详解可变截面涡轮增压技术
柴油机节能减排技术
柴油机节能减排技术摘要：随着我国交通运输业的快速发展，柴油机尾气排放越来越受到人们的重视。
我国柴油动力机械普遍存在耗油量大、燃烧热效率低、排污严重等问题，及早开展节能减排研究已刻不容缓和势在必行。
基于此，本文首先对柴油机节能减排技术进行了概述，详细探讨了柴油机节能减排措施，旨在提高柴油机的节能减排技。
关键词：柴油机；节能减排技术；措施柴油机具有可靠性、安全性高，寿命长，经济性好等优点，因而作为原动机被广泛应用于运输、电力等领域。
随着当今世界能源和环境问题的加剧，人们对柴油机在能源节约和废气排放等方面要求更高。
柴油机在未来的发展主要以减少排放，降低能耗为宗旨。
1 柴油机节能减排技术1.1 燃烧喷射技术Diesel设计的原型机采用了燃油直接喷射技术，但是必须用压缩空气将燃油吹入气缸，20世纪后逐步发展了液体燃料喷射技术，使燃油充分地雾化，提高燃烧效率。
随着科技发展，在柴油机喷油燃烧优化方面，借助于先进的试验技术和计算机模拟分析技术，模拟三维流动与燃烧模型的燃烧过程，进一步改进燃烧室形状及结构参数。
近年还发展了均质充量压缩点火燃烧，预混合稀薄燃烧，低温预混合燃烧等相关缸内燃烧技术。
提高气缸燃烧高效率和柴油机经济性的关键在于喷射过程是否良好。
20世纪末期出现的电控高压共轨喷射技术实现了缸内气体运动、燃油喷射和燃烧室结构的最佳匹配，其具备超高的喷射压力，并能实现喷射压力、喷油定时、喷油量和喷油规律灵活可控，代表着燃油喷射技术的最前沿和发展趋势。
1.2 涡轮增压技术增压技术是利用叶轮式压气机将进气压力提高，增加进气量，从而提高柴油机的功率密度。
采用增压技术后，发动机功率一般可提高20%～ 50%，高增压的发动机几乎增加100%以上。
传统的增压器很难配合柴油机高低负荷的变化，催生了各种新的增压系统设计理念的发展，主要有：（1）相继增压（STC）。
采用多个小流量增压器，伴随着柴油机工况的变化依次投入运行。
从而改善柴油机的经济性及排放性能。
4D20发动机总体介绍 [兼容模式]
![4D20发动机总体介绍 [兼容模式]](https://img.taocdn.com/s3/m/c63bae2f58fb770bf78a5585.png)
结构特点-进、排气门组
GW4D20发动机
进、排气门垂直布置在气缸盖上，通过凸轮轴的旋转、 液压调节器和气门摇臂运动实现气门的打开和关闭。为了 取得较大的进气量，进气门盘部直径大于排气门盘部直径。
气门间隙的调整主要有两种方式，即机械调整和自动调整。 GW4D20柴油机采用的是液压间隙调节器，自动弥补气门间 隙。
滚子摇臂、 液压挺柱
进气门
排气门
GW4D20发动机
目前滚子摇臂与液压间隙调节器应用越来越广泛，主 要原因是因为液压间隙调节器可以自动弥补气门间隙。与 直驱式气门挺柱相比，这种形式的优点是从一定程度上降 低了气门机构的噪声，且装配起来方便。
滚子摇臂
卡子
液压挺住
GW4D20发动机
结构特点-凸轮轴
采用以排气凸轮轴为主动轴通过齿轮传动带动进气凸
结构特点－可变截面增压器
GW4D20发动机
9GW4D20柴油机采用VGT增压技术，VGT是英文Variable geometry turbocharger的缩写，中文含义是“可变截面涡 轮增压系统”。
9其工作原理是：依据不同的发动机工况，通过控制排气流 过增压器的速度来实现发动机功率的提升。涡轮的转速取 决于排气通过叶轮的流速。排气的流速由可变叶片喷嘴来 控制。通过一系列的发动机运行工况，例如气门开启，发 动机转速，大气压力和水温，发动机控制单元计算最合适 的涡轮增压器压力,然后开启或关闭在涡轮入口处的可变叶 片，调节进气压力从而使所有的工况点与发动机都能有良 好的匹配，使发动机的性能都达到最佳。
发电机（内装调节器） 起动机
V
14V/110A
V
12V/2.0KW
柴油机总质量（包括空调压缩机、 转向助力泵、冷却水）
VGT 可变几何尺寸涡轮
VGT 可变几何尺寸涡轮在这里，我们又得提到A/R比值。
这比值的概念专题前面已经说明，这里就不再钻研太多。
只要明白A/R比值是决定了涡轮特性这个道理就好。
A/R值越小，表示废气入口相对小，而涡轮叶片的起动惯性低，流速相对高，发动机低转反应比较好，涡轮迟滞效应不明显。
但是发动机高转时小涡轮又会显得力不从心，对于大排量的发动机来说，又会出现进气“吃不饱”的情况。
然而，A/R值越大，表示入口面积较大，涡轮叶片惯性大，低转反应比较迟钝，涡轮延迟变得很厉害，要等发动机转速被提升到较高时，涡轮才有迅猛的表现。
所以我们常见的发动机A/R比值在0.18-0.75之间。
随着涡轮增压技术的发展，人们总是想“鱼和熊掌兼得”。
有没有什么办法能让一颗涡轮拥有多种A/B比值的特性呢？专精于涡轮增压技术的工程师们用VGT技术回答了这一难题。
VGT(Variable geometry turbochargers) 即可变几何尺寸涡轮，通过改变涡轮进气端的叶片几何形状达到改变A/R值的一种涡轮增压技术。
这样的技术最先是应用在柴油引擎上，而应用在转速更高的汽油引擎上并不多见。
最先使用这一技术的是克莱斯勒1989款Shelby CSX-VNT。
它使用了一颗来自Garett的VNT-25可变喷嘴涡轮，2.2L的直列4缸引擎可以发出175ps功率，最大扭矩达到278N?m，以当时的眼光看来已经属于辛辣车种。
不过它只生产了仅仅两台原型车和498台商品车，只让少数人领略了VGT增压技术的风采。
把VGT技术发扬光大的还是来自斯图加特的速度机器。
2006年，代号997的新一代Porsche 911 Turbo带着傲人性能面世。
3.6升的水平对置6缸增压引擎可以产生令人眩晕的480ps，让最高车速达到311km/h。
扭矩更是达到狂暴的620N?m（通过选装Sport Chrono Package运动包可以达到680N?m ！轮胎要倒霉了！）。
这样的扭矩能干掉扭矩“仅有” 465N?m的老冤家—法拉利F430。
VGT&VNT
变的是截面详解VGT可变截面涡轮增压器2010-11-29 11:01 来源：Che168随着技术的发展，人们对于汽车发动机的要求也越来越苛刻，不仅要拥有强劲的动力，还必须拥有极高的效率和足够清洁的排放。
这就要求发动机在各种工况下都能要达到其最高效的工作状态，因此就必须满足发动机各个工作状态下对于进气量的需求。
这就要求发动机的各部件都能够通过“可变”来满足在不同工况下的条件。
比如我们所熟悉的可变气门正时/升程技术，可变进气歧管技术都是如此。
那么在柴油发动机上常见的VGT可变截面涡轮增压技术，又有些什么作用呢？下面我们就一起来了解一下。
『废气带动涡轮，涡轮再带动叶轮对空气进行增压，从而有效增大进气量』涡轮增压技术是发动机上常见的技术之一，它的原理其实非常简单：涡轮增压器就相当于一个由发动机排出的废气所驱动的空气泵。
在发动机的整个燃烧过程中，大约会有1/3的能量进入了冷却系统，1/3的能量用来推动曲轴做工，而最后1/3则随废气排出。
拿一台功率200千瓦的发动机举例，按照上面提到的比例，它在排气上的消耗的动力大约会有70千瓦。
这部分功率有一大部分随着高温的废气以热能的形式消耗掉，而废气本身的动能可能只有十几千瓦。
但是千万别小看这十几千瓦，要知道家用的落地扇功率不过60瓦左右！也就是说，即使十几千瓦也足够驱动两百多台电风扇了！可想而知，用废气涡轮驱动空气所带来的增压效果非常可观。
『BMW的并联双涡轮技术』虽然发动机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（Turbo lag）”现象。
『大众1.4TSI发动机的小尺寸涡轮拥有较低的启动惯量』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。
详解VGT(Variable_geometry_turbocharger_)技术
目录柴油车技术突围——揭秘VGT技术1变的是截面详解VGT可变截面涡轮增压器2柴油车技术突围——揭秘VGT技术涡轮迟滞是涡轮增压发动机最需要解决的问题 VGT是英文Variable geometryturbocharger的缩写，中文说法是“可变截面涡轮增压系统”。
简单了解一下涡轮增压发动机的原理和特性，增压发动机区别于普通自然吸气发动机，它是通过增压器进行强制进气的，这样可以大大提升进入气缸内的空气密度，从而达到小排量大功率的目的。
涡轮增压发动机的增压器由排气能量驱动，很显然这需要一定的排气能量。
当发动机转速较低时，排气能量往往比较小，此时有可能无法驱动增压器。
当增压器不工作时，涡轮增压发动机的动力甚至会小于一台同排量的自然吸气发动机，这就是我们常说的涡轮迟滞。
这是涡轮增压发动机的一大顽疾，几乎所有工程师都在致力于解决这个问题。
涡轮迟滞与增压能量之间的平衡成为一对矛盾体 涡轮迟滞与增压涡轮的尺寸有关。
增压涡轮越大，涡轮就越难以被驱动，涡轮迟滞就越明显，反之如果增压涡轮很小，迟滞就会大幅度缓解。
然而与此同时，涡轮尺寸又与增压能量相关，小尺寸的涡轮虽然可以缓解涡轮迟滞，但在需要增压器工作时它能提供的增压值不大，不利于提升发动机的动力。
因此涡轮尺寸、涡轮迟滞与增压值之间存在着一定的平衡关系。
大多数常规发动机都只能采用折中的办法来设计，这样很难做到既彻底避免涡轮迟滞，同时又可以获得较大升功率。
VGT是解决这个矛盾最有效的方案 VGT就是起这个作用的。
其奥秘在于它的增压器可以改变截面积，这就相当于改变了增压涡轮的大小。
在转速较低时，增压涡轮会采用较小的截面积，即使转速很低的状态下涡轮也可以顺利启动，大大缓解了涡轮迟滞。
在高转速状态下，增压涡轮会采用较大的截面积，这样可以大幅度提升增压值，从而提升发动机的最大功率和扭矩。
华泰圣达菲2.0L发动机的“升功率”是国内同级别柴油SUV 中最高的，它的动力表现已经达到或超过众多2.5升甚至2.8升的柴油SUV，VGT在这里同样功不可没。
vgt可变截面涡轮增压器工作原理
vgt可变截面涡轮增压器工作原理在汽车的世界里，有一种神奇的小玩意儿叫做可变截面涡轮增压器，听上去有点高大上，其实就是帮你的小车在加速时提供更多动力的东西。
想象一下，平时你在路上开车，踩油门的时候，车子乖乖地跟着你的脚步走，但如果需要快速超车，这时涡轮增压器就像一位超级英雄，随时待命，瞬间给你带来强劲的动力，让你飙起来的感觉真是爽到爆。
这个增压器就像一个调皮的孩子，随时根据需要变换自己的“形态”。
简单来说，它的工作原理就像变魔术一样，涡轮的截面可以根据发动机的转速和负载来调整。
低速的时候，涡轮的截面小，增加进气压力，让车子能够轻松起步。
到高速时，截面增大，让更多空气流进发动机，动力直接翻倍！是不是听起来很酷？就好比你在不同场合下换衣服，走到哪儿都能打扮得体。
涡轮增压器的运行也不是随便的，它和发动机之间有着密切的合作关系。
发动机一旦转速上升，涡轮增压器就会迅速反应，像是听到了号令的士兵，立刻开始工作。
你可想而知，像这样的技术含量有多高。
为了让涡轮转得更快，排气气体就像个加速器，推动着它飞速转动，形成强大的吸气效果。
这样的配合简直默契得不能再默契，开起来就像在跳舞，既轻松又流畅。
说到涡轮增压器，肯定不能不提它的“情绪管理”。
对，你没听错，涡轮也有情绪！当车速较慢时，涡轮增压器可能会感到“焦虑”，它得拼命压缩空气来提升效率，生怕你开慢了没劲。
但只要一加速，涡轮立刻兴奋起来，冲向你想要的速度，简直是精神焕发，令人振奋。
车子瞬间变得灵活，像是小豹子一样在马路上飞奔，耳边呼呼作响，让你不禁大喊一声：“太刺激了！”不过，涡轮增压器也不是一帆风顺的，有时候它也会遇到麻烦。
比如说，过热、过度使用，或者缺乏润滑油，这些都是涡轮增压器的“老毛病”。
就像人一样，累了就得休息，保养是非常重要的。
很多车主在享受涡轮带来的快感时，往往忽视了它的护理，结果造成了不必要的损伤。
你想想，如果你对你的车子不尽心，那它也很可能给你带来意想不到的“惊喜”。
可变喷嘴涡轮增压器
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
图1-1径流式涡轮增压器结构及工作原理
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二
涡轮增压器主要由压气机和涡轮两大部分组成 压气机主要由压气机工作轮（叶轮）、扩压器、压
气机蜗壳组成。
涡轮主要由进排气壳、喷嘴环、工作轮组成。
李江 动力工程 2013222007 2014年9月2日星期二
无叶扩压器实际上是一个环形通道。气流在扩 压器中的轨迹近似是一对数螺旋线。即气流流 动的痕迹在任意直径处与切线的夹角基本不变。 正因为如此，空气的流动路线长，从而损耗大， 效率低，扩压器出口容量小，在出口具有相同 容量的条件下，效率要比叶片扩压器低。但无 叶扩压器的流量范围宽，结构简单，易于制造， 在经常变工况运行的小型涡轮增压器上使用广 泛
图1—6 变截面蜗壳
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
涡轮 按燃气流过涡轮叶轮的流动方向，可将涡轮分为轴 流式、径流式和混流式三类。 在轴流式涡轮中，废气沿近似与叶轮轴平行的方向 流过涡轮。轴流式涡轮体积大，流量范围宽，在大 流量范围中有较高的效率。因此，在大型涡轮增器 上被广泛采用。
李江 动力工程 2013222007
2014年9月2日星期二
半开式叶轮只有轮盘，没有轮盖，其性能介于开式和闭 式之间。但其结构较简单，制造方便，且强度和刚度都 较高，在涡轮增压器中应用广泛。星形叶轮是在半开式 叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块，减轻了叶轮质量， 从而减小了叶轮应力，并保持一定的刚度，因此能承受 很高的转速，多在小型涡轮增压器中应用。按叶片的长 短，压气机叶轮还可分为全长叶片叶轮和长短叶片叶轮。 全长叶片叶轮进口流动损失小，效率高，但对于小直径 叶轮，进口处气流阻塞较为严重。因此，小型涡轮增压 器中多采用长短叶片叶轮，图1-4是几种典型的压气机 结构。
CM850的ISC和ISL发动机介绍
03T0-20
计量燃油通过燃油泵执行器进入高压燃油泵进口油道， 通过进口单向阀并下压柱塞而进入压油室。当凸轮轴向 上推动压油柱塞时，燃油达到油轨压力并提升出口单向 阀。而后燃油进入燃油泵出口油道，流出高压燃油管并 流入燃油油轨。
喷油器和燃油管路 — 综述
概述
康明斯共轨燃油系统
燃油是易燃物。当进行燃油系统的工作时，一定要使香 烟、明火、指示灯、电弧设备以及开关远离工作区，并 且还要在工作区配备通风设备，以减少发生严重的人身 伤害甚至死亡的可能性。 高压共轨燃油系统采用电磁阀驱动喷油器。高压燃油流 入喷油器侧。当电磁阀激活时，内部的针阀提升，燃油 喷出。喷嘴孔的间隙极小，任何污垢或污染物将导致喷 油器卡住。这就是维修燃油系统之前要清洁燃油接头周 围区域的重要性所在。在维修燃油系统前，同样应盖上 或蒙住打开的燃油接头。
活塞冷却喷嘴 带 CM850 的 ISC 和 ISL 发动机配备 J 形活塞冷却 喷嘴。喷嘴外形同带有 CM554 的 ISL 发动机的喷嘴相 似，仅在机油喷射瞄准方面做了少量改动以提高活塞冷 却效果。标准螺栓固定了活塞冷却喷嘴，替代了空心螺 栓以提高强度和机油流量。
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技术规格
销售型号
标准发动机 ISC 240 ISC 260 ISC 260 ISC 285 ISC 300 ISC 315
消防车发动机 ISC 260 ISC 285 ISC 300 ISC 315 ISC 330
RV 发动机 ISL 350 ISL 370 ISL 400
公共汽车发动机 ISL 250 ISL 280
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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。