VTG、TSI、TwinTurbo三大涡轮技术分析

VTG、TSI、TwinTurbo三大涡轮技术分析

汽车知识常识百科2021-11-10 10:17:5619A+A-

前言:
    早在1905年,Alffred Buchi博士申请了第一款涡轮增压器的专利——动力驱动的轴向增压器。这就是现今汽车上大行其道的涡轮增压器技术的始祖。1977年北欧瑞典的Saab萨博公司在其生产的萨博99汽车上使用了涡轮增压技术,标志着涡轮增压技术真正走向成熟。涡轮增压技术的商用,标志着汽车工业走向一个新的时代。也改写了汽车业“排量决定功率”的传统认识。
    简单说来,涡轮增压技术通过向汽缸中“灌”进更多的空气,让更多的汽油能够燃烧从而产生更大的功率。实现了小排量发动机产生大功率的效果。由于发动机的排量减少了,发动机的质量也相应减小,虽然每次发动机点火烧掉的汽油多了,但是由于整车质量的减少也进一步减少了油耗。
    随着流体力学以及计算机模拟技术的发展,缸内直喷、分层喷注、稀薄燃烧等技术的逐渐成熟。这也使得涡轮增压发动机逐渐显现出其体积小、重量轻、功率大、油耗低的优势。

传统涡轮的性能弱点:
    传统废弃涡轮增压器并不是完美的。在使用的过程中会出现很多不尽人意的地方:
    1.涡轮具有质量,因此涡轮的惯性制约了涡轮在低转速的性能。这也是人们熟知的“涡轮延迟”(“turbo lag”).
    2.当发动机运行在极高转速,涡轮进气端进气量跟不上而导致进气侧涡轮进口处产生因气流分离形成的震动。我们把这种剧烈的震荡叫做“涡轮喘震”。
    以上是传统涡轮两个最大的技术难题。随着涡轮技术开发的深入,各大汽车生产商都针对涡轮的固有弱点提出了自己的解决方案。本文为大家介绍比较典型的3种涡轮增压改进技术——
保时捷的VTG(Variable Turbine Geometry,即可变涡轮叶片)、宝马的TwinTurbo(双涡轮)、大众的TSI(Twincharger Fuel Stratified Injection,涡轮增压、机械增压和燃油分层喷注)。

注解:
    1.国内和国外的TSI发动机虽然都用“TSI”标注,但是它们本质上有很大的区别。具体请看这篇文章:国内外TSI发动机大不同
    2.保时捷把可变涡轮叶片技术叫做VTG,其他厂商把同一种技术叫做VGT(Variable Geometry Turbocharger,即可变截面涡轮增压)。之所以保时捷具有领先性,是因为保时捷是首个把可变涡轮叶片技术应用在排气温度较高(高达1000摄氏度)的汽油发动机上的厂商,而其他厂商只是把这种技术应用在普通的柴油增压发动机(排气温度相对较低)上。这可能就是保时捷把这种技术叫做“VTG”而不是“VGT”的原因。

新型涡轮增压技术解析:
保时捷VTG
解决方案说明:
    VTG是Variable Turbine Geometry的缩写,中文意思是可变几何形状的涡轮叶片。顾名思义,搭载VTG技术的涡轮,其涡轮叶片的几何形状是可变的。通过不同工况下(通常是转速)改变排气侧涡轮叶片的几何形状,从而减少涡轮增压器的延迟现象。

vtg
(VTG涡轮的解剖图,红色部分就是可变导向叶片)

结构分析和工作原理:
    所谓的可变涡轮叶片并不是说涡轮的刚性叶片能够随意改变形状。VTG技术在涡轮的外侧加了一环可通过电子系统控制角度的叶片,把发动机排出的废气导向到排气侧的涡轮叶片上。

VTG
(不同转速下,导向叶片角度不同,精确控制涡轮转速)

    当发动机的转速较低的时候,废气压力较低,导流叶片打开角度较小,根据流体力学原理,在导向叶片出口处的气流速度会增加,到达涡轮排气侧叶片上的气体压强会增大,从而能够提高发动机低转速下涡轮的转速,减轻“涡轮延迟”现象。
    随着发动机的转速的提高,导向叶片的角度逐渐变大。当发动机达到最大负荷的时候,导向叶片完全打开,与排气侧主体涡轮形成一个更大的叶片,达到大涡轮的输出效果。
    VTG技术通过导向叶片改变废气作用在排气侧涡轮叶片上的压力,控制涡轮的转速,从而控制涡轮的增压压力。由于涡轮转速得到控制,增压压力也得到了控制,采用VTG技术的发动机不再需要传统废气涡轮增压发动机的放气阀(Blow off valve)。

编辑点评:
    VTG技术最早出现在增压柴油发动机上。由于柴油发动机的排气温度较汽油发动机低,因此VTG技术得到较好的应用。而汽油发动机的排气温度高达1000摄氏度,对VTG材料的要求极高。保时捷为了解决此问题,与Borg Warner Turbo Systems合作,并且采用太空科技的抗高温材质,终于让VTG在汽油发动机上面得以实现。
    搭载VTG技术的911 GT2,能输出353kw的功率。在1950rpm到5000rpm如此宽的转速范围都可输出高达620Nm的巨大扭矩。由此可见VTG显著的成效。


点击这里复制本文地址 以上内容由常识百科整理发布,请务必在转载分享时注明本文地址!如有内容侵权,请联系删除!
本站内容仅以知识传播为主,请自行辨别部分内容真伪!

常识百科 © All Rights Reserved.  
关于本站 | 网站标签 | 网站地图 | 百度地图