详解可变截面涡轮增压技术

标题：涡轮传奇

副标题：详解可变截面涡轮增压技术

文：张东方

当今的汽车界，涡轮增压是一个时髦的玩意，各路汽车企业动不动就拿涡轮增压给新推车型镀金，动不动就拿涡轮增压来标榜企业的研发实力，你还别说，这招真管用！那么为什么大家都会买涡轮增压的帐呢？你对涡轮增压又了解多少呢？

相对于普通自然吸气发动机，涡轮增压发动机是通过增压器进行强制进气的，利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮旋转，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮则将空气进行“压缩打包”处理后送至进气缸，有效增加了进气量，从而大大提高发动机的功率和扭矩，实现了小排量大功率的目的。但是头戴众多光环的技术明星涡轮增压技术并不完美，而正是这种不完美才催生了可变截面涡轮增压技术的诞生。

为什么要可变

由于涡轮增压发动机的增压器需要靠排气能量驱动，所以当发动机转速较低时，排气压力很小，产生的排气驱动力不足以驱动涡轮转动，造成涡轮增压器不仅不能发挥增压作用，甚至其动力表现会输给一台同排量的自然吸气发动机，也就是常说的“涡轮迟滞（Turbo lag）”现象。解决涡轮迟滞现象的传统方法是折中使用尺寸更小的轻质涡轮，由于小涡轮拥有较小的转动惯量，发动机低转速下，即便排气压力很小也足以驱动小涡轮转动，从而有效缓解涡轮迟滞。但是当发动机高转速运行时，由于小涡轮排气截面较小，会使排气阻力增加，反而会降低发动机功率和扭矩。矛盾焦点在于：大涡虽然高速增压效果强劲，但是低速“涡轮迟滞”实在伤不起；而小涡轮虽然避免了低速的Turbo lag，但在高速时不仅增压效果差，还存在副作用；找准了矛盾的焦点之后，工程师发明了双涡轮增压技术，即涡轮增压系统布置两个涡轮，在高、低转速下分别采用大、小涡轮，规避了两者的缺点，发挥了双方的优势。

可变截面涡轮技术

双涡轮增压相对于传统的涡轮增压技术确实有了不小的进步，但是毕竟只有两个涡轮，只能实现两级增压，不能以连续的工作状态应对复杂多变的行车工况，而且低速时小涡轮增压动力不足，面对这一矛盾，可变截面涡轮增压技术（VGT）就应运而生了。

VGT涡轮的外侧增加了一环可由ECU控制角度的导流叶片，这是VGT的核心部件，排出的废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上，而不是像传统的涡轮增压一样直接作用于涡轮叶片。导流叶片的相对位置是固定的，但是角度可调，通过调节叶片角度就可以无级调节涡流截面面积，从而连续控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速，最终实现了涡轮转速的无级变化。当发动机转速较低时，排气压力较低，导流叶片打开的角度较小。根据流体力学原理，

此时导入涡轮处的空气流速就会加快，增大涡轮处的压强，从而可以更容易驱动涡轮转动，以此减轻涡轮迟滞的现象，也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力。而随着转速的提升和排气压力的增加，叶片也逐渐增大打开的角度，在全负荷状态下，叶片则保持全开的状态，减小了排气背压，从而达到一般大涡轮的增压效果。

由于可以对增压过程无级调节，VGT使车辆在高转速下增压器涡轮面积更大，增压效果大大提升，动力更强，而在低速下，由于消除了涡轮迟滞现象，使得车辆在整个加速阶段都没有动力陡增或陡降的现象，动力输出更加平顺，达到了自然吸气发动机的效果，从而保证在各个发动机转速下，发动机都能处于最佳的工作状态，从而大幅度降低了油耗，尤其是在城市工况下，节油效果更加明显。

涡轮传奇还将上演

如果你认为可变截面涡轮增压已经把增压技术做到极致了，那你就错了，可变截面涡轮技术只是通过改变截面导流叶片将流经涡轮的废气压力提高，更快驱动涡轮，但废气驱动涡轮仍需要时间，动力输出仍然有延迟，因此涡轮迟滞现象只是得以缓解，仍不能根除。而保时捷全新911 Turbo配备的三涡轮增压发动机采用了大小双废气涡轮+电动涡轮的组合，其中的两个涡轮与传统的双涡轮增压发动机工作模式并无大的差异，但是电动涡轮的加入则彻底治愈了涡轮迟滞的顽疾。电子控制单元的控制逻辑使得双涡轮与电动涡轮完美协调，相互配合。由于电动涡轮的动力源不是来自废气而是来自蓄电池，因此发动机转速较低时，它比废气涡轮能够更快进入较大或最大增压范围，惯性小，响应速度快，快速输出增压动力；而在高速时，单纯利用传统涡轮即可满足增压要求，同时还可以利用废气的多余能量为电动涡轮充电。