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1. Turbo是什么东西?
2. 有什么优缺点?
3. 和机械增压的比较
4. 如何选择适当的Turbo?
5. 能有多大的马力?
6. 其他考量Turbo是什么东西?Turbo－涡轮增压器, 是个藉由内燃机排气的能量推动叶轮, 使其高速运转, 带动另一个叶轮, 压缩空气, 再把此压缩后的空气灌入内燃机进气端的装置. 藉着更大的空气量, 使内燃机运作更有效率, 产出更大马力. 外观上, 就像两个相连的蜗牛壳:内部的情形像这样:(上二图片取自HowStuffWorks, 原始出处为Garrett)
右边红色部分为排气气流, 左边蓝色为进气气流. 排气侧叶轮, 也就是驱动侧, 我们称之为turbine, 其外壳便称为turbine housing, 高温高速脉动的排气气流, 由叶轮的外围切线方向进入turbine housing, 顺着蜗牛壳形状渐缩的管道挤入叶片之间的空间, 很有效率的将排气能量转动turbine, 使其高速旋转, 转速通常在80000~180000rpm的范围. 排气气流再顺着turbine叶片的弧度和旋转自轴线方向排出涡轮本体外, 在接到排气管排出.
进气侧叶轮, 用以对进气加压, 我们称之为compressor wheel, 这部分外壳也是蜗牛壳形状, 叫compressor housing. 和排气侧相反的是, 气流由轴向中央部份吸入, 被带着弧面放射状的叶片由内往外甩, 这部分气流速度非常快, 但此时并不具备有效的 『压力』. 快速往外甩的气流, 在compressor housing和compressor wheel 之间形成的渐缩区域内逐渐减小体积, 压力升高, 再由最外围的渐大管道收集起来, 最后吐出turbo本体, 形成高压的空气, 准备灌入引擎的进气歧管.
加压后的空气, 含有大量氧气, 配合相应的供油, 能让引擎发挥强大的扭力和马力. 换个角度, 在相同的出力下, 可以用较小排气量来做到, 也就减轻了整体的重量. 总的来说, 对引擎的效率有很大的提升. 这个特点, 在数十年前的航空用引擎也发挥了很大的功能, 在高空中气压低, 引擎吸不了多少空气, 加上螺旋桨在稀薄空气中效率也降低, 所以高度越高, 飞机的性能就越差. 有了增压的帮助, 就让当年的飞机得以改善在高空的性能.
在需要高负荷长距离行驶的货车和拖车头, 也能得利于涡轮增压. 因为在长时间稳定负荷的状态下, 正是涡轮增压引擎发挥其高性能的最佳应用之一, 强大的扭力有利于拖曳, 高效率则减少了整体燃油的消耗.
在令人血脉喷张的赛车领域, 最慑人心魄的应属Top Fuel级的直路加速赛, 现行的赛车, 多半都用超大的机械增压, 燃烧硝基甲烷, 能输出数千匹马力, 1/4哩加速于4秒多完成. 为什么不用turbo? 在 『80年代的确有车队试过, 但那时试做的引擎出力便已过大, 传动系统无法负荷, 屡屡被打断, 在找到足够的赞助以解决这个问题之前, 赛会便禁止使用turbo引擎. 自此我们便无缘见到这样超强的Turbo Top Fuel Dragster. 若哪天有人又做了一辆出来, 也许1/4哩能在3秒多跑完, 加速度达到5或6个g? 天晓得能强到什么地步?
在F1最辉煌的80年代, 有几年允许涡轮增压引擎, 并且没有限流装置, 当时1.5升的引擎, 可以产出超过1500匹的马力, 这还是 『后面几名』 的车队的成绩, 头几位的车队, 绝对不只此数 (曾 』听说』 有做到1800匹左右的). 后来FIA便开始规定要用小口径的限流器(restrictor), 因此也直接减低了性能.
目前的大型比赛, 大概只剩下WRC和Indy CART容许使用turbo, 但也都装置了很严格的限流器或限压阀, 完全不设限的turbo赛事, 应该只剩下一些地方性小比赛了. 对于潜力无限的turbo引擎来说, 这真是个无处发挥的严重讽刺. 涡轮增压系统(图片取自HowStuffWorks, 原始出处为Garrett)
图左边为引擎, 排气吐出后驱动turbine, 相连的compressor便同步高速运转, 提供高压的空气, 喂回引擎的进气端. 在compressor和进气歧管之间, 有个冷却器, 用以降低压缩后升温的空气温度.
空气经过压缩, 温度会升高, 是因为压缩器的效率未臻完美, 一个完美/理想的compressor, 有100%效率, 不会使加压后的空气升温. 但, 这不可能存在于现实世界. 在我们现在可以取得的turbo来说, 压缩效率在一般的运作范围内通常在百分之七十几, 最好的能达到80%左右. 以70%的压缩效率来说, 意思就是驱动compressor的能量(功率)当中, 有30%拿去发热了.
为了保持引擎的燃烧效率和运作的安定, 进气温度必须保持在一个合理的范围, 过高的进气温度, 会使爆震的发生率急剧升高, 另也使进气密度降低, 减损引擎性能, 因此一个合理的intercooler是必需的. 目前汽车引擎使用的intercooler, 大致有air-to-air 和air-to-water两种. Air-to-air就是进气温度由空气来冷却, 使气流经过多排的扁平狭长的通道, 通道内外都有许多细薄的鳍片: 另一种air-to-water, 就是把原先要暴露在外界空气的部分包起来, 变成水道, 这部分的水再用水泵循环到一个独立的水箱, 把热再交换出去, 像这个样子: 水冷式的好处, 是效率较高 (意思就是压降小, 冷却力强), 还有个好处是安装位置弹性大, 可使整个进气道更短更顺畅, 不需考虑撞风而使管道绕的很长. 在一些短程的赛事, 甚至可以在水箱里塞冰块, 使进气温度拉低到比环境气温更低. 在一些中置或后置引擎的配置上, 较难有直接撞风的配置, 这种方式就更加理想. 当然也有坏处, 就是系统复杂, 重量较重, 成本也较高. 相对的, 一般气冷式就比较简单而直接, 若体积够大, 撞风理想, 效率也不差, 所以绝大多数的前置引擎增压车, 都是使用air-to-air的中冷器. 另也可使用外部喷水(或喷CO2或NOx)来使air-to-air的intercooler提高冷却能力. 涡轮本体的元件回到turbo本体, 如前所述, 有compressor/housing, 和turbine/housing, 这是主要发挥 『功能』 的部位, 连接这两者, 则是轴心总成(CHRA, Center Housing Rotating Assembly), 包含水道、油道、油浮式轴承、侧推轴承(thrust bearing)、油封等. Turbine和轴心常是焊在一起, 或紧密的逼在一起, 轴心本身通常是不锈钢或铬钼合金, turbine则常是耐高温的合金, 如inconel, GMR, 或Mar-M, 更先进的材料还有钛合金、陶瓷等, 取其轻量化, 低贯性的优点, turbine housing也是耐高温的至少是软铸铁, 好一点的会采用高含镍量合金钢材. Compressor wheel则是用螺帽锁在主轴上, 常用铝合金制成, 甚至还有使用塑胶制成的超轻量化叶轮, 但这种的不耐高增压, 常会断裂飞散.
轴承部分, 较老式的多半采用铜套式油浮轴承, 这个轴承的内外都有适量的机油, 油压使得轴承和外壳间以及轴承和主轴间都是悬浮状态, turbo运作时, 此轴承事实上也随着转动, 转速约为轴心的1/10左右, 这样的悬浮机构提供一个阻尼的功能, 可使整个旋转部分可以容忍些微的不平衡带来的震动, 若没有这样的悬浮, 则可能在某个转速因为共振而使机件损坏. 较新式的则采用滚珠轴承, 同样有油浮的机制, 而因为滚珠能减少很大幅度的摩擦力, 所以配备滚珠轴承的turbo可以更早达到工作转速, 大幅改善迟滞现象, 比同级turbo提早约500~800rpm的引擎转速便能提供最大增压, 或者在相同引擎转速就提供更大流量(或增压). 如Garrett的GT系列和IHI的RHF系列…
轴承之外, 有两段式油封, 最靠外侧有一圈封住轴心和外壳之间, 在这之内, 则有一圆盘, 运转时将机油甩向外围, 使油靠近外侧油封的机会大幅减小, 直些减低渗油/漏油的可能, 这叫做 『动态油封系统』 , 这样的机制在compressor侧和turbine侧都有.  控制机构及其他配件Turbo的运作控制, 最重要的就是转速. 像turbo这样的离心式压缩机, 通常只能在很窄的转速范围内提供最好的效率, 转速过低, 打不出足够压力, 转速过高, 则可能使叶片尖端速度快过音速, 而使得效率大减, 产生高热, 超音速振波则会使叶片/外壳损坏.
控制涡轮的转速, 就从驱动端的turbine着手. 控制驱动turbine的排气气流, 就能控制涡轮转速. 当引擎转速低时, 废气量尚小, 能量不高, 所以为了充分利用, 此时全部的废气都该灌到turbine上, 全力驱动. 当引擎转速到了一个程度, 废气量够大时, turbine则进入最佳效率的运作范围, compressor则吐出高压. 当达到目标压力, 就该调节驱动turbine的废气量, 使其转速不要再上升, 免的增压过高, 使引擎受不了, 或是损坏涡轮本体.
这个turbine的调节, 就靠waste gate (废气门). 有两种, 一体式和外接式. 一体式的就是在turbine housing上做个旁通阀门, 当需要调节废气压力时, 此阀门就适度开启, 让部分废气不经turbine便排出, 这么一来就使涡轮转速得以控制. Waste gate的开启, 由一个气压/弹簧为驱动力的actuator来作动. 一般是把compressor出口的压力引到actuator上, 当增压到达一个程度, 此压力作用在actuator内部的膜片上, 大过弹簧弹力, 便能透过一个连杆去推开废气门. 当compressor出口压力越大, 则作用在actuator上的压力也越大, 推开废气门的程度就越大, 旁通掉的也废气越多, 则turbine的转速便获得控制. 很简单的一个负回授. 右边那颗就是一体式waste gate. 图片取自Ray Hall Turbo Charging.外接式的废气门动作方式可说一模一样, 只不过要使用这种废气门, turbine housing则是另一种形式, 且需要在排气歧管(头段)上/turbine入口之前做一个分支出口, 接到这个外接的waste gate上, 这waste gate的出口, 则有一根独立管道引出旁通的废气. 在一般街道用车, 此废气当然还是要再接回主排气管, 通过触媒转化器和消音器, 在竞赛用途当中, 则是直接排到外面, 这样就会看到两根排气管的出口. 可想而知, 这种的会吵死人! 一个特殊的4缸推动双涡轮的9秒级Integra改装直路加速赛车: 为什么要这么麻烦用外接式? 因为一体式的阀门很小, 当流量大到超过它的负荷时, 便会发生两种症状: 1.增压不受控制, 废气门已经全开, 但旁通量还是不够大, 造成过多废气通过turbine, 涡轮转速越来越高, 产出压力越来越大, 超过所需造成损坏.
2. 瞬间增压冲过预设点. 因为actuator内的膜片面积小, 驱动力弱, 反应不够快, 造成waste gate来不及开启到适当大小, 猛然增压时便造成冲过头, 没有及时获得控制.
为此, 就须提前小幅开启waste gate, 以免过冲, 但这么一来又造成不该旁通时损失了宝贵的废气能量, 让涡轮转动的加速变慢. 所以, 这个样子就是该动起来的时候不够快, 该hold住的时候又失去控制, 真的很糟. 所以, 在大流量/大马力的应用上, 就会需要外接式的waste gate, 免的有这些一体式的流量不足的问题. 而一般街道用途的车辆, 中等马力以下的引擎, 其实还不至于发生这样的情形, 一体式的waste gate还是能够应付一般所需.
控制涡轮转速, 尚有另一种更有效率的方式, 就是VNT, Variable Nozzle Turbine, 可变喷嘴turbine, 这是一整圈可变角度的 『翼』, 围绕着turbine, 这些 『翼』 和turbine切线所成的角度, 决定了气流的行为. 当角度大时, 较大量的气流被迫挤进turbine, 也就有较多的废气能量转移到turbine上, 就像一颗小turbo, 较小的turbine housing把气流有效的挤入turbine, 获得很好的低流量加速度. 而翼的角度转小时, 较多的气流就顺着turbine housing流出, 而只有较少的能量转移到turbine上, 此时便能兼顾大流量的顺畅, 减少背压, 就像一颗大较大的turbo, 如此兼具高低转速的需求, 可说是非常理想的装置. 翼的角度控制, 是由turbine housing外一整圈的连动机械机构带动, 这个机构的驱动, 和一般一体式的waste gate一样, 也是弹簧/气压控制的actuator. 此种VNT Turbo, 目前只用于某部分的中小排气量柴油引擎, 造价也较为高昂, 所以还不普及.
最大增压的控制, 很容易能从通往actuator的这股压力来调节. 从compressor出口引出的压力, 在接到actuator之前, 能用多种方式来调整, 如电子式的用个步进马达来控制一个阀门, 或者用简单的机械式调压阀来调整, 限制通过的压力, 或旁通掉一些压力, 这样便能够减小/调节actuator看到的压力, 也就控制了废气门的开启, 和最大增压值.
整个系统当中, 还有个重要的小东西, 就是进气泄压阀. 当涡轮高速运转/进行增压, 节气门却又猛然关闭时 (如换档时的收油动作, 或单纯的收油减速) , compressor出口和节汽门之间的压力就会瞬间剧增, 因为涡轮吐出的压力无处去, 累积在节气门前. 这么一来当然对compressor会有很大的伤害, thrust bearing上会瞬间产生很大的压力, 急剧磨损, compressor wheel也可能受损, 或甚至整根主轴都可能断裂. 此时这个聚积的压力就应该要适度的排出, 以免产生上述的惨状.
一个简单的阀门, 在节气门前的进气道做个旁通, 并以歧管压力来控制, 就得以妥善的解决这个问题. 当节气门开启/增压的情形下, 歧管压力为正压, 这个压力便去推泄压阀, 推动的方向使其紧密关闭, 增压压力便全部灌入进气歧管. 当节气门关闭, 歧管瞬间变成负压, 这个吸力便吸开阀门, 顺利排出节气门前的压力. 这个排出的压力, 可以往外界大气排放, 也可引一条管子回到compressor上游, 形成一个循环.
泄压阀是个简单的小东西, 但若它不能顺利运作, 适时泄压, 则很可能在很短的时间内就损坏涡轮本体, 通常是轴承/油封部分首先遭殃, 这么一来, 车就会开始冒烟了…涡轮vs机械增压机械增压器直接由曲轴驱动, 所以和引擎的动作同步, 直觉上油门反应会比turbo这种 『浮动』 式的增压器要好得多, 但其实还有许多因素可以考虑.
典型的机械增压, 应用很成功且最多的, 应属Roots增压器, 这种增压器没有所谓的 『内部压缩』, 也就是说空气在增压器内部没有被压缩, 而是朝着进气歧管吹进与转速成正比的空气量, 在进气歧管内产生正压. 再加上他本身的机械/流体力学特性, 效率并不很高, 已经算很不错的Roots增压器厂牌--Eaton, 藉由流体力学的改进和较高精度的加工, 可以做到60%的压缩效率, 比同类型旧式压缩机的50%, 算是不错的进步. 而Twin Screw型的压缩机, 先天有内部压缩, 效率较高. Whipple, 一家专门生产twin screw增压器的厂家, 声称他们的产品可以达到75%的效率, 但并没有像turbo厂家那样提供compressor map以供评估…
而离心式机械增压, 就如同turbo的进气那一半, 压缩效率与turbo相当, 但不是由气体驱动, 而是曲轴, 很难让它的转速保持在最佳效率的范围, 通常较佳的效率都只能出现在窄窄的高转速域, 中低转速则比turbo更差. 虽然由曲轴带动没有lag, 但引擎转速范围中大部分区域都得不到足够的增压, 使得这种增压器比较适合大排气量的引擎, 补足原本呆滞的高转速域. 对于中小排气量的近代多汽门引擎来说, 离心式机械增压只会做出一个很差的扭力曲线, 陡峭的往高端上升, 中低转的实用性可说完全被忽略了, 虽然最大马力值还不错, 但扭力曲线这么差, 时在不适合中小排气量的引擎.
机械增压最大的问题, 主要在于直接吃掉引擎马力, 目前最猛的机械增压引擎－ 燃烧硝基甲烷的Top Fuel Dragster, 大V8配上一个超大的Roots Blower, 该机械增压器便会吃掉600~800匹马力 (先别担心, 它有4~6千匹马力可供挥霍). 同时也因为机械和热的因素, 没办法无限制的提高转速, 产出高增压/高流量, 所以最大动力总是比不上turbo. 且相同增压下, 产出马力仍不如turbo. 一个依理论计算的例子, 相同条件--Honda B18C引擎, 打20psi的增压, turbo可有453匹马力, 离心式机械增压可到412匹, 而Roots机械增压则只有388匹. 较差的压缩效率, 和从曲轴 『偷』 去马力, 就使得机械增压在最大输出上不如turbo.
机械增压最大的优势, 是在容积效率 (VE), 因为没有turbine挡在排气路径上产生回压, 所以进气压力总是大于排气背压, 在某些引擎上有可能做到大于110%的VE, 这直接对引擎效率和性能有很大的助益. 这个优势, 在低增压的情形最为明显. 在低增压的turbo系统中, 通常使用较小的turbo, 小turbo流量小, 在高转速大流量时会有较大的背压, 而越大的背压, 越会减损VE, 因为在这种状况下背压总大于进气增压, 因此进排气的过程中常要花去颇大的力气去把废气 『挤』 出去, 若汽门重叠过大, 还会产生逆流的现象, 这就非常糟糕. 当涡轮增压系统的背压/增压比在1.8:1以上, 则相同增压值的机械增压就有机会在马力上超过turbo.
当然, 正如一般的认知, 机械增压完全没有迟滞的油门反应, 常是更吸引人之处, 尤其是Roots和Twin Screw型式的, 几乎是一离怠速, 便开始有线性/即时的增压, 因此操驾的感觉就有如较大排气量的N/A引擎. 这点虽然是turbo所比不上, 但近年的turbo也有很大的进步, 越来越多的原厂增压车, 几乎已经让人感觉不到lag, 扭力高原也越来越宽, 加上很高的运作效率, turbo还是有继续发展的无穷潜力和优势 如何选择Turbo上面说过, 像turbo这种离心式压缩机, 只能在某个不大的范围内提供最佳的效率, 所以和引擎的搭配就很重要. 虽然坊间的改装百百种, 同一具引擎, 大几号/小几号的turbo都拿来用, 乍看似乎也没什么问题, 但, 那毕竟是土法炼钢, 尝试错误. 另, 许多改装杂志也总是喜欢刊登夸张的改装例, 拿那种拖车头用的turbo塞在喜美的引擎室里吓读者, 好像这样就很厉害似的, 也让许多人误以为越大就越猛, 这些当然都是误导…
先来看一些术语:
A/R值
这是描述compressor housing 和 turbine housing的型态比例. 蜗牛壳形状的管道, 管道每一处的截面积(A), 和该处与housing中心所成的半径(R) , 必须保持衡定, 其比值便是A/R值. 看图: 由此可见, 以compressor housing来说, A/R就描述了压缩空气在蜗牛壳内 『扩张』 的情形, A大/R小, 就表示蜗牛壳绕的短, 管径扩张的快, 所以A/R值大的compressor housing, 吸入的空气在相对较短的管道内就被 『甩』 出来, 加上管道截面积相对较大, 也表示高流量的倾向, 因此A/R大的compressor housing就适于高流量的用途, 如高转大马力的引擎, 或者, 相同的引擎, 使用大A/R Compressor housing的turbo, 便倾向高转马力, 但中低转速的反应较差. 反过来说, A/R较小的, 就表示蜗牛壳绕的长, 扩张的慢, 这就变成压力较容易蓄积, 在低流量时就能产出大压力, 适于着重中低转实用性的引擎.
而对turbine housing 来说, 情形也类似, 只是气流方向不一样. 大A/R的turbine housing, 有相对较大的管道, 而在较短的路径就绕完了, 废气作用在turbine上的时间较短, 很快就排出, 这便造就了较低的背压和较高的流量. 而小A/R的情形, 就变成截面积较小的管道, 围着turbine绕的比较长, 因此有更多的废气能量得以作用在turbine上, 也就能很早就把turbine带到高转速, 但因为较小的截面积和较长的管道, 因此产生的背压较大, 不利于高流量的用途.Trim这个不好翻译, 暂称为缩减率好了. 描述了叶轮的型态比例, 定义为:
TrimCompressor = (Inducer Diameter)2 / (Exducer Diameter)2 * 100
TrimTurbine = (Exducer Diameter)2 / (Inducer Diameter)2 * 100
哎哎哎, 怎么这样颠来倒去向绕口令一样?
看一下图好了: 这是两个compressor wheel, 所谓的inducer, 就是气流进来的地方, 也就是图上朝上、直径较小的部分, exducer, 就是气流甩出去的地方, 就是朝下直径较大的部分. 所以, trim的意思就是小端和大端的直径比例, 只不过不是直接比, 而是平方后再乘上100, 有点百分比的味道. Turbine一样也有大小端, 比起compressor, 一般来说大小比较相近: 在这边, 气流进来的地方是外围, 出去的地方是上面, 所以式子就倒过来, 其实不用管哪边进来/出去, 直接看大小就好了, 小端在分子, 大端在分母. 因此, trim值理论上就是0~100, 但不大可能那么极端, 常见的compressor trim在50~60, turbine trim则在70~80的范围.
那么, 这个值代表什么意义? 由定义可知, Trim越大, 叶轮的大小端直径就越相近, 以compressor来说, 就表示吸入空气的那端相对较大, 能抓进更多的空气, 流量更大. 而较小的trim, 相对的, 就是小端较小, 另一个角度看, 也能视为大端更深入compressor housing外围的狭窄端, 这样一来就能提供更强的压缩, 而产出高增压. 以turbine来说, 情形类似, 大小端相近, 表示大端相对不大, turbine housing里的气流受阻较小, 背压低, 流量大, 但同时转移到turbine上的能量也较少.
所以, 和A/R值一样, 都是折衷妥协, 无所谓越大越好或是越小越好, 大部分时候都适中的比较能够符合我们的需要. Compressor map这个图表描述了compressor在压力和流率的条件下可得的压缩效率, 更重要的, 描述了此turbo的操作范围. 在图上, 有一圈一圈的岛状区域, 表示了在此压力/流率范围内, 都可以有相同的压缩效率.  此为Garrett T04E 60 Trim的compressor map, 图片取自Performance Techniques, http://64.225.76....in.htm )
图的左侧, 在操作范围的左边边线, 称为surge line, 也就是涡轮在低流率/高压力的范围工作, 跨出这条线, 表示引擎吞不进那么多空气量, 但增压过大, 此时, compressor wheel的inducer(进气端)会失速, 同时当然压缩效率也大减, 长期在此区域运作, 轴承将剧烈磨损.
另一端, 在图的右边边线, 称为choke line, 表示在特定压力下此turbo流量的极限, 超过这个范围, compressor流量饱和, 无法提供足够的压力, turbo转速急剧升高, 产生高热, 压缩效率当然马上就掉的很低, 这样个操作区域也会使turbo本身寿命大减, 同时也会让整个引擎像是被掐住一样高转上不去.
所以, 在选择turbo, 或者说选择compressor时, 这个图表就非常重要, 是主要的参考依据. 那么, 怎么看? 怎么用?
首先要订立条件, 也就是什么引擎, 多少转速下需要多大的增压等等…
举例, 一具2.0排气量, 4行程引擎, 在7500rpm断油前最高到20psi的增压
(假设是 SR20DE 这颗强壮耐操的引擎)
Pco (Compressor出口压力)
=增压值 + 大气压力 + 管路/中冷器的压降 = 20 + 14.7 + 1.5 = 36.2psi
在此, 中冷器压降取1.5psi, 算是乐观的估计, 或者是蛮大的中冷器, 若是小流量/小体积的中冷器, 这边的压损会比较大. 或者你也可以看你用的中冷器是否有规格数据, 就直接套进来.
Pr (压力比) = compressor出口压力/大气压力 = 36.2/14.7 = 2.463
Di (compressor和intercooler之后的空气密度)
= (增压值 + 大气压力 ) / [ R * 12 * (460+进气温度)]
= (20+14.7) / [53.3*12*(460+130)]= 0.000009195lb/in3
在此进气温度设为130 F
R=53.3, 是个常数, 12是为了将单位转成英吋
(这个计算例是直接从书上抄过来, 因为涉及惯用单位, 所以像华氏温度和英吋等都保留, 以免换算错误, 常数也会不同. 温度加460是为了把华氏转成绝对温度)
Mf (空气流率) = 密度* 排气量(cubic inches) * (rpm/2) * VE
=0.00009195 *122 * (7500/2) * 0.9 = 37.84 lb/min
在此, 排气量转成立方吋, VE取为90%, 也是乐观值, 但一般较新的多汽门引擎应该都能到达此数, 若是较老的每缸2汽门的引擎, 可以取80%.
CMf (修正后的空气流率)
= 空气流率 *√(Compressor进气温度/545) / (大气压力/修正后的进气压力)
= 37.84 * √(545/545) / (14.7/13.95) = 35.9 lb/min
在这里, 流率依据温度和压损做修正, 温度取545, 相当于85 F, 为了计算方便, 就保持这个值, 而13.95psi是Garrett建议的值, 是预估进气经过一般典型的空气滤芯后扣掉压损所剩的压力.
好了, 两个关键的值: 压力比=2.463、流率=35.9 lb/min , 这样我们就能套回上面那个compressor map看看:
这是Garrett T3 60 trim的compressor, 把我们上面的数值标到座标上, 明显的就跑到右上方去了, 在choke line以外, 这个情形此turbo的流量不足, 空气量不够引擎全力施为的时候吃. 然后, 若我们把上式的引擎转速减半, 或者随比例调降, 比如说 十几 lb/min的空气流率, 同时又要维持最大增压, 此时的座标又跑到左边的surge line之外, 就表示中低转速时, 又掉到另一端不正常的操作区域, 拚命发热去了, 实在不妙. 对于这个引擎来说, 此turbo实在太小颗了.
换一颗大turbo看看:
这是Garrett T66, 把35.9 lb/min 和 2.463标到图上, 几乎刚好在surge line上, 若把较低转速的流率也标上, 那更是在surge line之外, 表示此turbo在引擎绝大部分的操作转速内都处于流量过低, 压力太大的情形. 也表示引擎吞不下这颗turbo能吐出的气流, 这样的组合当然也不好.
再换一颗:
这是Garrett T04E, 46 trim compressor, 把35.9和2.463标上去, 大致落在压缩效率次高的74%的区域内, 将流率调低, 保持压力, 座标往左拉, 就会落到最佳效率的区域, 这样粗略的看起来, 在3000多rpm就能有效达到最大增压, 随后会有部分转速域落在最佳效率区, 并且在拉到红线时, 引擎的流量还在此turbo的健康操作区域. 所以这个turbo很适合这个引擎在这个增压值的操作.
(以上所有compressor map皆取自Performance Techniques, http://64.225.76....in.htm )
再来, turbine的选择, 则有很大的成分须要从A/R值和trim值来选择, 虽也有所谓的turbine map, 但这边的压力比和流率比较难算, 会随着排气系统的背压和调校条件而有较大的变动. 再加上选购turbo时, 他们多半都是配好的, 以compressor的特性来挑turbo, 选出来的应该就大致不差, 引擎的出力至少是大致合理的曲线, turbo本身也在健康的操作区, 而turbine这头的特性, 便左右了lag和背压, 背压又直接影响了VE.
上面提过的, A/R和trim大的, 高流量特性佳, A/R和trim小的低转反应佳, 那么该如何搭配/选择? 若以折衷角度看, 宁取大一点的A/R配小一点的trim, 这样能保持较好的流量能力, 背压小一点, VE就得以维持, 让小的trim去提升运转加速度. 一般来说, 这样的组合成功率较大.
另, turbine叶片的宽度也有影响, 称为B-width, 在下图来看就是 『高度』:
两个直径类似的turbine, 一个的叶片宽度小, 另一个明显较大. 宽度小的容许流量较低, 但加速快, 反应较佳, lag较小. 而宽度大的, 流量大, 高转效率佳, 但反应较慢, lag较明显. 这可和trim一并考虑.
有些turbo厂牌可以让你自由选择数种compressor wheel和turbine的组合, 称为混血turbo (Hybrid Turbo), 有些搭配的范围还蛮大的, 硬要恶搞, 可说没有限制. 但以健康操作范围来看, 两个叶轮的直径相差不要超过15%. 一般来说, compressor通常会比turbine大一些, 若比例过于悬殊, 那么就会有turbine带不动compressor的问题, lag变大, 反应迟钝, 虽然大compressor能吐出高流量, 但turbine带不动它, 一样白搭.
Turbo的计算/选用, 不外就是压力比, 流率, 上面的数学式中所用的单位多为英制, 刚好也配合turbo规格资料惯用的单位, 套起来反而方便. 套公式之前, 先把我们习惯的公制单位换成英制再算即可. 上面的例子, 算是中庸偏高的数值, 一般若是N/A改turbo, 通常不会一下子就打到20psi的增压值, 你可以自行设定目标, 再把数字套入计算即可. 只要压力比和流率落在compressor map的健康操作范围, 就算是安全的选择, 成功率很高.
当然, 若是购买完整套件, 厂家多半都帮你算好了, 也会选用适当的turbo, 不须担心, 倒是有机会可以找出资料来验证一下.
几匹马力?
好了, turbo选好了, 那么可以得到多少马力?
可以简单的从空燃比来反推. 前面算过了空气流率为35.9 lb/min, 以最高性能的a/f=12:1来看, 我们需要的燃油流率便是 35.9 / 12 = 2.99 lb/min
B.S.F.C (brake specific fuel consumption) = 0.5 lb/hr 这个意思是说, 每产生1匹马力, 每小时需消耗 0.5磅的燃油. 这是一般的估计值.
所以, 2.99 lb/min = 179.5 lb/hr, 在除上 0.5的BSFC
就等于 359 匹马力.
嘿嘿, 不错吧. 2.0排气量打20psi 『就』 可以有300多匹马力. 在你踩下油门时, 绝对是很有 『感觉』 地!!
其他考量
进气量因为增压而大增, 供油自然也要随之增加. 上面的式子已经算出了所需的燃油流率, 自然就能带出所需的汽油泵和喷油嘴的的规格, 只要单位的换算小心一点, 不至于太难算. 当然, 在选用汽油泵时, 压力/流率要有足够的宽裕, 不能太紧绷, 例如上面的a/f是以12:1来算, 实际上, 在高增压下, 有可能会需要浓到10:1来降温, 这类的宽裕量一定要考虑到, 也要考虑此泵会不会在大流量时压力保持不住, 最好有压力/流率图表可供评估, 或公证单位的测试报告. 而喷油嘴的流率也要记得不可超过80%的Duty cycle和选用合适的驱动阻抗.
而进排气的管道上, 也有不同的考量. 进气道部分, 如compressor出口到intercooler, 然后一路到进气歧管, 事实上口径不宜太大, 300匹马力以下的, 宜在2」 左右, 300匹以上, 则可到2.25」~2.5」, 太大的管径, 会造成太大的内容积, 减慢增压的反应. 而路径当然越短越好, 弯角越少越缓越好, 能做些隔热也是个好点子, 或者用本身比较能隔热的材质也很不错. 排气部分, 则是管径大一点的好, 从1.6 turbo起, 便需要2.5」以上的管径, 2.0 turbo, 最好有3」以上, 大一点的背压较低, 有利于turbine的运作, 效率较佳, 背压降低, VE又得利, 一举数得.
在较高背压的系统, 就是小号turbo的情形, 背压通常很大, 若又用它硬打高增压, 则背压更是水涨船高, 此时, 背压就会高过增压很多, 在汽门重叠的短暂时间里, 会发生逆流的现象, 这当然很糟糕, VE一下子小了不说, 高温的排气反灌回来, 燃烧室温度会急剧升高, 严重爆震、活塞融毁的惨剧便不远了. 这种情形, 则不该改用大重叠角的hi cam, 会使此情形恶化, 重叠小的原厂cam反而是较佳的选择. 若没有把握保持够小的背压, 还是先不要改cam.
点火部分, 若是直接点火, 跳火能量较大, 比较能应付增压后较浓的油汽, 通常问题不大. 但若是分电盘式, 则可能在高增压下会有miss fire的现象, 此时加强点火系统便有其必要. 换用较大容量的coil, 或整套强化的点火套件, 会有不错的效果, 最好还能调整正时, 以搭配增压值微调到最佳提前. 若其他都没改, 至少换冷一号的火星塞, 以免温度过高, 提高爆震的发生率.
喷水也是增压引擎一个不错的配件, 可提供缸内的intercooling, 大幅减低进气温度, 使引擎在高增压运作下更能保持稳定安全的缸压, 也因此不需过度供油, 能保持在最佳出力的12:1 a/f值, 点火也能提前到更佳出力的范围, 汽化后的水蒸气排出后甚至对驱动turbine还有一定的贡献, 更加提升效率, 一举数得.
结论
好了, 涡轮增压大致介绍完毕, 由这些资讯可知, 只要你的引擎本体受的了, 或者已做过适当强化, 那么加上涡轮绝对是产生大马力的最佳捷径. 做好了周边的配合, 调校妥当, 在你踩下油门的刹那, 脸上自然就会浮现满足的笑容.
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