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渦輪增壓系統Turbo Charger

車訊網 車訊網 2016/8/2
© 由 車訊網 提供

利用引擎廢氣來推動進而大量壓縮空氣,高動力也伴隨著高熱能而來。

屬於強制進氣的一種,渦輪增壓(英:Turbo Charger),小小一顆渦輪機可擁有高達20萬轉以上的工作效率,並且將大量的空氣吸入後一口氣導入燃燒室內,讓空氣中的含氧量是一般自然進氣的倍數以上,藉此換取更可觀的出力,但這個「壓縮空氣」所帶來的高熱能,正是TC渦輪增壓長久以來的致命傷,不過那爆炸性的出力卻又讓人類不斷的去征服它。

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西元1905年獲得許可

     渦輪始祖Alfred Buchi

TC渦輪增壓最早是叫做被稱之為「蒸氣渦輪」,是由瑞士籍的始祖Alfred Buchi所發明,一直到1905年才正式取得世界認證。不過到真正被使用在日常生活上則是到了1912年,由德國的Rudolf Christian Karl Diesel將渦輪增壓搬到了當時用來運輸的柴油火車上,主要利用高扭力來提升載運的能力,一直到西元1925年渦輪增壓系統更是大量被用在船舶上做使用。

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渦輪機本體基本上就取決了出力的大小及特性,雖然目前已經擁有可變渦輪技術來減少渦輪遲滯,不過那都還是侷限於前半段的反應部分,另外上方黑色的部分就是電子式Actuato,完全由電腦控制洩氣量的多寡,較過去機械式擁有反應更好、增壓值更穩的優勢。

除了最早的柴油引擎外,美國General Electric Company公司更是將TC渦輪增壓搬到搭載V12引擎「liberty」的航空機上,並且在克羅拉多州Pikes Peak做了第一次的飛行試驗,至1918年以來General Electric Company公司就不斷嘗試將渦輪增壓搬到航空機上來做使用,市售化汽油四輪汽車的應用則是較後期,1962年美國的GM就已經推出了Oldsmobile F85,3.5L V8渦輪增壓,在當年就能壓榨出215hp/41.63kgm動力表現,與當年平均水準約70-110hp車輛相比,可說是神獸級的地位。我們的鄰國日本則是一直到1979年的日產Cedric&Gloria上所搭載的L20ET直六渦輪增壓,正式開啟了日本渦輪增壓市售車的大門。

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渦輪機的特性是由A/R值所決定,A(Aera 區域)是指廢氣排放吹到渦輪上出口的截面積,R(Radius 半徑)是指由渦輪中心到排氣口中心之間的距離,指的是A (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兩者的比例就是A/R值,A/R比愈小表示入口小相對廢氣流量快,低轉速的反應比較好。

而拜更嚴苛的環保標準所賜,在大家都把引擎縮小下,渦輪增壓成了目前最流行的動力設定,其原理主要是利用排廢氣的壓力驅動渦輪,並且以渦輪帶動同軸的空氣壓縮葉片,壓縮吸入的氣流再送往汽缸。一般自然進氣的引擎是藉由汽缸內活塞下降的負壓來吸入混合氣,因此被吸入的混合氣其壓力在理論上是沒有辦法達到正壓,不過渦輪增壓則是可將混合氣壓力達到正壓以上反應,這也是渦輪增壓為何被運用在氣壓低的航空環境,藉由高溫、高壓的廢氣循環來驅動渦輪葉片,理論上以每分鐘10-20萬轉的高轉速運作,只要硬體許可提升倍數上的動力也是沒問題。

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這個就是渦輪機內的構造,進氣側因為不受高溫影響,所以多半可以使用上更輕更薄的設計,而中心軸則是渦輪本體最容易出怪手的部分,由於軸心需要承受高達20萬轉以上的運轉,潤滑方式則是與引擎機油共用,加上高溫容易使的機油劣化,長時間不按時更換適當油品,很容易造成軸心的損壞導致渦輪報銷。

渦輪機本身體積小、重量輕,但總需要一定廢氣累積下,才能夠順利推動葉片,因此在廢氣壓力未達到前,渦輪機的效率很低,傳統噴射引擎在進氣量不足的情況下,反而會因為引擎壓縮比較自然進氣引擎還低,活塞下拉時帶動吸力不足,導致所謂的Turbo Lag產生,而這個問題也在最近10年內得到了解決,利用更精準的電腦控制噴油的「契機」,來達到過去無法想像的燃燒效率,因此缸內直噴引擎的壓縮比也突破過去Turbo=低壓縮比的概念,電控系統只要夠精準搭配氣門開閉時間的配合,甚至超過自然進氣引擎的壓縮比設定也是處處可見。

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排氣系統也是取決渦輪效率相當重要的一環,當增壓值一旦來到正壓後排氣速度就會變得非常快,因此渦輪增壓車的排氣系統較為順暢,不過隨著電腦科技的進步,電腦可依照增壓值、轉速及油門開度來改變排氣管上閥門的開啟率。

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被壓縮到一定空間的空氣,因為被大量擠壓導致分子密度過高,分子間不斷的推擠與摩擦下,此時就會產生高溫使得內部的含氧量下降,如果不進行冷卻就直接導入燃燒室內,除了容易產生爆震外,含氧量低相對的燃燒效率就不佳,因此無論是水冷還是氣冷「中冷器」都是渦輪增壓系統中不可或缺的一環。

國產渦輪增壓車品牌:

1. Ford

2. Hyundai

3. Luxgen

4. Nissan

進口渦輪增壓車品牌:

3. Audi

4. BMW

5. Citroen

6. Ferrari

7. Infiniti

8. Jaguar

9. Lexus

10. Maserati

11. M.benz

12. McLaren

13. Mini

14. Peugeot

15. Porsche

16. Skoda

17. Smart

18. Subaru

19. Volkswagen

20. Volvo

渦輪增壓系統優點:

相同排氣量卻能獲得更大馬力

相同排氣量卻能獲得更大扭力

小幅改裝提升效果較NA/SC來的更大

引擎排氣量得以縮小

油耗表現更佳

國內排氣量稅金制度上較有優勢

渦輪增壓系統缺點:

引擎溫度較高

排氣溫度較高

高溫導致機油劣化加速

制動系統負擔較高

管路較複雜維修上時間需拉長

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