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專家指南:渦輪增壓器的原理和作用

發布時間:2016-10-03

渦輪增壓發動機是依靠渦輪增壓器來加大發動機進氣量的一種發動機,渦輪增壓器(Turbo)實際上就是一個空氣壓縮機。它是利用發動機排出的廢氣作為動力來推動渦輪室內的渦輪(位于排氣道內),渦輪又帶動同軸的葉輪位于進氣道內,葉輪就壓縮由空氣濾清器管道送來的新鮮空氣,再送入氣缸。當發動機轉速加快,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,發動機的進氣量就相應地得到增加,就可以增加發動機的輸出功率了。


渦輪增壓發動機的最大優點是它可在不增加發動機排量的基礎上,大幅度提高發動機的功率和扭矩。一臺發動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。



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象,串聯一大一小兩只渦輪或并聯兩只同樣的渦輪,在發動機低轉速的時候,較少的排氣即可驅動渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力,減小渦輪遲滯效應。

在雙渦輪增壓的汽車上會看到2組渦輪通過串聯或者并聯的方式連接。并聯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,它的優點就是增壓反應快并減低管道的復雜程度。

串聯渦輪通常是一大一小兩組渦輪串聯搭配而成,低轉時推動反應較快的小渦輪,使低轉扭力豐厚,高轉時大渦輪介入,提供充足的進氣量,功率輸出得以提高。

單渦輪雙渦管

單渦輪雙渦管可以說是寶馬的獨有技術,單渦輪雙渦管就是將一個渦輪增壓器的氣流在經過渦管時分為兩股氣流,每股氣流負責3個缸.同時于雙渦輪相比,單渦輪的設計也減低了排氣脈沖相互干擾的情況。單渦輪雙渦管發動機逐漸在寶馬各個車系開始普及。
與N54B30的3.0雙渦輪發動機相比,它只采用了一顆經過TwinPower優化的單渦輪增壓器,TwinPower簡單的說雙進氣道,單渦輪雙渦管就是由雙渦輪的每三個汽缸驅動一個渦輪進化成了每三個汽缸各自通過一個渦輪進氣管路共同驅動一個渦輪,從而減輕發動機自重和降低油耗。

可變截面渦輪

為了更好的了解可變截面渦輪的優勢,先讓我們分析一下普通渦輪增壓發動機的缺點。

普通渦輪增壓發動機在全負荷狀態下時排氣能量非??捎^,但當發動機轉速較低時,排氣能量卻小的可憐,此時渦輪增壓器就會由于驅動力不足而無法達到工作轉速,這樣造成的結果就是,在低轉速時,渦輪增壓器并不能發揮作用,這時候渦輪增壓發動機的動力表現甚至會小于一臺同排量的自然吸氣發動機,這就是我們經常說的“渦輪遲滯”現象。

對于傳統的渦輪增壓發動機來說,解決渦輪遲滯現象的一個方法就是使用小尺寸的輕質渦輪,首先,小渦輪會擁有較小的轉動慣量,因此在發動機低轉速時,在發動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,使用小渦輪也有它的缺點:當發動機高轉速時,小渦輪由于排氣截面較小,會使排氣阻力增加(產生排氣回壓),因此發動機最大功率和最大扭矩會受到一定的影響。而對于產生回壓較小的大渦輪來說,雖然高轉速下可以擁有出色增壓效果,發動機也會擁有更強的動力表現,但是低速下渦輪更難以被驅動,因此渦輪遲滯也會更明顯。

可變截面渦輪增壓的原理

為解決上述矛盾足,讓渦輪增壓發動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便應運而生。在柴油發動機領域,VGT可變截面渦輪增壓技術早已得到了很廣泛的應用。由于汽油發動機的排氣溫度要遠遠高于柴油發動機,達到1000°C左右(柴油發動機為400°C左右),而VGT所使用的硬件材質很難承受如此高溫的環境,因此這項技術也遲遲未能在汽油機上應用。近年來,博格華納與保時捷聯手克服了這個難題,使用了耐高溫的航空材料技術,從而成功開發出了首款搭載可變截面渦輪增壓器的汽油發動機,保時捷則將這項技術稱為VTG(Variable Turbine Geometry)可變渦輪葉片技術。

VGT技術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,廢氣會順著導流葉片送至渦輪葉片上,通過調整葉片角度,控制流過渦輪葉片的氣體的流量和流速,從而控制渦輪的轉速。當發動機低轉速排氣壓力較低的時候,導流葉片打開的角度較小。根據流體力學原理,此時導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動,從而有效減輕渦輪遲滯的現象,也改善了發動機低轉速時的響應時間和加速能力。而在隨著轉速的提升和排氣壓力的增加,葉片也逐漸增大打開的角度,在全負荷狀態下,葉片則保持全開的狀態,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行有效控制,這也就實現對渦輪的過載保護,因此使用了VGT技術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。

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。


導流葉片的開度能夠影響導向渦輪葉片的氣流速度,低轉速時開度?。ㄗ髨D),提高空氣流速,高轉速時開度大(右圖),減小排氣負壓當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速區域取得較高的增壓,而發動機高轉速時則會產生較大的排氣背壓,使高轉速時功率受到限制。反之,當A/R值越大時,渦輪的響應速度就越慢,低轉速時渦輪遲滯明顯,不過在高轉速時,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。

而VGT技術所實現的截面可變就是指改變A值。當葉片角度較小時,排氣入口的橫切面積便會相應減小,因此A值會隨之變化,從而擁有小渦輪響應快的特點。而當葉片角度增大時,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系統可隨時改變排氣渦輪的A/R值,從而兼顧大/小渦輪的優勢特性。

盡管結構和原理都很簡單,但VGT可變截面渦輪技術對于增壓效果的提升非常顯著,在目前主流的渦輪增壓柴油發動機上,這項技術已經得到了非常普遍的應用。不過,由于硬件材質的限制,這項技術在排氣溫度較高的汽油發動機上才剛剛起步,保時捷和博格華納的合作可以說開創了先河。不過,隨著材料科技的進步,這項技術在未來的汽油發動機上必將會得到更廣泛的應用。

泄壓閥

當一輛改裝車從身旁飛馳而過,我們時常會聽到“嗡嗡……”的一段發動機加速聲音后,又傳來“呲……”的一聲——這給人讓人傳遞了沖勁十足的感覺。這聲音是從那里傳來的?為什么普通民用車,或者一些高性能跑車上都沒有這樣的聲音(而一些普通的改裝車卻有)?

其實這種特有的“呲……”聲是渦輪增壓發動機的卸壓閥在卸壓時所發出的聲音,可以說,所有的渦輪增壓發動機都會產生這種聲音,只不過對于日常民用車而言,廠家在設計時會將這種聲音作為噪音來處理,盡可能地將它降低。做法是將壓力泄到進氣歧管內,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動機的普通民用車而言,不仔細聽一般都無法覺察到有卸壓時的“呲呲”聲。這就好比對于普通民用車,發動機噪音和隆隆的排氣聲是屬于負面參數(而高性能車有時則可以強調這種聲音),原廠設計時盡可能的將這種聲音消除。而對于喜歡駕駛樂趣的車友,這種聲音則成了激發其駕駛激情的催化劑(我們經??匆姾芏嘬嚨呐艢夤鼙桓牡孟衽谕惨话?,聲音也隆隆的震天響)。

除了激發駕駛激情以外,“炫”也是改裝的訴求之一,很多人希望將自己的車改得像超高性能車,即便車子動力并不是特別強。一般來說,渦輪增壓發動機發出 “呲、呲”聲的大小是與增壓強度相關的——大渦輪增壓器更容易發出這樣的聲音。因此如果這種聲音比較大,可以顯得這臺車的增壓器較大,讓人有很炫的感覺。

許多改裝發燒友也是出于這個目的,把自己民用車發動機(如寶來1.8T、帕薩特1.8T)的內泄式泄壓改成了外泄式,并進一步加大“呲”聲,其道理與炮筒式的排氣管很類似。那么,為什么渦輪增壓發動機會發出這樣的聲音呢?

當我們踏下油門踏板加速時,節氣門打開,發動機排出高溫高壓的廢氣能量推動廢氣渦輪旋轉,當達到渦輪增壓器工作時的轉速(也就是使渦輪旋轉在每分鐘10萬轉以上時),渦輪增壓器才將周圍的空氣進行壓縮,使發動機進氣量增加、提升發動機的動力性。

『HKS外排式泄壓閥』

在當我們收油時,節氣門開度迅速減小直至處于關閉的怠速狀態,也就是說發動機不需要進氣了,或者說進氣管中的氣流會在節氣閥處受阻。但此時此刻渦輪增壓器并沒有停止工作!由于慣性,渦輪增壓器仍然保持在每分鐘10萬轉以上的轉速繼續旋轉著?,F在可以想象,此時的空氣仍然繼續被源源不斷地壓縮進入進氣管中,如果在進氣管中這部分高壓空氣不能被及時排走,就會使進氣管中壓力迅速升高,有可能造成節氣門損害或進氣管爆裂。

『泄壓閥安裝在進氣管中』

這時,就需要在進氣管道中加裝一個卸壓裝置,來卸掉管道中來自進氣渦輪壓縮后的多余高壓空氣。實際上泄壓閥就是安裝在進氣管上一個閥門,用以控制增壓壓力。泄壓閥的開閉由ECU(電子控制單元)操縱的電磁線圈控制。ECU會根據渦輪出口增壓的壓力高低來做出判斷,一旦壓力超過臨界值時,就會對電磁線圈進行通電或斷電控制,從而開啟或關閉泄壓閥。

當卸壓閥關閉時以保證進氣管內有足夠的進氣壓力為依據,當閥門打開能將多余的氣體泄到大氣中,減輕進氣道內壓力,保護發動機進氣管道。所以我們聽到改裝車上的“呲、呲”聲就是泄壓閥在泄壓排氣時的聲音。

事實上,改裝車上發出的“呲、呲”聲對于提升發動機性能提升沒有任何意義,只不過能渲染出一種增壓值很大的假象。相對來說,增壓值越大的發動機,這種泄壓閥泄壓排出的空氣也就越多,理論上產生的噪音也就越大。而改裝車的時候,將泄壓閥泄壓時的聲音進行放大,卻沒有什么實際效果。


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