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.
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.
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!
一個特殊的4缸推動雙渦輪的9秒級Integra改裝直路加速賽車:
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, 可變噴嘴turbine, 這是一整圈可變角度的 ‘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. 當角度大時, 較大量的氣流被迫擠進turbine, 也就有較多的廢氣能量轉移到turbine上, 就像一顆小turbo, 較小的turbine housing把氣流有效的擠入turbine, 獲得很好的低流量加速度. 而翼的角度轉小時, 較多的氣流就順著turbine housing流出, 而只有較少的能量轉移到turbine上, 此時便能兼顧大流量的順暢, 減少背壓, 就像一顆大較大的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, 目前只用於某部分的中小排氣量柴油引擎, 造價也較為高昂, 所以還不普及.
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