告别涡轮迟滞,浅析先进涡轮增压技术

文章来源:汽车动力总成 点击数:0 发布时间:2019-12-02
涡轮增压技术经过多年的进步和不断升级,发展出了可变截面涡轮增压、双涡轮增压、双涡管增压器、电动增压器众多新产品并得到推广应用。博格华纳、霍尼韦尔、康明斯、三菱重工、IHI 等在该领域技术先进,并引领着行业的发展。
告别涡轮迟滞,浅析先进涡轮增压技术

涡轮增压技术是通过优化进气方式提高发动机热效率的重要技术之一,随着节能趋势加严,发动机小型化,涡轮增压技术愈发普及。根据霍尼韦尔的预测,到 2021 年,全球搭载涡轮增压的新车年销量将接近半数,达到 5200 万辆。

涡轮增压技术经过多年的进步和不断升级,发展出了可变截面涡轮增压、双涡轮增压、双涡管增压器、电动增压器众多新产品并得到推广应用。博格华纳、霍尼韦尔、康明斯、三菱重工、IHI 等在该领域技术先进,并引领着行业的发展。

微信图片_20191202103923.jpg

可变截面涡轮:

普通涡轮增压发动机在全负荷状态下时排气能量非常可观,但当发动机转速较低时,排气能量小,涡轮增压器会由于驱动力不足而无法达到工作转速,不能发挥作用,此时涡轮增压发动机的动力表现甚至会小于一台同排量的自然吸气发动机,即“涡轮迟滞”现象。

对于传统的涡轮增压发动机来说,解决涡轮迟滞现象的一个方法就是使用小尺寸的轻质涡轮,首先,小涡轮会拥有较小的转动惯量,因此在发动机低转速时,在发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速,从而有效改善涡轮迟滞的现象。

不过,使用小涡轮也有它的缺点:当发动机高转速时,小涡轮由于排气截面较小,会使排气阻力增加(产生排气回压),因此发动机最大功率和最大扭矩会受到一定的影响。而对于产生回压较小的大涡轮来说,虽然高转速下可以拥有出色增压效果,发动机也会拥有更强的动力表现,但是低速下涡轮更难以被驱动,因此涡轮迟滞也会更明显。

微信图片_20191202103926.jpg

为解决上述矛盾,让涡轮增压发动机在高低转速下都能保证良好的增压效果,VGT或称 VNT可变截面涡轮增压技术便应运而生。可变几何截面涡轮增压主要是通过改变冲向涡轮叶片的废气流向和流速来改变其施加到涡轮的能量,扩宽涡轮的流量范围,用于改善瞬态响应速度并提高动力性。

微信图片_20191202103928.jpg

VGT在柴油机上的应用从20世纪90年代就已经开始了,但由于汽油机高达 1 000 ℃甚至更高的排气温度使其直到现在才逐渐应用到汽油机上。采用 VGT 可在普通单流道涡轮增压基础上提高低端扭矩20%左右,额定扭矩最低转速提前 150~250 r/min,额定功率提升 5%左右。同时使得瞬态加速响应时间缩短至少 30%。大众最新的1.5TSI发动机就搭载了VTG可变截面增压器,技术源自保时捷。

微信图片_20191202103931.jpg

单涡轮双涡管:

带废气阀的单流道涡轮增压器被广泛的应用于汽油机,也是通常所指的涡轮增压技术,由于发动机气缸在工作时,存在进气门和排气门同时开启的情况(气门叠开)。当一个气缸气门重叠时,点火相邻的气缸(例如四缸发动机点火顺序通常为1-3-4-2,那么1、3气缸即为点火相邻气缸)处于排气行程。如果这两个气缸排气管相通,会形成气流干扰,导致废气流回气缸,影响气缸进气量,从而影响发动机功率。

微信图片_20191202103933.jpg

 

单涡轮双涡管是将将一个涡轮增压器的气流在经过涡管时分为两股气流,分成两组分别推动涡轮工作,每股气流负责几个气缸。以四缸机为例,在单涡轮双涡管发动机中,点火相邻气缸排气管道两两分开(1、4一组,2、3一组),互不干涉,而且排气更为充分,可以有效利用废气能量,有效缓解涡轮迟滞,显著提升涡轮性能(特别是低速响应),动力更强,燃油经济性更佳。采用双流道可使低端扭矩提高 15%左右,额定扭矩最低转速提前 100~200 r/min,瞬态加速响应时间缩短15%左右。

微信图片_20191202103936.jpg

微信图片_20191202103939.jpg

双涡轮增压:

双涡轮增压一般称为Twin turbo 或Biturbo,双涡轮增压是涡轮增压的方式之一。针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象,串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮,在发动机低转速的时候,较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力,减小涡轮迟滞效应。

在双涡轮增压的汽车上会看到2 组涡轮通过串联或者并联的方式连接。并联指每组涡轮负责引擎半数汽缸的工作,每组涡轮都是同规格的;其优点是增压反应快并减低管道的复杂程度。并联双涡轮技术一般应用在6缸以上发动机上。

微信图片_20191202103942.jpg

串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成,构成所谓的两级涡轮增压,低转时推动反应较快的小涡轮,使低转扭力丰厚,高转时大涡轮介入,提供充足的进气量,功率输出得以提高。下图为上汽大通πVGT+WGT两级增压示意图。

微信图片_20191202103944.jpg

电动涡轮增压器:

电动涡轮增压器是靠电力来驱动涡轮旋转的增压器。博格华纳推出的 eBooster 电子驱动技术与涡轮增压器协同工作,可根据需求提供增压的同时也能有效避免可察觉的涡轮迟滞现象。该技术在不损耗发动机能耗的前提下,很好地解决了涡轮迟滞现象:发动机低速运转时,排气流量还带不动涡轮增压器的叶轮时,由电机先驱动电动涡轮介入工作,提供增压。等到排气流量变大后,通过废气带动另一个涡轮增压器介入工作。采用电动涡轮增压器可以消除涡轮迟滞现象,可以在更短的时间内,扭矩达到最大值,车辆的加速性能和操控感得到显著提升。

微信图片_20191202103947.jpg

除此以外,eBooster和涡轮增压器的配合相当于两级涡轮增压器。在这个过程中,eBooster 在发动机高转速运转时保持 2-3kW 持续增压,以辅助涡轮增压器。不仅可以大大提升发动机在各个转速时的扭矩,还为发动机小型化提供更多的可能性,从而降低燃油的消耗量并且降低排放。

微信图片_20191202103949.jpg

2016 年奥迪推出的 SQ7 是世界上第一款搭载电动涡轮增压器的量产车型,该车型搭载了一台4.0TDI V8 柴油发动机,一共有 3 个涡轮辅助这台发动机工作。两个涡轮增压器和一个电动涡轮共同辅助发动机做功,该发动机在 1000rpm时即可提供 900Nm 的最大扭矩,1-100km/h 加速只需4.8s,油耗7.4L/100km。