论保时捷911的可变几何涡轮增压系统的优越性.doc

论保时捷911的可变几何涡轮增压系统的优越性新款911 GT2是有史以来速度最快的911，其前端大进气口以及尾翼的设计非常引人瞩目，是这款极特殊车型的典型特征，即便静止不动，也分发出无量的动力和性能潜力。这款高性能跑车采用后轮驱动搭配6速手动变速箱，从0加速到100 km/h仅需3.7 s，最高时速为329 km。在新欧洲行驶循环（NEDC）中的均匀耗油量仅为12.5 l/100 km，而就在几年前，人们还以为这种高性能跑车要到达这样的燃油经济性是完整不可能的。新款911 GT2的动力单元在911 Turbo的六缸Boxer发起机根底上开发而成，采用了带可变几何涡轮（VTG）的双涡轮增压系统。3.6 l Boxer发起机的最大功率在6,500 rpm转速下取得，为530 bhp（390 kW），在2,200至4,500 rpm转速区间内一直提供680 Nm的最大扭矩。车重为1,440 kg，因而，911 GT2的重量功率比仅为2.72 kg/hp。经过加大双涡轮增压器的紧缩机轮和优化涡轮壳的气流特性，新款911 GT2将增压压力进步到了一个全新的程度，使发起机功率比“普通”发起机增加了50 bhp。保时捷工程师还初次将涡轮增压发起机与收缩式进气歧管分离在一同 - 这对涡轮增压发起机来说是一场真正的反动。收缩式进气歧管应用低温收缩阶段进气歧管中的振荡空气原理使空燃混合气的温度降到了低于911 Turbo的程度。这可以全面显著提升发起机效率，虽然输出功率更高，但全负荷耗油量却可降低高达15个百分点。911 GT2在排放管理和控制方面做出了新的奉献：这也是首款取得上路答应的规范配备钛质后消声器和尾管的保时捷高性能跑车。采用这种高级资料使得消声器和尾管的重量比采用不锈钢资料减轻了大约50%，如今仅重9 kg。新款911 GT2规范配备PCCB制动器，制动盘采用碳纤维/陶瓷复合资料，确保了极为稳定的最大制动性能。与灰铸铁制动盘相比，PCCB制动器的另一个益处是使非悬挂质量减少了大约20 kg。此外，新款911 GT2还规范配备了电控保时捷主动悬挂管理系统（PASM），并采用了19英寸轻合金车轮，前后轮分别搭配235/35 ZR 19和325/30 ZR 19运动型轮胎。保时捷911 GT2以运动特性和高水平的操控性为卖点，改进了前后悬架和车轮定位，并允许驾驶者手动调整直立尾翼以获得需要的空气动力值；它将革命性的复合陶瓷刹车系统作为标准配备，在降低车身重量的同时还有着反应灵敏、不易损耗、耐腐蚀等特点，能够在最恶劣的环境下提供最佳的刹车性能，同时也保证了在复杂行驶状态下都能以安全为前提轻松操控。因此，保时捷911 GT2被誉为20万美元以下性能最强的跑车，即使推出时正逢911事件造成的恐慌，销售势头也丝毫不减。 新911 GT2以911 Turbo为蓝本，搭载同款涡轮增压引擎，功率提升50匹马力达到530匹。外形设计更加富于攻击性，巨大的前部进气口及后尾翼使GT2较其它911更加与众不同，标配的全钛金属消音器和排气管更成为该车一大亮点，美观的同时减轻了近一半的重量！黄色喷涂的保时捷陶瓷复合制动系统（PCCB）以及电子控制的保时捷主动悬架管理系统（PASM）在此款车上亦作为标配。 PCCB制动碟由碳纤维和陶瓷复合物制成，能够持续地提供车辆最大的制动力。PCCB另一大优点就是它较普通铸铁制动碟更轻，同时减轻的这部分“簧下”（减震系统下）重量使车身行使更加平稳。当然，要研究保时捷911的可变几何涡轮增压系统的优越性，我们要了解新款保时捷911的可变几何涡轮增压系统是怎样工作的。Porsche的VTG可变几何涡轮增压系统(Variable Turbine Geometry)技术，是Porsche为提升新款911 Turbo(997)工作效能而开发出的一项技术，其原理为发动机排出的废气会透过电子式调整的导引叶片导送至涡轮上，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，进而控制增压压力的大小。简单而言，VTG是一项结合了高增压与低增压涡轮优点于一身的技术，藉由VTG，将低增压涡轮低转速就能发挥动力的优点保留下来，同时又具有高增压涡轮高扭力大动力输出的优势。应用了这项技术的911 Turbo，马力及扭力方面相应有了明显的提升，而在在较低转速时可达到最大扭力，并可维持在一个较广的旋转范围内，即使转速在最低的 1950 rpm 至最高的 5000 rpm 之间，均可完全输出 620Nm的扭力，十分厉害。不过，VTG技术其实并非是今天才出现的技术，实际上早在90年代VTG就开始应用于涡轮增压的柴油发动机上，但由于汽油发动机更高的废气温度，阻碍了VTG在汽油发动机上的应用，而Porsche的工程师开发出新型的耐高温材料，才首次将这项技术用于汽油发动机。保时捷911的可变几何涡轮增压系统是保时捷的Porsche VTG可变增压涡轮叶片几何技术Porsche 911 Turbo 向来是性能的代名词，997系列的911turbo与上一代（996）的引擎排量相同，但输出功率却由420bhp增至480hbp，原因是997使用了较大型的废气涡轮，较大的涡轮能输出较大的功率，但涡轮的惯性有所增大，随之而来的涡轮时滞（turbo lag）就会增大，可是997系的911 turbo的turbo lag依然是非常轻微，其关键便是一个拥有可变涡轮几何叶片技术 Variable Turbine Geometry（VTG）的全新双涡轮系统。在传统的涡轮增压器中，排出的气体会驱动一个连接至进气区压缩机的涡轮，借由压缩吸入的空气，特定容积中的氧气含量便会增加，由于压缩还会造成温度升高，因此空气必须通过一个中间冷却器俗称中冷器的组件。在每一个汽缸增压中产生的氧气愈多，就可燃烧愈多的燃油，从而产生更大的能量。由于更高的排气压力会相对地为进气端带来负荷，因此必须小心控制进气压力以保护引擎，崭新的 911 Turbo 会利用泄压阀门将过量压力绕过双排气涡轮而限制增压值。 涡轮组件的大小是一个很重要的因素。由于涡轮愈小，质量就愈低，通常可更快速反应渐增的压力，轻松达到最佳的旋转速度。使用较小型涡轮的主要缺点，是在较高引擎速度下产生的回压会明显削弱性能。由于排出气体必须通过的横截面较小，阻力因此形成。能够在较高转速时产生较低回压的较大型涡轮组件，由于横截面较大以及较重涡轮的相对惯性的关系，需要更长的时间才能旋转，一般说来，这种涡轮只在中转速范围内产生效用，这种现象被称为Turbo lag（涡轮迟滞），表示引擎在低速时实际上并不会有涡轮增压的效能。为克服这个问题，崭新的911 Turbo 装配的双水冷式涡轮增压器具备可变涡轮几何叶片技术（VTG），借助这项技术，引擎排出的气体会透过电子式调整的可旋转导引叶片导送至涡轮上，当引擎转速低时，废气压力较低，导流叶片成小角度打开，增大到达废气涡轮的气压压强，推动涡轮敏锐的转动；当引擎转速上升，废气压力逐渐变大，导流叶片的角度也随之变大，当到达全负载的情况下，导流叶片全开，与主体的涡轮叶片形成一个更大型的叶片，将最大的废气量接收，达到更高的转速而达到一般大涡轮的高输出效果。所以，透过变更叶片的角度，系统可随时改变涡轮的A/R值，从而复制任何大小类型涡轮的几何效应。可变几何涡轮增压使得涡轮增压器内的废气流量可以根据发动机转速和实际路况进行优化。通过对气流的测量，保证两个增压器转速同步，以达到相同的压缩效率。当涡轮增压器转速达到每分钟226,000转时，输出气压达到最大值2.5 巴（1巴1105帕斯卡）。有了可变涡轮叶片几何技术（VTG），便能在较低引擎转速下达到更高的涡轮速度。汽缸增压有明显的改善，马力及扭力方面相应也有明显的提升，在较低转速时可达到最大扭力，并可维持在一个较广的旋转范围内，即使转速在最低的1,950rpm 至最高的5,000rpm 之间，均可完全输出620Nm的扭力值，每一次油门输入都可发挥优异的反应力及惊人的加速度。达到最大增压值时，导引叶片会更进一步开启，藉由调整叶片的角度，便能在整个引擎速度范围内达到必要的增压值。如此一来，就不需要传统式涡轮增压引擎上使用的过压阀。 可变截面涡轮增压器的汽油发动机。涡轮增压系统的心脏是可调涡流截面的导流叶片。这些导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭，从而增大发动机的进气压力。与传统涡轮增压器相比，这极大地改善了低转速时的响应时间和加速能力。采用可变涡轮截面技术的汽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。可变截面涡轮增压器的汽油发动机。涡轮增压系统的心脏是可调涡流截面的导流叶片。这些导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭，从而增大发动机的进气压力。与传统涡轮增压器相比，这极大地改善了低转速时的响应时间和加速能力。采用可变涡轮截面技术的汽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。 举例TDI系统上的Garret VNT15可变截面涡轮增压器使增压技术比旧有型号有更快的响应（尽管以前机型的增压滞后现象也比较轻微），起效范围更加宽广，同时不会造成排气气压过高的问题。在大众的TDI发动机中，增压响应被控制在0.25秒内，驾驶员根本感觉不到增压时滞的存在。TDI发动机的燃油系统也有自己的特征，现在有三种燃油喷射系统，首先是分配泵系统，由燃油泵向喷嘴顺序供油（旧机型油压为931bar，新机型压力更高），喷油时间和喷油量都由电脑控制。大多数大众TDI发动机使用博世VP 37电控分配泵，通常它安装在发动机前端，由正时皮带驱动。分配泵和喷嘴之间是高压钢油管。这一系统应用在90和100hp的直4 1.9升机型上，还有2.5升直5以及150hp2.5升V6上。在分配泵内，燃油首先通过叶片提升压力，随后旋转柱塞泵把压力进一步提升并按顺序把燃油送到每一缸喷油。每个喷嘴包含带回位弹簧的活塞，一旦燃油压力超过设定值，喷口即打开。5个喷口直径极小。回位弹簧按两级工作，即预喷在低压下进行，主喷则在高压下进行。主喷可以在混合器点火后继续进行，有效地降低了发动机的噪音。提高燃油喷射压力可以显著地改善排放水平，例如Audi A4 TDI把喷射压力提升至1368bar，把排气颗粒水平降低了20%。所付出的代价是把燃油泵中的柱塞加粗1毫米涡轮增压器起效更早、响应更灵敏，扭矩输出平台范围更宽泛。发动机效率更高，在动力性能明显改善的同时，它的燃油消耗有较大幅度下降，车辆动态响应更迅速，中速加速性能更强。优化了发动机的振动及噪声，使乘坐者的舒适性得到大幅提高。可变截面涡轮增压器的汽油发动机。涡轮增压系统的心脏是可调涡流截面的导流叶片。这些导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭，从而增大发动机的进气压力。与传统涡轮增压器相比，这极大地改善了低转速时的响应时间和加速能力。采用可变涡轮截面技术的汽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。 举例TDI系统上的Garret VNT15可变截面涡轮增压器使增压技术比旧有型号有更快的响应（尽管以前机型的增压滞后现象也比较轻微），起效范围更加宽广，同时不会造成排气气压过高的问题。在大众的TDI发动机中，增压响应被控制在0.25秒内，驾驶员根本感觉不到增压时滞的存在。TDI发动机的燃油系统也有自己的特征，现在有三种燃油喷射系统，首先是分配泵系统，由燃油泵向喷嘴顺序供油（旧机型油压为931bar，新机型压力更高），喷油时间和喷油量都由电脑控制。大多数大众TDI发动机使用博世VP 37电控分配泵，通常它安装在发动机前端，由正时皮带驱动。分配泵和喷嘴之间是高压钢油管。这一系统应用在90和100hp的直4 1.9升机型上，还有2.5升直5以及150hp2.5升V6上。在分配泵内，燃油首先通过叶片提升压力，随后旋转柱塞泵把压力进一步提升并按顺序把燃油送到每一缸喷油。每个喷嘴包含带回位弹簧的活塞，一旦燃油压力超过设定值，喷口即打开。5个喷口直径极小。回位弹簧按两级工作，即预喷在低压下进行，主喷则在高压下进行。主喷可以在混合器点火后继续进行，有效地降低了发动机的噪音。提高燃油喷射压力可以显著地改善排放水平，例如Audi A4 TDI把喷射压力提升至1368bar，把排气颗粒水平降低了20%。所付出的新型混流转叶式可变截面涡轮增压器和执行器为一个整体，结构紧凑，可靠，涡轮通流截面的变化平稳柔顺、流动阻力损失小，涡轮效率高，制造成本低，便于推广使用。 注：可变涡轮截面技术一直用于柴油发动机。它对于汽油发动机的技术挑战是需要开发出能承受高达1,000排气高温的涡轮材料，这一温度远高于柴油发动机的排气温度。 这些导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭，从而增大发动机的进气压力。与传统涡轮增压器相比，这极大地改善了低转速时的响应时间和加速能力。采用可变涡轮截面技术的汽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。相应地，在各个转速范围内的节油性能也更上一层楼。可变截面涡轮增压器的汽油发动机。涡轮增压系统的心脏是可调涡流截面的导流叶片。这些导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭，从而增大发动机的进气压力。与传统涡轮增压器相比，这极大地改善了低转速时的响应时间和加速能力。采用可变涡轮截面技术的汽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。 举例TDI系统上的Garret VNT15可变截面涡轮增压器使增压技术比旧有型号有更快的响应（尽管以前机型的增压滞后现象也比较轻微），起效范围更加宽广，同时不会造成排气气压过高的问题。在大众的TDI发动机中，增压响应被控制在0.25秒内，驾驶员根本感觉不到增压时滞的存在。TDI发动机的燃油系统也有自己的特征，现在有三种燃油喷射系统，首先是分配泵系统，由燃油泵向喷嘴顺序供油（旧机型油压为931bar，新机型压力更高）