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)是通過優(yōu)化進(jìn)氣方式提高發(fā)動機(jī)熱效率的重要技術(shù)之一，隨著節(jié)能趨勢加嚴(yán)，發(fā)動機(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，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5200萬輛。
渦輪增壓技術(shù)經(jīng)過多年的進(jìn)步和不斷升級，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)動機(jī)在全負(fù)荷狀態(tài)下時排氣能量非?？捎^，但當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，排氣能量小，渦輪增壓器會由于驅(qū)動力不足而無法達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，不能發(fā)揮作用，此時渦輪增壓發(fā)動機(jī)的動力表現(xiàn)甚至?xí)∮谝慌_同排量的自然吸氣發(fā)動機(jī)，即“渦輪遲滯”現(xiàn)象。
對于傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動機(jī)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(jī)低轉(zhuǎn)速時，在發(fā)動機(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)動機(jī)高轉(zhuǎn)速時，小渦輪由于排氣截面較小，會使排氣阻力增加，因此發(fā)動機(jī)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(jī)也會擁有更強(qiáng)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。
為解決上述矛盾，讓渦輪增壓發(fā)動機(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改變沖向渦輪葉片的廢氣流向和流速來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。同時使得瞬態(tài)加速響應(yīng)時間縮短至少30%。大眾最新的1.5TSI發(fā)動機(jī)就搭載了VTG可變截面增壓器，技術(shù)源自保時捷。

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)動機(jī)氣缸在工作時，存在進(jìn)氣門和排氣門同時開啟的情況。當(dāng)一個氣缸氣門重疊時，點(diǎn)火相鄰的氣缸處于排氣行程。如果這兩個氣缸排氣管相通，會形成氣流干擾，導(dǎo)致廢氣流回氣缸，影響氣缸進(jìn)氣量，從而影響發(fā)動機(jī)功率。
單渦輪雙渦管是將將一個渦輪增壓器的氣流在經(jīng)過渦管時分為兩股氣流，分成兩組分別推動渦輪工作，每股氣流負(fù)責(zé)幾個氣缸。以四缸機(jī)為例，在單渦輪雙渦管發(fā)動機(jī)中，點(diǎn)火相鄰氣缸排氣管道兩兩分開，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)動機(jī)低轉(zhuǎn)速的時候，較少的排氣即可驅(qū)動渦輪高速旋轉(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看到2 組渦輪通過串聯(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)成所謂的兩級渦輪增壓，低轉(zhuǎn)時推動反應(yīng)較快的小渦輪，使低轉(zhuǎn)扭力豐厚，高轉(zhuǎn)時大渦輪介入，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兩級增壓示意圖。

電動渦輪增壓器：
電動渦輪增壓器是靠電力來驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)的增壓器。博格華納推出的eBooster電子驅(qū)動技術(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也能有效避免可察覺的渦輪遲滯現(xiàn)象。該技術(shù)在不損耗發(fā)動機(jī)能耗的前提下，很好地解決了渦輪遲滯現(xiàn)象：發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，排氣流量還帶不動渦輪增壓器的葉輪時，由電機(jī)先驅(qū)動電動渦輪介入工作，提供增壓。等到排氣流量變大后，通過廢氣帶動另一個渦輪增壓器介入工作。采用電動渦輪增壓器可以消除渦輪遲滯現(xiàn)象，可以在更短的時間內(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)于兩級渦輪增壓器。在這個過程中，eBooster 在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時保持 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)動機(jī)在各個轉(zhuǎn)速時的扭矩，還為發(fā)動機(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渦輪增壓器的量產(chǎn)車型，該車型搭載了一臺 4.0TDI V8 柴油發(fā)動機(jī)，一共有 3 個渦輪輔助這臺發(fā)動機(jī)工作。兩個渦輪增壓器和一個電動渦輪共同輔助發(fā)動機(jī)做功，該發(fā)動機(jī)在 1000rpm時即可提供 900Nm 的最大扭矩，1-100km/h 加速只需 4.8s，油耗7.4L/100km。

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