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，標志著汽車工業走向一個新的時代。也改寫了汽車業“排量決定功率”的傳統認識。
    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。實現了小排量發動機產生大功率的效果。由于發動機的排量減少了，發動機的質量也相應減小，雖然每次發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動機逐漸顯現出其體積小、重量輕、功率大、油耗低的優勢。

傳統渦輪的性能弱點：
    傳統廢棄渦輪增壓器并不是完美的。在使用的過程中會出現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”。
    以上是傳統渦輪兩個最大的技術難題。隨著渦輪技術開發的深入，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：
    1.國內和國外的TSI發動機雖然都用“TSI”標注，但是它們本質上有很大的區別。具體請看這篇文章：國內外TSI發動機大不同
    2.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可通過電子系統控制角度的葉片，把發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，從而能夠提高發動機低轉速下渦輪的轉速，減輕“渦輪延遲”現象。
    隨著發動機的轉速的提高，導向葉片的角度逐漸變大。當發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技術的發動機不再需要傳統廢氣渦輪增壓發動機的放氣閥（Blow off valve）。

編輯點評：
    VTG技術最早出現在增壓柴油發動機上。由于柴油發動機的排氣溫度較汽油發動機低，因此VTG技術得到較好的應用。而汽油發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在汽油發動機上面得以實現。
    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。