保時捷的殺手鐧：簡析可變截面渦輪技術

來自專欄 Auto VEDA

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如今，在各國按排量徵稅的壓力之下，小排量的渦輪增壓發動機，已經開始逐步取代自然吸氣發動機，成為了目前主流的進氣方式之一。而很多人也將其視作為壓榨馬力的一個重要手段。但渦輪遲滯的問題，卻一直困擾著工程師們。為了減少渦輪遲滯，他們窮盡了各種技術手段，在這個過程里誕生了很多大膽創新的方案，譬如可變截面渦輪技術。今天我們就來講一下它。

渦輪遲滯是怎麼產生的？

關於渦輪遲滯的問題，很多人都聽說過，但是要解釋清楚渦輪遲滯到底是個啥，卻不是每個人都可以做到的。很多人以為帶渦輪發動機的車，踩油門之後動力來得慢，就叫做渦輪遲滯，其實不然。這種情況發生，既有可能是渦輪遲滯，也有可能是變速箱反應慢、油門本身調校慵懶等問題。要解釋清楚渦輪遲滯的話，我們首先要搞清楚，帶渦輪的發動機的進氣過程是什麼樣的。

渦輪增壓的原理大家都比較熟悉了，就是通過發動機排出的廢氣，衝擊渦輪葉片，帶動進氣一側的壓氣機，提升進氣壓力，從而提升噴油，來在有限的發動機排量里壓榨出更多的馬力。在這個過程中，最關鍵的一個環節就是利用發動機的廢氣來帶動渦輪。但是廢氣渦輪的葉片，本身是具有一定慣性的，要推動它就需要更快的排氣速度去衝擊渦輪，而排氣速度又和當前發動機的轉速息息相關，這就構成了一對相互制約的關係。

這種制約關係在發動機低轉速運行下就會變得很明顯了。假定沒有變速箱干預，踩下油門踏板之後，由於當前發動機轉速低，因此排氣渦輪轉速也很低，導致進氣加壓的過程很緩慢，增壓效果不顯著，直到發動機轉速攀升到一定階段之後渦輪才有比較明顯的增壓效果，前後形成的強烈反差，給人造成了一個油門響應性很差的主觀感受，這就是所謂的「渦輪遲滯」。要找到「渦輪遲滯」，最直接的途徑就是找一台手動擋的小排量增壓車型，鎖定一個檔位，在比較低的轉速下猛踩油門，這時候感受到的比較明顯的動力「延遲」的現象就是了。

渦輪的關鍵參數：A/R值

渦輪遲滯的嚴重與否，不但和渦輪的慣性相關，還會和渦輪本身的設計有關，譬如它的體積大小，以及一個很重要的參數：A/R值。可以說，A/R值和渦輪體積很大程度上決定了渦輪是否容易啟動。那什麼叫做A/R值呢？

A表示Aera，也就是區域，指的是渦輪排氣側入口處最窄的橫切面積（也就是可變截面渦輪技術中的「截面」），R（Radius）則是代表半徑意思，指的是渦輪入口處最窄的橫切面積的中心點到渦輪本體中心點的距離，而兩者的比例就是A/R值。而我們要討論的，是排氣一側渦輪的A/R值，因為這個影響是最大的。為什麼這麼說呢？

我們來看看排氣渦輪的構造，一般來說，排氣側渦輪的廢氣，都是從入口吹進來，然後推動渦輪葉片之後，從渦輪中心的出口流出。渦輪葉片的每個流道就相當於一個小型的文丘里管。A/R值越小，廢氣通過渦輪的流速更大，渦輪遲滯更輕微，更容易在低轉取得較高的增壓值，但是發動機高轉速時則會產生較大的排氣背壓，限制了發動機的功率提高。相反A/R值越大，廢氣流速提升困難，低轉速時渦輪遲滯明顯，但是高轉速時排氣背壓小，排氣通量更大，對功率提升的作用就更大。看不明白？沒關係。

形象點來說，渦輪內每個流道分開看，可以視作一根專吸空氣的「吸管」。A/R值越大，相當於「吸管」更偏向於短而粗，短時間內吸氣量更大但是更費力；反之A/R值越小，「吸管」更偏向於長而細，吸氣更容易但是吸氣量就很小了。可變截面渦輪，就是針對這個流道做文章。

VGT（可變截面渦輪）原理和應用

可變截面渦輪技術，最為熟知的就是應用在保時捷911上，其實這個東西並不是保時捷的專利。它最早其實用於柴油機，全稱是Variable Geometry Turbocharger，而保時捷則稱之為VGT（Variable Turbine Geometry）。另外，沃爾沃、奧迪等廠商也有類似於這樣的技術，其中沃爾沃稱之為VNT（Variable Nozzle Turbine）。但是它們的本質都是一樣的，通過可變葉片來實現A/R值的等效可變。

我們來看看帶VGT技術的排氣側渦輪，它在原本的渦輪殼體內部、葉片的外圍增設了一圈可變角度的導流葉片。這一圈導流葉片固定在殼體上，內部是空心的，帶有插銷，而插銷固定在一個環狀的圓盤上，圓盤相對於殼體可以稍微偏轉一定的角度。通過電動的機構驅動圓盤偏轉，插銷移動，就可以帶動導流葉片改變角度，葉片之間的流道間隙就會變化，如此就等效於A/R值中的截面積（A值）可變了。發動機低轉速時減小A值，高轉速時則增大A值，這麼一來就可以同時兼顧低轉減小渦輪遲滯、高轉增大馬力輸出兩個目標了。

另外，在增壓壓力過大的時候，也可以通過增大A值來加速氣體流通，防止渦輪過載，所以帶有VGT技術的渦輪增壓器，就可以不需要設置排氣泄壓閥了，對廢氣的利用效率也得以提高。

為什麼VGT沒有大規模普及？

目前應用VGT的車型還是有不少的，最典型的就是保時捷911系列了，像997的Turbo/ GT2 RS都有配備，後者更是在3.8L的排量里壓榨出了620匹馬力之多。老款的Q7 3.0TDI、沃爾沃XC70 D5等也有搭載過。如今這項技術也下放到了保時捷718上，但是基本很少有40萬以下的車會裝備它。為什麼VGT沒能大規模普及呢？

首先，它本身的原理，就決定了整套機構要和排氣渦輪本體一樣，承受超過1000攝氏度的排氣溫度，對材料和機構的耐熱性、穩定性極高，所以成本也是水漲船高。其次，隨著技術的進步，解決渦輪遲滯的選擇也更多樣化了。首當其衝的就是低慣量渦輪不斷普及，其次變速箱技術也得到了進步，降擋反應更快，拉升轉速更快，渦輪遲滯得到了更有效的緩解。

而電控渦輪的誕生，更是可以直接從原理上「消滅」渦輪遲滯。在電控渦輪上，進氣渦輪不再由廢氣渦輪直接驅動了，而是通過利用廢氣渦輪的動能發電後進行儲能，再根據當前對動力的需要，由電動機來驅動進氣渦輪，不但渦輪遲滯被根除，而且能量的利用率也更高。

隨著節能減排的形勢不斷升級，像VGT這樣獨特的技術，也有望被一系列更先進的技術，或者更高效的方案所取代。但是它在很多中高級車型上，依然發揮著很大的作用。而藉助於保時捷911的威名，它更是成為了很多人津津樂道的話題。