告別渦輪遲滯，淺析先進(jìn)渦輪增壓技術(shù)
渦輪增壓技術(shù)是通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣方式提高發(fā)動(dòng)機熱效率的重要技術(shù)之一，隨著(zhù)節能趨勢加嚴，發(fā)動(dòng)機小型化，渦輪增壓技術(shù)愈發(fā)普及。根據霍尼韋爾的預測，到 2021年，全球搭載渦輪增壓的新車(chē)年銷(xiāo)量將接近半數，達到5200萬(wàn)輛。
渦輪增壓技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的進(jìn)步和不斷升級，發(fā)展出了可變截面渦輪增壓、雙渦輪增壓、雙渦管增壓器、電動(dòng)增壓器眾多新產(chǎn)品并得到推廣應用。博格華納、霍尼韋爾、康明斯、三菱重工、IHI 等在該領(lǐng)域技術(shù)先進(jìn)，并引領(lǐng)著(zhù)行業(yè)的發(fā)展。
可變截面渦輪：
普通渦輪增壓發(fā)動(dòng)機在全負荷狀態(tài)下時(shí)排氣能量非?？捎^(guān)，但當發(fā)動(dòng)機轉速較低時(shí)，排氣能量小，渦輪增壓器會(huì )由于驅動(dòng)力不足而無(wú)法達到工作轉速，不能發(fā)揮作用，此時(shí)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力表現甚至會(huì )小于一臺同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機，即“渦輪遲滯”現象。
對于傳統的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，解決渦輪遲滯現象的一個(gè)方法就是使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪，首先，小渦輪會(huì )擁有較小的轉動(dòng)慣量，因此在發(fā)動(dòng)機低轉速時(shí)，在發(fā)動(dòng)機較低轉速下渦輪就能達到最佳的工作轉速，從而有效改善渦輪遲滯的現象。
不過(guò)，使用小渦輪也有它的缺點(diǎn)：當發(fā)動(dòng)機高轉速時(shí)，小渦輪由于排氣截面較小，會(huì )使排氣阻力增加，因此發(fā)動(dòng)機最大功率和最大扭矩會(huì )受到一定的影響。而對于產(chǎn)生回壓較小的大渦輪來(lái)說(shuō)，雖然高轉速下可以擁有出色增壓效果，發(fā)動(dòng)機也會(huì )擁有更強的動(dòng)力表現，但是低速下渦輪更難以被驅動(dòng)，因此渦輪遲滯也會(huì )更明顯。
為解決上述矛盾，讓渦輪增壓發(fā)動(dòng)機在高低轉速下都能保證良好的增壓效果，VGT或稱(chēng) VNT 可變截面渦輪增壓技術(shù)便應運而生?？勺儙缀谓孛鏈u輪增壓主要是通過(guò)改變沖向渦輪葉片的廢氣流向和流速來(lái)改變其施加到渦輪的能量，擴寬渦輪的流量范圍，用于改善瞬態(tài)響應速度并提高動(dòng)力性。
VGT在柴油機上的應用從20世紀90年代就已經(jīng)開(kāi)始了，但由于汽油機高達1000℃甚至更高的排氣溫度使其直到現在才逐漸應用到汽油機上。采用VGT可在普通單流道渦輪增壓基礎上提高低端扭矩20%左右，額定扭矩最低轉速提前150～250 r/min，額定功率提升 5%左右。同時(shí)使得瞬態(tài)加速響應時(shí)間縮短至少30%。大眾最新的1.5TSI發(fā)動(dòng)機就搭載了VTG可變截面增壓器，技術(shù)源自保時(shí)捷。
單渦輪雙渦管：
帶廢氣閥的單流道渦輪增壓器被廣泛的應用于汽油機，也是通常所指的渦輪增壓技術(shù)，由于發(fā)動(dòng)機氣缸在工作時(shí)，存在進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟的情況。當一個(gè)氣缸氣門(mén)重疊時(shí)，點(diǎn)火相鄰的氣缸處于排氣行程。如果這兩個(gè)氣缸排氣管相通，會(huì )形成氣流干擾，導致廢氣流回氣缸，影響氣缸進(jìn)氣量，從而影響發(fā)動(dòng)機功率。
單渦輪雙渦管是將將一個(gè)渦輪增壓器的氣流在經(jīng)過(guò)渦管時(shí)分為兩股氣流，分成兩組分別推動(dòng)渦輪工作，每股氣流負責幾個(gè)氣缸。以四缸機為例，在單渦輪雙渦管發(fā)動(dòng)機中，點(diǎn)火相鄰氣缸排氣管道兩兩分開(kāi)，互不干涉，而且排氣更為充分，可以有效利用廢氣能量，有效緩解渦輪遲滯，顯著(zhù)提升渦輪性能，動(dòng)力更強，燃油經(jīng)濟性更佳。采用雙流道可使低端扭矩提高 15%左右，額定扭矩最低轉速提前 100～200 r/min，瞬態(tài)加速響應時(shí)間縮短15%左右。
雙渦輪增壓：
雙渦輪增壓一般稱(chēng)為T(mén)win turbo 或Biturbo，雙渦輪增壓是渦輪增壓的方式之一。針對廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現象，串聯(lián)一大一小兩只渦輪或并聯(lián)兩只同樣的渦輪，在發(fā)動(dòng)機低轉速的時(shí)候，較少的排氣即可驅動(dòng)渦輪高速旋轉以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，減小渦輪遲滯效應。
在雙渦輪增壓的汽車(chē)上會(huì )看到2 組渦輪通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接。并聯(lián)指每組渦輪負責引擎半數汽缸的工作，每組渦輪都是同規格的；其優(yōu)點(diǎn)是增壓反應快并減低管道的復雜程度。并聯(lián)雙渦輪技術(shù)一般應用在6缸以上發(fā)動(dòng)機上。
電動(dòng)渦輪增壓器是靠電力來(lái)驅動(dòng)渦輪旋轉的增壓器。博格華納推出的eBooster電子驅動(dòng)技術(shù)與渦輪增壓器協(xié)同工作，可根據需求提供增壓的同時(shí)也能有效避免可察覺(jué)的渦輪遲滯現象。該技術(shù)在不損耗發(fā)動(dòng)機能耗的前提下，很好地解決了渦輪遲滯現象：發(fā)動(dòng)機低速運轉時(shí)，排氣流量還帶不動(dòng)渦輪增壓器的葉輪時(shí)，由電機先驅動(dòng)電動(dòng)渦輪介入工作，提供增壓。等到排氣流量變大后，通過(guò)廢氣帶動(dòng)另一個(gè)渦輪增壓器介入工作。采用電動(dòng)渦輪增壓器可以消除渦輪遲滯現象，可以在更短的時(shí)間內，扭矩達到最大值，車(chē)輛的加速性能和操控感得到顯著(zhù)提升。
除此以外，eBooster和渦輪增壓器的配合相當于兩級渦輪增壓器。在這個(gè)過(guò)程中，eBooster 在發(fā)動(dòng)機高轉速運轉時(shí)保持 2-3kW 持續增壓，以輔助渦輪增壓器。不僅可以大大提升發(fā)動(dòng)機在各個(gè)轉速時(shí)的扭矩，還為發(fā)動(dòng)機小型化提供更多的可能性，從而降低燃油的消耗量并且降低排放。
2016 年奧迪推出的 SQ7 是世界上第一款搭載電動(dòng)渦輪增壓器的量產(chǎn)車(chē)型，該車(chē)型搭載了一臺 4.0TDI V8 柴油發(fā)動(dòng)機，一共有 3 個(gè)渦輪輔助這臺發(fā)動(dòng)機工作。兩個(gè)渦輪增壓器和一個(gè)電動(dòng)渦輪共同輔助發(fā)動(dòng)機做功，該發(fā)動(dòng)機在 1000rpm時(shí)即可提供 900Nm 的最大扭矩，1-100km/h 加速只需 4.8s，油耗7.4L/100km。
