VTG技术解析,发现内燃机依然大有可为

原创 文/冯金刚 时间:2017-10-11 14:55

从一些主机厂和零部件厂商可以看出,他们对传统内燃机汽车依然很乐观。

在全球新能源汽车浪潮下,各新能源零部件身价水涨船高,尤其是动力电池,从相关财报看来,去年动力电池行业的业绩颇有全线飘红之势。

即便如此,仍然有一批车企与零部件企业在死磕传统技术,最著名的就是马自达创驰蓝天技术之父人见光夫对电动车的炮轰,他认为“如果按照现在的发电方式进行计算,(从CO2减排的角度)电动汽车几乎没有意义”。

一些国际领先零部件供应商也表达了同样的观点,博格华纳涡轮增压系统中国区及泰国副总裁兼总经理倪广山认为,虽然新能源是趋势,但现在内燃机技术依然还有很大提升空间。

实际上,在9月中旬的一个技术分享会上,博格华纳也确实针对发动机推出了两个新技术,分别是VTG(可变截面汽油机涡轮增压器)和ebooster(电子增压器)涡轮增压技术。这两种技术能够在一定程度上“消灭”涡轮增压发动机的通病——涡轮迟滞,并提升驾驶乐趣,降低油耗,使涡轮增压技术更加完善。

每日汽车作者之前对ebooster技术做了详细分析,这里主要介绍VTG技术。

由于可变截面增压器对工作环境比较苛刻,之前主要用在柴油机上。可变截面增压器在汽油机上的应用突破在2002年,彼时博格华纳和保时捷就汽油机可变截面涡轮增压器项目展开合作。经过大量测试实验,2006年,采用博格华纳 BV50G可变几何涡轮增压器技术的保时捷911 turbo正式投入市场,保时捷将这个技术命名为VTG(可变截面汽油机涡轮增压器)。

经过十几年不断调整和优化,博格华纳推出了新一代面向普通乘用车和商用车发动机的VTG产品,技术更加成熟,同时成本更加。据透露,大众最新的EA211 1.5T发动机将采用博格华纳的VTG产品。

VTG工作原理


VTG的总体外形结构与一般涡轮增压器是类似的,只是多了一圈导流叶片,还有叶片的执行机构。VTG的核心部分是可调涡流截面的导流叶片,位于涡轮的外侧,导流叶片的相对位置是固定的,但是叶片角度可以调整。

在系统工作时,废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上,通过调整叶片角度,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。根据流体力学原理,此时导入涡轮处的空气流速就会加快,增大涡轮叶片处的废气压强,从而可以更容易推动涡轮转动,有效减轻涡轮迟滞现象,也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力。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。

控制导流叶面的开启角度需要先参考一系列发动机运行工况(例如气门开启,发动机转速,气压力和水温等)。通过运行工况信号,ECU计算目前增压器所需要的导流叶片截面积大小,之后由真空调节器通过真空度改变增压器内部调节杆位置,进而推动喷嘴环上可变舌片倾斜或垂直的角度带动喷嘴环,之后喷嘴环再联动内部的导流叶片,调节其开启/关闭的角度,从而实现可变截面技术 。

VTG的优劣势及应用前景

从图中可以看出,在实际仿真中,如果应用了VTG技术,发动机响应速度更快,达到峰值扭矩需要的时间更短。有资料显示,与没有应用VTG技术的发动机相比,在额定功率相同的情况下,VTG发动机可以改善燃油经济性最高达5%,并提升低速扭矩最高达30%以上。

虽然VTG是对传统涡轮增压技术缺陷的有力补充,但其自身也会产生一定局限。由于汽油机排气温度在900℃左右,使得叶片必须采用超强的抗高温材料,同时还能持续正常工作。据悉,博格华纳与保时捷合作的VTG发动机正是应用了航空级别材料才解决抗高温问题,不过,这也产生另外一个问题,即成本高昂。

为了解决VTG技术排气温度过高的劣势,除了应用抗高温材料,博格华纳又想到用米勒循环发动机排气温度稍低。更重要的是,搭载热效率更高的米勒循环发动机,有利于未来搭配电动机组成混合动力系统,为混合动力汽车大规模市场化做准备。

发动机小型化作为一种行业趋势,为了弥补小型发动机动力的不足,进而采用了涡轮增压,但是小排量涡轮增压在低速时工况时涡轮迟滞更严重,所以VTG技术也是发动机小型化的关键推动因素。有迹象表明,越来越多三缸汽油机甚至两缸柴油动力装置也采用可变截面涡轮增压器。

欧洲多个国家已经宣布燃油汽车退出时间表,中国也提出正着手制定,似乎新能源大势已无法阻挡。但我们从一些主机厂和零部件厂商可以看出,他们对传统内燃机汽车依然很乐观。

一方面是新能源汽车全球销量占比还不足2%,传统汽车依然占据统治地位,且短期无法快速被替代。另一方面,如人见光夫所述,通过停缸、可变气门升程、米勒循环、可变压缩比、稀薄燃烧等技术的应用,传统内燃机燃效还有30%-40%的提升空间,证明传统汽车还能满足排放需求。

所以,像VTG这类完善传统内燃机的技术,其未来市场前景依然值得期待。

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