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  來源：Che168  類型：轉(zhuǎn)載  編輯：胡正暘    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

2、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

3、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TSI發(fā)動機的小尺寸渦輪擁有較低的啟動慣量   

4、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

5、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1000°C左右（柴油發(fā)動機為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

6、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

7、。 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    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

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

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，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

10、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)速時開度小（如上左圖），提高空氣流速，高轉(zhuǎn)速時開度大（如上右圖），減小排氣負壓    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變A值。當(dāng)葉片角度較小時，排氣入口的橫切面積便會相應(yīng)減小，因此A值會隨之變化，從而擁有小渦輪響應(yīng)快的特點。而當(dāng)葉片角度增大時，A值隨之增大，這時A/R值增大，從而在高轉(zhuǎn)速下獲得更強的動力輸出?？偠灾?，透過變更葉片的角度，VTG系統(tǒng)可隨時改變排氣渦輪的A/R值，從而兼顧大/小渦輪的優(yōu)勢特性?？偨Y(jié)：