣流，分成兩組分別推動(dòng)渦輪工作，每股氣流負(fù)責(zé)幾個(gè)氣缸。以四缸機(jī)為例，在單渦輪雙渦管發(fā)動(dòng)機(jī)中，點(diǎn)火相鄰氣缸排氣管道兩兩分開(kāi)，互不干涉，而且排氣更為充分，可以有效利用廢氣能量，有效緩解渦輪遲滯，顯著提升渦輪性能，動(dòng)力更強(qiáng)，燃油經(jīng)濟(jì)性更佳。采用雙流道可使低端扭矩提高 15%左右，額定扭矩最低轉(zhuǎn)速提前 100～200 r/min，瞬態(tài)加速響應(yīng)時(shí)間縮短15%左右。

雙渦輪增壓：
雙渦輪增壓一般稱為Twin turbo 或Biturbo，雙渦輪增壓是渦輪增壓的方式之一。針對(duì)廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現(xiàn)象，串聯(lián)一大一小兩只渦輪或并聯(lián)兩只同樣的渦輪，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的時(shí)候，較少的排氣即可驅(qū)動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，減小渦輪遲滯效應(yīng)。
在雙渦輪增壓的汽車上會(huì)看到2 組渦輪通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接。并聯(lián)指每組渦輪負(fù)責(zé)引擎半數(shù)汽缸的工作，每組渦輪都是同規(guī)格的；其優(yōu)點(diǎn)是增壓反應(yīng)快并減低管道的復(fù)雜程度。并聯(lián)雙渦輪技術(shù)一般應(yīng)用在6缸以上發(fā)動(dòng)機(jī)上。

串聯(lián)渦輪通常是一大一小兩組渦輪串聯(lián)搭配而成，構(gòu)成所謂的兩級(jí)渦輪增壓，低轉(zhuǎn)時(shí)推動(dòng)反應(yīng)較快的小渦輪，使低轉(zhuǎn)扭力豐厚，高轉(zhuǎn)時(shí)大渦輪介入，提供充足的進(jìn)氣量，功率輸出得以提高。下圖為上汽大通πVGT+WGT兩級(jí)增壓示意圖。

電動(dòng)渦輪增壓器：
電動(dòng)渦輪增壓器是靠電力來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的增壓器。博格華納推出的eBooster電子驅(qū)動(dòng)技術(shù)與渦輪增壓器協(xié)同工作，可根據(jù)需求提供增壓的同時(shí)也能有效避免可察覺(jué)的渦輪遲滯現(xiàn)象。該技術(shù)在不損耗發(fā)動(dòng)機(jī)能耗的前提下，很好地解決了渦輪遲滯現(xiàn)象：發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，排氣流量還帶不動(dòng)渦輪增壓器的葉輪時(shí)，由電機(jī)先驅(qū)動(dòng)電動(dòng)渦輪介入工作，提供增壓。等到排氣流量變大后，通過(guò)廢氣帶動(dòng)另一個(gè)渦輪增壓器介入工作。采用電動(dòng)渦輪增壓器可以消除渦輪遲滯現(xiàn)象，可以在更短的時(shí)間內(nèi)，扭矩達(dá)到最大值，車輛的加速性能和操控感得到顯著提升。
除此以外，eBooster和渦輪增壓器的配合相當(dāng)于兩級(jí)渦輪增壓器。在這個(gè)過(guò)程中，eBooster 在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持 2-3kW 持續(xù)增壓，以輔助渦輪增壓器。不僅可以大大提升發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩，還為發(fā)動(dòng)機(jī)小型化提供更多的可能性，從而降低燃油的消耗量并且降低排放。

2016 年奧迪推出的 SQ7 是世界上第一款搭載電動(dòng)渦輪增壓器的量產(chǎn)車型，該車型搭載了一臺(tái) 4.0TDI V8 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，一共有 3 個(gè)渦輪輔助這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作。兩個(gè)渦輪增壓器和一個(gè)電動(dòng)渦輪共同輔助發(fā)動(dòng)機(jī)做功，該發(fā)動(dòng)機(jī)在 1000rpm時(shí)即可提供 900Nm 的最大扭矩，1-100km/h 加速只需 4.8s，油耗7.4L/100km。

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