[資訊] Turbo Power 最新渦輪引擎技術系列報導

eaglelu

2013-05-06 16:15:06



文/Grand、Tree
圖/顧宗濤、Grand

不知大家有沒有發覺，最近剛發表的新車名單內，搭載渦輪引擎的車輛數似乎愈來愈多，連原本堅持自然進氣路線的車廠，也開始投入渦輪引擎的懷抱，
難道渦輪引擎有著令人無法抗拒的魅力？抑或是渦輪引擎才能符合現今環保法規的要求呢？這些問題我們將一一在內文中為大家說明。


圖為Volvo旗下渦輪引擎的透視圖，可以清楚看到彩色的結構為渦輪增壓系統，這顆引擎雙增壓系統，因此構造更為複雜，
也因為如此才會使搭載渦輪引擎車款的售價較高。

正負壓絕妙差異
渦輪增壓技術探討
相對於自然進氣引擎，渦輪引擎總是能提供更強勁的性能輸出，尤其在低速高扭力表現，更是令擁有過的人都上癮，然而在過去渦輪引擎有著油耗過重的缺點，
也因此很難與節能畫上等號，不過這樣的缺點在導入諸多引擎新科技後，早已改善許多，到底新舊渦輪引擎有何不同呢？看下去就知道。


此圖為渦輪系統的作用圖，可以看出渦輪本體採用同軸雙葉片的設計，一邊為受排氣推動的排氣葉片，一邊為負責吸氣的進氣葉片，
透過渦輪系統的輔助，將可使燃燒室灌入更多空氣，以發揮出超越排氣量的動力表現。

主/被動進氣方式
決定引擎輸出效率
面對溫室效應造成的全球氣候變遷問題，身為碳排放量前幾名的汽車工業，如何讓引擎更省油，排碳量更低已成為眾多車廠努力的方向，
因此才會陸續見到電動車、油電混合車、氫氣車與高壓共軌柴油車的出現，至於數量眾多的汽油車，則逐步朝向小排氣量與渦輪化的方向發展。

其實早在這波渦輪引擎化的潮流之前，汽車產業就曾大幅使用渦輪增壓技術，但是由於油耗、散熱與渦輪遲滯現象等因素限制下，
因此過去除了少數高性能車款外，絕大多數市售車並未搭載增壓引擎，而是沿用自然進氣引擎，然而在近年來隨著引擎科技不斷創新下，
已逐步改善上述提到的渦輪引擎缺點，使得過去的吃油怪獸，反而成為兼具動力與節能效率的最佳選擇，不過在真正介紹新式渦輪引擎科技前，
筆者打算先讓大家認識何謂渦輪增壓技術。


不像過去以強度較佳的鑄鐵材質為主，現在的渦輪引擎在金屬製程技術進步與追求輕量化需求下，本體多數皆採用鋁合金材質，
不過也影響後續改裝的幅度。

在增壓引擎大量應用前，排氣量的大小基本上決定了一具引擎的動力輸出，排氣量愈大的引擎，理論上應該能輸出較大的馬力，反之亦然，
然而小排氣量的引擎是否因此受限於先天條件，而無法有大功率的表現呢？答案是否定的，因為後來有了渦輪增壓系統的發明，
該系統是將引擎燃燒後的廢氣熱能再回收，利用這些廢氣來推動渦輪增壓器，強制鼓送新鮮空氣注入引擎燃燒室內，
使小排氣量引擎接受超過其原本能吸入的進氣量，加上正確的供油比例設定，就能發揮出等同於大排氣量引擎的馬力及扭力。


目前許多原本堅持自然進氣引擎的車廠，旗下性能車紛紛改搭載渦輪增壓引擎，除了獲得節能效果，
也有助於後續改裝潛力的發揮。

渦輪增壓系統
回收廢氣再利用
Turbo引擎相較於自然進氣引擎，其硬體方面必備多出以下的零件：排氣頭段、渦輪本體、排氣前段、進氣冷卻器、進氣管路、
進氣洩壓閥、與排氣洩壓閥等，渦輪增壓引擎作動的順序，首先是由廢氣流入排氣側內，然後一邊推動排氣葉片、一邊自中央出口排出，
流向Front Pipe到中尾段排氣管，然後高熱的廢氣便會排向大氣中。

而在「排氣驅動輪」開始動作的同時，位於相反側的「進氣壓縮輪」也會跟著轉動，將新鮮空氣從中間的進氣口吸至壓縮室中，
然後從側邊的出氣口中將空氣開始往引擎輸送，不過新鮮的壓縮空氣在進入引擎內前，會先通過中冷器降低空氣溫度後，才會被壓送至汽缸內爆發。



由於進入到汽缸內的空氣量，是以壓縮方式主動進入、而非引擎被動吸入，因此質量會多出自然進氣引擎許多，並超過一個大氣壓力，
使得進氣壓力從原本的真空負壓，轉為壓縮正壓，在空氣量變多的情況下，只要補足適量的燃油，引擎爆炸力量自然會多出許多，
這也是增壓引擎之所以出力會比自然進氣引擎多出很多的原因。

既然渦輪引擎有如此大的效用，但由於渦輪引擎多出許多昂貴零件，使車價偏高，非一般大眾所能接受，因此並非多數車輛都會朝向渦輪引擎來發展。
當然高油耗也是渦輪車無法普及的緣故，在過去渦輪引擎通常只著重於性能馬力的輸出，油耗數據的控制並非重點，因此車廠少針對油耗問題進行改善，
直到近十年因為溫室效應與燃油價格節節攀升的緣故，使得眾多車廠不得不開始面對降低油耗的問題，也因此促使出「缸內直噴」系統與「可變容積渦輪」
的發明，讓渦輪引擎不再是吃油怪物。


更複雜的管路是渦輪引擎難以避免的設計，加上工作溫度高，因此後續保養觀念與良好駕駛習慣的養成，
是延長使用壽命的必學課程。

缸內直噴燃油系統
完全燃燒每滴汽油
為何渦輪增壓系統配合缸內直噴引擎後，能大幅改善燃油消耗過多的問題呢？這點就需求這套系統的特性來說起。

在構造上，傳統多點噴射系統的噴油嘴是位於進氣歧管上，汽油的注入需經過進氣歧管、進氣道與進汽門後，才會進入燃燒室內，
進行壓縮、爆炸等動作，而與空氣的混合也在此階段中就可完成，因為路徑長所以相對油氣混合的時間也較充足。

至於缸內直噴系統，則是將噴油嘴置於汽缸頂部，其特色在於引擎燃油的取得不需要經過氣門的開啟，而能夠藉由電腦主動控制噴油時間、
壓力與噴射量，汽油是直接噴入汽缸內，所以才叫缸內直噴，事實上該系統很早就以應用於柴油引擎上，汽油引擎是近幾年才開始大放異彩。


在過去渦輪引擎往往與油耗畫上等號，不過現今在諸多引擎新科技的導入下，渦輪引擎不再是吃油怪獸，
而是能兼顧動力與節能的利器。

缸內直噴技術應用在汽油引擎上有何優點呢？首先，直接將燃油噴射到引擎室的方式，可減少燃油的損失。傳統的燃油噴射位置在進氣歧管上，
這種做法會讓燃油附著在燃燒室前的進氣歧管壁上，無法完全燃燒，造成燃油浪費。且燃燒不完全也容易產生積碳，造成引擎出力受到影響。

而缸內直噴技術是直接將燃油注入燃燒室內，不僅不會造成燃油浪費，且燃油汽化過程中，還會大量吸收燃燒室內的熱能，直接為燃燒室帶來「冷卻效果」，
減少爆震產生的機會，如此一來，引擎的壓縮比將能進一步提高，打破過去渦輪引擎只能使用低壓縮比的規定，許多原廠渦輪引擎的壓縮比已達9.5以上，
能獲得極佳的低轉速油耗經濟性，並減少渦輪遲滯發生的機會，這樣特色下油耗自然節省許多。


由於缸內直噴系統的噴油嘴是直接朝向高壓環境的燃燒室注入燃油，因此噴油壓力需高達180～200bar，
才能在極短時間內完成噴油動作，因此油軌結構顯得複雜許多，包含有高壓泵浦、燃油壓力感知器與自動洩壓閥門等。

靈活的噴油時機
多次噴射為主流
且在燃油系統構造改變後，供油動作已可完全獨立於進門與活塞系統之外，中央電腦也因而擁有更多的主導權，於是乎超越傳統噴射理論的稀薄燃燒
與更多元的混合比便得以發生。在穩定行進或低負載狀態下，採用缸內直噴設計的引擎得以進入Ultra lean（精實）模式。

在此設定下，噴油嘴會在活塞進入壓縮行程時先進行預噴，獲得更高的油氣混合與壓縮效果後，待活塞即將抵達上死點時才進行大量主噴，
如此不僅能加快燃燒速度，爆炸後的力道也提昇許多，並達成節能效果，根據實際測試，其最高能達到1：65的油、氣比例，除了節能表現相當驚人，
整體動力曲線也能夠維持在相當高的平順程度。然而本模式由於會產生相當大量的NOx（硫化物）與高溫，所幸在近期由於技術與材料科學的突破，
故也已得到相當程度的解決。


這是VAG旗下2.5 TFSI引擎的燃燒室透視圖，該廠的噴油嘴採用斜放配置，與其他車廠常見的上置方式不同，
用意在結合獨家的「分層進氣」系統，讓燃油與空氣能混合的更加完整。

當引擎需要較大動力時，行車電腦則會選擇進入低污（Stoichiometric combustion）模式，此時的噴油動作雖然在傳統的進氣步驟進行，
不過電腦仍會依照排氣管感知器傳回的空燃比資訊，隨時進行油量微調，並縝密計算排放物與觸媒間的互動關係，以將污染降到最低。
至於全負載系統，則稱為Full power mode，在此戰鬥狀態下，噴油系統通常將會與點火、進氣系統緊密合作，並以釋放出最強的動力為目標。


多數缸內直噴系統引擎的活塞頂部，通常都採用凹頂設計，目的在使空氣進入燃燒室後可呈現旋渦狀態，
有利於燃油與空氣的混合，畢竟直接朝燃燒室注入燃油，油氣混合時間相較於傳動方式可是縮短許多，
也沒有額外的氣流帶動。

換言之，在燃油供應時機不受進氣門開啟時間限制，而能完全獨立運作下，只要噴油時間控制得宜，缸內直噴引擎即使不透過渦輪增壓系統，
也能發揮出超越以往傳統引擎的性能表現，這點從Ferrari 458搭載的4.5L V8引擎，每公升排氣量能輸出126.6hp的馬力，
或新款Focus 2.0L汽油引擎的170hp馬力來看，就可知道缸內直噴系統對性能與節能的雙重效果有多明顯，更不用說在渦輪增壓系統輔助下，
能獲得更佳引擎效能表現。


搭載缸內直噴系統的引擎，供油系統的結構往往相當複雜，因此也成為判斷有無搭載的依據。

不過要擁有缸內直噴系統的代價也不低，就如同上述所說，由於燃油、空氣混合的空間、時間都相當短暫，故缸內直噴系統的噴油嘴必須輔以高壓系統，
來大幅提高燃油的噴射效率，並縮短噴射時間，達到高度霧化的效果，期有更佳的混合表現，因此需使用專用的高壓燃油泵浦與噴油嘴。

此外，缸內直噴系統的燃燒室、活塞也大多具有特殊的導流槽，以供油氣在進入燃燒室後能夠產生氣旋渦流，藉以提高混合油氣的霧化效果與燃燒效率，
這些零件的價格都不低，也造就搭載這類引擎的車輛價格往往居高不下。