關於渦輪的一些專業543-轉載自公路快跑遊戲機

hs_Xsara206

本文主要是根據 <SCC Engine & Driveline Handbook> 裡連續幾篇Mike Kojima所寫的文章. 因為內容很長, 不想逐字逐句翻譯, 所以大部分我用自己的理解和自己的話來寫, 同時也參考其他文章/網站. 大綱如下:

1. Turbo是什麼東西?
2. 有什麼優缺點?
3. 和機械增壓的比較
4. 如何選擇適當的Turbo?
5. 能有多大的馬力?
6. 其他考量


Turbo是什麼東西?

Turbo—渦輪增壓器, 是個藉由內燃機排氣的能量推動葉輪, 使其高速運轉, 帶動另一個葉輪, 壓縮空氣, 再把此壓縮後的空氣灌入內燃機進氣端的裝置. 藉著更大的空氣量, 使內燃機運作更有效率, 產出更大馬力. 外觀上, 就像兩個相連的蝸牛殼:

                               
登录/注册后可看大图

內部的情形像這樣:

                               
登录/注册后可看大图

(上二圖片取自HowStuffWorks, 原始出處為Garrett)

右邊紅色部分為排氣氣流, 左邊藍色為進氣氣流. 排氣側葉輪, 也就是驅動側, 我們稱之為turbine, 其外殼便稱為turbine housing, 高溫高速脈動的排氣氣流, 由葉輪的外圍切線方向進入turbine housing, 順著蝸牛殼形狀漸縮的管道擠入葉片之間的空間, 很有效率的將排氣能量轉動turbine, 使其高速旋轉, 轉速通常在80000~180000rpm的範圍. 排氣氣流再順著turbine葉片的弧度和旋轉自軸線方向排出渦輪本體外, 在接到排氣管排出.

進氣側葉輪, 用以對進氣加壓, 我們稱之為compressor wheel, 這部分外殼也是蝸牛殼形狀, 叫compressor housing. 和排氣側相反的是, 氣流由軸向中央部份吸入, 被帶著弧面放射狀的葉片由內往外甩, 這部分氣流速度非常快, 但此時並不具備有效的 ‘壓力’. 快速往外甩的氣流, 在compressor housing和compressor wheel 之間形成的漸縮區域內逐漸減小體積, 壓力升高, 再由最外圍的漸大管道收集起來, 最後吐出turbo本體, 形成高壓的空氣, 準備灌入引擎的進氣歧管.

加壓後的空氣, 含有大量氧氣, 配合相應的供油, 能讓引擎發揮強大的扭力和馬力. 換個角度, 在相同的出力下, 可以用較小排氣量來做到, 也就減輕了整體的重量. 總的來說, 對引擎的效率有很大的提升. 這個特點, 在數十年前的航空用引擎也發揮了很大的功能, 在高空中氣壓低, 引擎吸不了多少空氣, 加上螺旋槳在稀薄空氣中效率也降低, 所以高度越高, 飛機的性能就越差. 有了增壓的幫助, 就讓當年的飛機得以改善在高空的性能.

在需要高負荷長距離行駛的貨車和拖車頭, 也能得利於渦輪增壓. 因為在長時間穩定負荷的狀態下, 正是渦輪增壓引擎發揮其高性能的最佳應用之一, 強大的扭力有利於拖曳, 高效率則減少了整體燃油的消耗.

在令人血脈噴張的賽車領域, 最懾人心魄的應屬Top Fuel級的直路加速賽, 現行的賽車, 多半都用超大的機械增壓, 燃燒硝基甲烷, 能輸出數千匹馬力, 1/4哩加速於4秒多完成. 為什麼不用turbo? 在 ‘80年代的確有車隊試過, 但那時試做的引擎出力便已過大, 傳動系統無法負荷, 屢屢被打斷, 在找到足夠的贊助以解決這個問題之前, 賽會便禁止使用turbo引擎. 自此我們便無緣見到這樣超強的Turbo Top Fuel Dragster. 若哪天有人又做了一輛出來, 也許1/4哩能在3秒多跑完, 加速度達到5或6個g? 天曉得能強到什麼地步?

在F1最輝煌的80年代, 有幾年允許渦輪增壓引擎, 並且沒有限流裝置, 當時1.5升的引擎, 可以產出超過1500匹的馬力, 這還是 ‘後面幾名’ 的車隊的成績, 頭幾位的車隊, 絕對不只此數 (曾 ’聽說’ 有做到1800匹左右的). 後來FIA便開始規定要用小口徑的限流器(restrictor), 因此也直接減低了性能.

目前的大型比賽, 大概只剩下WRC和Indy CART容許使用turbo, 但也都裝置了很嚴格的限流器或限壓閥, 完全不設限的turbo賽事, 應該只剩下一些地方性小比賽了. 對於潛力無限的turbo引擎來說, 這真是個無處發揮的嚴重諷刺.



渦輪增壓系統

                               
登录/注册后可看大图

(圖片取自HowStuffWorks, 原始出處為Garrett)

圖左邊為引擎, 排氣吐出後驅動turbine, 相連的compressor便同步高速運轉, 提供高壓的空氣, 餵回引擎的進氣端. 在compressor和進氣歧管之間, 有個冷卻器, 用以降低壓縮後升溫的空氣溫度.

空氣經過壓縮, 溫度會升高, 是因為壓縮器的效率未臻完美, 一個完美/理想的compressor, 有100%效率, 不會使加壓後的空氣升溫. 但, 這不可能存在於現實世界. 在我們現在可以取得的turbo來說, 壓縮效率在一般的運作範圍內通常在百分之七十幾, 最好的能達到80%左右. 以70%的壓縮效率來說, 意思就是驅動compressor的能量(功率)當中, 有30%拿去發熱了.

為了保持引擎的燃燒效率和運作的安定, 進氣溫度必須保持在一個合理的範圍, 過高的進氣溫度, 會使爆震的發生率急劇升高, 另也使進氣密度降低, 減損引擎性能, 因此一個合理的intercooler是必需的. 目前汽車引擎使用的intercooler, 大致有air-to-air 和air-to-water兩種. Air-to-air就是進氣溫度由空氣來冷卻, 使氣流經過多排的扁平狹長的通道, 通道內外都有許多細薄的鰭片:

                               
登录/注册后可看大图

另一種air-to-water, 就是把原先要暴露在外界空氣的部分包起來, 變成水道, 這部分的水再用水泵循環到一個獨立的水箱, 把熱再交換出去, 像這個樣子:

                               
登录/注册后可看大图

獨立水箱:

                               
登录/注册后可看大图

hs_Xsara206

水冷式的好處, 是效率較高 (意思就是壓降小, 冷卻力強), 還有個好處是安裝位置彈性大, 可使整個進氣道更短更順暢, 不需考慮撞風而使管道繞的很長. 在一些短程的賽事, 甚至可以在水箱裡塞冰塊, 使進氣溫度拉低到比環境氣溫更低. 在一些中置或後置引擎的配置上, 較難有直接撞風的配置, 這種方式就更加理想. 當然也有壞處, 就是系統複雜, 重量較重, 成本也較高. 相對的, 一般氣冷式就比較簡單而直接, 若體積夠大, 撞風理想, 效率也不差, 所以絕大多數的前置引擎增壓車, 都是使用air-to-air的中冷器. 另也可使用外部噴水(或噴CO2或NOx)來使air-to-air的intercooler提高冷卻能力.



渦輪本體的元件

回到turbo本體, 如前所述, 有compressor/housing, 和turbine/housing, 這是主要發揮 ‘功能’ 的部位, 連接這兩者, 則是軸心總成(CHRA, Center Housing Rotating Assembly), 包含水道、油道、油浮式軸承、側推軸承(thrust bearing)、油封等. Turbine和軸心常是焊在一起, 或緊密的逼在一起, 軸心本身通常是不鏽鋼或鉻鉬合金, turbine則常是耐高溫的合金, 如inconel, GMR, 或Mar-M, 更先進的材料還有鈦合金、陶瓷等, 取其輕量化, 低貫性的優點, turbine housing也是耐高溫的至少是軟鑄鐵, 好一點的會採用高含鎳量合金鋼材. Compressor wheel則是用螺帽鎖在主軸上, 常用鋁合金製成, 甚至還有使用塑膠製成的超輕量化葉輪, 但這種的不耐高增壓, 常會斷裂飛散.

軸承部分, 較老式的多半採用銅套式油浮軸承, 這個軸承的內外都有適量的機油, 油壓使得軸承和外殼間以及軸承和主軸間都是懸浮狀態, turbo運作時, 此軸承事實上也隨著轉動, 轉速約為軸心的1/10左右, 這樣的懸浮機構提供一個阻尼的功能, 可使整個旋轉部分可以容忍些微的不平衡帶來的震動, 若沒有這樣的懸浮, 則可能在某個轉速因為共振而使機件損壞. 較新式的則採用滾珠軸承, 同樣有油浮的機制, 而因為滾珠能減少很大幅度的摩擦力, 所以配備滾珠軸承的turbo可以更早達到工作轉速, 大幅改善遲滯現象, 比同級turbo提早約500~800rpm的引擎轉速便能提供最大增壓, 或者在相同引擎轉速就提供更大流量(或增壓). 如Garrett的GT系列和IHI的RHF系列…

軸承之外, 有兩段式油封, 最靠外側有一圈封住軸心和外殼之間, 在這之內, 則有一圓盤, 運轉時將機油甩向外圍, 使油靠近外側油封的機會大幅減小, 直些減低滲油/漏油的可能, 這叫做 ‘動態油封系統’ , 這樣的機制在compressor側和turbine側都有.

                               
登录/注册后可看大图

(圖片取自Hot Rod)

hs_Xsara206

控制機構及其他配件

Turbo的運作控制, 最重要的就是轉速. 像turbo這樣的離心式壓縮機, 通常只能在很窄的轉速範圍內提供最好的效率, 轉速過低, 打不出足夠壓力, 轉速過高, 則可能使葉片尖端速度快過音速, 而使得效率大減, 產生高熱, 超音速振波則會使葉片/外殼損壞.

控制渦輪的轉速, 就從驅動端的turbine著手. 控制驅動turbine的排氣氣流, 就能控制渦輪轉速. 當引擎轉速低時, 廢氣量尚小, 能量不高, 所以為了充分利用, 此時全部的廢氣都該灌到turbine上, 全力驅動. 當引擎轉速到了一個程度, 廢氣量夠大時, turbine則進入最佳效率的運作範圍, compressor則吐出高壓. 當達到目標壓力, 就該調節驅動turbine的廢氣量, 使其轉速不要再上升, 免的增壓過高, 使引擎受不了, 或是損壞渦輪本體.

這個turbine的調節, 就靠waste gate (廢氣門). 有兩種, 一體式和外接式. 一體式的就是在turbine housing上做個旁通閥門, 當需要調節廢氣壓力時, 此閥門就適度開啟, 讓部分廢氣不經turbine便排出, 這麼一來就使渦輪轉速得以控制. Waste gate的開啟, 由一個氣壓/彈簧為驅動力的actuator來作動. 一般是把compressor出口的壓力引到actuator上, 當增壓到達一個程度, 此壓力作用在actuator內部的膜片上, 大過彈簧彈力, 便能透過一個連桿去推開廢氣門. 當compressor出口壓力越大, 則作用在actuator上的壓力也越大, 推開廢氣門的程度就越大, 旁通掉的也廢氣越多, 則turbine的轉速便獲得控制. 很簡單的一個負回授.

                               
登录/注册后可看大图

右邊那顆就是一體式waste gate. 圖片取自Ray Hall Turbo Charging.

外接式的廢氣門動作方式可說一模一樣, 只不過要使用這種廢氣門, turbine housing則是另一種形式, 且需要在排氣歧管(頭段)上/turbine入口之前做一個分支出口, 接到這個外接的waste gate上, 這waste gate的出口, 則有一根獨立管道引出旁通的廢氣. 在一般街道用車, 此廢氣當然還是要再接回主排氣管, 通過觸媒轉化器和消音器, 在競賽用途當中, 則是直接排到外面, 這樣就會看到兩根排氣管的出口. 可想而知, 這種的會吵死人!
為什麼要這麼麻煩用外接式? 因為一體式的閥門很小, 當流量大到超過它的負荷時, 便會發生兩種症狀:

1. 增壓不受控制, 廢氣門已經全開, 但旁通量還是不夠大, 造成過多廢氣通過turbine, 渦輪轉速越來越高, 產出壓力越來越大, 超過所需造成損壞.
2. 瞬間增壓衝過預設點. 因為actuator內的膜片面積小, 驅動力弱, 反應不夠快, 造成waste gate來不及開啟到適當大小, 猛然增壓時便造成衝過頭, 沒有及時獲得控制.

為此, 就須提前小幅開啟waste gate, 以免過衝, 但這麼一來又造成不該旁通時損失了寶貴的廢氣能量, 讓渦輪轉動的加速變慢. 所以, 這個樣子就是該動起來的時候不夠快, 該hold住的時候又失去控制, 真的很糟. 所以, 在大流量/大馬力的應用上, 就會需要外接式的waste gate, 免的有這些一體式的流量不足的問題. 而一般街道用途的車輛, 中等馬力以下的引擎, 其實還不至於發生這樣的情形, 一體式的waste gate還是能夠應付一般所需.

控制渦輪轉速，尚有另一種更有效率的方式，就是VNT (Variable Nozzle Turbine)，或叫作VGT (Variable Geometry Turbine) -- 可變噴嘴turbine 或可變幾何Turbine。這是利用一整圈可變角度的 ‘翼’，圍繞著turbine，這些 ‘翼’ 和turbine切線所成的角度，決定了氣流的行為。 當角度小時，氣流作用在turbine葉片上的角度較接近直角，也就在葉片上產生較大的力矩，廢氣能量也就很有效的轉移到turbine上，此時氣流路徑較長，就相當於較小的A/R，反應就像一顆小A/R的turbo，獲得很好的低流量加速度。 而翼的角度轉大時，氣流方向近乎朝向圓心，也就是朝向housing的出口，作用在turbine葉片上的角度偏斜，力矩較小，轉速就低。氣流快速流出了housing，路徑較短，就相當於較大的A/R，此時便能兼顧大流量的順暢，減少背壓，就像一顆大A/R的turbo。如此兼具高低轉速的需求，可說是非常理想的裝置。翼的角度控制，是由turbine housing外一整圈的連動機械機構帶動，這個機構的驅動，和一般一體式的waste gate一樣，也是彈簧/氣壓控制的actuator。 此種VNT Turbo，目前多用於中小排氣量柴油引擎，造價也較為高昂。能承受汽油渦輪引擎較高的排溫者，目前只有最新的911Tubo (997) 車上用的那顆Borg Warner。

hs_Xsara206

這裡有圖文並茂的進一步解說:
http://paultan.org/archives/2006/08...-geometry-work/


最大增壓的控制, 很容易能從通往actuator的這股壓力來調節. 從compressor出口引出的壓力, 在接到actuator之前, 能用多種方式來調整, 如電子式的用個步進馬達來控制一個閥門, 或者用簡單的機械式調壓閥來調整, 限制通過的壓力, 或旁通掉一些壓力, 這樣便能夠減小/調節actuator看到的壓力, 也就控制了廢氣門的開啟, 和最大增壓值.

整個系統當中, 還有個重要的小東西, 就是進氣洩壓閥. 當渦輪高速運轉/進行增壓, 節氣門卻又猛然關閉時 (如換檔時的收油動作, 或單純的收油減速) , compressor出口和節汽門之間的壓力就會瞬間劇增, 因為渦輪吐出的壓力無處去, 累積在節氣門前. 這麼一來當然對compressor會有很大的傷害, thrust bearing上會瞬間產生很大的壓力, 急劇磨損, compressor wheel也可能受損, 或甚至整根主軸都可能斷裂. 此時這個聚積的壓力就應該要適度的排出, 以免產生上述的慘狀.

一個簡單的閥門, 在節氣門前的進氣道做個旁通, 並以歧管壓力來控制, 就得以妥善的解決這個問題. 當節氣門開啟/增壓的情形下, 歧管壓力為正壓, 這個壓力便去推洩壓閥, 推動的方向使其緊密關閉, 增壓壓力便全部灌入進氣歧管. 當節氣門關閉, 歧管瞬間變成負壓, 這個吸力便吸開閥門, 順利排出節氣門前的壓力. 這個排出的壓力, 可以往外界大氣排放, 也可引一條管子回到compressor上游, 形成一個循環.

洩壓閥是個簡單的小東西, 但若它不能順利運作, 適時洩壓, 則很可能在很短的時間內就損壞渦輪本體, 通常是軸承/油封部分首先遭殃, 這麼一來, 車就會開始冒煙了…



渦輪vs機械增壓

機械增壓器直接由曲軸驅動, 所以和引擎的動作同步, 直覺上油門反應會比turbo這種 ‘浮動’ 式的增壓器要好得多, 但其實還有許多因素可以考慮.

典型的機械增壓, 應用很成功且最多的, 應屬Roots增壓器, 這種增壓器沒有所謂的 ‘內部壓縮’, 也就是說空氣在增壓器內部沒有被壓縮, 而是朝著進氣歧管吹進與轉速成正比的空氣量, 在進氣歧管內產生正壓. 再加上他本身的機械/流體力學特性, 效率並不很高, 已經算很不錯的Roots增壓器廠牌--Eaton, 藉由流體力學的改進和較高精度的加工, 可以做到60%的壓縮效率, 比同類型舊式壓縮機的50%, 算是不錯的進步. 而Twin Screw型的壓縮機, 先天有內部壓縮, 效率較高. Whipple, 一家專門生產twin screw增壓器的廠家, 聲稱他們的產品可以達到75%的效率, 但並沒有像turbo廠家那樣提供compressor map以供評估…

而離心式機械增壓, 就如同turbo的進氣那一半, 壓縮效率與turbo相當, 但不是由氣體驅動, 而是曲軸, 很難讓它的轉速保持在最佳效率的範圍, 通常較佳的效率都只能出現在窄窄的高轉速域, 中低轉速則比turbo更差. 雖然由曲軸帶動沒有lag, 但引擎轉速範圍中大部分區域都得不到足夠的增壓, 使得這種增壓器比較適合大排氣量的引擎, 補足原本呆滯的高轉速域. 對於中小排氣量的近代多汽門引擎來說, 離心式機械增壓只會做出一個很差的扭力曲線, 陡峭的往高端上升, 中低轉的實用性可說完全被忽略了, 雖然最大馬力值還不錯, 但扭力曲線這麼差, 時在不適合中小排氣量的引擎.

機械增壓最大的問題, 主要在於直接吃掉引擎馬力, 目前最猛的機械增壓引擎— 燃燒硝基甲烷的Top Fuel Dragster, 大V8配上一個超大的Roots Blower, 該機械增壓器便會吃掉600~800匹馬力 (先別擔心, 它有4~6千匹馬力可供揮霍). 同時也因為機械和熱的因素, 沒辦法無限制的提高轉速, 產出高增壓/高流量, 所以最大動力總是比不上turbo. 且相同增壓下, 產出馬力仍不如turbo. 一個依理論計算的例子, 相同條件--Honda B18C引擎, 打20psi的增壓, turbo可有453匹馬力, 離心式機械增壓可到412匹, 而Roots機械增壓則只有388匹. 較差的壓縮效率, 和從曲軸 ‘偷’ 去馬力, 就使得機械增壓在最大輸出上不如turbo.

機械增壓最大的優勢, 是在容積效率 (VE), 因為沒有turbine擋在排氣路徑上產生回壓, 所以進氣壓力總是大於排氣背壓, 在某些引擎上有可能做到大於110%的VE, 這直接對引擎效率和性能有很大的助益. 這個優勢, 在低增壓的情形最為明顯. 在低增壓的turbo系統中, 通常使用較小的turbo, 小turbo流量小, 在高轉速大流量時會有較大的背壓, 而越大的背壓, 越會減損VE, 因為在這種狀況下背壓總大於進氣增壓, 因此進排氣的過程中常要花去頗大的力氣去把廢氣 ‘擠’ 出去, 若汽門重疊過大, 還會產生逆流的現象, 這就非常糟糕. 當渦輪增壓系統的背壓/增壓比在1.8:1以上, 則相同增壓值的機械增壓就有機會在馬力上超過turbo.

當然, 正如一般的認知, 機械增壓完全沒有遲滯的油門反應, 常是更吸引人之處, 尤其是Roots和Twin Screw型式的, 幾乎是一離怠速, 便開始有線性/即時的增壓, 因此操駕的感覺就有如較大排氣量的N/A引擎. 這點雖然是turbo所比不上, 但近年的turbo也有很大的進步, 越來越多的原廠增壓車, 幾乎已經讓人感覺不到lag, 扭力高原也越來越寬, 加上很高的運作效率, turbo還是有繼續發展的無窮潛力和優勢.

hs_Xsara206

如何選擇Turbo

上面說過, 像turbo這種離心式壓縮機, 只能在某個不大的範圍內提供最佳的效率, 所以和引擎的搭配就很重要. 雖然坊間的改裝百百種, 同一具引擎, 大幾號/小幾號的turbo都拿來用, 乍看似乎也沒什麼問題, 但, 那畢竟是土法煉鋼, 嚐試錯誤. 另, 許多改裝雜誌也總是喜歡刊登誇張的改裝例, 拿那種拖車頭用的turbo塞在喜美的引擎室裡嚇讀者, 好像這樣就很厲害似的, 也讓許多人誤以為越大就越猛, 這些當然都是誤導…

先來看一些術語:

A/R值

這是描述compressor housing 和 turbine housing的型態比例. 蝸牛殼形狀的管道, 管道每一處的截面積(A), 和該處與housing中心所成的半徑(R) , 必須保持衡定, 其比值便是A/R值. 看圖:

                               
登录/注册后可看大图

由此可見, 以compressor housing來說, A/R就描述了壓縮空氣在蝸牛殼內 ‘擴張’ 的情形, A大/R小, 就表示蝸牛殼繞的短, 管徑擴張的快, 所以A/R值大的compressor housing, 吸入的空氣在相對較短的管道內就被 ‘甩’ 出來, 加上管道截面積相對較大, 也表示高流量的傾向, 因此A/R大的compressor housing就適於高流量的用途, 如高轉大馬力的引擎, 或者, 相同的引擎, 使用大A/R Compressor housing的turbo, 便傾向高轉馬力, 但中低轉速的反應較差. 反過來說, A/R較小的, 就表示蝸牛殼繞的長, 擴張的慢, 這就變成壓力較容易蓄積, 在低流量時就能產出大壓力, 適於著重中低轉實用性的引擎.

而對turbine housing 來說, 情形也類似, 只是氣流方向不一樣. 大A/R的turbine housing, 有相對較大的管道, 而在較短的路徑就繞完了, 廢氣作用在turbine上的時間較短, 很快就排出, 這便造就了較低的背壓和較高的流量. 而小A/R的情形, 就變成截面積較小的管道, 圍著turbine繞的比較長, 因此有更多的廢氣能量得以作用在turbine上, 也就能很早就把turbine帶到高轉速, 但因為較小的截面積和較長的管道, 因此產生的背壓較大, 不利於高流量的用途.

Trim

這個不好翻譯, 暫稱為縮減率好了. 描述了葉輪的型態比例, 定義為:

TrimCompressor = (Inducer Diameter)2 / (Exducer Diameter)2 * 100

TrimTurbine = (Exducer Diameter)2 / (Inducer Diameter)2 * 100

哎哎哎, 怎麼這樣顛來倒去向繞口令一樣?
看一下圖好了:

                               
登录/注册后可看大图

這是兩個compressor wheel, 所謂的inducer, 就是氣流進來的地方, 也就是圖上朝上、直徑較小的部分, exducer, 就是氣流甩出去的地方, 就是朝下直徑較大的部分. 所以, trim的意思就是小端和大端的直徑比例, 只不過不是直接比, 而是平方後再乘上100, 有點百分比的味道.

Turbine一樣也有大小端, 比起compressor, 一般來說大小比較相近:

                               
登录/注册后可看大图

(以上3圖片取自HOT ROD雜誌線上版, http://www.hotrod.com)

在這邊, 氣流進來的地方是外圍, 出去的地方是上面, 所以式子就倒過來, 其實不用管哪邊進來/出去, 直接看大小就好了, 小端在分子, 大端在分母. 因此, trim值理論上就是0~100, 但不大可能那麼極端, 常見的compressor trim在50~60, turbine trim則在70~80的範圍.

那麼, 這個值代表什麼意義? 由定義可知, Trim越大, 葉輪的大小端直徑就越相近, 以compressor來說, 就表示吸入空氣的那端相對較大, 能抓進更多的空氣, 流量更大. 而較小的trim, 相對的, 就是小端較小, 另一個角度看, 也能視為大端更深入compressor housing外圍的狹窄端, 這樣一來就能提供更強的壓縮, 而產出高增壓. 以turbine來說, 情形類似, 大小端相近, 表示大端相對不大, turbine housing裡的氣流受阻較小, 背壓低, 流量大, 但同時轉移到turbine上的能量也較少.

所以, 和A/R值一樣, 都是折衷妥協, 無所謂越大越好或是越小越好, 大部分時候都適中的比較能夠符合我們的需要.

hs_Xsara206

(此為Garrett T04E 60 Trim的compressor map, 圖片取自Performance Techniques, http://64.225.76.178/main.htm )

圖的左側, 在操作範圍的左邊邊線, 稱為surge line, 也就是渦輪在低流率/高壓力的範圍工作, 跨出這條線, 表示引擎吞不進那麼多空氣量, 但增壓過大, 此時, compressor wheel的inducer(進氣端)會失速, 同時當然壓縮效率也大減, 長期在此區域運作, 軸承將劇烈磨損.

另一端, 在圖的右邊邊線, 稱為choke line, 表示在特定壓力下此turbo流量的極限, 超過這個範圍, compressor流量飽和, 無法提供足夠的壓力, turbo轉速急劇升高, 產生高熱, 壓縮效率當然馬上就掉的很低, 這樣個操作區域也會使turbo本身壽命大減, 同時也會讓整個引擎像是被掐住一樣高轉上不去.

所以, 在選擇turbo, 或者說選擇compressor時, 這個圖表就非常重要, 是主要的參考依據. 那麼, 怎麼看? 怎麼用?

首先要訂立條件, 也就是什麼引擎, 多少轉速下需要多大的增壓等等…

舉例, 一具2.0排氣量, 4行程引擎, 在7500rpm斷油前最高到20psi的增壓
(假設是 SR20DE 這顆強壯耐操的引擎)

Pco (Compressor出口壓力)
=增壓值 + 大氣壓力 + 管路/中冷器的壓降 = 20 + 14.7 + 1.5 = 36.2psi
在此, 中冷器壓降取1.5psi, 算是樂觀的估計, 或者是蠻大的中冷器, 若是小流量/小體積的中冷器, 這邊的壓損會比較大. 或者你也可以看你用的中冷器是否有規格數據, 就直接套進來.

Pr (壓力比) = compressor出口壓力/大氣壓力 = 36.2/14.7 = 2.463

Di (compressor和intercooler之後的空氣密度)
= (增壓值 + 大氣壓力 ) / [ R * 12 * (460+進氣溫度)]
= (20+14.7) / [53.3*12*(460+130)]= 0.000009195lb/in3

在此進氣溫度設為130 F
R=53.3, 是個常數, 12是為了將單位轉成英吋
(這個計算例是直接從書上抄過來, 因為涉及慣用單位, 所以像華氏溫度和英吋等都保留, 以免換算錯誤, 常數也會不同. 溫度加460是為了把華氏轉成絕對溫度)

Mf (空氣流率) = 密度* 排氣量(cubic inches) * (rpm/2) * VE
=0.00009195 *122 * (7500/2) * 0.9 = 37.84 lb/min

在此, 排氣量轉成立方吋, VE取為90%, 也是樂觀值, 但一般較新的多汽門引擎應該都能到達此數, 若是較老的每缸2汽門的引擎, 可以取80%.

CMf (修正後的空氣流率)
= 空氣流率 *√(Compressor進氣溫度/545) / (大氣壓力/修正後的進氣壓力)
= 37.84 * √(545/545) / (14.7/13.95) = 35.9 lb/min

在這裡, 流率依據溫度和壓損做修正, 溫度取545, 相當於85 F, 為了計算方便, 就保持這個值, 而13.95psi是Garrett建議的值, 是預估進氣經過一般典型的空氣濾芯後扣掉壓損所剩的壓力.

好了, 兩個關鍵的值: 壓力比=2.463、流率=35.9 lb/min , 這樣我們就能套回上面那個compressor map看看:
再來, turbine的選擇, 則有很大的成分須要從A/R值和trim值來選擇, 雖也有所謂的turbine map, 但這邊的壓力比和流率比較難算, 會隨著排氣系統的背壓和調校條件而有較大的變動. 再加上選購turbo時, 他們多半都是配好的, 以compressor的特性來挑turbo, 選出來的應該就大致不差, 引擎的出力至少是大致合理的曲線, turbo本身也在健康的操作區, 而turbine這頭的特性, 便左右了lag和背壓, 背壓又直接影響了VE.

上面提過的, A/R和trim大的, 高流量特性佳, A/R和trim小的低轉反應佳, 那麼該如何搭配/選擇? 若以折衷角度看, 寧取大一點的A/R配小一點的trim, 這樣能保持較好的流量能力, 背壓小一點, VE就得以維持, 讓小的trim去提昇運轉加速度. 一般來說, 這樣的組合成功率較大.

另, turbine葉片的寬度也有影響, 稱為B-width, 在下圖來看就是 ‘高度’:

                               
登录/注册后可看大图

兩個直徑類似的turbine, 一個的葉片寬度小, 另一個明顯較大. 寬度小的容許流量較低, 但加速快, 反應較佳, lag較小. 而寬度大的, 流量大, 高轉效率佳, 但反應較慢, lag較明顯. 這可和trim一並考慮.

有些turbo廠牌可以讓你自由選擇數種compressor wheel和turbine的組合, 稱為混血turbo (Hybrid Turbo), 有些搭配的範圍還蠻大的, 硬要惡搞, 可說沒有限制. 但以健康操作範圍來看, 兩個葉輪的直徑相差不要超過15%. 一般來說, compressor通常會比turbine大一些, 若比例過於懸殊, 那麼就會有turbine帶不動compressor的問題, lag變大, 反應遲鈍, 雖然大compressor能吐出高流量, 但turbine帶不動它, 一樣白搭.

Turbo的計算/選用, 不外就是壓力比, 流率, 上面的數學式中所用的單位多為英制, 剛好也配合turbo規格資料慣用的單位, 套起來反而方便. 套公式之前, 先把我們習慣的公制單位換成英制再算即可. 上面的例子, 算是中庸偏高的數值, 一般若是N/A改turbo, 通常不會一下子就打到20psi的增壓值, 你可以自行設定目標, 再把數字套入計算即可. 只要壓力比和流率落在compressor map的健康操作範圍, 就算是安全的選擇, 成功率很高.

當然, 若是購買完整套件, 廠家多半都幫你算好了, 也會選用適當的turbo, 不須擔心, 倒是有機會可以找出資料來驗證一下.

hs_Xsara206

幾匹馬力?

好了, turbo選好了, 那麼可以得到多少馬力?
可以簡單的從空燃比來反推. 前面算過了空氣流率為35.9 lb/min, 以最高性能的a/f=12:1來看, 我們需要的燃油流率便是 35.9 / 12 = 2.99 lb/min

B.S.F.C (brake specific fuel consumption) = 0.5 lb/hr 這個意思是說, 每產生1匹馬力, 每小時需消耗 0.5磅的燃油. 這是一般的估計值.

所以, 2.99 lb/min = 179.5 lb/hr, 在除上 0.5的BSFC
就等於 359 匹馬力.
嘿嘿, 不錯吧. 2.0排氣量打20psi ‘就’ 可以有300多匹馬力. 在你踩下油門時, 絕對是很有 ‘感覺’ 地!!



其他考量

進氣量因為增壓而大增, 供油自然也要隨之增加. 上面的式子已經算出了所需的燃油流率, 自然就能帶出所需的汽油泵和噴油嘴的的規格, 只要單位的換算小心一點, 不至於太難算. 當然, 在選用汽油泵時, 壓力/流率要有足夠的寬裕, 不能太緊繃, 例如上面的a/f是以12:1來算, 實際上, 在高增壓下, 有可能會需要濃到10:1來降溫, 這類的寬裕量一定要考慮到, 也要考慮此泵會不會在大流量時壓力保持不住, 最好有壓力/流率圖表可供評估, 或公證單位的測試報告. 而噴油嘴的流率也要記得不可超過80%的Duty cycle和選用合適的驅動阻抗.

而進排氣的管道上, 也有不同的考量. 進氣道部分, 如compressor出口到intercooler, 然後一路到進氣歧管, 事實上口徑不宜太大, 300匹馬力以下的, 宜在2” 左右, 300匹以上, 則可到2.25”~2.5”, 太大的管徑, 會造成太大的內容積, 減慢增壓的反應. 而路徑當然越短越好, 彎角越少越緩越好, 能做些隔熱也是個好點子, 或者用本身比較能隔熱的材質也很不錯. 排氣部分, 則是管徑大一點的好, 從1.6 turbo起, 便需要2.5”以上的管徑, 2.0 turbo, 最好有3”以上, 大一點的背壓較低, 有利於turbine的運作, 效率較佳, 背壓降低, VE又得利, 一舉數得.

在較高背壓的系統, 就是小號turbo的情形, 背壓通常很大, 若又用它硬打高增壓, 則背壓更是水漲船高, 此時, 背壓就會高過增壓很多, 在汽門重疊的短暫時間裡, 會發生逆流的現象, 這當然很糟糕, VE一下子小了不說, 高溫的排氣反灌回來, 燃燒室溫度會急劇升高, 嚴重爆震、活塞融毀的慘劇便不遠了. 這種情形, 則不該改用大重疊角的hi cam, 會使此情形惡化, 重疊小的原廠cam反而是較佳的選擇. 若沒有把握保持夠小的背壓, 還是先不要改cam.

點火部分, 若是直接點火, 跳火能量較大, 比較能應付增壓後較濃的油汽, 通常問題不大. 但若是分電盤式, 則可能在高增壓下會有miss fire的現象, 此時加強點火系統便有其必要. 換用較大容量的coil, 或整套強化的點火套件, 會有不錯的效果, 最好還能調整正時, 以搭配增壓值微調到最佳提前. 若其他都沒改, 至少換冷一號的火星塞, 以免溫度過高, 提高爆震的發生率.

噴水也是增壓引擎一個不錯的配件, 可提供缸內的intercooling, 大幅減低進氣溫度, 使引擎在高增壓運作下更能保持穩定安全的缸壓, 也因此不需過度供油, 能保持在最佳出力的12:1 a/f值, 點火也能提前到更佳出力的範圍, 汽化後的水蒸氣排出後甚至對驅動turbine還有一定的貢獻, 更加提昇效率, 一舉數得.



結論

好了, 渦輪增壓大致介紹完畢, 由這些資訊可知, 只要你的引擎本體受的了, 或者已做過適當強化, 那麼加上渦輪絕對是產生大馬力的最佳捷徑. 做好了週邊的配合, 調校妥當, 在你踩下油門的剎那, 臉上自然就會浮現滿足的笑容.

hs_Xsara206

雙渦輪, 或更多渦輪, 若每一個的工作條件一模一樣, 同時工作, 產出同樣的流量和壓力, 那麼就算是並聯, parallel twin (multi-) turbo, 這種方式算是單純的把引擎的進排氣平均分成兩半 (或相等的更多等份), 各等份操作情形相同, 如6缸引擎分成3/3各用一個turbo, 或v8分成4/4... w16分成4個4缸.... 依此類推. 這樣大致上還算 '簡單', 先略過不談. (當然還有得討論, 以後再說....)

a. 低轉速時小turbo運作, 中高轉 '切換' 到大turbo.
b. 低轉速時單一turbo運作, 中高轉時兩個 '一起' 動作.

這兩種, turbine housing都是接在排氣頭段上, 算是 '並聯' 的狀態, 只不過會有閥門來控制廢氣適時適量的 '分配' 給個別turbine, 或控制單通或雙通.

而compressor這邊, 就有比較大的不同了. a這種, 就真的會有 '串聯' 的情形, 一大一小的turbo, 小的那個compressor會比較靠近節氣門/進器歧管, 大的反而在上游. 中低轉速時, turbine那邊只有小的接受廢氣驅動 (大顆的那個此時被閥門擋住) , 所以只有小的這個compressor作用, 氣流經過大顆的compressor之後被小渦輪吸入/增壓, 再餵給進氣歧管. 當轉速升高, 廢氣量增加到足以推動大渦輪時, 閥門將部分廢氣分給大顆的turbine, 待這顆大的turbo達到一定轉速, 有效產出壓力時, 就變成大渦輪增壓後再餵給小渦輪, 小渦輪再壓縮一次, 才給進氣歧管. 下一個階段, 引擎轉速高到一個程度, 廢氣量很大, 閥門就把全部廢氣都餵給大turbine, 小渦輪便停止, 完全由大渦輪來增壓, 此時進氣的氣流便有另外的管道和閥門, 繞過小渦輪的compressor housing, 直接通到進氣歧管.

上面提過的BMW 535d序列式雙渦輪, 就是這樣的架構和運作方式:

                               
登录/注册后可看大图

面提到那個很厲害的 Opel 新 1.9 直列4缸柴油也是用了類似的增壓方式, 但這顆引擎還要一兩年才會上市吧... 和535d一樣的是, 出力銜接很順暢, 從小渦輪到兩個串聯到大渦輪, 扭力很大且恆定, 沒有凹陷突兀之處. 我想, 應該也和較聰明/周到的控制機構有關吧...


而b.這種, 相較之下稍微 '單純' 一點, 在中低轉速時, '只要' 用兩個閥門把第二個渦輪關閉, 不使其動作, 讓所有的廢氣都去驅動一個turbo, 這樣就能獲得較好的中低速反應. 待轉速升高, 廢氣量大時, 再開啟第二顆渦輪, 此時就變成兩個 '並聯' 運作:

                               
登录/注册后可看大图

上圖是Subaru B4 對臥4缸序列式雙turbo示意圖.

圖右方就是 '第一顆' turbo, 恆時開啟運作, 左邊是第二顆, 這顆的進排氣皆有閥門控制. 閥門開啟時就是兩顆 '並聯' 同時運作. Supra和第三代的RX7看起來也是這樣的方式.

在B4上面, 單→雙turbo的切換點上, 有個明顯的動力凹陷, 再拉上去之後力量才又冒出來. 原因是第二顆渦輪開啟時, 廢氣要推動兩個 turbine, 一時間原來全力運轉的那個動力來源削減了(廢氣量減半), 而同時第二個才剛開始動起來, 還沒辦法立刻貢獻出增壓壓力, 於是在這個交接處就產生了這個動力回縮的現象.

hs_Xsara206

這其實這個毛病有方法可以解決. 在RX7上面, 便有所謂 '預增壓' 的階段, 就是讓第二顆turbo先漸進的接受廢氣驅動, 待渦輪轉速到達一個程度, 再把compressor端的通道開啟, 這樣便能夠有較平順的銜接, 按照原廠規格, RX7在2500~6500rpm的範圍扭力幾乎是恆定的, 這實在是很寬的動力帶 ....

不論是哪一種序列式雙渦輪, 都會有下列優缺點:

* 扭力分布很廣, 出力韌性大, 容易駕馭, 又有高性能.
* 低轉速時小渦輪 (或單一渦輪) 動作, 充分利用廢氣, 運作效率高.
* 高轉速時大渦輪 (或雙渦輪) 動作, turbine造成的背壓較低, 增壓效率/流量也很高, 高轉性能優越.


* 增壓控制和序列動作控制複雜.
* 管道複雜, 閥門機件多.
* 上述兩點造成成本高漲, 老化或故障時對引擎運作的順暢度影響很大, 維修也相對困難.

.....

基於這些 '缺點', 國外便有人推出 '去序列化' 改裝, 把原先 '順序動作' 的雙turbo改成恆時同時動作的單純化並聯雙turbo, 以求得較佳的可靠度和高轉性能 (少了一些閥門擋住氣流), 也讓增壓控制單純化, 比較容易自己惡搞.... 當然這就犧牲了原來低轉的扭力, lag也增加了. 參考這個 Supra的改裝....

killer

恩，有一期的汽车改装就是涡轮的讲解，如果没有那本杂志的看dino这个也可以了！