清障車(chē)廠(chǎng)家教您認識:渦輪增壓技術(shù)

 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機是依靠渦輪增壓器來(lái)加大發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量的一種發(fā)動(dòng)機，渦輪增壓器(Turbo)實(shí)際上就是一個(gè)空氣壓縮機。它是利用發(fā)動(dòng)機排出的廢氣作為動(dòng)力來(lái)推動(dòng)渦輪室內的渦輪(位于排氣道內)，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪位于進(jìn)氣道內，葉輪就壓縮由空氣濾清器管道送來(lái)的新鮮空氣，再送入氣缸。

    當發(fā)動(dòng)機轉速加快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步加快，空氣壓縮程度就得以加大，發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣量就相應地得到增加，就可以增加發(fā)動(dòng)機的輸出功率了 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機的最大優(yōu)點(diǎn)是它可在不增加發(fā)動(dòng)機排量的基礎上，大幅度提高發(fā)動(dòng)機的功率和扭矩。

    一臺發(fā)動(dòng)機裝上渦輪增壓器后，其輸出的最大功率與未裝增壓器相比，可增加大約40%甚至更多。 如果大家不明白具體渦輪原理的話(huà)，歡迎觀(guān)看下面的原理視頻：雙渦輪增壓 雙渦輪增壓一般稱(chēng)為T(mén)win 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)機低轉速的時(shí)候，較少的排氣即可驅動(dòng)渦輪高速旋轉以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，減小渦輪遲滯效應。 在雙渦輪增壓的汽車(chē)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)指每組渦輪負責引擎半數汽缸的工作，每組渦輪都是同規格的,它的優(yōu)點(diǎn)就是增壓反應快并減低管道的復雜程度。

    串聯(lián)渦輪通常是一大一小兩組渦輪串聯(lián)搭配而成，低轉時(shí)推動(dòng)反應較快的小渦輪，使低轉扭力豐厚，高轉時(shí)大渦輪介入，提供充足的進(jìn)氣量，功率輸出得以提高。單渦輪雙渦管 單渦輪雙渦管可以說(shuō)是寶馬的獨有技術(shù)，單渦輪雙渦管就是將一個(gè)渦輪增壓器的氣流在經(jīng)過(guò)渦管時(shí)分為兩股氣流,每股氣流負責3個(gè)缸.同時(shí)于雙渦輪相比,單渦輪的設計也減低了排氣脈沖相互干擾的情況。單渦輪雙渦管發(fā)動(dòng)機逐漸在寶馬各個(gè)車(chē)系開(kāi)始普及。

    與N54B30的3.0雙渦輪發(fā)動(dòng)機相比，它只采用了一顆經(jīng)過(guò)TwinPower優(yōu)化的單渦輪增壓器，TwinPower簡(jiǎn)單的說(shuō)雙進(jìn)氣道，單渦輪雙渦管就是由雙渦輪的每三個(gè)汽缸驅動(dòng)一個(gè)渦輪進(jìn)化成了每三個(gè)汽缸各自通過(guò)一個(gè)渦輪進(jìn)氣管路共同驅動(dòng)一個(gè)渦輪，從而減輕發(fā)動(dòng)機自重和降低油耗�？勺兘孛鏈u輪為了更好的了解可變截面渦輪的優(yōu)勢，先讓我們分析一下普通渦輪增壓發(fā)動(dòng)機的缺點(diǎn)。

    普通渦輪增壓發(fā)動(dòng)機在全負荷狀態(tài)下時(shí)排氣能量非�？捎^(guān)，但當發(fā)動(dòng)機轉速較低時(shí)，排氣能量卻小的可憐，此時(shí)渦輪增壓器就會(huì )由于驅動(dòng)力不足而無(wú)法達到工作轉速，這樣造成的結果就是，在低轉速時(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)機的動(dòng)力表現甚至會(huì )小于一臺同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機，這就是我們經(jīng)常說(shuō)的“渦輪遲滯”現象。 對于傳統的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，解決渦輪遲滯現象的一個(gè)方法就是使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪，首先，小渦輪會(huì )擁有較小的轉動(dòng)慣量，因此在發(fā)動(dòng)機低轉速時(shí)，在發(fā)動(dòng)機較低轉速下渦輪就能達到最佳的工作轉速，從而有效改善渦輪遲滯的現象。不過(guò)，使用小渦輪也有它的缺點(diǎn)：當發(fā)動(dòng)機高轉速時(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(lái)說(shuō)，雖然高轉速下可以擁有出色增壓效果，發(fā)動(dòng)機也會(huì )擁有更強的動(dòng)力表現，但是低速下渦輪更難以被驅動(dòng)，因此渦輪遲滯也會(huì )更明顯�？勺兘孛鏈u輪增壓的原理 為解決上述矛盾足，讓渦輪增壓發(fā)動(dòng)機在高低轉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)便應運而生。在柴油發(fā)動(dòng)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用。由于汽油發(fā)動(dòng)機的排氣溫度要遠遠高于柴油發(fā)動(dòng)機，達到1000°C左右（柴油發(fā)動(dòng)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用。近年來(lái)，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(kāi)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，保時(shí)捷則將這項技術(shù)稱(chēng)為VTG（Variable Turbine Geometry）可變渦輪葉片技術(shù)。

    『圖中渦輪外圍的紅色葉片就是導流葉片』『一般的渦輪并沒(méi)有導流葉片的結構』 VGT技術(shù)的核心部分就是可調渦流截面的導流葉片，從圖上我們可以看到，渦輪的外側增加了一環(huán)可由電子系統控制角度的導流葉片，導流葉片的相對位置是固定的，但是葉片角度可以調整，在系統工作時(shí)，廢氣會(huì )順著(zhù)導流葉片送至渦輪葉片上，通過(guò)調整葉片角度，控制流過(guò)渦輪葉片的氣體的流量和流速，從而控制渦輪的轉速。當發(fā)動(dòng)機低轉速排氣壓力較低的時(shí)候，導流葉片打開(kāi)的角度較小。根據流體力學(xué)原理，此時(shí)導入渦輪處的空氣流速就會(huì )加快，增大渦輪處的壓強，從而可以更容易推動(dòng)渦輪轉動(dòng)，從而有效減輕渦輪遲滯的現象，也改善了發(fā)動(dòng)機低轉速時(shí)的響應時(shí)間和加速能力。而在隨著(zhù)轉速的提升和排氣壓力的增加，葉片也逐漸增大打開(kāi)的角度，在全負荷狀態(tài)下，葉片則保持全開(kāi)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，由于改變葉片角度能夠對渦輪的轉速進(jìn)行有效控制，這也就實(shí)現對渦輪的過(guò)載保護，因此使用了VGT技術(shù)的渦輪增壓器都不需要設置排氣泄壓閥。 需要指出的是，VGT可變截面渦輪增壓器只能通過(guò)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(huà)，可變截面渦輪的原理會(huì )更加直觀(guān)�！阂灿械膹S(chǎng)商將這項技術(shù)稱(chēng)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(chǎng)的渦輪增壓器銷(xiāo)售冊上也常有標明。A表示Aera區域，指的是渦輪排氣側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(guò)A/R值卻對排氣端渦輪有著(zhù)十分重要的意義。

    導流葉片的開(kāi)度能夠影響導向渦輪葉片的氣流速度，低轉速時(shí)開(kāi)度�。ㄗ髨D），提高空氣流速，高轉速時(shí)開(kāi)度大（右圖），減小排氣負壓 當A/R值越小時(shí)，表示廢氣通過(guò)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速區域取得較高的增壓，而發(fā)動(dòng)機高轉速時(shí)則會(huì )產(chǎn)生較大的排氣背壓，使高轉速時(shí)功率受到限制。反之，當A/R值越大時(shí)，渦輪的響應速度就越慢，低轉速時(shí)渦輪遲滯明顯，不過(guò)在高轉速時(shí)，擁有較小的排氣背壓，且能夠更好的利用排氣能量，從而獲得更強的動(dòng)力表現。 而VGT技術(shù)所實(shí)現的截面可變就是指改變A值。當葉片角度較小時(shí)，排氣入口的橫切面積便會(huì )相應減小，因此A值會(huì )隨之變化，從而擁有小渦輪響應快的特點(diǎn)。而當葉片角度增大時(shí)，A值隨之增大，這時(shí)A/R值增大，從而在高轉速下獲得更強的動(dòng)力輸出�？偠�言之，透過(guò)變更葉片的角度，VTG系統可隨時(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。 盡管結構和原理都很簡(jiǎn)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(zhù)，在目前主流的渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機上，這項技術(shù)已經(jīng)得到了非常普遍的應用。不過(guò)，由于硬件材質(zhì)的限制，這項技術(shù)在排氣溫度較高的汽油發(fā)動(dòng)機上才剛剛起步，保時(shí)捷和博格華納的合作可以說(shuō)開(kāi)創(chuàng )了先河。不過(guò)，隨著(zhù)材料科技的進(jìn)步，這項技術(shù)在未來(lái)的汽油發(fā)動(dòng)機上必將會(huì )得到更廣泛的應用。泄壓閥 當一輛改裝車(chē)從身旁飛馳而過(guò)，我們時(shí)常會(huì )聽(tīng)到“嗡嗡……”的一段發(fā)動(dòng)機加速聲音后，又傳來(lái)“呲……”的一聲——這給人讓人傳遞了沖勁十足的感覺(jué)。這聲音是從那里傳來(lái)的？為什么普通民用車(chē)，或者一些高性能跑車(chē)上都沒(méi)有這樣的聲音（而一些普通的改裝車(chē)卻有）？ 其實(shí)這種特有的“呲……”聲是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機的卸壓閥在卸壓時(shí)所發(fā)出的聲音，可以說(shuō)，所有的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機都會(huì )產(chǎn)生這種聲音，只不過(guò)對于日常民用車(chē)而言，廠(chǎng)家在設計時(shí)會(huì )將這種聲音作為噪音來(lái)處理，盡可能地將它降低。做法是將壓力泄到進(jìn)氣歧管內，因此噪音很小——這種泄壓方式叫做內泄式。對于裝配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機的普通民用車(chē)而言，不仔細聽(tīng)一般都無(wú)法覺(jué)察到有卸壓時(shí)的“呲呲”聲。這就好比對于普通民用車(chē)，發(fā)動(dòng)機噪音和隆隆的排氣聲是屬于負面參數（而高性能車(chē)有時(shí)則可以強調這種聲音），原廠(chǎng)設計時(shí)盡可能的將這種聲音消除。而對于喜歡駕駛樂(lè )趣的車(chē)友，這種聲音則成了激發(fā)其駕駛激情的催化劑（我們經(jīng)�？匆�(jiàn)很多車(chē)的排氣管被改得像炮筒一般，聲音也隆隆的震天響）。 除了激發(fā)駕駛激情以外，“炫”也是改裝的訴求之一，很多人希望將自己的車(chē)改得像超高性能車(chē)，即便車(chē)子動(dòng)力并不是特別強。一般來(lái)說(shuō)，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機發(fā)出 “呲、呲”聲的大小是與增壓強度相關(guān)的——大渦輪增壓器更容易發(fā)出這樣的聲音。因此如果這種聲音比較大，可以顯得這臺車(chē)的增壓器較大，讓人有很炫的感覺(jué)。 許多改裝發(fā)燒友也是出于這個(gè)目的，把自己民用車(chē)發(fā)動(dòng)機（如寶來(lái)1.8T、帕薩特1.8T）的內泄式泄壓改成了外泄式，并進(jìn)一步加大“呲”聲，其道理與炮筒式的排氣管很類(lèi)似。那么，為什么渦輪增壓發(fā)動(dòng)機會(huì )發(fā)出這樣的聲音呢？ 當我們踏下油門(mén)踏板加速時(shí)，節氣門(mén)打開(kāi)，發(fā)動(dòng)機排出高溫高壓的廢氣能量推動(dòng)廢氣渦輪旋轉，當達到渦輪增壓器工作時(shí)的轉速（也就是使渦輪旋轉在每分鐘10萬(wàn)轉以上時(shí)），渦輪增壓器才將周?chē)�的空氣進(jìn)行壓縮，使發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量增加、提升發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性�！篐KS外排式泄壓閥』 在當我們收油時(shí)，節氣門(mén)開(kāi)度迅速減小直至處于關(guān)閉的怠速狀態(tài)，也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機不需要進(jìn)氣了，或者說(shuō)進(jìn)氣管中的氣流會(huì )在節氣閥處受阻。但此時(shí)此刻渦輪增壓器并沒(méi)有停止工作！由于慣性，渦輪增壓器仍然保持在每分鐘10萬(wàn)轉以上的轉速繼續旋轉著(zhù)�，F在可以想象，此時(shí)的空氣仍然繼續被源源不斷地壓縮進(jìn)入進(jìn)氣管中，如果在進(jìn)氣管中這部分高壓空氣不能被及時(shí)排走，就會(huì )使進(jìn)氣管中壓力迅速升高，有可能造成節氣門(mén)損害或進(jìn)氣管爆裂�！盒箟洪y安裝在進(jìn)氣管中』 這時(shí)，就需要在進(jìn)氣管道中加裝一個(gè)卸壓裝置，來(lái)卸掉管道中來(lái)自進(jìn)氣渦輪壓縮后的多余高壓空氣。實(shí)際上泄壓閥就是安裝在進(jìn)氣管上一個(gè)閥門(mén)，用以控制增壓壓力。

    泄壓閥的開(kāi)閉由ECU（電子控制單元）操縱的電磁線(xiàn)圈控制。ECU會(huì )根據渦輪出口增壓的壓力高低來(lái)做出判斷，一旦壓力超過(guò)臨界值時(shí)，就會(huì )對電磁線(xiàn)圈進(jìn)行通電或斷電控制，從而開(kāi)啟或關(guān)閉泄壓閥。 當卸壓閥關(guān)閉時(shí)以保證進(jìn)氣管內有足夠的進(jìn)氣壓力為依據，當閥門(mén)打開(kāi)能將多余的氣體泄到大氣中，減輕進(jìn)氣道內壓力，保護發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣管道。所以我們聽(tīng)到改裝車(chē)上的“呲、呲”聲就是泄壓閥在泄壓排氣時(shí)的聲音。 事實(shí)上，改裝車(chē)上發(fā)出的“呲、呲”聲對于提升發(fā)動(dòng)機性能提升沒(méi)有任何意義，只不過(guò)能渲染出一種增壓值很大的假象。相對來(lái)說(shuō)，增壓值越大的發(fā)動(dòng)機，這種泄壓閥泄壓排出的空氣也就越多，理論上產(chǎn)生的噪音也就越大。而改裝車(chē)的時(shí)候，將泄壓閥泄壓時(shí)的聲音進(jìn)行放大，就像采用大炮筒排氣管一樣——動(dòng)靜很酷，卻沒(méi)有什么實(shí)際效果。