VTG、TSI、TwinTurbo三大渦輪技術(shù)分析

　　前言：

　　早在1905年，Alffred Buchi博士申請(qǐng)了第一款渦輪增壓器的專利——?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)的軸向增壓器。這就是現(xiàn)今汽車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汽車上使用了渦輪增壓技術(shù)，標(biāo)志著渦輪增壓技術(shù)真正走向成熟。渦輪增壓技術(shù)的商用，標(biāo)志著汽車工業(yè)走向一個(gè)新的時(shí)代。也改寫了汽車業(yè)“排量決定功率”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

　　簡單說來，渦輪增壓技術(shù)通過向汽缸中“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(xiàn)了小排量發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大功率的效果。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的排量減少了，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量也相應(yīng)減小，雖然每次發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燒掉的汽油多了，但是由于整車質(zhì)量的減少也進(jìn)一步減少了油耗。

　　隨著流體力學(xué)以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，缸內(nèi)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(jī)逐漸顯現(xiàn)出其體積小、重量輕、功率大、油耗低的優(yōu)勢。

　　傳統(tǒng)渦輪的性能弱點(diǎn)：

　　傳統(tǒng)廢棄渦輪增壓器并不是完美的。在使用的過程中會(huì)出現(xiàn)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(zhuǎn)速的性能。這也是人們熟知的“渦輪延遲”（“turbo lag”）.

　　2.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在極高轉(zhuǎn)速，渦輪進(jìn)氣端進(jìn)氣量跟不上而導(dǎo)致進(jìn)氣側(cè)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(tǒng)渦輪兩個(gè)最大的技術(shù)難題。隨著渦輪技術(shù)開發(fā)的深入，各大汽車生產(chǎn)商都針對(duì)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(jī)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?yàn)楸r(shí)捷是首個(gè)把可變渦輪葉片技術(shù)應(yīng)用在排氣溫度較高（高達(dá)1000攝氏度）的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的廠商，而其他廠商只是把這種技術(shù)應(yīng)用在普通的柴油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（排氣溫度相對(duì)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

　　解決方案說明：

　　VTG是Variable Turbine Geometry的縮寫，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。通過不同工況下（通常是轉(zhuǎn)速）改變排氣側(cè)渦輪葉片的幾何形狀，從而減少渦輪增壓器的延遲現(xiàn)象。

（VTG渦輪的解剖圖，紅色部分就是可變導(dǎo)向葉片）

　　結(jié)構(gòu)分析和工作原理：

　　所謂的可變渦輪葉片并不是說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(cè)加了一環(huán)可通過電子系統(tǒng)控制角度的葉片，把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣導(dǎo)向到排氣側(cè)的渦輪葉片上。

（不同轉(zhuǎn)速下，導(dǎo)向葉片角度不同，精確控制渦輪轉(zhuǎn)速）

　　當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，廢氣壓力較低，導(dǎo)流葉片打開角度較小，根據(jù)流體力學(xué)原理，在導(dǎo)向葉片出口處的氣流速度會(huì)增加，到達(dá)渦輪排氣側(cè)葉片上的氣體壓強(qiáng)會(huì)增大，從而能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下渦輪的轉(zhuǎn)速，減輕“渦輪延遲”現(xiàn)象。

　　隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的提高，導(dǎo)向葉片的角度逐漸變大。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大負(fù)荷的時(shí)候，導(dǎo)向葉片完全打開，與排氣側(cè)主體渦輪形成一個(gè)更大的葉片，達(dá)到大渦輪的輸出效果。

　　VTG技術(shù)通過導(dǎo)向葉片改變廢氣作用在排氣側(cè)渦輪葉片上的壓力，控制渦輪的轉(zhuǎn)速，從而控制渦輪的增壓壓力。由于渦輪轉(zhuǎn)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(jī)不再需要傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的放氣閥（Blow off valve）。

　　編輯點(diǎn)評(píng)：

　　VTG技術(shù)最早出現(xiàn)在增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度較汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低，因此VTG技術(shù)得到較好的應(yīng)用。而汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度高達(dá)1000攝氏度，對(duì)VTG材料的要求極高。保時(shí)捷為了解決此問題，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(jī)上面得以實(shí)現(xiàn)。

　　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(zhuǎn)速范圍都可輸出高達(dá)620Nm的巨大扭矩。由此可見VTG顯著的成效。

　　大眾TSI

　　解決方案說明：

　　為解決傳統(tǒng)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(jī)械增壓技術(shù)相結(jié)合，輔以燃油分層噴注技術(shù)，開發(fā)出了TSI發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、小排量高輸出以及低轉(zhuǎn)速高響應(yīng)性。

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

　　機(jī)械增壓的特性剛好彌補(bǔ)了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的固有缺點(diǎn)。兩者結(jié)合以后,發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速范圍都能提供非常好的功率和扭矩輸出。發(fā)動(dòng)機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性都上了一個(gè)新的臺(tái)階。

　　結(jié)構(gòu)分析和工作原理：

(大眾雙增壓TSI系統(tǒng))

　　TSI發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的廢氣渦輪以及機(jī)械增壓器都是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，沒有經(jīng)過特別的結(jié)構(gòu)改造。通過電子系統(tǒng)根據(jù)不同轉(zhuǎn)速對(duì)廢氣渦輪以及機(jī)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)的各自優(yōu)勢，最終實(shí)現(xiàn)在寬轉(zhuǎn)速范圍的最大動(dòng)力輸出。

(大眾TSI發(fā)動(dòng)機(jī)各部件拆解圖)

　　具體來說，TSI的渦輪是根據(jù)以下邏輯進(jìn)行動(dòng)作的：

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

　　2.當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1500rpm時(shí)，兩個(gè)增壓器同時(shí)產(chǎn)生作用，總增壓值達(dá)到2.5bar。隨著轉(zhuǎn)速提高，廢氣渦輪增壓器使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的動(dòng)力，而機(jī)械增壓器由于摩擦的增大，增壓效果逐漸降低。

　　3.當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3500rpm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)控制電磁離合器分離，使得機(jī)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(jī)的增壓壓力。

（TSI兩個(gè)主要增壓器的解析圖）

　　編輯點(diǎn)評(píng)：

　　國外銷售的那款小巧的1.4TSI發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率在6000轉(zhuǎn)時(shí)達(dá)到125kw,最大扭矩在1750-4500轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)達(dá)到240Nm。相當(dāng)于一臺(tái)2.3升自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。在油耗上，則比2.3升自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)降低20%。

　　大眾利用了取長補(bǔ)短的方法，完善了增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，樹立了低轉(zhuǎn)速高扭力、高轉(zhuǎn)速大功率的渦輪技術(shù)里程碑。

　　寶馬TwinTurbo

　　解決方案說明：

　　寶馬一直倡導(dǎo)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)油門響應(yīng)性。通過先進(jìn)的電子發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，VANOS正時(shí)技術(shù)以及ValveTronic無級(jí)氣門揚(yáng)程控制系統(tǒng)調(diào)教出了世界上最平順，響應(yīng)性最好的直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)。

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

　　非也。寶馬新的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有寶馬獨(dú)有的特性，強(qiáng)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)高平順性、油門高響應(yīng)性以及高轉(zhuǎn)速的高功率輸出。為達(dá)到這樣一個(gè)指標(biāo)，寶馬采用了一些列獨(dú)特的新技術(shù)：

（寶馬N54發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪系統(tǒng)）

　　1.兩個(gè)輕質(zhì)小渦輪。提高低轉(zhuǎn)速響應(yīng)性。

　　2.廢氣旁通閥。代替了傳統(tǒng)廢氣渦輪系統(tǒng)的放氣閥，用以控制渦輪轉(zhuǎn)速。

　　3.循環(huán)減壓閥。減少節(jié)氣門關(guān)閉時(shí)，增壓壓力峰值產(chǎn)生，降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。

　　4.缸內(nèi)直噴，均質(zhì)燃燒，經(jīng)過優(yōu)化的噴射邏輯。

（在節(jié)氣門前方的循環(huán)減壓閥）

　　結(jié)構(gòu)分析和工作原理：

(寶馬N54發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡圖)

　　寶馬的TwinTurbo技術(shù)是在傳統(tǒng)渦輪增壓技術(shù)上改進(jìn)而來的。對(duì)渦輪轉(zhuǎn)速的控制采用的是排氣旁通閥，以取代傳統(tǒng)廢氣渦輪的放氣閥。

　　低轉(zhuǎn)速或者怠速的時(shí)候，排氣旁通閥完全關(guān)閉，所有的廢氣通過兩個(gè)輕質(zhì)小渦輪，獲得最大的增壓效果，提高低轉(zhuǎn)速下油門響應(yīng)性以及動(dòng)力輸出。

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷的情況下，通過部分打開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(nèi)直噴一般是相伴而生的，寶馬的渦輪增壓系統(tǒng)也不例外。寶馬的缸內(nèi)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(biāo)。在噴射邏輯上，根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況采取不同的多次噴射技術(shù)，即一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)載，不同轉(zhuǎn)速區(qū)域的燃油噴射次數(shù)不同）

　　最后，說一下循環(huán)減壓閥。當(dāng)節(jié)氣門突然關(guān)閉的情況下（緊急收油或斷油），節(jié)氣門前后壓力差超過0.3bar，機(jī)械氣壓式循環(huán)減壓閥就會(huì)打開，高壓氣體泄壓到進(jìn)氣管低壓側(cè)（未經(jīng)增壓的空氣側(cè)）。循環(huán)減壓閥減少過壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的危害，同時(shí)減少了發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。

　　編輯點(diǎn)評(píng)：

　　由于缸內(nèi)直噴技術(shù)的引入，新款的N54渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)不再配備ValveTronic機(jī)構(gòu)，簡化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)更加簡潔高效。寶馬不像大眾的增壓技術(shù)那樣用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)獲得高功率大扭矩。而是用最簡單的結(jié)構(gòu)獲得良好的響應(yīng)性以及充足的動(dòng)力。

　　繼承寶馬直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)在保持良好響應(yīng)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，但是簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及寶馬發(fā)動(dòng)機(jī)一貫的良好相應(yīng)性還是受到不少寶馬迷青睞的。

　　總結(jié)：

　　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(shè)計(jì)，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(yán)謹(jǐn)?shù)拇蟊?、?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(xiàn)得淋漓盡致。如果各位網(wǎng)友有什么想了解的汽車技術(shù)，不防留言告訴我們。我們將會(huì)竭盡全力為你帶來最深入的技術(shù)剖析。