車廠在因應渦輪遲滯上的幾個對策

記者:Teddy 2000-10-23

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對性能有相當需求的人,不管喜歡與否,大概都會相當注意渦輪增壓引擎的發展;一具小排氣量的渦輪增壓引擎可以吸入跟大排氣量引擎一樣多的空氣,進而能發揮相同的性能;而且輕巧,體積小,結構不太複雜。是提升性能最有效率的方法之一。

但是渦輪增壓引擎會有渦輪遲滯(Turbo Lag)的現象。在某些渦輪遲滯現象嚴重的車上,動力於高轉速時才忽然湧現,而且不管是踏下油門或鬆開油門,油門開度跟輸出間的響應都不好,所以各製造廠陸續發展出了不少的方法來對應渦輪遲滯。
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MAZDA 13B REW轉子引擎

渦輪遲滯的主因是在於渦輪轉子有轉動慣量,要讓轉子能加速到足以提供壓力,就必須等待一段時間。當然了,要降低渦輪遲滯,最直接的方法就是想辦法降低渦輪轉子的轉動慣量了;所以渦輪轉子要盡量的輕量化,除了用不鏽鋼,也有很多是使用陶瓷甚至高價的鈦合金來製造。

除了輕量化的渦輪轉子之外,PORSCHE的工程師曾經想了一個有趣的方法,他們讓渦輪在增壓之前就先偷跑,以減輕渦輪遲滯。當廢氣量低時,工程師們設計了一個機構,讓進氣不經過與渦輪連動的壓縮器來進入汽缸,這樣一來渦輪轉子比較自由,比較有充裕的時間來加速,進氣也比較不會受到壓縮器的阻礙。等到廢氣量足夠,渦輪轉子已經加速到了相當的速度,引擎便改由壓縮器來進氣。這當然若干程度的提高了輸出的響應性,但是仍然未盡理想。


將單一的大型的渦輪轉子,改成兩個或兩個以上較小的渦輪轉子也很有效果。目前常見的是雙渦輪增壓引擎,一具引擎裝置了兩具渦輪增壓器。許多的雙渦輪增壓引擎採用的是所謂的並聯式雙渦輪,兩具渦輪增壓器同時作用。當然,由於轉動慣量的降低,已經相當程度的減少了渦輪遲滯的現象,但是有另一種串聯式雙渦輪增壓引擎,能更有效的改善引擎的響應性。

這種引擎的構造較為複雜,成本也較高。串聯式的雙渦輪增壓器由一小一大的兩個渦輪所組成,在廢氣量少時,所有的排氣都被用去推動小的渦輪轉子,另一個則不轉動,因此小的渦輪轉子能加速的較快,在低轉速的響應性就提升了。而當廢氣的流量提升到某一程度,大的渦輪開始作動,提供最大的增壓值。

MAZDA RX7搭載的13B REW轉子引擎為例,當廢氣量不足時,只有一個直徑51mm的小渦輪會作動,由於這個小的渦輪轉動慣量較輕,又是針對低流量的廢氣來作葉片的設計,MAZDA宣稱在1500RPM時就能有效地提供增壓;等到廢氣量高時,另一個直徑57mm的大渦輪開始作動,將大量的空氣壓送到引擎裡去燃燒,以獲得最高的輸出。

但是串聯式的雙渦輪增壓引擎仍然有個潛在的問題,那就是在一個渦輪轉換成兩個渦輪同時作動的時候,如果大渦輪的轉速不夠快,那引擎的輸出就會有銜接不上的感覺。MAZDA的解決方法跟PORSCHE差不多,MAZDA也先用廢氣讓這個大渦輪在發揮作用之前就預先加速。兩者比較起來,MAZDA的這種串聯式的雙渦輪增壓在低廢氣量時因為低速渦輪的作用,會有更好的響應性。

另外有一種很有趣的渦輪增壓器,是有電動馬達來輔助的,GARRETT有這類的產品。這個電動馬達既要耐高溫,又要有極高的轉速,某些時候還要反過來充當發電機,真是非常的巧妙。當廢氣量不足時,渦輪轉子就由電動馬達來輔助,GARRETT宣稱在這個時候,這具渦輪增壓器還可以順便用來提供大量的EGR。等到廢氣量充足,馬達又可以轉換成發電機,可以用來降低渦輪的轉速,避免過度的增壓。在某些時候,不但因此省去排氣側的洩壓閥(waste gate),還可以順便從廢氣的能量中回收一些電能回來。

這樣的渦輪增壓器如果經過了良好的控制與調校,當然能大幅的改善引擎的響應,GARRETT認為這類的渦輪增壓器前景一片大好,但是增加的成本應該也不低,是不是能得到車廠及消費者的青睞,值得好好的觀察。

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SAAB Ecopower 3.0 V6引擎

還有一類渦輪增壓器也很好玩,稱作可變幾何渦輪(Variable Geometry Turbine,VTG)。目前大多數的VTG都使用在柴油引擎上,但照道理說,這種渦輪應用在汽油引擎也應該有很好的效果。VTG分成好幾類,有的改變廢氣衝擊渦輪的角度,有的改變渦輪的大小,有的改變渦輪的角度,有的則改變廢氣噴嘴的截面,都是為了讓渦輪能在不同的廢氣流量下能有優良的效果。GARRETT表示他們正在發展汽油引擎用的VGT,也許有一天這種渦輪會廣泛應用在一般的市售汽油引擎車輛裡。

最近流行的渦輪增壓是所謂的輕增壓渦輪(Light Pressure Turbine,LPT),只用了一個小的渦輪並只提供很低的增壓值。這樣的輕增壓引擎,渦輪遲滯的現象不明顯,引擎的響應性跟一般自然進氣引擎相去不遠,低轉速時就能有很好的增壓效果顯現出來。這種引擎節省燃油的效果也是相當的確實。我們常聽到人說渦輪增壓引擎在理論上,因為回收了廢氣的能量,是比較節省燃油的;但是在實用面上,大概不太有人會說自己開的渦輪增壓車省油。

這是由於追求性能的結果,渦輪增壓器在較高轉速時才會發揮功能,導致引擎在常用轉速域的效能反而不佳,所以渦輪增壓引擎節省燃油的效果沒辦法發揮。然而輕增壓引擎在常用轉速時渦輪就能發揮作用,可以有效的回收能量,當然就能確實的降低油耗。這種引擎因為提供的增壓值很低,提升的性能有限,但是比起自然進氣引擎,已經算是令人印象深刻了,對車廠或消費者仍然具有非常的吸引力。SAAB的Ecopower系列引擎是一個很有名的成功案例,因為實用性相當高,以後應該會有更多的車廠跟進。

渦輪增壓引擎在駕駛性方面最大的問題就是渦輪遲滯,曾經有人這樣形容渦輪遲滯:踏下油門然後開始數1,2,3,4…渦輪才會開始作動並猛烈的推動車輛前進。這不但增加了街道行駛上的困難,對於在彎道中以油門來精確控制抓地力,並進而掌握車輛轉向動態的運動型駕駛來說,也是相當不利的。在這麼多的努力之後,渦輪遲滯現象已經不再這麼嚴重,用車人的接受度都大為提高,所以我們以後也許會見到更多渦輪增壓的新應用,如與直噴引擎的搭配,或是搭載在複合動力車輛上,成為小而強力的動力源。