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作者:徐業良(2014-05-13);推薦:徐業良(2014-05-13)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2014年六月號,史丹福專欄。

渦輪增壓的新角色-從Formula One賽車談起

好吧,我其實不是方程式賽車迷。您知道,Formula One,那種矮矮扁扁的車體、四只大型光頭胎搭配巨大的尾翼,賽車手戴著頭盔全副武裝、縮著身子擠在狹窄的車室中,震耳欲聾地引擎聲在多彎的賽道上呼嘯奔馳

好像離一般車主非常遙遠。

然而不可否認的,許多汽車科技也是在追求性能、速度的為主的Formula One賽場上誕生、孕育,技術成熟之後再移轉應用到量產房車上。

您對Formula One賽車的直覺印象可能和我差不多,性能第一、速度至上。但是近年來主導Formula One賽車的FIA也開始關注電動車,企圖在省油、環保相關的汽車技術上也能發揮關鍵影響力。2014年便是Formula One賽車很重要的轉型年,2014年九月份開始,全新的“Formula E”賽季,即將在包括中國北京等全球十個城市正式展開,開啟了「電動方程式賽車」的新紀元。

Formula One一般賽事在2014年另一項重大的轉變,是其對賽車引擎的規定從現行2.4升自然進氣V8引擎,改成為1.6升渦輪增壓V6引擎,且對引擎的能量回收有更嚴格的要求。這項改變使得Formula One所有車隊的工程人員賽季之前空前忙碌,但是賽季開始幾個月成效極佳,看起來也將為汽車引擎技術帶來新的變革。

渦輪增壓(Turbo Charger)已經在量產汽車上出現半個世紀之久,也許稱不上汽車的尖端技術。Formula One賽車這項新規定,技術重點在「能量回收」。

OK,這裡先複習一下也許有些「古老」的渦輪增壓技術。

渦輪增壓的基本工作原理簡單地說,便是引導引擎排放的高熱廢氣用來推動渦輪旋轉,就像水流推動水車旋轉一樣,渦輪便可驅動空氣壓縮機將外界空氣以更高壓力壓縮進入引擎燃燒室之中,提供更多燃燒時所需要的氧氣,提升引擎燃燒效率和動力輸出。

渦輪增壓引擎為車主詬病最主要缺點,是所謂「增壓延遲(Turbo Lag)」的現象。當引擎轉速較低時,所排出廢氣尚無法推動渦輪葉片讓引擎進氣達到一定壓力,這時候引擎動力感受上似乎比自然進氣引擎還要弱;一旦引擎轉速提高,所排出廢氣足以推動渦輪葉片達到引擎進氣增壓的水準之後,引擎動力才突然湧現。

除了引擎低轉速時的渦輪延遲之外,渦輪增壓在高轉速時也有些問題需要克服。引擎高轉速時排出的廢氣溫度和壓力都很高,因此渦輪和引擎汽缸頭都必須特別強化,而且引擎汽缸可以承受的壓力有限,渦輪增壓轉動的速度也有限,為了維持系統整體的可靠度和壽命,渦輪增壓引擎上都有額外設計一個洩壓閥(waste gate),引擎高轉速時排出大量廢氣,還沒進入到渦輪增壓器的渦輪區,就已經從洩壓閥先排放掉部分廢氣,廢氣能量其實沒有完全回收利用。

除了渦輪增壓之外,另一種汽車引擎增壓的方式是機械增壓,或者直接叫做「超級增壓(Super Charger)」。機械增壓的方式歷史其實比渦輪增壓還久,是利用引擎曲軸透過皮帶驅動增壓器,將空氣壓縮後送入引擎燃燒室中。這種機械增壓方式引擎即使是怠速運轉,也能持續壓縮空氣送入引擎中,不會出現渦輪增壓引擎低轉速時增壓延遲的現象。但是超級增壓是使用引擎本身的動力驅動增壓器,不但沒有利用引擎廢熱「能量回收」,反而會消耗掉一部分引擎動力,就像夏天開冷氣時,冷氣壓縮機會耗損引擎的動力。此外機械增壓高轉速時增壓效率沒有渦輪增壓好,運轉時噪音也比較大。

特個車廠改善渦輪增壓器增壓延遲的問題通常有幾個方式,一個方式是採用容量比較小的渦輪增壓器,在低轉速引擎廢氣量不夠時壓力比較容易建立,但是引擎轉速一高很快就會超過渦輪增壓器的容量,因此許多車款就裝上兩個小渦輪增壓器,您常聽到Twin TurboBiTurbo就是這類技術。此外像是VolkswagenTwinCharger或者VolvoDrive-E設計上還更複雜一些,都是在低轉速端使用皮帶驅動的超級增壓器,在高轉速端則轉而使用渦輪增壓。

OK,再回到Formula One賽車。

2014Formula One賽車引擎從現行2.4升自然進氣V8引擎改成1.6升渦輪增壓V6引擎,而且是油電混合動力。車上這套叫做MGU-H (Motor Generator Unit – Heat)的系統上,渦輪增壓是連結到電動馬達/發電機單元(Motor Generator Unit)。引擎高轉速運轉時,高熱廢氣旋轉渦輪,可以達到100,000轉高速,除了帶動壓縮機將空氣壓縮進入引擎之外,也同時帶動發電機發電(電動馬達/發電機單元這時候作用是發電機),產生的電力可以直接成為混合動力單元中額外的加速力道,沒有立即需求的話也可以在鋰離子電池中儲存起來。多了帶動發電機發電這份「新工作」之後,引擎轉速提高時,大量多餘廢氣也不必從洩壓閥排放掉,引擎廢氣能量回收更為完整。

將渦輪增壓器和馬達/發電機連接起來,產生更好的效益是,引擎轉速低時,馬達可以反過來驅動渦輪增壓器,保持渦輪增壓器壓縮空氣的壓力,確保駕駛員踩下油門動力立即可用,掃除渦輪增壓引擎增壓延遲的現象。

Formula One賽車相關報導指出,今年賽季1.6升渦輪增壓V6引擎動力輸出和先前2.4升自然進氣V8引擎差不多,加上MGU-H這個新武器和另一套回收煞車能量的單元MGU-K (Motor Generator Unit –Kinetic),今年Formula One賽車完賽之後,油料比起去年省下三分之一。

這個發展當然也引起車廠的注意,目前來說這樣的技術用在家庭房車上還嫌太早,但是許多車廠都已經在積極準備,希望將這樣的技術帶入量產汽車。BMW正在開發一款電動增壓系統,據稱可能在下一代M3上可以看到,也是在渦輪增壓器和壓縮機之間加裝一具電動馬達。福斯汽車也正在為其汽油引擎和柴油引擎車款準備一系列電動驅動渦輪增壓器。

渦輪增壓善用引擎排出的廢熱,轉換成為更多馬力,本來便是汽車上很重要的「能量回收」方式,但是渦輪增壓主要訴求似乎一直是引擎動力的提升而非節能環保。從Formula One賽車的概念出發,在混合動力車上將渦輪增壓與電動馬達結合,渦輪增壓突然有了節能環保的新角色,顯然是量產混合動力車上很有前途的解決方案。

也許您的下一部新車,也會擁有Formula One賽車上這項最新引擎科技喔!