|
【卡车之家 原创】前几期的卡家小百科中，我们讲述了关于涡轮增压的工作原理和一些江湖“传说”。很多卡友都对涡轮增压的实际应用非常感兴趣。 本期的卡家小百科将从涡轮增压器的技术发展，涡轮增压机的布局形式几方面来讲述。 ▎涡轮增压器的技术发展自从1905年，瑞士工程师提出了涡轮增压概念，涡轮增压技术正式诞生到现在已经过去了百余年时间了。在此期间，涡轮增压器的技术也不断取得进步，下面我们先来看看涡轮增压器的技术发展。 ● 双涡管涡轮 早期的普通涡轮都有或大或小的涡轮迟滞现象，带给驾驶人的感受就是，轻踩油门车不走，稍微踩深一些，车子就像被踹了一脚似的窜出去，发动机动力输出极不线性，突兀感强烈，驾乘感受十分不佳。 由于发动机在低转速时废气量低，较低的废气流速所产生的动能不足以推动涡轮的运转，需要等到发动机转速提高之后，废气动力较大时，涡轮才能启动，这个就是涡轮迟滞现象。 涡轮迟滞越大，表示该发动机的发力所需转速就越高，可利用的发动机转速也越少。在发动机排量不变的情况下，增压器直径越大，涡轮迟滞现象就越严重。 为了解决涡轮迟滞现象，工程师们想出改造排气管的方法来提升废气流速。 将发动机的排气歧管分成两股或多股气流，通过降低相邻点火的两个气缸间排气气流相互干扰的情况，来提升排气气流的流速，使涡轮增压器可以更早进入工作状态。 相比普通的涡轮增压发动机，单涡轮双涡管发动机可以有效缓解低速时的迟滞性，使得发动机峰值扭矩的爆发更早，燃油经济性更佳。 ● 可变截面涡轮增压技术 可变截面涡轮技术简称VGT，也就是Variable Geometry Turbine可变几何形状涡轮。 VGT的出现同样也是为了减少涡轮迟滞而诞生的。 可变截面涡轮增压器系统的核心是可调涡流截面的导流叶片。通过在涡轮的外侧增加了一环可调节角度的导流叶片。通过对导流叶片的角度调整，控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速，从而控制涡轮的转速。 当发动机低转速排气压力较低的时候，导流叶片打开的角度较小，此时导入涡轮处的空气流速就会加快，增大涡轮处的压强，从而可以更容易推动涡轮转动，从而有效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。 而在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。 此外，由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进行有效控制，这也就实现对涡轮的过载保护，因此使用了VGT技术的涡轮增压器都不需要设置排气泄压阀。 采用可变涡轮截面技术的柴油发动机在所有转速范围内的效率均明显高于目前采用的标准放气阀式的涡轮增压器。使发动机在低转速和高转速的情况下都有着更加平顺的动力输出。 ● 电动涡轮增压器 由于废气涡轮的物理特性限制，想要推动叶片转动，排气压力必须达到一定的数值。为了解决涡轮迟滞，工程师们改造排气管诞生了双涡管涡轮，又加入更加复杂的VGT变截面涡轮，但这依旧不够，电动涡轮也就顺势而生。 电动涡轮由电作为能源驱动的涡轮。相比传统的废气涡轮，电动涡轮结构较为简单，体积也更加小巧，由于是电机直接驱动叶轮工作，不需要发动机废气推动，因此不存在涡轮迟滞的情况。 以某品牌电动涡轮为例，依托于48V电源，电动涡轮额定功率5kW，最高瞬时功率6.2kW，持续工作功率2-3kW，最高转速达7.2万转/分钟，在230毫秒内就能够实现90%的最大转速工作。 ▎涡轮增压器的布置形式涡轮增压器根据布置的形式不同，可以分为双涡轮增压，也可以是机械增压加涡轮增压，涡轮增压加电动涡轮等多种形式。这里以双涡轮为例： ● 好事成双——双涡轮增压 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，减小涡轮迟滞现象。
(1)低压增压器；(2)增压空气中冷器；(3)高压增压器；(4)增压空气中冷却器 大名鼎鼎的曼恩D38发动机就采用了串联双增压方式。这款15.2L的直列6缸发动机增压系统由两个不同大小的涡轮增压器串联组成。小尺寸的高压增压器在转速较低时介入，随着转速和负荷提高，大尺寸低压增压器逐渐介入。 得益于双涡轮增压系统，D38发动机最大马力达到640匹，在930转时就可以输出3000牛米的最大扭矩，并一直持续到1350转。
除此之外，重汽旗下的MC07.35-40发动机和日野的A09C发动机也采用类似的双增压方式。 ● 三阳开泰——三涡轮增压
2016巴黎车展，奥迪展示了奥迪SQ7搭载的三涡轮4.0TDI柴油发动机。这款发动机同时搭载了电动涡轮和废气涡轮，发动机气缸的两个排气门相互独立，分别连接到两个废气涡轮，两个废气涡轮有串联和并联两种模式。 在怠速或中低转速时，仅有一个废气涡轮和电动涡轮增压器工作。 在中高转速时，两个废气涡轮以串联工作方式工作。 高转速时，两个废气涡轮以处于并联工作模式。 ● 四平八稳——四涡轮增压
2016年，沃尔沃打造了基于D13发动机的“铁骑士”卡车，为了满足进气量，这台D13发动机装配了四个涡轮增压器，经过调校后，发动机拥有2400马力，6000牛米的惊人动力。 ● 最不务正业的涡轮“增压器”
2020年2月27日，沃尔沃在瑞典发布了新款FH等车型，一同亮相的还有最新的D13TC发动机。要说不务正业的，还是这台发动机搭载的一台废气涡轮了。
在D13TC上，这台废气涡轮不作为增压器使用，而是利用废气能力反过来驱动曲轴。因此，这种涡轮技术被称之为涡轮复合技术。
沃尔沃的涡轮复合技术称之为Turbo Compound，即涡轮复合增压系统或者叫机械热回收系统，属于余热利用之一。它从发动机排气中捕获浪费的能量，将废气能转化为机械能，涡轮驱动飞轮。 据沃尔沃介绍，D13TC发动机的Turbo Compound技术可以将曲轴输出的动力提高50马力，燃油效率提高6.5％。 下面我们简单的讲一讲沃尔沃的Turbo Compound技术是如何工作的。 这套涡轮复合组件位于涡轮增压器和发动机曲轴飞轮之间。 废气推动涡轮叶轮，经过一组减速齿轮，减小涡轮的高转速后，再通过液压离合器稳定平衡转速变化，随后再进一步减速，以使转速适应曲轴转速，最终动力通过齿轮传递到曲轴飞轮。 简单的说，就是涡轮推动液压离合器，随后通过齿轮传递动力的方式助力曲轴的转动。 如果涡轮连接到的不是曲轴飞轮，而是发电机，则称该技术为电动涡轮复合。 机械涡轮复合最早于20世纪50年代就开始在飞机发动机上应用，而后60年代开始应用于车辆发动机上。目前在国外知名商用车上已经非常成熟，但是国内发动机在此方面尚是空白。 小小的涡轮，巧妙的利用了发动机的废热作出了巨大的贡献，100多年来，依旧不断发展进步，而每一次进步，都是人类追求高效利用能源的衷心。 好了，今天关于涡轮技术的普及就到这里。大家对于涡轮方面的提问和讨论都可以在下面评论区留言。（文/朱鹏飞） |
|
|
