VTG、TSI、TwinTurbo三大渦輪技術分析

　　前言：

　　早在1905年，Alffred Buchi博士申請了第一款渦輪增壓器的專利——動力驅動的軸向增壓器。這就是現(xiàn)今汽車上大行其道的渦輪增壓器技術的始祖。1977年北歐瑞典的Saab薩博公司在其生產的薩博99汽車上使用了渦輪增壓技術，標志著渦輪增壓技術真正走向成熟。渦輪增壓技術的商用，標志著汽車工業(yè)走向一個新的時代。也改寫了汽車業(yè)“排量決定功率”的傳統(tǒng)認識。

　　簡單說來，渦輪增壓技術通過向汽缸中“灌”進更多的空氣，讓更多的汽油能夠燃燒從而產生更大的功率。實現(xiàn)了小排量發(fā)動機產生大功率的效果。由于發(fā)動機的排量減少了，發(fā)動機的質量也相應減小，雖然每次發(fā)動機點火燒掉的汽油多了，但是由于整車質量的減少也進一步減少了油耗。

　　隨著流體力學以及計算機模擬技術的發(fā)展，缸內直噴、分層噴注、稀薄燃燒等技術的逐漸成熟。這也使得渦輪增壓發(fā)動機逐漸顯現(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：

　　傳統(tǒng)廢棄渦輪增壓器并不是完美的。在使用的過程中會出現(xiàn)很多不盡人意的地方：

　　1.渦輪具有質量，因此渦輪的慣性制約了渦輪在低轉速的性能。這也是人們熟知的“渦輪延遲”（“turbo lag”）.

　　2.當發(fā)動機運行在極高轉速，渦輪進氣端進氣量跟不上而導致進氣側渦輪進口處產生因氣流分離形成的震動。我們把這種劇烈的震蕩叫做“渦輪喘震”。

　　以上是傳統(tǒng)渦輪兩個最大的技術難題。隨著渦輪技術開發(fā)的深入，各大汽車生產商都針對渦輪的固有弱點提出了自己的解決方案。本文為大家介紹比較典型的3種渦輪增壓改進技術——保時捷的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、機械增壓和燃油分層噴注)。

　　注解：

　　保時捷把可變渦輪葉片技術叫做VTG，其他廠商把同一種技術叫做VGT(Variable Geometry Turbocharger，即可變截面渦輪增壓)。之所以保時捷具有領先性，是因為保時捷是首個把可變渦輪葉片技術應用在排氣溫度較高（高達1000攝氏度）的汽油發(fā)動機上的廠商，而其他廠商只是把這種技術應用在普通的柴油增壓發(fā)動機（排氣溫度相對較低）上。這可能就是保時捷把這種技術叫做“VTG”而不是“VGT”的原因。

　　新型渦輪增壓技術解析：

　　保時捷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（通常是轉速）改變排氣側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向葉片）

　　結構分析和工作原理：

　　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技術在渦輪的外側加了一環(huán)可通過電子系統(tǒng)控制角度的葉片，把發(fā)動機排出的廢氣導向到排氣側的渦輪葉片上。

（不同轉速下，導向葉片角度不同，精確控制渦輪轉速）

　　當發(fā)動機的轉速較低的時候，廢氣壓力較低，導流葉片打開角度較小，根據(jù)流體力學原理，在導向葉片出口處的氣流速度會增加，到達渦輪排氣側葉片上的氣體壓強會增大，從而能夠提高發(fā)動機低轉速下渦輪的轉速，減輕“渦輪延遲”現(xiàn)象。

　　隨著發(fā)動機的轉速的提高，導向葉片的角度逐漸變大。當發(fā)動機達到最大負荷的時候，導向葉片完全打開，與排氣側主體渦輪形成一個更大的葉片，達到大渦輪的輸出效果。

　　VTG技術通過導向葉片改變廢氣作用在排氣側渦輪葉片上的壓力，控制渦輪的轉速，從而控制渦輪的增壓壓力。由于渦輪轉速得到控制，增壓壓力也得到了控制，采用VTG技術的發(fā)動機不再需要傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓發(fā)動機的放氣閥（Blow off valve）。

　　編輯點評：

　　VTG技術最早出現(xiàn)在增壓柴油發(fā)動機上。由于柴油發(fā)動機的排氣溫度較汽油發(fā)動機低，因此VTG技術得到較好的應用。而汽油發(fā)動機的排氣溫度高達1000攝氏度，對VTG材料的要求極高。保時捷為了解決此問題，與Borg Warner Turbo Systems合作，并且采用太空科技的抗高溫材質，終于讓VTG在汽油發(fā)動機上面得以實現(xiàn)。

　　搭載VTG技術的911 GT2，能輸出353kw的功率。在1950rpm到5000rpm如此寬的轉速范圍都可輸出高達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)廢氣渦輪增壓技術固有的缺點，大眾把廢氣渦輪增壓以及機械增壓技術相結合，輔以燃油分層噴注技術，開發(fā)出了TSI發(fā)動機。實現(xiàn)了發(fā)動機輕量化、小排量高輸出以及低轉速高響應性。

　　機械增壓的壓縮機直接由發(fā)動機曲軸通過皮帶帶動。使用機械增壓的發(fā)動機具有響應性好、低轉扭力輸出范圍廣等特點。但是機械增壓器在高轉速時會產生很大的摩擦，能量損失明顯，不能應用于高轉速發(fā)動機。

　　機械增壓的特性剛好彌補了渦輪增壓發(fā)動機在低轉速時的固有缺點。兩者結合以后,發(fā)動機在各轉速范圍都能提供非常好的功率和扭矩輸出。發(fā)動機性能和經濟性都上了一個新的臺階。

　　結構分析和工作原理：

(大眾雙增壓TSI系統(tǒng))

　　TSI發(fā)動機所采用的廢氣渦輪以及機械增壓器都是標準產品，沒有經過特別的結構改造。通過電子系統(tǒng)根據(jù)不同轉速對廢氣渦輪以及機械增壓器介入工作時間進行控制，發(fā)揮這兩種增壓技術的各自優(yōu)勢，最終實現(xiàn)在寬轉速范圍的最大動力輸出。

(大眾TSI發(fā)動機各部件拆解圖)

　　具體來說，TSI的渦輪是根據(jù)以下邏輯進行動作的：

　　1.在低轉速時，由于廢氣渦輪的遲滯效應，大部分的增壓壓力都由機械增壓器產生。發(fā)動機低轉響應性更好，廢氣渦輪增壓器的啟動更加平順。

　　2.當轉速達到1500rpm時，兩個增壓器同時產生作用，總增壓值達到2.5bar。隨著轉速提高，廢氣渦輪增壓器使發(fā)動機獲得更大的動力，而機械增壓器由于摩擦的增大，增壓效果逐漸降低。

　　3.當轉速超過3500rpm時，發(fā)動機管理系統(tǒng)控制電磁離合器分離，使得機械增壓器退出工作，減少摩擦損耗。此時，廢氣渦輪增壓器完全提供發(fā)動機的增壓壓力。

（TSI兩個主要增壓器的解析圖）

　　編輯點評：

　　國外銷售的那款小巧的1.4TSI發(fā)動機，最大功率在6000轉時達到125kw,最大扭矩在1750-4500轉的范圍內達到240Nm。相當于一臺2.3升自然吸氣發(fā)動機的動力輸出。在油耗上，則比2.3升自然吸氣發(fā)動機降低20%。

　　大眾利用了取長補短的方法，完善了增壓發(fā)動機系統(tǒng)，樹立了低轉速高扭力、高轉速大功率的渦輪技術里程碑。

　　寶馬TwinTurbo

　　解決方案說明：

　　寶馬一直倡導自然吸氣發(fā)動機技術，強調油門響應性。通過先進的電子發(fā)動機管理系統(tǒng)，VANOS正時技術以及ValveTronic無級氣門揚程控制系統(tǒng)調教出了世界上最平順，響應性最好的直列六缸發(fā)動機。

　　但在渦輪時代到來之際，這家經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)動機。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)動機系統(tǒng)具有寶馬獨有的特性，強調發(fā)動機高平順性、油門高響應性以及高轉速的高功率輸出。為達到這樣一個指標，寶馬采用了一些列獨特的新技術：

（寶馬N54發(fā)動機廢氣渦輪系統(tǒng)）

　　1.兩個輕質小渦輪。提高低轉速響應性。

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

　　3.循環(huán)減壓閥。減少節(jié)氣門關閉時，增壓壓力峰值產生，降低發(fā)動機噪音。

　　4.缸內直噴，均質燃燒，經過優(yōu)化的噴射邏輯。

（在節(jié)氣門前方的循環(huán)減壓閥）

　　結構分析和工作原理：

(寶馬N54發(fā)動機系統(tǒng)簡圖)

　　寶馬的TwinTurbo技術是在傳統(tǒng)渦輪增壓技術上改進而來的。對渦輪轉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。

　　低轉速或者怠速的時候，排氣旁通閥完全關閉，所有的廢氣通過兩個輕質小渦輪，獲得最大的增壓效果，提高低轉速下油門響應性以及動力輸出。

　　在發(fā)動機滿負荷的情況下，通過部分打開排氣旁通閥以獲得一個比較恒定的增壓壓力，不增加耗油量。

　　渦輪增壓和缸內直噴一般是相伴而生的，寶馬的渦輪增壓系統(tǒng)也不例外。寶馬的缸內直噴技術采用的是均質燃燒模式以獲得更好尾氣排放指標。在噴射邏輯上，根據(jù)不同的發(fā)動機工況采取不同的多次噴射技術，即一個發(fā)動機點火循環(huán)中進行多次噴射，更高效地形成混合氣。

（不同負載，不同轉速區(qū)域的燃油噴射次數(shù)不同）

　　最后，說一下循環(huán)減壓閥。當節(jié)氣門突然關閉的情況下（緊急收油或斷油），節(jié)氣門前后壓力差超過0.3bar，機械氣壓式循環(huán)減壓閥就會打開，高壓氣體泄壓到進氣管低壓側（未經增壓的空氣側）。循環(huán)減壓閥減少過壓對發(fā)動機部件的危害，同時減少了發(fā)動機噪音。

　　編輯點評：

　　由于缸內直噴技術的引入，新款的N54渦輪增壓發(fā)動機不再配備ValveTronic機構，簡化了發(fā)動機結構，使得整個發(fā)動機系統(tǒng)更加簡潔高效。寶馬不像大眾的增壓技術那樣用復雜的結構獲得高功率大扭矩。而是用最簡單的結構獲得良好的響應性以及充足的動力。

　　繼承寶馬直列六缸發(fā)動機的先進技術，在渦輪的作用下，寶馬的新款渦輪增壓發(fā)動機在保持良好響應性和平順性的同時，也具有充沛的動力輸出。雖然在動力上和VTG以及TSI相比稍有不足，但是簡單的機械結構以及寶馬發(fā)動機一貫的良好相應性還是受到不少寶馬迷青睞的。

　　總結：

　　新技術總是帶給人激情。以上提到的這些新型渦輪增壓技術都是業(yè)界出色的設計，大家在了解其技術的同時其實也在了解一個企業(yè)的文化。激情的保時捷、嚴謹?shù)拇蟊?、?yōu)雅的寶馬，這些企業(yè)文化在其產品的方方面面都表現(xiàn)得淋漓盡致。如果各位網友有什么想了解的汽車技術，不防留言告訴我們。我們將會竭盡全力為你帶來最深入的技術剖析。