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可变截面涡轮增压的原理

日期时间:2012-7-17 10:36:45

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  科技发展车友们对于汽车发动机的要求也越来越苛刻,不仅要拥有强劲的动力还必须拥有极高的效率和足够清洁的排放。这就要求发动机在各种工况下都能要达到其最高效的工作状态,因此就必须满足发动机各个工作状态下对于进气量的需求。这就要求发动机的各部件都能够通过“可变”来满足在不同工况下的条件。比如我们所熟悉的可变气门正时/升程技术,可变进气歧管技术都是如此。那么在柴油发动机上常见的VGT可变截面涡轮增压技术。

  让涡轮增压发动机在高低转速下都能保证良好的增压效果,VGT(Variable Geometry Turbocharger)或者叫VNT可变截面涡轮增压技术便应运而生。在柴油发动机领域,VGT可变截面涡轮增压技术早已得到了很广泛的应用。由于汽油发动机的排气温度要远远高于柴油发动机,达到1000°C左右(柴油发动机为400°C左右),而VGT所使用的硬件材质很难承受如此高温的环境,因此这项技术也迟迟未能在汽油机上应用。近年来,博格华纳与保时捷联手克服了这个难题,使用了耐高温的航空材料技术,从而成功开发出了首款搭载可变截面涡轮增压器的汽油发动机,保时捷则将这项技术称为VTG(Variable Turbine Geometry)可变涡轮叶片技术。

  从原理上看,柴油机的VGT技术和保时捷的VTG并没有本质的区别,基本的原理和结构都是相似的。下面,我们就通过保时捷的VTG技术来了解一下可变截面涡轮增压器的工作原理。

  『图中涡轮外围的红色叶片就是导流叶片』

  一般的涡轮并没有导流叶片的结构

  VGT技术的核心部分就是可调涡流截面的导流叶片,从图上我们可以看到,涡轮的外侧增加了一环可由电子系统控制角度的导流叶片,导流叶片的相对位置是固定的,但是叶片角度可以调整,在系统工作时,废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上,通过调整叶片角度,控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速,从而控制涡轮的转速。当发动机低转速排气压力较低的时候,导流叶片打开的角度较小。根据流体力学原理,此时导入涡轮处的空气流速就会加快,增大涡轮处的压强,从而可以更容易推动涡轮转动,从而有效减轻涡轮迟滞的现象,也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力。而在随着转速的提升和排气压力的增加,叶片也逐渐增大打开的角度,在全负荷状态下,叶片则保持全开的状态,减小了排气背压,从而达到一般大涡轮的增压效果。此外,由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进行有效控制,这也就实现对涡轮的过载保护,因此使用了VGT技术的涡轮增压器都不需要设置排气泄压阀。

  需要指出的是,VGT可变截面涡轮增压器只能通过改变排气入口的横切面积改变涡轮的特性,但是涡轮的尺寸大小并不会发生变化。如果从涡轮A/R值去理解的话,可变截面涡轮的原理会更加直观。

  也有的厂商将这项技术成为VNT,比如沃尔沃和奥迪,它们在本质上是一样的

  A/R值是涡轮增压器的一项重要指标,用以表达涡轮的特性,在改装市场的涡轮增压器销售册上也常有标明。A表示Aera区域,指的是涡轮排气侧入口处最窄的横切面积(也就是可变截面涡轮技术中的“截面”),R(Radius)则是代表半径意思,指的是入口处最窄的横切面积的中心点到涡轮本体中心点的距离,而两者的比例就是A/R值。相对而言,压气端叶轮受A/R值的影响并不大,不过A /R值却对排气端涡轮有着十分重要的意义。

  导流叶片的开度能够影响导向涡轮叶片的气流速度,低转速时开度小(左图),提高空气流速,高转速时开度大(右图),减小排气负压

  当A/R值越小时,表示废气通过涡轮的流速较高,这种特性可以有效减轻涡轮迟滞,涡轮也就能在较低的转速区域取得较高的增压,而发动机高转速时则会产生较大的排气背压,使高转速时功率受到限制。反之,当A/R值越大时,涡轮的响应速度就越慢,低转速时涡轮迟滞明显,不过在高转速时,拥有较小的排气背压,且能够更好的利用排气能量,从而获得更强的动力表现。

  而VGT技术所实现的截面可变就是指改变A值。当叶片角度较小时,排气入口的横切面积便会相应减小,因此A值会随之变化,从而拥有小涡轮响应快的特点。而当叶片角度增大时,A值随之增大,这时A/R值增大,从而在高转速下获得更强的动力输出。总而言之,透过变更叶片的角度,VTG系统可随时改变排气涡轮的 A/R值,从而兼顾大/小涡轮的优势特性。

  小结:

  尽管结构和原理都很简单,但VGT可变截面涡轮技术对于增压效果的提升非常显著,在目前主流的涡轮增压柴油发动机上,这项技术已经得到了非常普遍的应用。不过,由于硬件材质的限制,这项技术在排气温度较高的汽油发动机上才刚刚起步,保时捷和博格华纳的合作可以说开创了先河。不过,随着材料科技的进步,这项技术在未来的汽油发动机上必将会得到更广泛的应用。