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VTG、TSI、TwinTurbo三大涡轮技术

发布时间:2012-5-21

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。

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。

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。

大众TSI
解决方案说明:
    为解决传统废气涡轮增压技术固有的缺点,大众把废气涡轮增压以及机械增压技术相结合,辅以燃油分层喷注技术,开发出了TSI发动机。实现了发动机轻量化、小排量高输出以及低转速高响应性。
    机械增压的压缩机直接由发动机曲轴通过皮带带动。使用机械增压的发动机具有响应性好、低转扭力输出范围广等特点。但是机械增压器在高转速时会产生很大的摩擦,能量损失明显,不能应用于高转速发动机。
    机械增压的特性刚好弥补了涡轮增压发动机在低转速时的固有缺点。两者结合以后,发动机在各转速范围都能提供非常好的功率和扭矩输出。发动机性能和经济性都上了一个新的台阶。

TSI发动机所采用的废气涡轮以及机械增压器都是标准产品,没有经过特别的结构改造。通过电子系统根据不同转速对废气涡轮以及机械增压器介入工作时间进行控制,发挥这两种增压技术的各自优势,最终实现在宽转速范围的最大动力输出

具体来说,TSI的涡轮是根据以下逻辑进行动作的:
    1.在低转速时,由于废气涡轮的迟滞效应,大部分的增压压力都由机械增压器产生。发动机低转响应性更好,废气涡轮增压器的启动更加平顺。
    2.当转速达到1500rpm时,两个增压器同时产生作用,总增压值达到2.5bar。随着转速提高,废气涡轮增压器使发动机获得更大的动力,而机械增压器由于摩擦的增大,增压效果逐渐降低。
    3.当转速超过3500rpm时,发动机管理系统控制电磁离合器分离,使得机械增压器退出工作,减少摩擦损耗。此时,废气涡轮增压器完全提供发动机的增压压力。

国外销售的那款小巧的1.4TSI发动机,最大功率在6000转时达到125kw,最大扭矩在1750-4500转的范围内达到240Nm。相当于一台2.3升自然吸气发动机的动力输出。在油耗上,则比2.3升自然吸气发动机降低20%。
    大众利用了取长补短的方法,完善了增压发动机系统,树立了低转速高扭力、高转速大功率的涡轮技术里程碑。

宝马TwinTurbo
解决方案说明:
    宝马一直倡导自然吸气发动机技术,强调油门响应性。通过先进的电子发动机管理系统,VANOS正时技术以及ValveTronic无级气门扬程控制系统调教出了世界上最平顺,响应性最好的直列六缸发动机。
    但在涡轮时代到来之际,这家经典的豪华性能车厂商也按耐不住寂寞,在以新七系(F02)为首新一代车型上,清一色搭配了涡轮增压发动机。难道宝马就这样轻易放弃自己的传统?
    非也。宝马新的涡轮增压发动机系统具有宝马独有的特性,强调发动机高平顺性、油门高响应性以及高转速的高功率输出。为达到这样一个指标,宝马采用了一些列独特的新技术:

    1.两个轻质小涡轮。提高低转速响应性。
    2.废气旁通阀。代替了传统废气涡轮系统的放气阀,用以控制涡轮转速。
    3.循环减压阀。减少节气门关闭时,增压压力峰值产生,降低发动机噪音。
    4.缸内直喷,均质燃烧,经过优化的喷射逻辑。

宝马的TwinTurbo技术是在传统涡轮增压技术上改进而来的。对涡轮转速的控制采用的是排气旁通阀,以取代传统废气涡轮的放气阀。
    低转速或者怠速的时候,排气旁通阀完全关闭,所有的废气通过两个轻质小涡轮,获得最大的增压效果,提高低转速下油门响应性以及动力输出。
    在发动机满负荷的情况下,通过部分打开排气旁通阀以获得一个比较恒定的增压压力,不增加耗油量。
    涡轮增压和缸内直喷一般是相伴而生的,宝马的涡轮增压系统也不例外。宝马的缸内直喷技术采用的是均质燃烧模式以获得更好尾气排放指标。在喷射逻辑上,根据不同的发动机工况采取不同的多次喷射技术,即一个发动机点火循环中进行多次喷射,更高效地形成混合气

最后,说一下循环减压阀。当节气门突然关闭的情况下(紧急收油或断油),节气门前后压力差超过0.3bar,机械气压式循环减压阀就会打开,高压气体泄压到进气管低压侧(未经增压的空气侧)。循环减压阀减少过压对发动机部件的危害,同时减少了发动机噪音。

编辑点评:
    由于缸内直喷技术的引入,新款的N54涡轮增压发动机不再配备ValveTronic机构,简化了发动机结构,使得整个发动机系统更加简洁高效。宝马不像大众的增压技术那样用复杂的结构获得高功率大扭矩。而是用最简单的结构获得良好的响应性以及充足的动力。
    继承宝马直列六缸发动机的先进技术,在涡轮的作用下,宝马的新款涡轮增压发动机在保持良好响应性和平顺性的同时,也具有充沛的动力输出。虽然在动力上和VTG以及TSI相比稍有不足,但是简单的机械结构以及宝马发动机一贯的良好相应性还是受到不少宝马迷青睐的。

总结:
    新技术总是带给人激情。以上提到的这些新型涡轮增压技术都是业界出色的设计,大家在了解其技术的同时其实也在了解一个企业的文化。激情的保时捷、严谨的大众、优雅的宝马,这些企业文化在其产品的方方面面都表现得淋漓尽致。如果各位网友有什么想了解的汽车技术,不防留言告诉我们。我们将会竭尽全力为你带来最深入的技术剖析。

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