VTG、TSI、TwinTurbo三大渦輪技術(shù)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(qū)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(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(shù)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(chǎn)生更大的功率。實現(xiàn)了小排量發(fā)動機產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(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(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.當發(fā)動機運行在極高轉(zhuǎn)速，渦輪進氣端進氣量跟不上而導致進氣側(cè)渦輪進口處產(chǎn)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(shù)難題。隨著渦輪技術(shù)開發(fā)的深入，各大汽車生產(chǎn)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(shù)——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(nèi)和國外的TSI發(fā)動機雖然都用“TSI”標注，但是它們本質(zhì)上有很大的區(qū)別。具體請看這篇文章：國內(nèi)外TSI發(fā)動機大不同
    2.保時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)。之所以保時捷具有領(lǐng)先性，是因為保時捷是首個把可變渦輪葉片技術(shù)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(shù)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(shù)叫做“VTG”而不是“VGT”的原因。

新型渦輪增壓技術(shù)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(shù)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(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(cè)的渦輪葉片上。

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

    當發(fā)動機的轉(zhuǎn)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(cè)葉片上的氣體壓強會增大，從而能夠提高發(fā)動機低轉(zhuǎn)速下渦輪的轉(zhuǎn)速，減輕“渦輪延遲”現(xiàn)象。
    隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)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(cè)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(shù)通過導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(shù)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(shù)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(zhì)，終于讓VTG在汽油發(fā)動機上面得以實現(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(shù)固有的缺點，大眾把廢氣渦輪增壓以及機械增壓技術(shù)相結(jié)合，輔以燃油分層噴注技術(shù)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)扭力輸出范圍廣等特點。但是機械增壓器在高轉(zhuǎn)速時會產(chǎn)生很大的摩擦，能量損失明顯，不能應用于高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速時的固有缺點。兩者結(jié)合以后,發(fā)動機在各轉(zhuǎn)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(jīng)濟性都上了一個新的臺階。

結(jié)構(gòu)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(chǎn)品，沒有經(jīng)過特別的結(jié)構(gòu)改造。通過電子系統(tǒng)根據(jù)不同轉(zhuǎn)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(shù)的各自優(yōu)勢，最終實現(xiàn)在寬轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生。發(fā)動機低轉(zhuǎn)響應性更好，廢氣渦輪增壓器的啟動更加平順。
    2.當轉(zhuǎn)速達到1500rpm時，兩個增壓器同時產(chǎn)生作用，總增壓值達到2.5bar。隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時達到125kw,最大扭矩在1750-4500轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)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(zhuǎn)速高扭力、高轉(zhuǎn)速大功率的渦輪技術(shù)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(shù)，強調(diào)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(shù)以及ValveTronic無級氣門揚程控制系統(tǒng)調(diào)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(jīng)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(diào)發(fā)動機高平順性、油門高響應性以及高轉(zhuǎn)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(shù)：

（寶馬N54發(fā)動機廢氣渦輪系統(tǒng)）

    1.兩個輕質(zhì)小渦輪。提高低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。
    3.循環(huán)減壓閥。減少節(jié)氣門關(guān)閉時，增壓壓力峰值產(chǎn)生，降低發(fā)動機噪音。
    4.缸內(nèi)直噴，均質(zhì)燃燒，經(jīng)過優(yōu)化的噴射邏輯。

（在節(jié)氣門前方的循環(huán)減壓閥）

結(jié)構(gòu)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(shù)是在傳統(tǒng)渦輪增壓技術(shù)上改進而來的。對渦輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速或者怠速的時候，排氣旁通閥完全關(guān)閉，所有的廢氣通過兩個輕質(zhì)小渦輪，獲得最大的增壓效果，提高低轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)直噴技術(shù)采用的是均質(zhì)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(shù)，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(zhuǎn)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(guān)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(cè)（未經(jīng)增壓的空氣側(cè)）。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(nèi)直噴技術(shù)的引入，新款的N54渦輪增壓發(fā)動機不再配備ValveTronic機構(gòu)，簡化了發(fā)動機結(jié)構(gòu)，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(shù)那樣用復雜的結(jié)構(gòu)獲得高功率大扭矩。而是用最簡單的結(jié)構(gòu)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(shù)，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(jié)構(gòu)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(jié)：
    新技術(shù)總是帶給人激情。以上提到的這些新型渦輪增壓技術(shù)都是業(yè)界出色的設計，大家在了解其技術(shù)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)拇蟊姟?a target="_blank" class="cmsLink">優(yōu)雅的寶馬，這些企業(yè)文化在其產(chǎn)品的方方面面都表現(xiàn)得淋漓盡致。如果各位網(wǎng)友有什么想了解的汽車技術(shù)，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(shù)剖析。