渦輪增壓工作原理

 

作者:蔡依橙

日期:2013 年 6 月 30 日

 

 

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2013 年修訂序

 

這是 2004 年,我玩改車的時候,在 TAPC: Tierra and Protégé Club 所發表的文章。十年後,回頭看,其實我的整理功力不輸 First Choice 的曾健華大師啊!後來,離開改車界,這些寫作的能量,就轉移到醫學研究寫作上,又是另一系列有趣的故事

 

看到自己的年輕熱情,很感動,於是順手改了一下,重貼到部落格來。

 

向年輕的自己,致敬。

 

 

序論

 

大家都知道渦輪代表的就是猛爆的動力長進,在改裝的流派中,算是最經濟實惠且效果卓著的改法。那麼到底渦輪是怎麼工作的呢?知道渦輪做動的原理,才能去仔細推敲一個渦輪外掛系統的好壞、店家施工手路之細膩程度,也更能掌握自己花下去的每一分錢是不是真的變成了馬力跟扭力。

 

本文的圖片跟觀念為綜合以下三個來源,圖片版權皆屬於原網站與書籍所有。

 

How stuff works (http://auto.howstuffworks.com/turbo.htm)

 

這個網站很有意思,不只有汽車相關知識的介紹,連電腦、科學、電子、家庭、健康等等的知識都有,稍懂英文的人會發現這邊的圖跟說明非常容易理解。在車子的部分,輸入 turbo 做搜尋,就可以看到對 turbo 的介紹,另外,您也可以輸入離合器 (clutch)、自排 (automatic transmission) 等,查詢您想要懂的部分。

 

 

01maxboost

Maximum Boost: Designing, Testing, and Installing Turbocharger Systems. by Corky Bell

 

 

飲水思源頭,吃果子拜樹頭,這本書是我對渦輪系統啟蒙最重要的一本書,在 Amazon 上的評價也是高到不行,若是想走機械增壓路線,作者也有另一本在講解 Supercharger system 的。

 

 

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Forced Induction Performance Tuning A Practical Guide to Supercharging and Turbocharging. by A. Graham Bell

 

 

這本比較進階,文字上也比較難,理論講的更深,且有歷史沿革的介紹。

 

 

渦輪本體的作動原理

 

 

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渦輪會被叫做蝸牛是有他的道理的,外型上,就像是兩隻蝸牛連在一起,一隻蝸牛叫做進氣側 (compressor section),在我那張 IHI RHF5 VF38 的照片中,是比較新比較亮的那邊,因為一般這邊不會直接承受高溫,外型上比較漂亮。另一隻蝸牛是排氣側 (turbine section),也就是看起來好像是生鏽的那邊(他只是看來醜了點,實際上好用的很)。

 

回頭看一下卡通圖,紅色表示熱氣,一般約 400-1000 度,從排氣側的廢氣入口 (exhaust gas inlet) 進去後,經過蝸牛殼 (housing) 旋轉,被集中推動葉片後,往出口 (exhaust gas outlet) 出去,接到以後會討論的 front pipe(中文有人叫風派)。而被推動的葉片會把能量利用兩個蝸牛間共同的一根細細的棍子傳到排氣側去,推動進氣側的葉片(compressor wheel),這個進氣側的葉片就負責將外界的空氣做壓縮,送進進氣管路中。這邊的空氣是藍色的,一般都在 100 度以內。

 

至於為什麼這樣設計呢?這要從內燃機的效率說起了。每一滴油經過爆炸都會產生能量,但這個能量不是只會去推動活塞,讓我們開車覺得 happy,其實大多數都轉化成其他沒辦法用的能量,如引擎的高溫熱能、廢氣的動能與熱能等。廢氣的部分在 NA 車上就是直接進到排氣管、觸媒段,放到空氣中去,非常可惜,於是有人想到,何不利用這些廢氣殘存的能量,來更進一步的壓榨引擎呢?

 

要怎麼去逼出引擎的極限?我們都知道,理論空燃比值是 14.7,這是大自然的鐵律不會變的,一份油,14.7 份空氣,就是剛剛好。所以我們要產生更多更大的能量,就必須同時增加空氣跟油。汽油的增加比較簡單,噴油嘴加大、PUMP 加大就足以對應,但空氣就麻煩了。利用 PV=nRT,當我需要更多的空氣(n),勢必要不增加體積(V),要不增加壓力(P)。第一個方法是加大燃燒室,擴缸或是直接買大排氣量的車都可以,在台灣,cc 數越大稅金越多,而擴缸因精準度的關係,都是貴死人的進口套件。那麼就只好增加壓力(P)囉。

 

一般的 NA 車是負壓吸氣,利用燃燒室的相對真空、開啟節氣門,吸進空氣,所以叫做 Naturally aspirated。而渦輪或機械增壓叫做 Forced induction,強制進氣,利用一些方法硬是把空氣塞進燃燒室中。而我們今天要討論的渦輪就是利用排放的廢氣推動排氣側葉片,將能量傳到進氣側,做壓縮空氣的動作。配合上適當的供油,就可以得到倍增的性能。

 

理論上,NA 車的吸氣極限壓力是 0 bar (跟大氣壓的差異值,所謂的增壓值),也就是實際上一大氣壓,當今天用渦輪打增壓 1.0 bar,實際壓力為 2.0 bar,增加一倍的壓力,塞進一倍的空氣,若給予一倍的供油量,馬力會暴增到一倍。但實際上不會這麼剛好。一方面能量的轉換過程中會浪費在摩擦力跟廢熱上。但另一方面,有裝真空表的車友就知道,其實 NA 一般吸氣都不是 0 bar 吸氣,一般大多在 -200 mmHg 到 -500mm Hg 間,怠速 -500mm Hg 左右,一加油到 -200mm Hg,但一下子又會掉回 -400 mmHg。所以實際上以 Tierra 2.0 RS 輪上約 130 HP 來說,打 1.0 bar 超過 260 HP 是輕鬆愉快的事情。

 

至於渦輪上還有一個黃黃的小東西,那個叫做 Actuator,中文不知道怎麼翻譯,可能叫做排氣洩壓控制器或是一體式排氣洩壓閥,日文跟台語叫做「歐哭電」。這個也是很有趣的東西,我們等到講增壓控制時,再來研究討論。

 

 

渦輪系統的配置

 

 

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一個外掛的渦輪系統之所以不好懂,是因為要遷就原廠的引擎室配置,管路閃來閃去,弄得不容易看到整個全貌。我們拿網站上的卡通圖作解釋。

 

從最左邊開始,燃燒室出來的廢氣(紅色管,這個部分其實是所謂的芭蕉),被送到渦輪排氣側(右邊),推動渦輪機後,能量轉到進氣側 (compressor wheel),將大氣壓縮,送到中冷器 (charge air cooler) 降低溫度,再送進燃燒室。瞧,就這麼簡單!所以 LRC 說:「不上電腦、不上中冷器、不追加噴油的低增壓渦輪,充其量不過就是渦輪本體跟一堆鐵管。」真是再白話不過了。

 

 

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看完了卡通圖後,讓我們看張比較實際的,這張是從 Volvo 的相關文件中取得的。應用上面的觀念,再把這個圖看懂,以後當渦輪車友掀開引擎蓋時,您大約就能看懂整個管路的原理了。

 

 

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這是我的引擎室。半完工時的模樣。

 

 

那麼,如果真這麼簡單,為什麼還是有些店家裝出實在是慘不忍睹的渦輪系統?為什麼改裝渦輪的領域還是不能像加裝尾翼那麼簡單?這就是深度的重要了。

 

裝出一個能上路的渦輪系統不難,但要調教的好能跑出漂亮成績,或是要耐用 10 年,都必須要做很好的整體搭配跟手路。諸如噴油嘴的選擇、供油點火、進氣溫度的控制、芭蕉的設計、渦輪本體的選擇、引擎本體的強化、管路的燒製,都會影響到耐用度跟性能表現。沒有人是十全十美的,能把握十之八九大概就可以稱做改裝超達人了,但看改裝雜誌上一些改裝渦輪車的引擎室照片,說實在話,有些連十之三四都做不好,亂七八糟的管路、沒用心燒的芭蕉、奇怪的渦輪選擇……。改裝雜誌的編輯也不願意得罪任何可能的廣告商,只好照店家說的就寫上去了,反正店家有錢賺、有人刊廣告、雜誌年年賣,倒楣的則是讀者燒掉辛苦賺來的錢,店家跟雜誌都無傷,果真雙贏。

 

至於怎麼去看怎麼去分呢?因為台灣改渦輪已經算是法律邊緣了,只比換引擎合法一點,所以沒有渦輪改裝工會、沒有渦輪的學術研討會,加上願意靜下心來動手算或是研讀原理的店家甚少,我們這些消費大眾只能自己教育自己,人必自重而後人重之。若您改渦輪前連原廠調壓閥的壓力、原廠噴油嘴的大小都知道,自己做好渦輪計畫書,在到處詢問的過程中,被呼嚨的機會就少了,反倒有些沒什麼信心的改裝店家主動會跟您說他們對 Tierra 真的不瞭解。若是我詢問的過程,一副外行人的模樣,只會問打多少 bar、多少錢?遇到像 TAPC 諸多良心商家倒還好,萬一遇到黑店,了錢花時間以外可能車子都內傷了,真是不值得。

 

 

結論

 

擁有一台手排渦輪車一直是我的夢想,玩 GT3 時看到儀表板上的增壓值,不自覺的就愛上了這種猛爆的動力改裝。學習的過程中,一開始對渦輪的配置與原理是第一個瓶頸,希望這份整理後的中文文件能協助同樣想瞭解渦輪的車友。

 

在台灣,做保養,店家都會告訴你保養工資多少、機油多少、機油芯多少、總共多少。但很少店家改渦輪會跟你說中冷器多少、渦輪本體多少、管路燒製多少。一來這是確保店家獲利的方法,因為台灣對工資跟智慧財產說真的不太重視,當店家材料列出來是 8 萬,要收工資 3 萬,大多車友都會覺得很不爽。但若是把工資打散到材料錢去,又會有些車友到汽車百貨買東買西後(e-manage、中冷器、洩壓閥等)拿去給店家改。店家為求生存,只好如此。

 

但不知道自己將會改什麼,就一句「低增壓 14 萬、高增壓 30 萬(假設,非實際)」,要把車留兩個禮拜說真的要很大的勇氣。所以最終的解決辦法就是自己要弄懂、把想做的列出來、跟店家溝通,請他估個價,在互動的過程中,也更能瞭解店家實不實在?實力如何?

 

說來也怕大家笑,我在改裝渦輪前也接觸了很多很多的渦輪店家,說的出來的我不是打電話去過就是親自去過,最後看到中區兩台系出同門的渦輪車,就決定在某店家做改裝。即使如此,在送車過去前我也一直在進修,最後做了一份我自己的渦輪計畫書,印出來請老闆看。在溝通中,店家跟我都成長了,最明顯的例子,一個是噴油系統一個是水冷卻系統,以後講到這兩個部分再跟大家分享了。

 

 

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