VGT涡轮增压技术的最新进展

AI汽车制造业2018-11-10 12:42:14




导读

可变截面涡轮增压器在汽油机上的应用,可以显著提高额定功率,同时能够在最佳性能范围内降低最高排气温度和燃油消耗率。与整体发动机系统的结合可进一步显著提高驾驶性和汽油机的效率,降低系统成本。现在,多种可变截面涡轮增压器不断创新应用...


几十年来,研发未来内燃机技术的工程师们一直面临着一个重大挑战,即如何在降低燃油消耗、减少废气污染物排放的同时,提高发动机的总体效率。中国将于2020年实施更严格的节能减排法规(要求新车平均油耗降至5L/100km),这将进一步加剧两者之间的矛盾。废气涡轮增压器在满足这些要求方面发挥着愈加重要的作用,甚至可以在低速或者废气排量有限的情况下提供较高的发动机转矩。


不过,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,排气能量却小的可怜,此时涡轮增压器就会由于驱动力不足而无法达到工作转速,这样造成的结果就是,在低转速时,涡轮增压器并不能发挥作用,这时候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,这就是我们经常说的“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。


博格华纳开创了可变截面涡轮增压技术


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(Variable Geometry Turbocharger)或者叫“VNT可变截面涡轮增压”技术应运而生。


在柴油发动机领域,可变截面涡轮增压技术早已得到了很广泛的应用。由于汽油发动机的排气温度要远远高于柴油发动机,达到1000°C左右(柴油发动机为400°C左右),而可变截面涡轮增压器所使用的硬件材质很难承受如此高温的环境,因此这项技术也迟迟未能在汽油机上应用。近年来,博格华纳与保时捷联手克服了这个难题,使用了耐高温的航空材料技术,成功开发出了首款搭载可变截面涡轮增压器的汽油发动机,保时捷则将这项技术称为“VTG(Variable Turbine Geometry)可变涡轮叶片技术”。



博格华纳与保时捷联手开发出了首款搭载可变截面涡轮增压器的汽油发动机


新款911Turbo的3.6升发动机配有两台带电子控制的可变截面BV50G涡轮增压器。6缸发动机藉此可以产生470马力的输出功率,比上一代车型增加了59马力。扭矩也比先前增加了44磅-英尺,超过450磅-英尺。同时,发动机研制者也得以扩大动力强劲的转速范围,进一步提升已经出神入化的跑车性能。先前的车型在2700转/分-4600转/分的转速范围内才可以达到最大扭矩输出。而这一新款发动机在1900转/分到5000转/分的转速范围内都可以产生457磅-英尺的扭矩。


采用手动变速器的新款911Turbo可以在4秒内从静止加速到60英里/小时。采用Tiptronic S变速器的车型更是将这一时间缩短了0.2秒。两个版本车型的最高速度都为192英里/小时。在新款911Turbo上,相比动力增强更令人称奇的地方是油耗更低,平均油耗达到了美国度量标准18英里/加仑(英制22英里/加仑)。


在VTG首次成功应用于保时捷911Turbo后,博格华纳预计在未来十年内该技术将更广泛地应用于汽油发动机。“采用涡轮增压加上燃油直喷技术的汽油发动机将会像柴油发动机一样成功”,博格华纳涡轮增压&排放副总裁Hans-Peter Schmalzl博士说。同其他的涡轮增压理念相比,VTG是继放气阀式涡轮增压器技术之后性价比最佳的技术。不需另外的增压设备,VTG就可以提供更大型号自然进气发动机才具备的性能与动力。然而,油耗却大大降低。“VTG涡轮增压器的应用将成为汽油发动机增压系统研发过程中新的里程碑”,Hans-Peter Schmalzl博士说。这也正是博格华纳将在这一领域进行不懈研发的原因。


霍尼韦尔VNT涡轮增压系统不断优化


霍尼韦尔的VNT涡轮增压器采用一组可以转动的涡轮喷嘴叶片来调整进入涡轮的发动机排出的废气量,始终让涡端流量与发动机实际排气流量相匹配,从而推动压气机轮转动,精确满足发动机所需的增压需求。



霍尼韦尔最新两级增压系统


霍尼韦尔在最新的两级增压系统中,使用了两个不同尺寸的VNT涡轮增压器,这款产品被用于宝马125d、X12.5d和225d车型的全新四缸柴油发动机。在这个应用中,两个可变截面涡轮增压器分别位于排气歧管上方和下方。尺寸较小的高压涡轮增压器安装在上方,尺寸较大的低压涡轮增压器安装在下方。这种组合在各种速度下均创造了全新的响应水平,帮助发动机更高效地运行,从而提高燃油效率和排放控制。


“凭借广泛的用途和不断提高的性能,在可以预见的未来,VNT技术仍将领跑柴油发动机涡轮增压技术,”霍尼韦交通系统首席技术官Craig Balis说道,“霍尼韦尔已经推出了五代VNT产品,累计在世界各地售出近6000万台VNT涡轮增压器,所推出的许多创新仍在继续成为现代涡轮增压器产品的标杆。很明显,该技术在未来仍将拥有广阔的前景,特别是随着空气动力学、轴承系统和材料科学的不断进步。”


霍尼韦尔第五代VNT技术提供了行业领先的瞬态响应、低速效率、可靠性、轻量化和发动机布置的灵活性等众多优势。


博世马勒新一代可变截面涡轮增压系统


今年,博世马勒宣布开发出新一代适合量产汽油机的可变截面汽油涡轮增压器,适用汽油机排气温度可达900°C,通过此可变截面涡轮增压器与汽油发动机的匹配优化,发动机响应性和燃烧效率都将得到提高,整个系统成本也将有所降低。



博世马勒第二代可变截面涡轮增压器


目前,受较高排气温度(900-1050°C)的影响,用于汽油机的可变截面涡轮增压器的涡轮机端成本非常昂贵,且仅在特定有限的应用中使用。博世马勒创新设计开发出的第二代可变截面涡轮增压器,对高温度梯度下的热负荷变形进行了优化。这意味着如果将此设计应用于柴油发动机,可以设定更小的导向叶片间隙,从而通过降低泄漏率来提高效率。在柴油发动机用可变截面涡轮增压器的基础上,博世马勒只需进行简单的材料调整,就可以将可变截面涡轮增压器应用于汽油发动机,并可以安全地耐受高达900°C的排气温度。辅以其它措施,博世马勒目前正致力于进一步开发耐受排气温度高达980°C的汽油机用可变截面涡轮增压技术。


汽油机用可变截面涡轮增压器的两个基本应用目标可以被很明确地区分开来:即提高发动机基本性能和减少部分负荷工况下的油耗。


性能提升:创新可变截面涡轮增压器在汽油发动机上的应用,可以显著提高额定功率,同时能够在最佳性能范围内降低最高排气温度和油耗。为充分利用这些优势,必须使用米勒循环,更高的增压压力对涡轮增压器提出了更高的要求。通过调节点火开关,可减低在此燃烧过程中的温度和压力,因此提高发动机效率并降低最高排气温度。与废气旁通式涡轮增压器相比,可变截面涡轮增压器可以利用整个废气流量,提升气体交换效率,从而使上述潜在优势得以实现。


效率/低速扭矩:随着自然进气发动机的动力被压榨殆尽,废气涡轮增压器的优势逐步显现,大幅增加进气量使得汽油更充分地燃烧,发动机的动力输出能够得到飞速的提升。在发动机部分负荷下,降低油耗、提高发动机热效率的有效方法是提高压缩比。然而一味提升压缩比会带来另外一个问题:爆震。爆震带来的直接危害便是发动机所受载荷大幅增加、效率大幅下降。为了解决这个矛盾,需要引入米勒循环来降低高负荷时的有效压缩比。此外,当需要高动力输出时,引入可变截面涡轮增压器,来高效地提供高增压压力。


创新可变截面涡轮增压器与整体发动机系统的结合可进一步显著提高驾驶性和汽油发动机的效率。通过降低废气温度,零件对耐高温的要求会逐渐放宽,废气涡轮增压器的成本能够进一步降低。博世马勒已在发动机测试平台上初步完成了可变截面涡轮增压器耐高温性能的验证,将很快实现量产。


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