VTG、TSI、TwinTurbo三大渦輪技術(shù)分析

　　前言：

　　早在1905年，Alffred Buchi博士申請了第一款渦輪增壓器的專(zhuān)利——動(dòng)力驅動(dòng)的軸向增壓器。這就是現今汽車(chē)上大行其道的渦輪增壓器技術(shù)的始祖。1977年北歐瑞典的Saab薩博公司在其生產(chǎn)的薩博99汽車(chē)上使用了渦輪增壓技術(shù)，標志著(zhù)渦輪增壓技術(shù)真正走向成熟。渦輪增壓技術(shù)的商用，標志著(zhù)汽車(chē)工業(yè)走向一個(gè)新的時(shí)代。也改寫(xiě)了汽車(chē)業(yè)“排量決定功率”的傳統認識。

　　簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，渦輪增壓技術(shù)通過(guò)向汽缸中“灌”進(jìn)更多的空氣，讓更多的汽油能夠燃燒從而產(chǎn)生更大的功率。實(shí)現了小排量發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生大功率的效果。由于發(fā)動(dòng)機的排量減少了，發(fā)動(dòng)機的質(zhì)量也相應減小，雖然每次發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火燒掉的汽油多了，但是由于整車(chē)質(zhì)量的減少也進(jìn)一步減少了油耗。

　　隨著(zhù)流體力學(xué)以及計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，缸內直噴、分層噴注、稀薄燃燒等技術(shù)的逐漸成熟。這也使得渦輪增壓發(fā)動(dòng)機逐漸顯現出其體積小、重量輕、功率大、油耗低的優(yōu)勢。

　　傳統渦輪的性能弱點(diǎn)：

　　傳統廢棄渦輪增壓器并不是完美的。在使用的過(guò)程中會(huì )出現很多不盡人意的地方：

　　1.渦輪具有質(zhì)量，因此渦輪的慣性制約了渦輪在低轉速的性能。這也是人們熟知的“渦輪延遲”（“turbo lag”）.

　　2.當發(fā)動(dòng)機運行在極高轉速，渦輪進(jìn)氣端進(jìn)氣量跟不上而導致進(jìn)氣側渦輪進(jìn)口處產(chǎn)生因氣流分離形成的震動(dòng)。我們把這種劇烈的震蕩叫做“渦輪喘震”。

　　以上是傳統渦輪兩個(gè)最大的技術(shù)難題。隨著(zhù)渦輪技術(shù)開(kāi)發(fā)的深入，各大汽車(chē)生產(chǎn)商都針對渦輪的固有弱點(diǎn)提出了自己的解決方案。本文為大家介紹比較典型的3種渦輪增壓改進(jìn)技術(shù)——保時(shí)捷的VTG（Variable Turbine Geometry，即可變渦輪葉片）、寶馬的TwinTurbo(雙渦輪)、大眾的TSI(Twincharger Fuel Stratified Injection，渦輪增壓、機械增壓和燃油分層噴注)。

　　注解：

　　保時(shí)捷把可變渦輪葉片技術(shù)叫做VTG，其他廠(chǎng)商把同一種技術(shù)叫做VGT(Variable Geometry Turbocharger，即可變截面渦輪增壓)。之所以保時(shí)捷具有領(lǐng)先性，是因為保時(shí)捷是首個(gè)把可變渦輪葉片技術(shù)應用在排氣溫度較高（高達1000攝氏度）的汽油發(fā)動(dòng)機上的廠(chǎng)商，而其他廠(chǎng)商只是把這種技術(shù)應用在普通的柴油增壓發(fā)動(dòng)機（排氣溫度相對較低）上。這可能就是保時(shí)捷把這種技術(shù)叫做“VTG”而不是“VGT”的原因。

　　新型渦輪增壓技術(shù)解析：

　　保時(shí)捷VTG

　　解決方案說(shuō)明：

　　VTG是Variable Turbine Geometry的縮寫(xiě)，中文意思是可變幾何形狀的渦輪葉片。顧名思義，搭載VTG技術(shù)的渦輪，其渦輪葉片的幾何形狀是可變的。通過(guò)不同工況下（通常是轉速）改變排氣側渦輪葉片的幾何形狀，從而減少渦輪增壓器的延遲現象。

（VTG渦輪的解剖圖，紅色部分就是可變導向葉片）

　　結構分析和工作原理：

　　所謂的可變渦輪葉片并不是說(shuō)渦輪的剛性葉片能夠隨意改變形狀。VTG技術(shù)在渦輪的外側加了一環(huán)可通過(guò)電子系統控制角度的葉片，把發(fā)動(dòng)機排出的廢氣導向到排氣側的渦輪葉片上。

（不同轉速下，導向葉片角度不同，精確控制渦輪轉速）

　　當發(fā)動(dòng)機的轉速較低的時(shí)候，廢氣壓力較低，導流葉片打開(kāi)角度較小，根據流體力學(xué)原理，在導向葉片出口處的氣流速度會(huì )增加，到達渦輪排氣側葉片上的氣體壓強會(huì )增大，從而能夠提高發(fā)動(dòng)機低轉速下渦輪的轉速，減輕“渦輪延遲”現象。

　　隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機的轉速的提高，導向葉片的角度逐漸變大。當發(fā)動(dòng)機達到最大負荷的時(shí)候，導向葉片完全打開(kāi)，與排氣側主體渦輪形成一個(gè)更大的葉片，達到大渦輪的輸出效果。

　　VTG技術(shù)通過(guò)導向葉片改變廢氣作用在排氣側渦輪葉片上的壓力，控制渦輪的轉速，從而控制渦輪的增壓壓力。由于渦輪轉速得到控制，增壓壓力也得到了控制，采用VTG技術(shù)的發(fā)動(dòng)機不再需要傳統廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機的放氣閥（Blow off valve）。

　　編輯點(diǎn)評：

　　VTG技術(shù)最早出現在增壓柴油發(fā)動(dòng)機上。由于柴油發(fā)動(dòng)機的排氣溫度較汽油發(fā)動(dòng)機低，因此VTG技術(shù)得到較好的應用。而汽油發(fā)動(dòng)機的排氣溫度高達1000攝氏度，對VTG材料的要求極高。保時(shí)捷為了解決此問(wèn)題，與Borg Warner Turbo Systems合作，并且采用太空科技的抗高溫材質(zhì)，終于讓VTG在汽油發(fā)動(dòng)機上面得以實(shí)現。

　　搭載VTG技術(shù)的911 GT2，能輸出353kw的功率。在1950rpm到5000rpm如此寬的轉速范圍都可輸出高達620Nm的巨大扭矩。由此可見(jiàn)VTG顯著(zhù)的成效。

　　大眾TSI

　　解決方案說(shuō)明：

　　為解決傳統廢氣渦輪增壓技術(shù)固有的缺點(diǎn)，大眾把廢氣渦輪增壓以及機械增壓技術(shù)相結合，輔以燃油分層噴注技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了TSI發(fā)動(dòng)機。實(shí)現了發(fā)動(dòng)機輕量化、小排量高輸出以及低轉速高響應性。

　　機械增壓的壓縮機直接由發(fā)動(dòng)機曲軸通過(guò)皮帶帶動(dòng)。使用機械增壓的發(fā)動(dòng)機具有響應性好、低轉扭力輸出范圍廣等特點(diǎn)。但是機械增壓器在高轉速時(shí)會(huì )產(chǎn)生很大的摩擦，能量損失明顯，不能應用于高轉速發(fā)動(dòng)機。

　　機械增壓的特性剛好彌補了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機在低轉速時(shí)的固有缺點(diǎn)。兩者結合以后,發(fā)動(dòng)機在各轉速范圍都能提供非常好的功率和扭矩輸出。發(fā)動(dòng)機性能和經(jīng)濟性都上了一個(gè)新的臺階。

　　結構分析和工作原理：

(大眾雙增壓TSI系統)

　　TSI發(fā)動(dòng)機所采用的廢氣渦輪以及機械增壓器都是標準產(chǎn)品，沒(méi)有經(jīng)過(guò)特別的結構改造。通過(guò)電子系統根據不同轉速對廢氣渦輪以及機械增壓器介入工作時(shí)間進(jìn)行控制，發(fā)揮這兩種增壓技術(shù)的各自?xún)?yōu)勢，最終實(shí)現在寬轉速范圍的最大動(dòng)力輸出。

(大眾TSI發(fā)動(dòng)機各部件拆解圖)

　　具體來(lái)說(shuō)，TSI的渦輪是根據以下邏輯進(jìn)行動(dòng)作的：

　　1.在低轉速時(shí)，由于廢氣渦輪的遲滯效應，大部分的增壓壓力都由機械增壓器產(chǎn)生。發(fā)動(dòng)機低轉響應性更好，廢氣渦輪增壓器的啟動(dòng)更加平順。

　　2.當轉速達到1500rpm時(shí)，兩個(gè)增壓器同時(shí)產(chǎn)生作用，總增壓值達到2.5bar。隨著(zhù)轉速提高，廢氣渦輪增壓器使發(fā)動(dòng)機獲得更大的動(dòng)力，而機械增壓器由于摩擦的增大，增壓效果逐漸降低。

　　3.當轉速超過(guò)3500rpm時(shí)，發(fā)動(dòng)機管理系統控制電磁離合器分離，使得機械增壓器退出工作，減少摩擦損耗。此時(shí)，廢氣渦輪增壓器完全提供發(fā)動(dòng)機的增壓壓力。

（TSI兩個(gè)主要增壓器的解析圖）

　　編輯點(diǎn)評：

　　國外銷(xiāo)售的那款小巧的1.4TSI發(fā)動(dòng)機，最大功率在6000轉時(shí)達到125kw,最大扭矩在1750-4500轉的范圍內達到240Nm。相當于一臺2.3升自然吸氣發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力輸出。在油耗上，則比2.3升自然吸氣發(fā)動(dòng)機降低20%。

　　大眾利用了取長(cháng)補短的方法，完善了增壓發(fā)動(dòng)機系統，樹(shù)立了低轉速高扭力、高轉速大功率的渦輪技術(shù)里程碑。

　　寶馬TwinTurbo

　　解決方案說(shuō)明：

　　寶馬一直倡導自然吸氣發(fā)動(dòng)機技術(shù)，強調油門(mén)響應性。通過(guò)先進(jìn)的電子發(fā)動(dòng)機管理系統，VANOS正時(shí)技術(shù)以及ValveTronic無(wú)級氣門(mén)揚程控制系統調教出了世界上最平順，響應性最好的直列六缸發(fā)動(dòng)機。

　　但在渦輪時(shí)代到來(lái)之際，這家經(jīng)典的豪華性能車(chē)廠(chǎng)商也按耐不住寂寞，在以新七系（F02）為首新一代車(chē)型上，清一色搭配了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機。難道寶馬就這樣輕易放棄自己的傳統？

　　非也。寶馬新的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機系統具有寶馬獨有的特性，強調發(fā)動(dòng)機高平順性、油門(mén)高響應性以及高轉速的高功率輸出。為達到這樣一個(gè)指標，寶馬采用了一些列獨特的新技術(shù)：

（寶馬N54發(fā)動(dòng)機廢氣渦輪系統）

　　1.兩個(gè)輕質(zhì)小渦輪。提高低轉速響應性。

　　2.廢氣旁通閥。代替了傳統廢氣渦輪系統的放氣閥，用以控制渦輪轉速。

　　3.循環(huán)減壓閥。減少節氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，增壓壓力峰值產(chǎn)生，降低發(fā)動(dòng)機噪音。

　　4.缸內直噴，均質(zhì)燃燒，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的噴射邏輯。

（在節氣門(mén)前方的循環(huán)減壓閥）

　　結構分析和工作原理：

(寶馬N54發(fā)動(dòng)機系統簡(jiǎn)圖)

　　寶馬的TwinTurbo技術(shù)是在傳統渦輪增壓技術(shù)上改進(jìn)而來(lái)的。對渦輪轉速的控制采用的是排氣旁通閥，以取代傳統廢氣渦輪的放氣閥。

　　低轉速或者怠速的時(shí)候，排氣旁通閥完全關(guān)閉，所有的廢氣通過(guò)兩個(gè)輕質(zhì)小渦輪，獲得最大的增壓效果，提高低轉速下油門(mén)響應性以及動(dòng)力輸出。

　　在發(fā)動(dòng)機滿(mǎn)負荷的情況下，通過(guò)部分打開(kāi)排氣旁通閥以獲得一個(gè)比較恒定的增壓壓力，不增加耗油量。

　　渦輪增壓和缸內直噴一般是相伴而生的，寶馬的渦輪增壓系統也不例外。寶馬的缸內直噴技術(shù)采用的是均質(zhì)燃燒模式以獲得更好尾氣排放指標。在噴射邏輯上，根據不同的發(fā)動(dòng)機工況采取不同的多次噴射技術(shù)，即一個(gè)發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火循環(huán)中進(jìn)行多次噴射，更高效地形成混合氣。

（不同負載，不同轉速區域的燃油噴射次數不同）

　　最后，說(shuō)一下循環(huán)減壓閥。當節氣門(mén)突然關(guān)閉的情況下（緊急收油或斷油），節氣門(mén)前后壓力差超過(guò)0.3bar，機械氣壓式循環(huán)減壓閥就會(huì )打開(kāi)，高壓氣體泄壓到進(jìn)氣管低壓側（未經(jīng)增壓的空氣側）。循環(huán)減壓閥減少過(guò)壓對發(fā)動(dòng)機部件的危害，同時(shí)減少了發(fā)動(dòng)機噪音。

　　編輯點(diǎn)評：

　　由于缸內直噴技術(shù)的引入，新款的N54渦輪增壓發(fā)動(dòng)機不再配備ValveTronic機構，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機結構，使得整個(gè)發(fā)動(dòng)機系統更加簡(jiǎn)潔高效。寶馬不像大眾的增壓技術(shù)那樣用復雜的結構獲得高功率大扭矩。而是用最簡(jiǎn)單的結構獲得良好的響應性以及充足的動(dòng)力。

　　繼承寶馬直列六缸發(fā)動(dòng)機的先進(jìn)技術(shù)，在渦輪的作用下，寶馬的新款渦輪增壓發(fā)動(dòng)機在保持良好響應性和平順性的同時(shí)，也具有充沛的動(dòng)力輸出。雖然在動(dòng)力上和VTG以及TSI相比稍有不足，但是簡(jiǎn)單的機械結構以及寶馬發(fā)動(dòng)機一貫的良好相應性還是受到不少寶馬迷青睞的。

　　總結：

　　新技術(shù)總是帶給人激情。以上提到的這些新型渦輪增壓技術(shù)都是業(yè)界出色的設計，大家在了解其技術(shù)的同時(shí)其實(shí)也在了解一個(gè)企業(yè)的文化。激情的保時(shí)捷、嚴謹的大眾、優(yōu)雅的寶馬，這些企業(yè)文化在其產(chǎn)品的方方面面都表現得淋漓盡致。如果各位網(wǎng)友有什么想了解的汽車(chē)技術(shù)，不防留言告訴我們。我們將會(huì )竭盡全力為你帶來(lái)最深入的技術(shù)剖析。