汽車檢修實務報告柴油渦輪增壓的演化

汽車檢修實務報告柴油渦輪增壓的演化 指導老師：吳宗霖班級：車輛三乙學號： 49615047 姓名：陳煜翔

前言 　柴油引擎因為運轉特性更需要渦輪，所以來探討柴油渦輪增壓的演化。基本上渦輪用在內燃機，不論是柴油跟汽油都能大幅提升效率，柴油引擎在中低轉速域時, 扭力很大但無法拉高轉速，可是柴油渦輪可以大幅改善柴油引擎高轉無力的現象，所以才要外加渦輪來增加低轉速時的馬力這也是為什麼近幾年同樣排氣量的柴油渦輪引擎馬力都跟汽油差不多的原因。

目錄 • 機械增壓 • 傳統渦輪增壓器《Turbo》 • 可變葉片式渦輪增壓

機械增壓 • 增壓器是以不增加引擎排氣量為前提，而使動力輪輸出提升的方法，最早的增壓器全部都是機械增壓，在剛發明時被稱超級增壓器，後來渦輪增壓發明之後為了區隔兩者,起初渦輪增壓器被稱為Turbo Supercharger，機械增壓則被稱為Mechanical Supercharger，久而久之兩者就分別被簡化為Turbocharger與Supercharger了！渦輪增壓器是利用引擎的廢氣排放來驅動壓縮機;至於機械增壓器則是直接利用引擎出力來驅動增壓器，再將高密度空氣送入汽缸內以提高引擎的輸出功率。

機械增壓器壓縮機的驅動力來自引擎曲軸，一般都是利用皮帶連接曲軸皮帶輪，間接將曲軸運轉的扭力帶動增壓器，達到增壓目的。依構造不同機械增壓會經出現過許多種類,包括葉片式(Vane)、魯氏(Roots)、溫克爾(Wankle)等型式，而活塞運動最早也被認為是一種機械增壓;時至今日則以魯氏增壓器最被廣泛使用，魯氏增壓器有雙葉與三葉轉子兩種型式，目前以雙葉轉子較普遍，其構造是在橢圓形的殼體中裝兩個繭形的轉子，轉子之間保有極小的間隙而不直接相連，藉由螺旋齒輪連動，其中一個轉子的轉軸與驅動的皮帶輪連結轉子轉軸的皮帶輪上裝有電磁離合器，在不需要增壓時即放開離合器以停止增壓,離合器則由電腦控制以達到省油的目的。機械增壓器壓縮機的驅動力來自引擎曲軸，一般都是利用皮帶連接曲軸皮帶輪，間接將曲軸運轉的扭力帶動增壓器，達到增壓目的。依構造不同機械增壓會經出現過許多種類,包括葉片式(Vane)、魯氏(Roots)、溫克爾(Wankle)等型式，而活塞運動最早也被認為是一種機械增壓;時至今日則以魯氏增壓器最被廣泛使用，魯氏增壓器有雙葉與三葉轉子兩種型式，目前以雙葉轉子較普遍，其構造是在橢圓形的殼體中裝兩個繭形的轉子，轉子之間保有極小的間隙而不直接相連，藉由螺旋齒輪連動，其中一個轉子的轉軸與驅動的皮帶輪連結轉子轉軸的皮帶輪上裝有電磁離合器，在不需要增壓時即放開離合器以停止增壓,離合器則由電腦控制以達到省油的目的。

機械增壓的特徵除了在低轉速便可獲得增壓外，增壓的動力輸出也與曲軸轉速成一定的比例,即機械增壓引擎的油門反應隨著轉速的提高動 力輸出隨之增強，因此機械增壓引擎的操作感覺與自然氣極為相似卻能擁有較大的馬力與扭力。機械增壓優點為體積小不需修改引擎本體、安裝容易且由皮帶驅動,動力並不會有遲滯現象。比較講究的渦輪增壓器會設置洩壓閥以釋放過多的壓力，其作用在於平衡進氣壓力，防止壓力過大，對節氣門構成不良影響。

傳統渦輪增壓器《Turbo》 • 渦輪增壓器是由渦輪室和增壓器組成的機器，渦輪室進氣口與排氣歧管相連，排氣口接在排氣管上；增壓器進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進氣歧管上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內，二者同軸剛性聯接。

原理 • 渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪(位於排氣道內)，渦輪又帶動同軸的葉輪(位於進氣道內)，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當引擎轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調整一下發動機的轉速，就可以增加發動機的輸出功率了。

優點 • 渦輪增壓的最大優點是它可在不增加發動機排氣量的基礎上，大幅度提高發動機的功率。一台引擎裝上渦輪增壓器後，其輸出的最大功率與未裝增壓器的相比，可增加大約40%甚至更多。這意味著一台小排氣量的發動機經增壓後，可以產生同較大排量引擎相同的功率。

缺點 • 另外渦輪增壓器雖然有協助發動機增力的作用，但也有它的缺點，其中最明顯的是“渦輪遲滯”，即由於葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩，即使經過改良後的反應時間也要1.7秒，使發動機延遲增加或減少輸出功率。這對於要突然加速或超車的汽車而言，瞬間會有點提不上勁的感覺。 • 排氣渦輪增壓技術後，工作中產生的最高爆發壓力和平均溫度將大幅度提高，從而使發動機的機械性能、潤滑性能都會受到影響，而且還會提高進氣溫度。

改進 • 但是渦輪增壓器畢竟是無本生利的事情，它是利用引擎的廢氣帶動的，這些廢氣的能量如果不加以利用也會白白地浪費掉。因此，渦輪增壓器面世以來，人們就經常對它進行技術改造，例如：提高加工精度，盡量減少渦輪與渦輪室內壁的間隙，以便提高廢氣能量利用率；採用新型材料陶瓷，利用陶瓷的耐熱高，剛度強，重量輕的優點，可以將渦輪增壓器做得更加緊湊，體積更小，而且能減少渦輪的“渦輪遲滯”時間。 • 在最近30年時間裏，渦輪增壓器已經普及到許多類型的汽車上，它彌補了一些自然進氣式發動機的先天不足，使發動機在不改變氣缸工作容積的情況下可以提高輸出功率10%以上，因此許多汽車製造公司都採用這種增壓技術來改進發動機的輸出功率，藉以實現轎車的高性能化。

《渦輪增壓器循環》 《傳統渦輪增壓器與機械渦輪蒸壓器之構造》

可變葉片式渦輪增壓 • 渦輪增壓器的運轉必須依賴引擎排氣量的氣體來填充使渦輪葉片進而轉動，來帶動另一端的同軸增壓葉片，將經過壓縮的空氣強制送入汽缸內部。當引擎轉速越高時，渦輪增壓的壓力也會越大，引擎的效率與輸出力也會相對提高。但在這樣的運轉前提下，排氣量較小的引擎就會在低轉速時發生填充效應不良、渦輪提速緩慢的情況發生，這樣的情況下會造成車輛忽然需要加速時、動力輸出出現渦輪遲滯。過去因為這樣的考量，使得車廠在為引擎搭配渦輪增壓器時，都必須在動力輸出與渦輪遲滯的增壓反應之間做平衡的抉擇，所以也相對減少了不少渦輪引擎應該要有的效率。

但近年來由於科技研究開發的成果可變渦輪增壓器的誕生，使得渦輪增壓引擎的觀念大幅轉變。可變渦輪的概念就是利用改變渦輪葉片的幾何角度，即使在低轉速填充效應較低時，也能夠以改變葉片角度的方式使渦輪能夠輕易提高轉速，在引擎高轉速時同樣也以改片角度的方式來維持渦輪的轉速，使渦輪增壓器能夠維持在一定的運轉速度，所以更能進一步提高引擎的燃燒效率，使廢氣排放率降低。但近年來由於科技研究開發的成果可變渦輪增壓器的誕生，使得渦輪增壓引擎的觀念大幅轉變。可變渦輪的概念就是利用改變渦輪葉片的幾何角度，即使在低轉速填充效應較低時，也能夠以改變葉片角度的方式使渦輪能夠輕易提高轉速，在引擎高轉速時同樣也以改片角度的方式來維持渦輪的轉速，使渦輪增壓器能夠維持在一定的運轉速度，所以更能進一步提高引擎的燃燒效率，使廢氣排放率降低。

電子可變葉片渦輪增壓器，除了利用引擎所排放之廢氣來推動渦輪葉片，讓渦輪另一端的空氣壓縮器將進入引擎的新鮮空氣壓縮，增加空氣進入燃燒室中，同時還可依據引擎轉速之不同，自動調整渦輪葉片的轉動速度，更有效提高引擎效能因應柴油引擎本體重量導致轉速不足的限制，可變渦輪葉片提供更有力的引擎轉速，使得低轉速大扭力的特性以及高轉速與汽油引擎並駕齊驅的馬力兼具。因為傳統的渦輪渦輪葉片角度是固定的，油門踩下之後因為引擎剛開始運作的排氣量較少會造成渦輪遲滯。電子可變葉片式渦輪增壓就是目前推出的新式可變渦輪增壓器。理論就是在渦輪的內部葉片裝上推動馬達，當渦輪初期運轉時電腦會自動將渦輪葉片的角度縮小隨著引擎轉速的提高，渦輪葉片的角度也會慢慢的越來越開。

傳統渦輪增壓器採用固定角度的渦輪葉片，改裝成可調整角度的可變葉片，透過伺服馬達推動連桿，並控制葉片角度以改變廢氣的流速。在實際的運作原理上，藉由高速時讓葉片張開，降低廢氣流速，以減少渦輪轉速；低速時則縮小葉片角度，增加廢氣的流速，以增加渦輪轉速，讓渦輪引擎在各種轉速區域下，維持穩定的增壓值，以提升引擎運轉的順暢性。傳統渦輪增壓器採用固定角度的渦輪葉片，改裝成可調整角度的可變葉片，透過伺服馬達推動連桿，並控制葉片角度以改變廢氣的流速。在實際的運作原理上，藉由高速時讓葉片張開，降低廢氣流速，以減少渦輪轉速；低速時則縮小葉片角度，增加廢氣的流速，以增加渦輪轉速，讓渦輪引擎在各種轉速區域下，維持穩定的增壓值，以提升引擎運轉的順暢性。 • 引擎動力輸出的特性相當程度決定於增壓器的尺寸大小；就是小增壓器雖然能夠提供在引擎低轉速時提供良好的反應，卻會在引擎邁入高轉速時限制引擎輸出功率；大增壓器雖然可以幫助引擎輸出較大的功率，但引擎在低轉速卻達不到需要的動力輸出(增壓遲滯現象)。

可變葉片可以改變這部分缺點；它的作動原理如上圖所示，引擎轉速低時(如圖所示)，可變葉片改變角度使通道便窄，讓廢氣速度變快，渦輪速度一高增壓壓力也可以提昇，所以引擎在低轉速也可以擁有完好的動力輸出；引擎轉速提高時，可變葉片也會逐漸改變角度，讓通道變寬緩慢廢氣速度，和緩增壓壓力。所以可調式增壓器不需要旁通閥，可調葉片能配合引擎轉速提供最佳的增壓壓力。可變葉片可以改變這部分缺點；它的作動原理如上圖所示，引擎轉速低時(如圖所示)，可變葉片改變角度使通道便窄，讓廢氣速度變快，渦輪速度一高增壓壓力也可以提昇，所以引擎在低轉速也可以擁有完好的動力輸出；引擎轉速提高時，可變葉片也會逐漸改變角度，讓通道變寬緩慢廢氣速度，和緩增壓壓力。所以可調式增壓器不需要旁通閥，可調葉片能配合引擎轉速提供最佳的增壓壓力。

結語與心得 • 經過這次的報告有機會來瞭解與探討柴油渦輪增壓的演化，知道渦輪對柴油引擎有很多的優點，所以幾乎現在的柴油車子都有裝渦輪。不過引擎動力隨著增加，相對的引擎機件負荷就會變大，所以如果是加裝渦輪的車子，許多機件必須要換上加強過的組件來補強強化。

參考網站 • http://tw.autos.yahoo.com/auto_information_article2/url/d/a/060313/5/q5j.html • http://www.carnews.com/ • http://tw.knowledge.yahoo.com/ • http://www.ntsec.gov.tw/formosun/03start.htm

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