GE台北車庫今天要來分享渦輪增壓與機械增壓和自然進氣介紹與比較
近幾年無論新車或改裝車界漸漸進入增壓時代,現行許多車款原廠就是配製增壓機構以提升引擎效率
但絕大多數都是以渦輪增壓為主,而機械增壓無論是原廠車或改裝套件相對來說都較少出現
不過大家不要認為機械增壓一定比渦輪要來得差,只要改裝得宜,機械增壓無論完整度或效能都不會輸給渦輪哦！
大家都知道,車輛若想大幅增加動力輸出,加裝增壓裝置是最快最簡單的方式
但是通常大家第一個想到的絕對會是渦輪增壓,機械增壓反而是大家較為陌生的改裝方式,不過很多人不知道早在19世紀初
戴姆勒汽車的創始人Gottleib Daimler就首度在汽車上安裝魯式機械增壓器來提升引擎性能
而渦輪增壓汽油車款則是在1962年代才首度由GM推出,可見機械增壓的發展歷史比起渦輪增壓還要早起步。
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最早的機械增壓器是在1860年代由Philander和Francis Roots發明,也就是俗稱的「魯式」機械增壓器
不過當時主要的用途是將大量空氣送入礦坑中來幫助通風,直到1900年代才開始運用在汽車內燃機上
而運用在發動機上的渦輪增壓概念最早出現在1905年,是由Sulzer公司的工程師Alfred J Buchi所提出並申請專利
不過早期的渦輪增壓技術是運用在船舶與飛機的發動機上,一直到1970年代才出現在汽車引擎方面。
無論是機械增壓或渦輪增壓都擁有同樣的目的,那就是將大量的空氣「擠」入引擎汽缸內
來達到相同排氣量自然進氣引擎所無法達到的容積燃燒效率，雖然二者的目的都相同
但是所使用的原理卻大異其趣,渦輪增壓是利用引擎排出的廢氣來推動渦輪增壓器
而機械增壓則是利用引擎本身的輸出來帶動增壓器工作,二者對於動力提升的效果或是輸出的感受是完全不同的。
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在渦輪增壓部分,由於是使用引擎排出的廢氣來驅動加壓裝置,可說是廢物再利用的功能,對引擎原本的動力來說是沒有任何的損耗
不過因為引擎排出的廢氣帶有極高的溫度與壓力,這些溫度與壓力都會蓄積在渦輪與頭段中,對於渦輪本身來說就是相當大的考驗
更別說引擎室中的高熱會對其他周邊所產生的引響,必須對散熱裝置進行額外強化,此外,當引擎轉速較低時
所排出廢氣尚無法推動渦輪葉片讓進氣壓力達到正壓時,動力反而比起自然進氣的低轉速還弱,一旦轉速達到足以讓渦輪進行增壓的水準後
動力就會突如其來的湧現,這種被稱作渦輪遲滯(Turbo Lag)的狀態是使用渦輪增壓系統不可避免的現象。
至於機械增壓器方面,是利用引擎曲軸普利透過皮帶去驅動增壓器本體,再由增壓器將大量的空氣送入引擎之中,目的與渦輪增壓相同
但由於是使用引擎本身的動力去驅動增壓器,因此會耗損掉一部分原本的動力,這就像是開啟冷氣或大量用電時,壓縮機與發電機會耗損引擎的動力,讓人會覺得車子變得比較沒力一樣
此外,由於機械增壓器機械結構的問題,使得轉速與增壓效率極限沒有渦輪增壓器來得好,且運轉時的噪音較大,這些都是機械增壓器的缺點。
雖然機械增壓系統的缺點不少,但還是有許多渦輪增壓所沒有的優點所在,首先是在動力輸出反應方面,因為機械增壓器是由引擎動力所驅動
當引擎怠速運轉時就能將大量的空氣持續送入引擎中,並跟隨著轉速而提高增壓效能,因此不會出現像渦輪一樣的遲滯(Lag)現象
開起來動力輸出較為線性,且在一定的增壓範圍內也不需要洩壓閥的裝置；再者就是增壓器本體不會與引擎大量的接觸,更不像渦輪就直接安裝在排氣頭段上
因此不會產生大量的熱能,所以大部分增壓值不高的的機械增壓裝置是不需要額外的進氣冷卻系統(葉片式的機械增壓器除外，原因後面再述)，且排氣系統也不用大幅度的改造。
魯式機械增壓器：
魯式增壓器是最早發展的一種機械增壓系統,構造簡單來說為一繭型外殼與內部二支轉子所構成,二轉子間與外殼並未接觸
僅有極微小的空隙,作動時引擎動力透過皮帶來帶動二支轉子向外側方向旋轉,轉子就會將空氣從增壓器外殼上方的進氣孔帶到增壓器下方
然後再通過歧管進入汽缸內部,大家可以透過圖示來進一步了解魯式機械增壓器作動的方式。
魯式增壓器的轉子是一次次快速的將空氣壓入歧管內,而非連續不間斷的持續氣流,且增壓器本體與轉子體積龐大
若要提供更大的進氣量必須加大增壓器而非提高轉速,因此效率並不高,再者增壓器在運作時會發出一種特殊的噪音,所以此種增壓器目前使用度較低。
由於魯式增壓器體積大、效率不佳,因此只有美國老式大排氣量的肌肉車才會使用此類的增壓器設計。
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螺旋式機械增壓器：
螺旋式機械增壓器的外觀與構造都跟魯式壓器相當接近,嚴格來說此類機械增壓器是由魯式增壓器進化而來的,雖然同樣都是由繭型外殼與二支轉子所構成
不過這二支轉子為相互契合的螺旋狀外型(二支螺旋轉子外型不一定相同),且與魯式增壓器的轉子一樣都不互相接觸,而二支轉子的運轉方向與魯式增壓器相反
是朝內側方向旋轉,在旋轉的同時會將空氣由增壓器本體的後方吸入,並透過轉子將空氣壓縮並向前方送出
然後加壓後的空氣再進入歧管、汽缸內與汽油混和燃燒,如此來達到增壓的效果。
螺旋式機械增壓不但解決了魯式體積大、效率不佳的問題,還可提供穩定持續的出風量,不過與魯式相同的運轉噪音式機械結構方面無法解決的問題
此外製造轉子需要相當精密的加工才能達到理想的效率,無形之中也提高了成本,再加上進氣歧管必須依車種不同來個別開模生產
因此一組品質良好的螺旋式機械增壓套件的價格通常都不會便宜到哪去。
葉片壓縮式機械增壓器：
葉片式機械增壓器猛一看與渦輪外型差不多,事實上此類增壓器採用與渦輪相同原理的葉片式空氣壓縮機(Compressor)
不過在驅動端方面是採用引擎本身的動力,而非渦輪使用排出的廢氣來提供驅動力。葉片式機械增壓器的壓縮機形式雖然與渦輪相同,但礙於驅動端機械方面的物理極限
最高轉速一般來說約在每分鐘5-6萬轉左右,與渦輪動輒10-20萬轉相比可說是小巫見大巫,不過目前可透過改進葉片的形狀以及提高驅動端的轉速效率,進而達到更高的增壓值。
葉片式機械增壓器在進氣端各家廠牌都大同小異,不過在驅動端部分確有不同的設計,這會影響增壓器本身的運作效能,在此依不同的設計方式再進行區分。
第一種稱為「離心式機械增壓器」(Centrifugal),此類設計的驅動端與進氣葉片並不在同一軸心上,而是透過驅動端內部的齒輪去帶動進氣葉片軸心的齒輪
通常這類增壓器為了提高齒輪比來增加渦輪轉速,在無法加大齒輪的前提下都會增加齒輪的齒數,如此會造成齒輪耐用度的問題,此種增壓器目前比較少見到。
第二種稱為「行星式機械增壓器」(Planetary),這種驅動端的設計是與進氣葉片在同一軸心上,而驅動端內部採用三顆一組的行星齒輪
當外盤經由引擎透過皮帶轉動時,就會帶動行星齒輪轉動進氣葉片軸心,這種設計最大的好處就是能夠讓進氣葉片的轉速更高(約可到達7-8萬轉左右)
且各齒輪的齒距比起離心式也較大較堅固,耐用度會比前者好上許多,但畢竟齒輪之間還是會接觸,使用了一段時間之後還是會有磨損的問題。
最後一種稱為「牽引式機械增壓器」(Traction),基本的構造與行星式相同,但礙於行星齒輪較易損耗的問題,因此將外盤、行星齒輪與軸心改為平滑的轉子
內部則是使用壓力黏度係數高的特殊油品,在運轉時壓力上升後油膜變化產生較大的摩擦力,進而驅動進氣葉片軸心來達到增壓的動作
比起行星齒輪的摩擦驅動,此類增壓器驅動機構幾乎不會發生磨損,讓使用壽命延長,且減少震動、噪音的問題，這是目前最佳的機械增壓設計之一。
自然進氣引擎
（為最基本的動力形式,在進入引擎汽缸前,以外界空氣（大氣壓）直接與噴油針噴岀之汽油混合而成汽油霧,最後進入燃燒室點燃。
有別於裝備增壓器的引擎,沒有如渦輪增壓器與機械增壓器等過給裝置,有增壓器的引擎以強制加壓空氣的方法,輸進燃燒室
可使產生較大馬力,但也較容易產生爆震,加入的汽油辛烷值必須較高,種類也較挑剔,同時汽缸的壓縮比也不宜過高,而採用渦輪增壓的引擎更會有渦輪延遲的缺點
但自然進氣引擎皆不會有這些問題,整體成本都偏低,適合給平價無高性能需求的載具,不過自然進氣引擎也可採用高轉速化達到高性能化。
現今市售的汽油車款多採用自然進氣引擎。
現行車款最多的就是渦輪增壓與自然進氣,尤其現在不論國外或國內流行起小排氣量大馬力的車型
一般消費者最大的問題就是在油耗上會不會有差別讓小編再來跟大家介紹。
在通常的觀念當中,小排量渦輪增壓引擎能夠輸出與更大排量自然進氣引擎相近的動力,同時卻又能有更出色的燃油效率
因而近年來廣受消費者青睞,同時也成為了車廠研發的主流。不過,美國權威的Consumer Reports《消費者報告》近日進行了實際測試並發表文章
表示並非所有小排量渦輪引擎都能在擁有足夠動力的同時,改善燃油效率。
《消費者報告》測試了多款搭載有小排量渦輪增壓引擎的車型，同時還對比了多種與其動力表現相近的大排量自然進氣競爭車型。
結果發現某些搭載小排量渦輪增壓引擎在加速性能等表現上並不比大排量的自然進氣車型出色，同時，在油耗表現上也出人意表地處於劣勢。
根據美國環境保護署EPA所公布的數據，某些小排量渦輪車型在燃油效率上的確佔優勢，不過相對於EPA的結果，
《消費者報告》在實際測試中得出的結果卻並非如此。
在圖表中,《消費者報告》列出了多款在美國市場上常見的車型,當中包括Hyundai Sonata、Toyota Camry、Honda Accord、Chevrolet Cruze等等。
在文章中,《消費者報告》以Ford Fusion,即美國版Mondeo為例,其搭載的1.6升Ecoboost渦輪增壓4缸引擎的車型能輸出173匹馬力
不過其靜止至60英里 (約時速96公里) 加速表現卻不如大多數採用2.4升自然進氣引擎的對手,而其每加侖汽油行駛25英里的油耗表現也遜色於大多數競爭對手。
類似的情況在Ford Fusion搭載2.0升Ecoboost渦輪增壓引擎的車型對比競爭對手的車型時同樣存在。而在同樣的車型上，Chevrolet Cruze搭載了1.4升渦輪增壓引擎
但在加速性上，與搭載1.8升自然進氣引擎的基本型相差無幾，而燃油效率方面也持平。
綜觀《消費者報告》所整理的各項數據,我們也能夠看到以上車款無論採用渦輪增壓或自然進氣動力,在性能表現和燃油效率上都沒有顯著的差異
雖然話說如此,但對臺灣消費者來說,小排氣量的渦輪增壓動力將會在牌照稅的級距分級上擁有優勢。
《消費者報告》認為,渦輪增壓引擎主要通過額外強制增加引擎進氣量來提升引擎功率,不過引擎通常需要在特定的空氣燃油比下運作
當額外的空氣進入引擎,為保持空燃比,引擎同樣需要更多的燃油引入氣缸當中。這或許也成為了小排量渦輪增壓引擎相對於自然進氣引擎燃油表現改善不明顯的重要原因之一。
此外像類似EPA之類的油耗測試,更多情況下是在近似於實驗室的環境下得出結果,與《消費者報告》在現實環境中、更接近消費者實際駕駛習慣及環境下所得出的測試結果也必然存在差異。
《消費者報告》的文章在某種程度上可以說給目前的小排量渦輪增壓熱潮潑上了一盆冷水。
的確小排量渦輪增壓引擎儼然已經成為了全球汽車動力系統的主流趨勢,無論是國外大廠還是國內自主品牌車廠
都在一窩蜂地開發相應的引擎,而在各大車廠有意無意的信息轟炸下,消費者似乎也在不經意間形成了小排量渦輪=省油的定式思維。
《消費者報告》的結論不知道能否讓大家冷靜思考一下,誠然,渦輪增壓引擎有著中低轉區域扭力充沛,可形成扭力高原等先天優勢
讓消費者有加速更得心應手的感覺,不過實際上其真實加速反應,未必比同等動力水平的自然進氣引擎優越多少,油耗表現也同樣如此。
從另一個角度來說,其實廠方大力推廣小排量渦輪增壓引擎,或許其更多是處於幫助消費者在合理規避排量稅費的同時
也能擁有相近的動力表現,而並非由於小排量渦輪增壓引擎全面優於大排量自然進氣引擎。對於車廠而言,這也給他們一個提醒
其實小排量渦輪增壓引擎並不應該成為節能增效道路上唯一的選擇
如何進一步發掘自然進氣引擎的潛力—像是Mazda Skyactiv技術上所做的,同樣也是引擎創新與提升的可行途徑。
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