李解发动机技术：空气系统之可变截面增压器
大家好，我是李Sir。从本期开始，启动一个专题系列：李解发动机技术，用通俗的语言，为你解读发动机的先进方案和基本原理~撰文不易，如需转载，请务必挂本文链接，抄袭必究~
之前介绍的发动机时，作品中多次提到了两种增压技术。今天李Sir首先为大家解读其中一项，即可变截面增压器。
可变截面增压器的作用
涡轮增压器主要由一个涡轮机、一个压气机和连接二者的中间轴构成。发动机的排气管连接着涡轮机，从发动机排出的废气吹动涡轮飞速转动，并通过中间轴带动压气机叶轮转动，从而压缩进气，增大了进入发动机的空气量。空气越多，可以燃烧越多的油，能释放更多的能量，发动机输出功率更高。
涡轮增压器的基本结构
增压器的规格多种多样，每个增压器都有适用范围。小增压器在较小的气流下（即发动机低功率运行时）即可高速转动，但当气流较大时（即发动机高功率运行时）增压器可能由于转速过高而破坏。反之，大增压器在较大的气流下（即发动机高功率运行时）能可靠运转，但当气流较小时（即发动机低功率运行时）增压器转速太低增压效果差。
可变截面增压器可以在一定程度上对上述问题进行调节，为了让大家容易理解，这里拿一个针管作类比。以恒定的速度推动针管将管内气体排出，当带针头时，气体不容易排出，针管内气压大，感受就是需要施加较大的力；当不带针头时，气体容易排出，针管内气压小，感觉不费力就能推动。
流通截面大小对增压压力的影响
当发动机低功率运行时，减小增压器涡轮机的流通截面，相当于带针头的针管，排气压力变大，涡轮叶片转速高；当发动机高功率运行时，加大增压器涡轮机的流通截面，相当于不带针头的针管，排气压力变小，保护涡轮叶片不超速。
可变截面增压器通常有两种结构形式，下面分别介绍。
VGT增压器的结构
VGT，即Variable Geometry Turbocharger，可变几何增压器。也有的厂家叫做VTG，即Variable Turbine Geometry，可变涡轮几何。名称相近，基本结构原理也是一样的，增压器供应商博格华纳和霍尔塞特用的都是这个技术。
VGT的涡轮是可以滑动的，又叫滑动可变喷嘴。
VGT增压器结构
通过可变几何执行器，控制滑动可变喷嘴沿中间轴轴线方向移动。
可变几何执行器
增压器几何截面由小到大的调整过程如下：
——喷嘴全关，滑动喷嘴位于最外侧，此时涡轮机的流通截面最小，排气管气压最大，此时增压器转速最高，空气增压压力最大；
——喷嘴部分开启，滑动喷嘴向内移动，此时涡轮机的流通截面变大，排气管气压减小，此时增压器转速减小，空气增压压力随之减小；
——喷嘴全开，滑动喷嘴位于最内侧，此时涡轮机的流通截面最大，排气管气压最小，此时增压器转速最小，空气增压压力最小。
几何截面变化过程
VNT增压器的结构
VNT，即Variable Nozzle Turbocharger，可变喷嘴增压器，增压器供应商盖瑞特（原名霍尼韦尔）采用此技术。
VNT的涡轮叶片外侧，有一圈可以调整的导流叶片。
VNT的导流叶片
通过可变几何执行器，控制导流叶片角度。
导流叶片角度变化
增压器几何截面由小到大的调整过程如下：
——喷嘴全关，导流叶片之间间距最小，此时涡轮机的流通截面最小，排气管气压最大，此时增压器转速最高，空气增压压力最大；
——喷嘴部分开启，导流叶片之间间距增大，此时涡轮机的流通截面变大，排气管气压减小，此时增压器转速减小，空气增压压力随之减小；
——喷嘴全开，导流叶片之间间距最大，此时涡轮机的流通截面最大，排气管气压最小，此时增压器转速最小，空气增压压力最小。
几何截面变化过程
可变截面增压器的优点
可变截面增压器的原理和结构相信大家已经弄懂了，那使用这种增压器，具体能带来哪些好处呢？
——更高的输出扭矩：通过减小流通截面，在较宽的发动机转速范围内增加进气量。特别是对于转速范围较宽的轻型发动机，更适合使用可变截面增压器。
提高扭矩
——良好的低速响应性：通过减小流通截面，提高排气管压力，使增压器转速得到快速提升。
——更低的油耗：相较于普通放气阀增压器，在全转速范围内，可变截面增压器有更高的效率。
——辅助实现EGR：EGR通过把废气再循环到新鲜空气里，降低了缸内的氧气含量，进而降低了燃烧过程中产生的废气NOx。仅当排气管内的气体压力高于进气管的气体压力时，废气才能实现再循环。对于某些不满足这个条件的工况，比如车辆低速高负载运行时，通过减小流通截面，可以提高排气管内气体压力，从而实现EGR。
辅助EGR
——提高SCR转化效率，降低排放：SCR的主要作用是通过尿素还原NOx，但只有在较高的温度下才能获得良好的转化效率。增大流通截面既可以减小进气量，空燃比的降低可以提高排气温度，从而提高SCR转化效率。
结语
可变截面增压器在性能表现上优势突出，但它也有缺点，就是贵。一个可变截面增压器，成本是同样尺寸普通放气阀增压器的两三倍。国产可变截面增压器也有厂家在做，但由于起步较晚，质量还不是很稳定。
目前大多数发动机使用的都是成本较低的普通放气阀增压器，如果你的车上用了可变截面增压器，那么你的整车性能大概率在同级别汽车中属于较为优秀的。
对于可变截面增压器有任何疑问，欢迎大家留言讨论。
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