汽車改裝辭典之可變截面渦輪增壓技術
今天小編在網上看到一句很有道理的話“跑道上的車的狀態是很復雜的，只有多調整，體會各種設定下車的姿態和感覺，才能真正明白怎么調車”。其實改車就如同在跟車對話，當你聽得懂它的時候，就能調校出一部好的改裝車了。 改車是一個發揮主觀能動性的過程，如何更好地提高原車性能，不光是機械系統的問題，也需要我們發揮辯證思維不斷的嘗試，同樣的東西，在不同人手下也是千變萬化。優秀的汽車改裝技師，不僅需要過硬的技術，扎實的理論基礎，還需要熱情、細心、愛心與探索的精神。 今天我們來講一講可變截面渦輪技術，我們知道，渦輪大小、渦輪進氣量和渦輪遲滯是三個統一的矛盾體。普通渦輪增壓器在全負荷狀態下時進氣量非常可觀，但當發動機轉速較低時，就會由于廢氣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。 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，也能驅動渦輪能達到工作轉速，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，即產生排氣回壓，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。 為解決上述矛盾，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可變截面渦輪技術的核心部分就是可調渦流截面的導流葉片，從上圖我們可以看到，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，增大渦輪葉片處的廢氣壓強，從而可以更容易推動渦輪轉動，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。舉一個簡單的例子，在有風的天氣，大家在空曠處感受到的風力會明顯比在非封閉的狹窄的通道處(比如兩個相隔很近的樓宇之間)小很多。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技術的渦輪增壓器也就不需要設置排氣泄壓閥。 我們也可以從渦輪的性能指標A/R上來說明可變截面渦輪增壓技術的原理。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，壓縮機端葉輪受A/R值的影響并不大，不過卻對排氣端渦輪有著十分重要的意義。 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。當葉片開度較小時，排氣入口的橫切面積便會相應減小，A值會隨之變小，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。總而言之，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。 |