渦輪增壓
渦輪增壓發(fā)動機是依靠渦輪增壓器來加大發(fā)動機進氣量的一種發(fā)動機，渦輪增壓器(Turbo)實際上就是一個空氣壓縮機。它是利用發(fā)動機排出的廢氣作為動力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪(位于排氣道內(nèi))，渦輪又帶動同軸的葉輪(位于進氣道內(nèi))，葉輪就壓縮由空氣濾清器管道送來的新鮮空氣，再送入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速加快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步加快，空氣壓縮程度就得以加大，發(fā)動機的進氣量就相應(yīng)地得到增加，就可以增加發(fā)動機的輸出功率了。
渦輪增壓發(fā)動機的最大優(yōu)點是它可在不增加發(fā)動機排量的基礎(chǔ)上，大幅度提高發(fā)動機的功率和扭矩。一臺發(fā)動機裝上渦輪增壓器后，其輸出的最大功率與未裝增壓器相比，可增加大約40%甚至更多。
如果大家不明白具體渦輪原理的話，歡迎觀看下面的原理視頻：
雙渦輪增壓
雙渦輪增壓一般稱為Twin turbo或Biturbo,雙渦輪增壓是渦輪增壓的方式之一。針對廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現(xiàn)象，串聯(lián)一大一小兩只渦輪或并聯(lián)兩只同樣的渦輪，在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速的時候，較少的排氣即可驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進氣壓力，減小渦輪遲滯效應(yīng)。
在雙渦輪增壓的汽車上會看到2組渦輪通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接。并聯(lián)指每組渦輪負責(zé)引擎半數(shù)汽缸的工作，每組渦輪都是同規(guī)格的,它的優(yōu)點就是增壓反應(yīng)快并減低管道的復(fù)雜程度。
串聯(lián)渦輪通常是一大一小兩組渦輪串聯(lián)搭配而成，低轉(zhuǎn)時推動反應(yīng)較快的小渦輪，使低轉(zhuǎn)扭力豐厚，高轉(zhuǎn)時大渦輪介入，提供充足的進氣量，功率輸出得以提高。
單渦輪雙渦管
單渦輪雙渦管可以說是寶馬的獨有技術(shù)，單渦輪雙渦管就是將一個渦輪增壓器的氣流在經(jīng)過渦管時分為兩股氣流,每股氣流負責(zé)3個缸.同時于雙渦輪相比,單渦輪的設(shè)計也減低了排氣脈沖相互干擾的情況。單渦輪雙渦管發(fā)動機逐漸在寶馬各個車系開始普及。
與N54B30的3.0雙渦輪發(fā)動機相比，它只采用了一顆經(jīng)過TwinPower優(yōu)化的單渦輪增壓器，TwinPower簡單的說雙進氣道，單渦輪雙渦管就是由雙渦輪的每三個汽缸驅(qū)動一個渦輪進化成了每三個汽缸各自通過一個渦輪進氣管路共同驅(qū)動一個渦輪，從而減輕發(fā)動機自重和降低油耗。
可變截面渦輪
為了更好的了解可變截面渦輪的優(yōu)勢，先讓我們分析一下普通渦輪增壓發(fā)動機的缺點。
普通渦輪增壓發(fā)動機在全負荷狀態(tài)下時排氣能量非?？捎^，但當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時，排氣能量卻小的可憐，此時渦輪增壓器就會由于驅(qū)動力不足而無法達到工作轉(zhuǎn)速，這樣造成的結(jié)果就是，在低轉(zhuǎn)速時，渦輪增壓器并不能發(fā)揮作用，這時候渦輪增壓發(fā)動機的動力表現(xiàn)甚至?xí)∮谝慌_同排量的自然吸氣發(fā)動機，這就是我們經(jīng)常說的“渦輪遲滯”現(xiàn)象。
對于傳統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動機來說，解決渦輪遲滯現(xiàn)象的一個方法就是使用小尺寸的輕質(zhì)渦輪，首先，小渦輪會擁有較小的轉(zhuǎn)動慣量，因此在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時，在發(fā)動機較低轉(zhuǎn)速下渦輪就能達到最佳的工作轉(zhuǎn)速，從而有效改善渦輪遲滯的現(xiàn)象。不過，使用小渦輪也有它的缺點：當(dāng)發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時，小渦輪由于排氣截面較小，會使排氣阻力增加(產(chǎn)生排氣回壓)，因此發(fā)動機最大功率和最大扭矩會受到一定的影響。而對于產(chǎn)生回壓較小的大渦輪來說，雖然高轉(zhuǎn)速下可以擁有出色增壓效果，發(fā)動機也會擁有更強的動力表現(xiàn)，但是低速下渦輪更難以被驅(qū)動，因此渦輪遲滯也會更明顯。
可變截面渦輪增壓的原理
為解決上述矛盾足，讓渦輪增壓發(fā)動機在高低轉(zhuǎn)速下都能保證良好的增壓效果，VGT(Variable Geometry Turbocharger)或者叫VNT可變截面渦輪增壓技術(shù)便應(yīng)運而生。在柴油發(fā)動機領(lǐng)域，VGT可變截面渦輪增壓技術(shù)早已得到了很廣泛的應(yīng)用。由于汽油發(fā)動機的排氣溫度要遠遠高于柴油發(fā)動機，達到1000°C左右(柴油發(fā)動機為400°C左右)，而VGT所使用的硬件材質(zhì)很難承受如此高溫的環(huán)境，因此這項技術(shù)也遲遲未能在汽油機上應(yīng)用。近年來，博格華納與保時捷聯(lián)手克服了這個難題，使用了耐高溫的航空材料技術(shù)，從而成功開發(fā)出了首款搭載可變截面渦輪增壓器的汽油發(fā)動機，保時捷則將這項技術(shù)稱為VTG(Variable Turbine Geometry)可變渦輪葉片技術(shù)。
VGT技術(shù)的核心部分就是可調(diào)渦流截面的導(dǎo)流葉片，從圖上我們可以看到，渦輪的外側(cè)增加了一環(huán)可由電子系統(tǒng)控制角度的導(dǎo)流葉片，導(dǎo)流葉片的相對位置是固定的，但是葉片角度可以調(diào)整，在系統(tǒng)工作時，廢氣會順著導(dǎo)流葉片送至渦輪葉片上，通過調(diào)整葉片角度，控制流過渦輪葉片的氣體的流量和流速，從而控制渦輪的轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動機低轉(zhuǎn)速排氣壓力較低的時候，導(dǎo)流葉片打開的角度較小。根據(jù)流體力學(xué)原理，此時導(dǎo)入渦輪處的空氣流速就會加快，增大渦輪處的壓強，從而可以更容易推動渦輪轉(zhuǎn)動，從而有效減輕渦輪遲滯的現(xiàn)象，也改善了發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時的響應(yīng)時間和加速能力。而在隨著轉(zhuǎn)速的提升和排氣壓力的增加，葉片也逐漸增大打開的角度，在全負荷狀態(tài)下，葉片則保持全開的狀態(tài)，減小了排氣背壓，從而達到一般大渦輪的增壓效果。此外，由于改變?nèi)~片角度能夠?qū)u輪的轉(zhuǎn)速進行有效控制，這也就實現(xiàn)對渦輪的過載保護，因此使用了VGT技術(shù)的渦輪增壓器都不需要設(shè)置排氣泄壓閥。
需要指出的是，VGT可變截面渦輪增壓器只能通過改變排氣入口的橫切面積改變渦輪的特性，但是渦輪的尺寸大小并不會發(fā)生變化。如果從渦輪A/R值去理解的話，可變截面渦輪的原理會更加直觀。
A/R值是渦輪增壓器的一項重要指標(biāo)，用以表達渦輪的特性，在改裝市場的渦輪增壓器銷售冊上也常有標(biāo)明。A表示Area區(qū)域，指的是渦輪排氣側(cè)入口處最窄的橫切面積(也就是可變截面渦輪技術(shù)中的“截面”)，R(Radius)則是代表半徑意思，指的是入口處最窄的橫切面積的中心點到渦輪本體中心點的距離，而兩者的比例就是A/R值。相對而言，壓氣端葉輪受A/R值的影響并不大，不過A/R值卻對排氣端渦輪有著十分重要的意義。
導(dǎo)流葉片的開度能夠影響導(dǎo)向渦輪葉片的氣流速度，低轉(zhuǎn)速時開度小(左圖)，提高空氣流速，高轉(zhuǎn)速時開度大(右圖)，減小排氣負壓
當(dāng)A/R值越小時，表示廢氣通過渦輪的流速較高，這種特性可以有效減輕渦輪遲滯，渦輪也就能在較低的轉(zhuǎn)速區(qū)域取得較高的增壓，而發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時則會產(chǎn)生較大的排氣背壓，使高轉(zhuǎn)速時功率受到限制。反之，當(dāng)A/R值越大時，渦輪的響應(yīng)速度就越慢，低轉(zhuǎn)速時渦輪遲滯明顯，不過在高轉(zhuǎn)速時，擁有較小的排氣背壓，且能夠更好的利用排氣能量，從而獲得更強的動力表現(xiàn)。
而VGT技術(shù)所實現(xiàn)的截面可變就是指改變A值。當(dāng)葉片角度較小時，排氣入口的橫切面積便會相應(yīng)減小，因此A值會隨之變化，從而擁有小渦輪響應(yīng)快的特點。而當(dāng)葉片角度增大時，A值隨之增大，這時A/R值增大，從而在高轉(zhuǎn)速下獲得更強的動力輸出。總而言之，透過變更葉片的角度，VTG系統(tǒng)可隨時改變排氣渦輪的A/R值，從而兼顧大/小渦輪的優(yōu)勢特性。
盡管結(jié)構(gòu)和原理都很簡單，但VGT可變截面渦輪技術(shù)對于增壓效果的提升非常顯著，在目前主流的渦輪增壓柴油發(fā)動機上，這項技術(shù)已經(jīng)得到了非常普遍的應(yīng)用。不過，由于硬件材質(zhì)的限制，這項技術(shù)在排氣溫度較高的汽油發(fā)動機上才剛剛起步，保時捷和博格華納的合作可以說開創(chuàng)了先河。不過，隨著材料科技的進步，這項技術(shù)在未來的汽油發(fā)動機上必將會得到更廣泛的應(yīng)用。
泄壓閥
當(dāng)一輛改裝車從身旁飛馳而過，我們時常會聽到“嗡嗡……”的一段發(fā)動機加速聲音后，又傳來“呲……”的一聲——這給人讓人傳遞了沖勁十足的感覺。這聲音是從那里傳來的?為什么普通民用車，或者一些高性能跑車上都沒有這樣的聲音(而一些普通的改裝車卻有)?
其實這種特有的“呲……”聲是渦輪增壓發(fā)動機的卸壓閥在卸壓時所發(fā)出的聲音，可以說，所有的渦輪增壓發(fā)動機都會產(chǎn)生這種聲音，只不過對于日常民用車而言，廠家在設(shè)計時會將這種聲音作為噪音來處理，盡可能地將它降低。做法是將壓力泄到進氣歧管內(nèi)，因此噪音很小——這種泄壓方式叫做內(nèi)泄式。
對于裝配渦輪增壓發(fā)動機的普通民用車而言，不仔細聽一般都無法覺察到有卸壓時的“呲呲”聲。這就好比對于普通民用車，發(fā)動機噪音和隆隆的排氣聲是屬于負面參數(shù)(而高性能車有時則可以強調(diào)這種聲音)，原廠設(shè)計時盡可能的將這種聲音消除。而對于喜歡駕駛樂趣的車友，這種聲音則成了激發(fā)其駕駛激情的催化劑(我們經(jīng)?？匆姾芏嘬嚨呐艢夤鼙桓牡孟衽谕惨话?，聲音也隆隆的震天響)。
除了激發(fā)駕駛激情以外，“炫”也是改裝的訴求之一，很多人希望將自己的車改得像超高性能車，即便車子動力并不是特別強。一般來說，渦輪增壓發(fā)動機發(fā)出 “呲、呲”聲的大小是與增壓強度相關(guān)的——大渦輪增壓器更容易發(fā)出這樣的聲音。因此如果這種聲音比較大，可以顯得這臺車的增壓器較大，讓人有很炫的感覺。
許多改裝發(fā)燒友也是出于這個目的，把自己民用車發(fā)動機(如寶來1.8T、帕薩特1.8T)的內(nèi)泄式泄壓改成了外泄式，并進一步加大“呲”聲，其道理與炮筒式的排氣管很類似。那么，為什么渦輪增壓發(fā)動機會發(fā)出這樣的聲音呢?
當(dāng)我們踏下油門踏板加速時，節(jié)氣門打開，發(fā)動機排出高溫高壓的廢氣能量推動廢氣渦輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達到渦輪增壓器工作時的轉(zhuǎn)速(也就是使渦輪旋轉(zhuǎn)在每分鐘10萬轉(zhuǎn)以上時)，渦輪增壓器才將周圍的空氣進行壓縮，使發(fā)動機進氣量增加、提升發(fā)動機的動力性。
在當(dāng)我們收油時，節(jié)氣門開度迅速減小直至處于關(guān)閉的怠速狀態(tài)，也就是說發(fā)動機不需要進氣了，或者說進氣管中的氣流會在節(jié)氣閥處受阻。但此時此刻渦輪增壓器并沒有停止工作!由于慣性，渦輪增壓器仍然保持在每分鐘10萬轉(zhuǎn)以上的轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)著。現(xiàn)在可以想象，此時的空氣仍然繼續(xù)被源源不斷地壓縮進入進氣管中，如果在進氣管中這部分高壓空氣不能被及時排走，就會使進氣管中壓力迅速升高，有可能造成節(jié)氣門損害或進氣管爆裂。
這時，就需要在進氣管道中加裝一個卸壓裝置，來卸掉管道中來自進氣渦輪壓縮后的多余高壓空氣。實際上泄壓閥就是安裝在進氣管上一個閥門，用以控制增壓壓力。泄壓閥的開閉由ECU(電子控制單元)操縱的電磁線圈控制。ECU會根據(jù)渦輪出口增壓的壓力高低來做出判斷，一旦壓力超過臨界值時，就會對電磁線圈進行通電或斷電控制，從而開啟或關(guān)閉泄壓閥。
當(dāng)卸壓閥關(guān)閉時以保證進氣管內(nèi)有足夠的進氣壓力為依據(jù)，當(dāng)閥門打開能將多余的氣體泄到大氣中，減輕進氣道內(nèi)壓力，保護發(fā)動機進氣管道。所以我們聽到改裝車上的“呲、呲”聲就是泄壓閥在泄壓排氣時的聲音。
事實上，改裝車上發(fā)出的“呲、呲”聲對于提升發(fā)動機性能提升沒有任何意義，只不過能渲染出一種增壓值很大的假象。相對來說，增壓值越大的發(fā)動機，這種泄壓閥泄壓排出的空氣也就越多，理論上產(chǎn)生的噪音也就越大。而改裝車的時候，將泄壓閥泄壓時的聲音進行放大，就像采用大炮筒排氣管一樣——動靜很酷，卻沒有什么實際效果。
