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不輪是汽車或是機車
甚至是其他不同類型的發動機引擎
都要靠著空氣和燃料加以混合後
燃燒,壓縮,爆炸 進而產生動力
不依靠輔助的燃燒方式就是我們常見的自然進氣引擎
在引擎作動時 汽缸裡的活塞會下移至汽缸的底端
這時汽缸裡會出現一定容量的面積 俗稱為 “容積量”
而容積量所能容納空氣燃燒的量 則是決定汽缸的使用效率
如果以100 % 的汽缸容積量來說
自然進氣的空氣容積量其實只有 約80% 左右而已
為什麼 ? 其它的空氣去那裏了 ?
在汽缸活塞作動的同時 一定比例的空氣量隨著進氣管路進入汽缸裡
在此之前會先經過
空氣濾清器 > 進氣管路 > 節氣門 > 進氣歧管
> 燃燒室汽門 >
最後才和已霧化的燃料進入汽缸裡
在經過這麼多的”關卡”後 最後到達汽缸裡的空氣量
也因為前幾個關卡所造成的”進氣阻力” 因而削減了部分的空氣量
所以”真的”到達汽缸裡的空氣
可能就比剛進入空氣濾清器要來得少了
為了彌補這個缺憾 找回原有的動力 更甚至創造更高的動力
所以要增加引擎汽缸的容積效率
於是就出現了所謂的”增壓器”
自然進氣是一種”被動”式的進氣方式
只有在節氣門打開 燃燒室汽門打開 汽缸活塞下移時
汽缸形成一股”虹吸”作用 將空氣給”吸”到汽缸裡
而增壓器的方式也稱”強制進氣”
除了汽缸本身的虹吸作用外 增壓器也”強制” 的將空氣送入汽缸裡
來增加引擎的燃燒效率
增壓器有兩種型式
看過頭文字D 的朋友應該知道
開雷賓86 的秋山涉 早期是使用渦輪增壓
而後期則改為俗稱超級增壓的機械增壓
今天就來看看這兩種不一樣的增壓方式吧
渦輪增壓
新鮮空氣
已壓縮的空氣
與燃料混合的空氣
燃燒完後的廢氣
多餘的空氣
渦輪增壓是屬於一種離心式壓縮機
一整個渦輪機構可分為
進氣渦 中座總成 和 排氣渦 所組合而成的
進氣渦負責將新鮮空氣送入引擎
排氣渦承接由引擎排出的廢氣以利推動進氣渦
而中座總成則是連接進氣渦與排氣渦
其內部的葉片軸心兩端則是有負責傳送空氣與廢氣的旋轉葉片
渦輪作動的方式 是將引擎的排氣頭段接在渦輪機構的排氣渦上
引擎的廢氣隨著排氣頭段排入渦輪機構的排氣渦裡
推動了排氣渦裡的旋轉葉片
連同帶動同軸心的進氣渦旋轉葉片
這時進氣渦的旋轉葉片會以高達數十萬轉的高速吸取新鮮空氣
將其送進引擎裡
然而在推送空氣的過程中 因為同屬一個機構上的排氣渦
會承受自引擎所排放出來的高溫廢氣
而使得整個渦輪機構也是處於高溫的狀態
也影響到進氣渦的空氣溫度 為了不讓引擎吸入溫度高的空氣
所以在進氣渦與引擎之間的空氣管路上
安裝了俗稱 ’中冷器’ 的空氣冷卻器 ( lntercooler)
藉由車輛行駛時的撞風效應 來降低過熱的空氣
確保引擎運作的效率
較常見的前置式中冷器
速霸陸旗下的EJ 引擎系專屬的上置式中冷器
不過一般大改過的 EJ 引擎 通常還是會將中冷器改為前置式
以換得更佳的散熱效率
看到這裡你或許會覺得
“只要產生廢氣就可以使渦輪作動了嗎”
這樣說只對了一半
渦輪作動是有時效的
所謂時效 意指在達到”有效轉速”時 才能使渦輪的能力發揮出來
前述提到
渦輪是需要廢氣來推動
當車子在怠速或低轉速時 所產生的廢氣較少
雖然也會讓渦輪葉片轉動 但還不足以讓渦輪達到工作的廢氣量
隨著油門加深 轉速升高 廢氣量隨之增加
才會有能讓渦輪的”能力”發揮出來的轉速域
這稱之為 “有效轉速”
而在達到有效轉速前的轉速域
就稱之為 “ 渦輪遲滯 “ Turbo Lag “
舉個例子 :
有台車子裝了個渦輪機構 經設定後
其渦輪作動時機的有效轉速在3000轉~7000轉
這台車在怠速時是約 800轉
在800轉~3000轉這之間 渦輪是不會作動的
這段期間就是 渦輪遲滯 (Turbo Lag)
渦輪遲滯現象是渦輪這種離心式壓縮機的先天缺陷
這是無法消弭的現象 只能靠後天的改裝
來降低或減少渦輪遲滯的情形
旋翼可變式渦輪
雖然如此
但現今科技進步 工程師們為原本只能以’固定’空氣流速的渦輪葉片
加上了可變的旋翼葉片 稱之為 VTG (Variable Turbine Geometry )
利用壓力感知的電磁閥(感應器)來感應廢氣量
當排氣渦裡的旋轉葉片在低速時 感應器偵側到排氣壓力不足
旋翼葉片便會改變氣道讓廢氣加速通過 提高排氣渦的運轉速度
而在高速時 更能讓渦輪的效率加倍
藉此讓渦輪達到全速域的實用性
低速時旋翼開口加大 讓廢氣流速加快
原本這項技術只用在排氣溫度較低的柴油引擎上
因為汽油引擎的廢氣溫度遠比柴油引擎高
很容易就會使排氣渦的旋轉葉片受損
車廠工程師便嘗試利用零件材質來克服高溫情形
但因為成本高昂 鮮少有車廠採用
目前就有保持捷的997(911) turbo 上搭載這種可變渦輪
這是VOLVO 為了新一代的柴油引擎所研發的 VNT 可變式渦輪
其原理與 VTG 相同
機械增壓
渦輪增壓先天的缺點是低速的渦輪遲滯( Turbo Lag)
為了避免這種情況 因應低中速反應的場合
於是就有了機械增壓的產生
機械增壓與渦輪增壓的目的一樣
就是強制將大量的空氣送往引擎汽缸室內
不一樣的是其運作的方式
渦輪是利用排氣廢氣來推動渦輪
非得要等引擎做了一次燃燒循環後排出廢氣才會作動
而機械增壓則是”直接” 提供大量空氣給引擎
這不一樣的地方就是增壓器安裝的位置
渦輪是裝在引擎的排氣頭段位置
機械增壓則是裝在進氣頭段前
供給空氣的速度當然比渦輪增壓來的快
不僅如此 機械增壓在低速時反應會比渦輪增壓好
也是因為機械增壓作動方式是由油門來控制
怎麼說呢?
相較於渦輪葉片需要足夠的引擎轉速
來提供足夠的廢氣量推動渦輪葉片
機械增壓的作動方式是由引擎的曲軸普利以連接皮帶的方式
來帶動機械增壓上的運轉普利
所以當引擎一發動 機械增壓就處於”待命” 狀態
增壓器的作動與油門轉速相輔相成
油門一踩 增壓器隨即作動 動力隨傳隨到
油門踩多深 動力也跟著提升
這麼利害 難道沒有缺點?!
儘管機械增壓的進氣效率比同級數的渦輪增壓要來得好
但是卻因為是由引擎曲軸帶動的關係
所以會”佔用”些許引擎本身的馬力
而且 機械增壓裡的轉子機構無法像渦輪增壓一樣
高達數十萬轉的速度 一但到高速域
機械增壓就顯得”疲乏”
所以比起同級的渦輪增壓 所能增加的最大馬力有限
增壓轉子
雖然如此
只要搭配得宜 例如裝置在本身就是大排氣量
或是擁有高轉速 高出力的的車種上
就可以補足低速扭力不足的情形 進而達到”全速域”的動力表現
機械增壓的種類
魯式(Roots)
魯式增壓器是屬於”容積式”壓縮機 (Porsitive Displacement )的一種
魯式增壓器裡的轉子機構 在運轉時所輸送的空氣量是相同的
所以不需要和渦輪一樣 排出多餘的空氣
因為高轉速和低轉速所輸送的空氣差不了多少
運作時也比較穩定
但是因為空氣在通過增壓器時 不僅有因為增壓器運作時產生的噪音
還有受到轉子的旋轉時所產生的摩擦熱
再加上所輸送的空氣並沒有壓縮
也造成在輸送空氣的過程中 產生高溫空氣
這也是魯式增壓器的缺點
解決之道就是在增壓器與進氣歧管間
加裝一具中冷氣(空氣冷卻器 lntercooer )
如此一來即可解決進氣溫度過高的問題
新魯式增壓器
後來也有改量版的新魯式增壓器
在透過修改轉子的形狀 將其改為”螺旋式”的運作方式
降低了轉子在旋轉時所產生的磨擦熱
也就大大提升增壓器的實用性
螺旋式( Twin Screw)
螺旋式在運作上與新魯式增壓器有異曲同工之妙
不同的是本體內部的轉子構造是採用一凹一凸(也稱之為公母設計)
在運作時 凹轉子和凸轉子互像齧合後產生的空氣壓力快速的導入引擎
也由於空氣已經過壓縮 所以也不會產生額外熱能
運作效率比傳統魯式要來得好
離心式(Centrifugal )
離心式增壓器不管在外型上或運作方式都很像渦輪增壓
但由於本體不像魯式或螺旋式一樣
有氣室來儲存空氣
因此也像渦輪增壓般 要有一定轉速才會出現有效增壓
其增壓值也會隨著轉速提升時跟著增加
而當引擎不需要增壓時 也能藉著洩壓閥將多餘的空氣排出
或著導回進氣口前
看過頭文字D的朋友
還記得啟介的雙渦輪FD 與恭子的單渦輪FD 對決嗎?
雖然最後是由啟介的雙渦輪FD勝出 但不表示恭子的單渦輪FD 較遜色
這兩種渦輪配置都有其特點
單顆大渦輪追求高轉速大馬力的極至
雙渦輪則講求全速域的均衡表現
雙渦輪引擎
在劇情中
恭子的單渦FD 在直線上比啟介的雙渦FD 要來的快
除了可以推測恭子的FD馬力大於啟介外
單渦輪的表現也是其中的因素
因為是採用單顆渦輪的設定
不像雙渦輪多了個進氣阻力 所以在高轉速時
渦輪在推動空氣的速度就比雙渦輪快 但相對的在低速時
得不到足夠的廢氣來推動渦輪
以致低速時渦輪遲滯的現象比雙渦輪來的明顯
所以恭子在低速彎的反應就沒比啟介好
但直線高速的加速 恭子的單渦輪設定就略勝一籌
正所謂 ”有一好沒兩好”
一顆渦輪無法兼顧高低兩個轉速域也是不爭的事實
所以如果在推動一顆渦輪前 能夠有另一顆來幫忙推
是不是比較快到達工作環境?
雙渦輪的概念也就是如此
渦輪型號越小 渦輪葉片就較輕 較少的廢氣也可以推得動
推動第一顆小渦輪的廢氣量雖然不足以推動第二顆較大的渦輪
但在經過第一顆渦輪將空氣給”放大”後 要推動第二顆渦輪已不是問題
低轉速推動小渦輪 空氣經過放大後 促使引擎轉速升高
進而在中高速時推動大渦輪
也就是這個原因
雙渦輪會比單渦輪更早發揮出馬力來
讓啟介領悟了單渦輪的缺陷 發揮自己雙渦輪FD 的優勢
果然在低速彎時超越恭子獲勝
但因為受到兩顆渦輪的進氣阻力影響 所以在最高速的發揮
就比單渦輪略遜一籌
雙增壓的合作工作範圍
雙增壓
機械增壓 + 渦輪增壓
機械增壓和渦輪增壓各有優缺點
但如果把這兩種增壓方式的優點並在一起
那豈不是完美?!
雙增壓的概念與雙渦輪類似
只不過把第一顆渦輪改為機械增壓罷了
因為雙渦輪在怎麼調 還是免不了渦輪遲滯 (祇是沒單渦輪明顯而已)
雙增壓空氣流程圖
所以利用沒有渦輪遲滯的機械增壓負責低速的空氣來供給引擎
然後已燃燒完的廢氣推動負責高速的渦輪增壓
渦輪增壓作動後 再快速的導入新空氣給機械增壓
就這樣的循環 造就了 低 中 高 三個速域的全速域動力輸出
讓車子的動力趨於完美
WRC Lancia Delta S4
在80年代 WRC Group.B 時期
隸屬 Lancia 的 Delta S4 WRC 廠車
就搭載雙增壓系統
僅1600 C.C 在雙增壓強力加持下 最大馬力有 550 匹
車重只有890kg 而且還是中置引擎
據我所知道的數據 0~100 只要 2秒半 (幾乎是公升級重機的速度了)
電子渦輪 (e-turbo)
上述的雙增壓系統(機械增壓+渦輪增壓)雖然有助於解決高低轉速扭力分配的問題
但成本其實是頗為昂貴的, 而且機械增壓也會吃引擎輸出, 也有動力折損的缺點
所以車廠目前致力於開發電子渦輪, 將低轉速的工作交給電子渦輪, 取代機械增壓
如此一來, 低轉速吃電, 高轉速靠渦輪, 就可以完美解決扭力曲線分配的問題了!
後記:
不管是哪一種增壓方式 最終的目的只有一個
就是提高引擎的效率 來獲得更佳的動力
沒有說哪一個特別好
只能各有所用 各盡其司
以本身車種使用為考量 來給予適當的配置
才能將增壓器的能力發揮出來
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