VTG、TSI、TwinTurbo三大渦輪技術(shù)分析

前言：
    早在1905年，Alffred Buchi博士申請(qǐng)了第一款渦輪增壓器的專利——動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(shù)的始祖。1977年北歐瑞典的Saab薩博公司在其生產(chǎn)的薩博99汽車上使用了渦輪增壓技術(shù)，標(biāo)志著渦輪增壓技術(shù)真正走向成熟。渦輪增壓技術(shù)的商用，標(biāo)志著汽車工業(yè)走向一個(gè)新的時(shí)代。也改寫了汽車業(yè)“排量決定功率”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。
    簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，渦輪增壓技術(shù)通過(guò)向汽缸中“灌”進(jìn)更多的空氣，讓更多的汽油能夠燃燒從而產(chǎn)生更大的功率。實(shí)現(xiàn)了小排量發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大功率的效果。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的排量減少了，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量也相應(yīng)減小，雖然每次發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燒掉的汽油多了，但是由于整車質(zhì)量的減少也進(jìn)一步減少了油耗。
    隨著流體力學(xué)以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，缸內(nèi)直噴、分層噴注、稀薄燃燒等技術(shù)的逐漸成熟。這也使得渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸顯現(xiàn)出其體積小、重量輕、功率大、油耗低的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)渦輪的性能弱點(diǎn)：
    傳統(tǒng)廢棄渦輪增壓器并不是完美的。在使用的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多不盡人意的地方：
    1.渦輪具有質(zhì)量，因此渦輪的慣性制約了渦輪在低轉(zhuǎn)速的性能。這也是人們熟知的“渦輪延遲”（“turbo lag”）.
    2.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在極高轉(zhuǎn)速，渦輪進(jìn)氣端進(jìn)氣量跟不上而導(dǎo)致進(jìn)氣側(cè)渦輪進(jìn)口處產(chǎn)生因氣流分離形成的震動(dòng)。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(gè)最大的技術(shù)難題。隨著渦輪技術(shù)開(kāi)發(fā)的深入，各大汽車生產(chǎn)商都針對(duì)渦輪的固有弱點(diǎn)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(jìn)技術(shù)——保時(shí)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(jī)械增壓和燃油分層噴注)。

注解：
    1.國(guó)內(nèi)和國(guó)外的TSI發(fā)動(dòng)機(jī)雖然都用“TSI”標(biāo)注，但是它們本質(zhì)上有很大的區(qū)別。具體請(qǐng)看這篇文章：國(guó)內(nèi)外TSI發(fā)動(dòng)機(jī)大不同
    2.保時(shí)捷把可變渦輪葉片技術(shù)叫做VTG，其他廠商把同一種技術(shù)叫做VGT(Variable Geometry Turbocharger，即可變截面渦輪增壓)。之所以保時(shí)捷具有領(lǐng)先性，是因?yàn)楸�時(shí)捷是首個(gè)把可變渦輪葉片技術(shù)應(yīng)用在排氣溫度較高（高達(dá)1000攝氏度）的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的廠商，而其他廠商只是把這種技術(shù)應(yīng)用在普通的柴油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（排氣溫度相對(duì)較低）上。這可能就是保時(shí)捷把這種技術(shù)叫做“VTG”而不是“VGT”的原因。

新型渦輪增壓技術(shù)解析：
保時(shí)捷VTG
解決方案說(shuō)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(shù)的渦輪，其渦輪葉片的幾何形狀是可變的。通過(guò)不同工況下（通常是轉(zhuǎn)速）改變排氣側(cè)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(dǎo)向葉片）

結(jié)構(gòu)分析和工作原理：
    所謂的可變渦輪葉片并不是說(shuō)渦輪的剛性葉片能夠隨意改變形狀。VTG技術(shù)在渦輪的外側(cè)加了一環(huán)可通過(guò)電子系統(tǒng)控制角度的葉片，把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣導(dǎo)向到排氣側(cè)的渦輪葉片上。

（不同轉(zhuǎn)速下，導(dǎo)向葉片角度不同，精確控制渦輪轉(zhuǎn)速）

    當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，廢氣壓力較低，導(dǎo)流葉片打開(kāi)角度較小，根據(jù)流體力學(xué)原理，在導(dǎo)向葉片出口處的氣流速度會(huì)增加，到達(dá)渦輪排氣側(cè)葉片上的氣體壓強(qiáng)會(huì)增大，從而能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下渦輪的轉(zhuǎn)速，減輕“渦輪延遲”現(xiàn)象。
    隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的提高，導(dǎo)向葉片的角度逐漸變大。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大負(fù)荷的時(shí)候，導(dǎo)向葉片完全打開(kāi)，與排氣側(cè)主體渦輪形成一個(gè)更大的葉片，達(dá)到大渦輪的輸出效果。
    VTG技術(shù)通過(guò)導(dǎo)向葉片改變廢氣作用在排氣側(cè)渦輪葉片上的壓力，控制渦輪的轉(zhuǎn)速，從而控制渦輪的增壓壓力。由于渦輪轉(zhuǎn)速得到控制，增壓壓力也得到了控制，采用VTG技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)不再需要傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的放氣閥（Blow off valve）。

編輯點(diǎn)評(píng)：
    VTG技術(shù)最早出現(xiàn)在增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度較汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低，因此VTG技術(shù)得到較好的應(yīng)用。而汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度高達(dá)1000攝氏度，對(duì)VTG材料的要求極高。保時(shí)捷為了解決此問(wèn)題，與Borg Warner Turbo Systems合作，并且采用太空科技的抗高溫材質(zhì)，終于讓VTG在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上面得以實(shí)現(xiàn)。
    搭載VTG技術(shù)的911 GT2，能輸出353kw的功率。在1950rpm到5000rpm如此寬的轉(zhuǎn)速范圍都可輸出高達(dá)620Nm的巨大扭矩。由此可見(jiàn)VTG顯著的成效。