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Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导


2020-06-09


文/Grand、Tree
图/顾宗涛、Grand

不知大家有没有发觉,最近刚发表的新车名单内,搭载涡轮引擎的车辆数似乎愈来愈多,连原本坚持自然进气路线的车厂,也开始投入涡轮引擎的怀抱,难道涡轮引擎有着令人无法抗拒的魅力?抑或是涡轮引擎才能符合现今环保法规的要求呢?这些问题我们将一一在内文中为大家说明。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导图为Volvo旗下涡轮引擎的透视图,可以清楚看到彩色的结构为涡轮增压系统,这颗引擎双增压系统,因此构造更为複杂,也因为如此才会使搭载涡轮引擎车款的售价较高。
正负压绝妙差异
涡轮增压技术探讨
相对于自然进气引擎,涡轮引擎总是能提供更强劲的性能输出,尤其在低速高扭力表现,更是令拥有过的人都上瘾,然而在过去涡轮引擎有着油耗过重的缺点,也因此很难与节能画上等号,不过这样的缺点在导入诸多引擎新科技后,早已改善许多,到底新旧涡轮引擎有何不同呢?看下去就知道。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导此图为涡轮系统的作用图,可以看出涡轮本体採用同轴双叶片的设计,一边为受排气推动的排气叶片,一边为负责吸气的进气叶片,透过涡轮系统的辅助,将可使燃烧室灌入更多空气,以发挥出超越排气量的动力表现。
主/被动进气方式
决定引擎输出效率
面对温室效应造成的全球气候变迁问题,身为碳排放量前几名的汽车工业,如何让引擎更省油,排碳量更低已成为众多车厂努力的方向,因此才会陆续见到电动车、油电混合车、氢气车与高压共轨柴油车的出现,至于数量众多的汽油车,则逐步朝向小排气量与涡轮化的方向发展。其实早在这波涡轮引擎化的潮流之前,汽车产业就曾大幅使用涡轮增压技术,但是由于油耗、散热与涡轮迟滞现象等因素限制下,因此过去除了少数高性能车款外,绝大多数市售车并未搭载增压引擎,而是沿用自然进气引擎,然而在近年来随着引擎科技不断创新下,已逐步改善上述提到的涡轮引擎缺点,使得过去的吃油怪兽,反而成为兼具动力与节能效率的最佳选择,不过在真正介绍新式涡轮引擎科技前,笔者打算先让大家认识何谓涡轮增压技术。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导不像过去以强度较佳的铸铁材质为主,现在的涡轮引擎在金属製程技术进步与追求轻量化需求下,本体多数皆採用铝合金材质,不过也影响后续改装的幅度。

在增压引擎大量应用前,排气量的大小基本上决定了一具引擎的动力输出,排气量愈大的引擎,理论上应该能输出较大的马力,反之亦然,然而小排气量的引擎是否因此受限于先天条件,而无法有大功率的表现呢?答案是否定的,因为后来有了涡轮增压系统的发明,该系统是将引擎燃烧后的废气热能再回收,利用这些废气来推动涡轮增压器,强制鼓送新鲜空气注入引擎燃烧室内,使小排气量引擎接受超过其原本能吸入的进气量,加上正确的供油比例设定,就能发挥出等同于大排气量引擎的马力及扭力。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导目前许多原本坚持自然进气引擎的车厂,旗下性能车纷纷改搭载涡轮增压引擎,除了获得节能效果,也有助于后续改装潜力的发挥。
涡轮增压系统
回收废气再利用

Turbo引擎相较于自然进气引擎,其硬体方面必备多出以下的零件:排气头段、涡轮本体、排气前段、进气冷却器、进气管路、进气洩压阀、与排气洩压阀等,涡轮增压引擎作动的顺序,首先是由废气流入排气侧内,然后一边推动排气叶片、一边自中央出口排出,流向Front Pipe到中尾段排气管,然后高热的废气便会排向大气中。而在「排气驱动轮」开始动作的同时,位于相反侧的「进气压缩轮」也会跟着转动,将新鲜空气从中间的进气口吸至压缩室中,然后从侧边的出气口中将空气开始往引擎输送,不过新鲜的压缩空气在进入引擎内前,会先通过中冷器降低空气温度后,才会被压送至汽缸内爆发。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导 

由于进入到汽缸内的空气量,是以压缩方式主动进入、而非引擎被动吸入,因此质量会多出自然进气引擎许多,并超过一个大气压力,使得进气压力从原本的真空负压,转为压缩正压,在空气量变多的情况下,只要补足适量的燃油,引擎爆炸力量自然会多出许多,这也是增压引擎之所以出力会比自然进气引擎多出很多的原因。既然涡轮引擎有如此大的效用,但由于涡轮引擎多出许多昂贵零件,使车价偏高,非一般大众所能接受,因此并非多数车辆都会朝向涡轮引擎来发展。当然高油耗也是涡轮车无法普及的缘故,在过去涡轮引擎通常只着重于性能马力的输出,油耗数据的控制并非重点,因此车厂少针对油耗问题进行改善,直到近十年因为温室效应与燃油价格节节攀升的缘故,使得众多车厂不得不开始面对降低油耗的问题,也因此促使出「缸内直喷」系统与「可变容积涡轮」的发明,让涡轮引擎不再是吃油怪物。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导更複杂的管路是涡轮引擎难以避免的设计,加上工作温度高,因此后续保养观念与良好驾驶习惯的养成,是延长使用寿命的必学课程。
缸内直喷燃油系统
完全燃烧每滴汽油

为何涡轮增压系统配合缸内直喷引擎后,能大幅改善燃油消耗过多的问题呢?这点就需求这套系统的特性来说起。在构造上,传统多点喷射系统的喷油嘴是位于进气歧管上,汽油的注入需经过进气歧管、进气道与进汽门后,才会进入燃烧室内,进行压缩、爆炸等动作,而与空气的混合也在此阶段中就可完成,因为路径长所以相对油气混合的时间也较充足。至于缸内直喷系统,则是将喷油嘴置于汽缸顶部,其特色在于引擎燃油的取得不需要经过气门的开启,而能够藉由电脑主动控制喷油时间、压力与喷射量,汽油是直接喷入汽缸内,所以才叫缸内直喷,事实上该系统很早就以应用于柴油引擎上,汽油引擎是近几年才开始大放异彩。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导在过去涡轮引擎往往与油耗画上等号,不过现今在诸多引擎新科技的导入下,涡轮引擎不再是吃油怪兽,而是能兼顾动力与节能的利器。

缸内直喷技术应用在汽油引擎上有何优点呢?首先,直接将燃油喷射到引擎室的方式,可减少燃油的损失。传统的燃油喷射位置在进气歧管上,这种做法会让燃油附着在燃烧室前的进气歧管壁上,无法完全燃烧,造成燃油浪费。且燃烧不完全也容易产生积碳,造成引擎出力受到影响。而缸内直喷技术是直接将燃油注入燃烧室内,不仅不会造成燃油浪费,且燃油汽化过程中,还会大量吸收燃烧室内的热能,直接为燃烧室带来「冷却效果」,减少爆震产生的机会,如此一来,引擎的压缩比将能进一步提高,打破过去涡轮引擎只能使用低压缩比的规定,许多原厂涡轮引擎的压缩比已达9.5以上,能获得极佳的低转速油耗经济性,并减少涡轮迟滞发生的机会,这样特色下油耗自然节省许多。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导由于缸内直喷系统的喷油嘴是直接朝向高压环境的燃烧室注入燃油,因此喷油压力需高达180~200bar,才能在极短时间内完成喷油动作,因此油轨结构显得複杂许多,包含有高压泵浦、燃油压力感知器与自动洩压阀门等。
灵活的喷油时机
多次喷射为主流

且在燃油系统构造改变后,供油动作已可完全独立于进门与活塞系统之外,中央电脑也因而拥有更多的主导权,于是乎超越传统喷射理论的稀薄燃烧与更多元的混合比便得以发生。在稳定行进或低负载状态下,採用缸内直喷设计的引擎得以进入Ultra lean(精实)模式。在此设定下,喷油嘴会在活塞进入压缩行程时先进行预喷,获得更高的油气混合与压缩效果后,待活塞即将抵达上死点时才进行大量主喷,如此不仅能加快燃烧速度,爆炸后的力道也提昇许多,并达成节能效果,根据实际测试,其最高能达到1:65的油、气比例,除了节能表现相当惊人,整体动力曲线也能够维持在相当高的平顺程度。然而本模式由于会产生相当大量的NOx(硫化物)与高温,所幸在近期由于技术与材料科学的突破,故也已得到相当程度的解决。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导这是VAG旗下2.5 TFSI引擎的燃烧室透视图,该厂的喷油嘴採用斜放配置,与其他车厂常见的上置方式不同,用意在结合独家的「分层进气」系统,让燃油与空气能混合的更加完整。

当引擎需要较大动力时,行车电脑则会选择进入低污(Stoichiometric combustion)模式,此时的喷油动作虽然在传统的进气步骤进行,不过电脑仍会依照排气管感知器传回的空燃比资讯,随时进行油量微调,并缜密计算排放物与触媒间的互动关係,以将污染降到最低。至于全负载系统,则称为Full power mode,在此战斗状态下,喷油系统通常将会与点火、进气系统紧密合作,并以释放出最强的动力为目标。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导多数缸内直喷系统引擎的活塞顶部,通常都採用凹顶设计,目的在使空气进入燃烧室后可呈现旋涡状态,有利于燃油与空气的混合,毕竟直接朝燃烧室注入燃油,油气混合时间相较于传动方式可是缩短许多,也没有额外的气流带动。

换言之,在燃油供应时机不受进气门开启时间限制,而能完全独立运作下,只要喷油时间控制得宜,缸内直喷引擎即使不透过涡轮增压系统,也能发挥出超越以往传统引擎的性能表现,这点从Ferrari 458搭载的4.5L V8引擎,每公升排气量能输出126.6hp的马力,或新款Focus 2.0L汽油引擎的170hp马力来看,就可知道缸内直喷系统对性能与节能的双重效果有多明显,更不用说在涡轮增压系统辅助下,能获得更佳引擎效能表现。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导搭载缸内直喷系统的引擎,供油系统的结构往往相当複杂,因此也成为判断有无搭载的依据。

不过要拥有缸内直喷系统的代价也不低,就如同上述所说,由于燃油、空气混合的空间、时间都相当短暂,故缸内直喷系统的喷油嘴必须辅以高压系统,来大幅提高燃油的喷射效率,并缩短喷射时间,达到高度雾化的效果,期有更佳的混合表现,因此需使用专用的高压燃油泵浦与喷油嘴。此外,缸内直喷系统的燃烧室、活塞也大多具有特殊的导流槽,以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流,藉以提高混合油气的雾化效果与燃烧效率,这些零件的价格都不低,也造就搭载这类引擎的车辆价格往往居高不下。

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新世代Turbo Power 涡轮引擎不迟滞
可变容积涡轮系统
减少涡轮迟滞发生

除了缸内直喷系统能提高燃油经济性外,还有另外一项涡轮科技能提高涡轮出力反应,让引擎在低转速状态就能发挥极高的扭力输出,为省油效率带来进一步的提昇,这套系统就是「可变容积涡轮」。所谓的可变容积涡轮,其全名为Variable Geometry Turbocharger,简称VGT涡轮。涡轮增压器(Turbine)的运转必须仰赖引擎排气的气体填充来驱使涡轮叶片转动,不过在这样的运转前提下,排气量较小的引擎就会在低转速时发生填充效应不良、涡轮提速缓慢的情况,也就是大家熟知的Turbo Lag(涡轮迟滞)现象。过去因为如此,使得Tuner在为引擎选择涡轮增压器时,都必须在动力输出与增压反应之间做平衡的选择,要反应好就不能选大涡轮,要马力强就只能牺牲低速反应,不过在VGT涡轮出现后,这样的问题便获得解决之道。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导可变容积涡轮与一般传统涡轮最大的差异,在于排气叶片周围额外设有一圈角度可变化的翼片,驱动方式则有马达与Actuator两种,以后者较为常见,但前者的作动角度可做微调变化,是高价车款才有的装置

VGT可变容积涡轮增压科技是透过「双截式」涡轮排气扇叶设计,外圈叶片透过角度的调整,控制气流冲击排气叶片的速度,在低转速废气量不足时,缩小废气通过的间隙,加速撞击排气叶片的气流速度,进而提昇涡轮转速,让引擎在低转速时,就能拥有极佳的反应;而在高速时则让叶片张开,让废气有更多的空间可通过,减少排气头段内的排气压力,并维持涡轮叶片的最高转速,如此最高增压值便可持续不坠,且排温也不会因排压增加而提高,目前VGT涡轮以广泛运用在许多高性能涡轮引擎上,成为节能的好帮手。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导在低转速废气量较少时,翼片间的空隙会调整到较小的角度,如此有助于加速气流撞击排气叶片的速度,让排气叶片能在低转速时就拥有不错的转速,减轻涡轮迟滞现象。

除了上述两套系统能帮助新世代涡轮增压引擎拥有更佳的燃油效率外,许多车厂独自开发的可变汽门系统,对于节能效果也有着极佳的帮助,其中最常见的莫过于可变汽门正时装置,这套系统的作用在于控制进排气门开启时机,进而调整进排气门重叠时间长短,较短的气门重叠时间可维持燃烧室内的气密性,让低转速时的扭力得以全数发挥,反之较长时间的气门重叠则能让提昇高转速时的换气效率,让高转速时的马力延续性更佳,结果就是能获得节能、省油的优点。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导等到废气量大增的高转速时,则翼片间隙大开,让废气尽快通过涡轮,以降低排气头段内的压力,同时维持排气叶片的转速,让引擎马力的延续性更佳,这就是可变容积涡轮的特点。
在环保与节能需求不断提高下,车厂往往须开发出许多新式引擎科技来应对,在还没取得成熟的替代驱动引擎的情况下,小排气量缸内直喷引擎+涡轮增压系统,将会是未来十年内汽油引擎的环保救赎,虽然油电混合动力系统有着更佳的节能效果,但长途行驶时无法发挥的节能效果、潜力不足的改装乐趣,与更昂贵的保修费用,相信难以受到改装车迷的青睐,未来性能车款将是涡轮引擎的天下,这点应该是可以预期的景象。

Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导由于缸内直喷涡轮引擎的经常处于稀薄燃烧的状态,容易产生许多有害物质,且对空燃比的掌握需相当确实,才能有效调整喷油量,让汽油不会浪费,因此排气管上往往看得见两颗以上触媒与回馈燃烧状况的含氧感知器。
Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导除了缸内直喷系统与可变容积涡轮的出现外,还有愈来愈多节能科技也陆续应用在新世代的涡轮引擎上,例如像过去常见的可变汽门正时系统,就是最好的例子。
Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导另外,VAG集团旗下有些专注于节能表现的引擎,还会搭载最新研发的ACT(Active Cylinder Management)汽缸暂停运转机能,可在高速巡航时,将引擎半数气缸上的进排汽门,透过凸轮轴上的机构变化而停止运作,让油耗数据更为亮眼。
Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导 
Turbo Power 最新涡轮引擎技术完整报导除了上述提到的引擎节能科技外,VAG目前也正积极研发电动涡轮的技术,透过该系统的帮助,能让涡轮引擎于低转速时也能拥有极佳的性能表现,并于高转速时关闭电动涡轮的管路与运作,减少不必要的吸气阻碍。



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