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告別渦輪遲滯，淺析先進渦輪增壓技術

2020-05-18 15:40:03

渦輪增壓技術是通過優化進氣方式提高發動機熱效率的重要技術之一，隨著節能趨勢加嚴，發動機小型化，渦輪增壓技術愈發普及。根據霍尼韋爾的預測，到 2021年，全球搭載渦輪增壓的新車年銷量將接近半數，達到5200萬輛。
渦輪增壓技術經過多年的進步和不斷升級，發展出了可變截面渦輪增壓、雙渦輪增壓、雙渦管增壓器、電動增壓器眾多新產品并得到推廣應用。博格華納、霍尼韋爾、康明斯、三菱重工、IHI 等在該領域技術先進，并引領著行業的發展。
可變截面渦輪：
普通渦輪增壓發動機在全負荷狀態下時排氣能量非?？捎^，但當發動機轉速較低時，排氣能量小，渦輪增壓器會由于驅動力不足而無法達到工作轉速，不能發揮作用，此時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，即“渦輪遲滯”現象。
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，在發動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，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，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或稱 VNT 可變截面渦輪增壓技術便應運而生?？勺儙缀谓孛鏈u輪增壓主要是通過改變沖向渦輪葉片的廢氣流向和流速來改變其施加到渦輪的能量，擴寬渦輪的流量范圍，用于改善瞬態響應速度并提高動力性。

VGT在柴油機上的應用從20世紀90年代就已經開始了，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。同時使得瞬態加速響應時間縮短至少30%。大眾最新的1.5TSI發動機就搭載了VTG可變截面增壓器，技術源自保時捷。

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，由于發動機氣缸在工作時，存在進氣門和排氣門同時開啟的情況。當一個氣缸氣門重疊時，點火相鄰的氣缸處于排氣行程。如果這兩個氣缸排氣管相通，會形成氣流干擾，導致廢氣流回氣缸，影響氣缸進氣量，從而影響發動機功率。
單渦輪雙渦管是將將一個渦輪增壓器的氣流在經過渦管時分為兩股氣流，分成兩組分別推動渦輪工作，每股氣流負責幾個氣缸。以四缸機為例，在單渦輪雙渦管發動機中，點火相鄰氣缸排氣管道兩兩分開，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，顯著提升渦輪性能，動力更強，燃油經濟性更佳。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，瞬態加速響應時間縮短15%左右。

雙渦輪增壓：
雙渦輪增壓一般稱為Twin 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，串聯一大一小兩只渦輪或并聯兩只同樣的渦輪，在發動機低轉速的時候，較少的排氣即可驅動渦輪高速旋轉以產生足夠的進氣壓力，減小渦輪遲滯效應。
在雙渦輪增壓的汽車上會看到2 組渦輪通過串聯或者并聯的方式連接。并聯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；其優點是增壓反應快并減低管道的復雜程度。并聯雙渦輪技術一般應用在6缸以上發動機上。

串聯渦輪通常是一大一小兩組渦輪串聯搭配而成，構成所謂的兩級渦輪增壓，低轉時推動反應較快的小渦輪，使低轉扭力豐厚，高轉時大渦輪介入，提供充足的進氣量，功率輸出得以提高。下圖為上汽大通πVGT+WGT兩級增壓示意圖。

電動渦輪增壓器：
電動渦輪增壓器是靠電力來驅動渦輪旋轉的增壓器。博格華納推出的eBooster電子驅動技術與渦輪增壓器協同工作，可根據需求提供增壓的同時也能有效避免可察覺的渦輪遲滯現象。該技術在不損耗發動機能耗的前提下，很好地解決了渦輪遲滯現象：發動機低速運轉時，排氣流量還帶不動渦輪增壓器的葉輪時，由電機先驅動電動渦輪介入工作，提供增壓。等到排氣流量變大后，通過廢氣帶動另一個渦輪增壓器介入工作。采用電動渦輪增壓器可以消除渦輪遲滯現象，可以在更短的時間內，扭矩達到最大值，車輛的加速性能和操控感得到顯著提升。
除此以外，eBooster和渦輪增壓器的配合相當于兩級渦輪增壓器。在這個過程中，eBooster 在發動機高轉速運轉時保持 2-3kW 持續增壓，以輔助渦輪增壓器。不僅可以大大提升發動機在各個轉速時的扭矩，還為發動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渦輪增壓器的量產車型，該車型搭載了一臺 4.0TDI V8 柴油發動機，一共有 3 個渦輪輔助這臺發動機工作。兩個渦輪增壓器和一個電動渦輪共同輔助發動機做功，該發動機在 1000rpm時即可提供 900Nm 的最大扭矩，1-100km/h 加速只需 4.8s，油耗7.4L/100km。

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告別渦輪遲滯，淺析先進渦輪增壓技術