【科技單元】漫談渦輪增壓

小排氣量 大扭力 渦輪增壓

記者:文/Jeff Chen 版面構成/lulu 2012-11-09

渦輪增壓車雖然早就已經不是創新的技術,但近幾年來渦輪增壓的技術逐漸成熟,不管是在耐用度、油耗,維修技術,都有顯著提升。並且自然進氣引擎能夠壓榨的馬力已經有限,如何有效的提升馬力及扭力,裝上渦輪則是最快及最有效的方式。舉凡國產LEXUGEN,Volkswagen,AUDI,也都是渦輪車的愛好者。

渦輪增壓初登板

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▲LUXGEN全車系都搭載了渦輪增壓,車身後側的名牌T字也就代表的是Trubo渦輪的意思。

渦輪增壓器的技術原先是使用在航空技術上。飛行高度超過一千呎,空氣含量降低約3%,飛機的飛航高度至少一萬呎,也就降低至少30%的空氣含量。飛機要保持一定的動力,但是空氣含量又不足,便有人聯想使用強制進氣的方式,增進容積室的空氣量,以保持飛機的動力。從1980年才應用在汽車上,最先使用渦輪增壓技術是SAAB,在同年的日內瓦車展各大車廠紛紛推出渦輪車,宣告渦輪增壓車的時代也正式來臨。


▲LUXGEN 5 Sedan 。LUXGEN 5 Sedan 2.0T採用2.0升渦輪增壓引擎,藉由排氣量的增加,可輸出至170匹最大馬力。

▲LUXGEN引擎室 引擎室上面有TURBO代表這具引擎是有渦輪增壓
但渦輪增壓的技術在初期時仍不夠成熟,溫度過高,耐用度,渦輪遲滯,等問題,讓大多數的車廠仍抱者觀望的態度,不敢投入大量的資金研發。在當時大部分的渦輪車也都是以自行加裝居多,NA引擎在加裝渦輪之後,馬力及扭力也就瞬間提升了10~20%,讓不少喜歡速度感的車友為之瘋狂。


渦輪增壓概念

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▲ECOBOOST Mondeo搭載了2.0升EcoBoost引擎,結合缸內直噴、渦輪增壓系統等技術,在6,000rpm時可輸出203匹最大馬力。

渦輪增壓是透過引擎所排放出來的廢氣,去推動渦輪葉片,由於排氣渦輪葉片與進氣渦輪葉片是同一軸,所以當廢氣推動排氣渦輪葉片,進氣的渦輪葉片也就開始吸氣,進而造成強制進氣的效果。渦輪將空氣送入引擎的速度來的比負壓吸入的更快,所以渦輪之後的空氣壓力也就會越來越大,當空氣壓力增至到系統所設定的最大值,渦輪也就會靠著卸壓閥來釋放掉壓力,而這個釋放壓力的最大點,也就是我們所謂的「最大增壓值」。


▲渦輪增壓車需透過洩壓閥,將過的壓力釋放掉,來保護渦輪增壓的零件。

▲手動調壓閥用來控制渦輪車的最大增壓值。
雖然引擎一起動渦輪葉片也就會跟著開始轉動,但引擎必須要達到一定的轉速,有足夠的廢氣量也才能夠推動渦輪葉片,在低轉速時引擎的壓力不足以推動渦輪時,這就是「渦輪遲滯」。尺寸越大的渦輪,渦輪遲滯的情況也就越嚴重,因為大尺寸的渦輪,渦輪葉片也較大,所以需要比較大的廢氣排量才能夠推動渦輪。


渦輪遲滯改善

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▲BMW 640i 所搭載的就是雙渦流渦輪設計Twin Power Turbo 排氣量為2976c.c 最大馬力320匹。

由於大尺寸的渦輪會有嚴重的渦輪遲滯的問題,為了改善這個問題也就引出了「雙渦輪增壓」和「雙渦流增壓」。「雙渦輪增壓」串聯和並聯兩種形式,串聯形式的渦輪通常是一大一小兩顆渦輪所組成,低轉速時使用小號渦輪,當轉速升高時,才啟動大號渦輪。並聯形式的渦輪,是兩顆尺寸相同的渦輪,引擎平均分配給渦輪相同的增壓值。六汽缸的引擎對分,一顆渦輪分配三個汽缸的增壓值。如果是八缸形式的引擎那也就是四個汽缸負責一顆渦輪。「雙渦流增壓」來自於渦輪增壓的概念,但也有雙渦輪增壓的優點,以四汽缸引擎為例,雙渦流增壓以兩缸、兩缸的方式分流通過渦輪,而讓渦輪廢氣排放更加順暢,保持渦輪的慣性,以利於更大的動力輸出。


▲BMW640i 雙渦流設計Twin power Turbo 將汽缸一分為二,兩缸、兩缸的方式將廢棄分流通過渦輪,而讓渦輪廢氣排放更加順暢,保持渦輪的慣性。

▲VW Passat TDI 搭載了可變式渦輪增壓柴油引擎,可輸出140匹最大馬力。
可變渦輪葉片也是為了改善渦輪遲滯的問題,在轉速較低時,控制系統會調整渦輪葉片的角度,以加速廢氣的流動及壓力,當一旦轉速提高,系統也就會改變渦輪的角度。渦輪葉片這樣的調整讓在低轉時,渦輪遲滯的影響也就不會再那麼明顯。

▲A6 3.0 TDI搭載了V6共軌直噴渦輪增壓柴油引擎,引擎的排氣量為2967c.c,最大馬力245匹。
雖然目前已經有輕量化鈦合金葉片,可變渦輪葉片等方式來改善渦輪遲滯的影響。AUDI仍然尋找解決渦輪遲滯的方式,而AUDI的電子式雙渦輪系統也就是最佳的答案。電子式雙渦輪在廢氣排放不足增壓效果不彰,也就會介入進行輔助,電子式渦輪隨時都可以作動,並可以在短時間內將渦輪葉片轉速提高,透過這項特性,可以大幅度改善渦輪遲滯的影響。但這具電子式渦輪增壓系統還未上市,不過根據國外媒體指出將在2014年問世於下一代A4上。

▲BENZ B200 CDI 排氣量1796 搭載的是直列四缸渦輪增壓 最大馬力136匹在3600至4400轉產生。
一般大眾在談到渦輪大小的時候就會講到所謂的「AR」值,AR值的A指的Area渦輪進氣中最小的截面積,也是渦輪廢氣流動最快的地方,R指的是Radius是渦輪葉片中心至渦輪出口中心的距離。AR值的大小也就決定渦輪葉片的尺寸,AR值越小代表渦輪轉越快比較利於低轉速,在轉速較低時就能夠開啟渦輪,渦輪遲滯的感覺也會比較小,在高轉速時也比較無力。相對來說AR值越大,也就需要更多的廢氣來推動渦輪,渦輪遲滯也就會越明顯。

渦輪增壓引擎在全增壓的情況下會產生極高的溫度,而渦輪軸承在全速下也可高達20萬轉,所以對於機油的要求也就相當的嚴苛,如果機油不足、潤滑性不夠、油膜破裂,也就有可能會造成渦輪軸承的損壞,就連引擎也都會受到影響,因此在選擇渦輪增壓引擎的機油也最好是選擇黏度係數較高。


未來趨勢 渦輪增壓

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在現今的環保法規下,在台灣出廠的每一部車子,都要貼上能源標籤,如果你的車子在環保標章上面貼的是5,彷彿就好像被判了死刑一樣,注定賣不出去。在講求環保節能的趨勢下,渦輪增壓車也就成為了最火熱的選項,渦輪增壓車可以透過較小的排氣量,達到較大動力輸出的水準。1.6排氣量渦輪引擎輸出的馬力等同於2.0的NA引擎。可以減少稅金又降低碳排放量,渦輪增壓在未來也一定會成為趨勢。