可變截面渦輪增壓技術(shù)
我們知道,渦輪大小、渦輪進(jìn)氣量和渦輪遲滯是三個統(tǒng)一的矛盾體。普通渦輪增壓器在全負(fù)荷狀態(tài)下時進(jìn)氣量非??捎^,但當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時,就會由于廢氣驅(qū)動力不足而無法達(dá)到工作轉(zhuǎn)速,這樣造成的結(jié)果就是,在低轉(zhuǎn)速時,渦輪增壓器并不能發(fā)揮作用,這時候渦輪增壓發(fā)動機(jī)的動力表現(xiàn)甚至?xí)∮谝慌_同排量的自然吸氣發(fā)動機(jī)。
對于傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動機(jī)來說,解決渦輪遲滯現(xiàn)象的一個方法就是使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪。首先,小渦輪會擁有較小的轉(zhuǎn)動慣量,因此在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時,也能驅(qū)動渦輪能達(dá)到工作轉(zhuǎn)速,從而有效改善渦輪遲滯的現(xiàn)象。不過,使用小渦輪也有它的缺點(diǎn):當(dāng)發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速時,小渦輪由于排氣截面較小,會使排氣阻力增加,即產(chǎn)生排氣回壓,因此發(fā)動機(jī)最大功率和最大扭矩會受到一定的影響。而對于產(chǎn)生回壓較小的大渦輪來說,雖然高轉(zhuǎn)速下可以擁有出色增壓效果,發(fā)動機(jī)也會擁有更強(qiáng)的動力表現(xiàn),但是低速下渦輪更難以被驅(qū)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(fā)動機(jī)在高低轉(zhuǎn)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(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。在柴油發(fā)動機(jī)領(lǐng)域,VGT可變截面渦輪增壓技術(shù)早已得到了很廣泛的應(yīng)用。由于汽油發(fā)動機(jī)的排氣溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柴油發(fā)動機(jī),達(dá)到1000°C左右(柴油發(fā)動機(jī)為400°C左右),而VGT所使用的硬件材質(zhì)很難承受如此高溫的環(huán)境,因此這項技術(shù)也遲遲未能在汽油機(jī)上應(yīng)用。博格華納與保時捷聯(lián)手克服了這個難題,使用了耐高溫的航空材料技術(shù),從而成功開發(fā)出了首款搭載可變截面渦輪增壓器的汽油發(fā)動機(jī),保時捷則將這項技術(shù)稱為VTG(Variable Turbine Geometry)可變渦輪葉片技術(shù)。
VGT可變截面渦輪技術(shù)的核心部分就是可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片,渦輪的外側(cè)增加了一環(huán)可由電子系統(tǒng)控制角度的導(dǎo)流葉片,導(dǎo)流葉片的相對位置是固定的,但是葉片角度可以調(diào)整,在系統(tǒng)工作時,廢氣會順著導(dǎo)流葉片送至渦輪葉片上,通過調(diào)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(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速排氣壓力較低的時候,導(dǎo)流葉片打開的角度較小。根據(jù)流體力學(xué)原理,此時導(dǎo)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(qiáng),從而可以更容易推動渦輪轉(zhuǎn)動,有效減輕渦輪遲滯的現(xiàn)象,也改善了發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時的響應(yīng)時間和加速能力。而在隨著轉(zhuǎn)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(fù)荷狀態(tài)下,葉片則保持全開的狀態(tài),減小了排氣背壓,從而達(dá)到一般大渦輪的增壓效果。舉一個簡單的例子,在有風(fēng)的天氣,大家在空曠處感受到的風(fēng)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?nèi)~片角度能夠?qū)u輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制,這也就實現(xiàn)對渦輪的過載保護(hù),因此使用了VGT技術(shù)的渦輪增壓器也就不需要設(shè)置排氣泄壓閥。
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