崑山科技大學 機械工程學系 專題製作研究報告 渦輪增壓器 指導老師 : 林水木 教授 班 級 : 二技機械四 B 學生 : 丁秋誠 C940H056 陳榮凱孫偉傑陳偉志郭哲誌劉哲明曾名賢 C940H051 C940H073 C940H086 C940H088 C940H091 C940H092 中華民國九十六年五月
目錄 0. 摘要 5 1. 前言 6 1-1 研究動機 6 2. 介紹原理 7 (1) 基本原理 7 (2) 作動原理 7 (3) 渦輪增壓器之優缺點 9 (4) 渦輪增壓器的原理構造 11 (5) 渦輪進氣敘述 12 (6) A/R 值 15 3. 渦輪的維護 18 (1) 愛乾淨不怕麻煩 18 (2) 渦輪故障的原因 20 (3) 排溫排壓很重要 22 (4) 渦輪車自我檢測 24 (5) 怠速不穩怎麼辦 25 (6) 增壓異常不穩定小心大修引擎 26 (7) 渦輪本體損壞 27 1
4. 實驗步驟 28 I 實驗名稱 28 II. 實驗工具 28 III. 實驗標準程序 28 引擎之扭力曲線圖 33 引擎之馬力曲線圖 34 引擎之扭力 馬力綜合曲線圖 35 燃油消耗 36 5. 結果與討論 37 6. 渦輪增壓機未來趨勢 38 7. 參考文獻 39 2
圖之目錄 圖 1-1 儀器開關 40 圖 2-1 開度 (%) 41 圖 4-1 電瓶 43 圖 5-1 油門增壓器 44 圖 6-1 冷卻水傳輸 45 3
摘要近年來世界各國對於能源的要求越來越嚴格, 所以如何提高引擎效率是一門重要的問題 渦輪增壓機的發展, 早期是因為戰爭上的需求, 且價格昂貴, 當時為了使飛機飛得更高, 要解決飛機在高空大氣層時, 因空氣稀薄導致氧氣不夠, 而產生引擎推動不足的現象而發展 藉由引擎所排出廢氣所產生的高溫 高壓的能量, 進行回收再利用來提升引擎之效能 渦輪增壓器的作動原理, 主要是利用引擎所排放出的廢氣產生高溫 高壓的能量, 驅動渦輪段 (Turbine) 帶動同軸的壓縮段 (Compressor) 來產生作動 ; 本論文所要討論的重點主要是集中在汽車引擎動力計的測試性能, 主要分為 ;(1) 馬力的測試 (2) 油耗的測試 (3) 扭力的測試, 進行實驗測試台的設置, 利用實測的方法, 紀錄汽車引擎動力計在藉由不同的氣門開度的規格下, 由三種轉數下去實測紀錄, 計算出我們所要的針對性數值 4
一 前言從古至今, 人們在引擎上, 無不想盡辦法來獲得更大的輸出力 ( 馬力 ), 因此造就了渦輪增壓器 (turbocharger) 的產生 約在 1950 年法國的 Rateau 把渦輪增壓器應用在飛機上的引擎 ;1980 年是渦輪增壓在汽車界的轉捩點,Saab 及 Proshe 成功地推出其渦輪增壓汽車系列, 近幾年來在歐美日等汽車, 不但小型轎車, 連大型車均加裝渦輪增壓器以增加馬力來節省能源 所以渦輪增壓器已非一種奢侈品, 而成為汽車上所不可或缺而必需裝配之機件 隨著渦輪增壓的發展, 渦輪增壓的應用越來越廣泛, 早期從航空業 到目前的船舶 汽車 及民間工業用等的應用 ; 目前國外也有將渦輪增壓機結合電刷頭, 應用在分散式發電上, 而且可以透過網路進行遠端觀測和遙控, 調整效率和進行故障排除, 可見新的應用及研發一直不斷的發展中 1-1 研究動機汽車引擎燃燒所產生的廢氣, 大部分都排到大氣之中, 利用渦輪增壓機 (Turbocharger), 把引擎所排放的廢氣來推動渦輪機, 渦輪機與壓縮機同軸轉動, 提高進氣空氣密度, 供應更好的油氣混合, 如此在同一轉速下, 加裝渦輪增壓機的引擎與自然進氣引擎相形比較下, 扭力 馬力 燃料消耗率與廢氣汙染比自然進氣引擎的輸出效果更好 5
二 介紹原理 (1). 基本原理渦輪增壓主要是利用排廢氣的壓力驅動渦輪, 並且以渦輪 (Tubine) 帶動同軸的空氣壓縮葉片, 壓縮吸入的氣流再送往汽缸 一般自然進氣的引擎是藉由汽缸內活塞下降的負壓來吸入混合氣, 因此被吸入的混合氣其壓力在理論上最大值應不超過一大氣壓, 但是高增壓的 Turbo 引擎郤可以將混合氣壓力提高到一大氣壓以上 在氣壓低時, 被吸入汽缸內的混合氣壓力就低, 造成引擎出力也比較小 ; 無論何種自然進氣引擎, 在氣壓低的地方其性能都較正常氣壓下為弱, 渦輪增壓器正是以前航空工業為了解決飛機在高空飛行時, 出力減弱的情形而開發產生 藉由高溫 高壓的廢氣循環來驅動渦輪葉片, 理論上以每分鐘 10~20 萬轉的高轉速運作, 將可使引擎出力提升 30%~40% (2) 作動原理渦輪增壓引擎作動的順序, 首先是由燃燒後的廢氣流入排氣側渦輪的外殼內, 然後一邊碰撞排氣葉片一邊繞行壓縮輪自中央出口排出, 流向 Front Pipe 到中尾段排氣管 在驅動輪開始動作的同時, 位於相反側的進氣壓縮輪也會跟著轉動, 將空氣從中間的進氣口吸至渦捲室中, 而經壓縮的空氣則會再通過中冷器散熱, 最後才會被壓送至 6
汽缸內燃燒爆發 在空氣從濾清器吸入到引擎的過程中, 相關的控制部分主要是設在濾芯後方的流量計, 會告知 ECU 所測得的空氣流量, 下令噴油嘴噴出適當的燃料, 接著加速時增壓電磁閥將感知歧管的壓力, 在過壓狀態使 Actuator( 排氣洩壓閥 ) 排出多餘廢氣, 以維持 Boost 的最大上限 ; 而回油時 Blow-off( 進氣洩壓閥 ) 閥門會被引擎負壓吸開, 將正壓空氣導回 Flow Meter 之後或直接洩放大氣, 來確保增壓氣體不致逆衝回渦輪, 以上就是 Turbo 引擎的簡單作動流程 也就因為渦輪本體各零件間的關係是如此的緊密, 加上要維持渦輪正常工作最重要的條件就是各機件的平衡, 因此一旦某一機件失去其運轉的平衡性, 其他機件也會因此失去協調, 慢慢的整個渦輪本體的問題就會愈來愈嚴重 舉個例子 : 由於渦輪上的進氣 排氣葉片與串聯起這兩部分的軸心是一體的, 因此當某一側的葉片受損, 失去運轉平衡時, 整個軸心及另一端的葉片, 也會相對的失去平衡, 渦輪的效率與壽命就會大大降低 有了這些觀念後, 我們再來談渦輪的相關問題 7
(3) 渦輪增壓器之優缺點 : A 優點: ( 一 ) 高單位性能 (high specific performance): 一般可提高原引擎馬力 50% 以上, 飛機 船泊及柴油引擎上廣為採用, 目前許多汽油引擎亦加裝渦輪增壓機以涵蓋更大的市場面 ( 二 ) 重量輕 (low weight): 同等級馬力之引擎使用渦輪增壓機者重量較輕 整車之配置亦可減輕, 對車輛之省油與操控可大幅提昇, 近來國外在使用高價之碳纖維減低車體重量 ( 一般整車之車殼重僅佔三分之一 ), 發覺大量生產亦無法減低複材之生產成本, 各大汽車場已轉向新的高效率引擎與略低之馬力及加速性, 以達到未來市場上越來越嚴格之省油需求 (gasmileage) ( 三 ) 體積小 (small size): 使用渦輪增壓機之引擎由於較高之空氣進氣量與密度, 其引擎體積可減小, 提供乘車者較大之空間 ( 四 ) 維修容易 (little service required): 渦輪增壓機使用引擎之機油與水路做潤滑與冷卻, 透過引擎之保養即可 ( 五 ) 高耐用 (high durability): 渦輪增壓機除軸承外無移動件, 可靠性與引擎相當, 在使用年限中無需更換 ( 六 ) 低噪音 (low noise): 由於使用渦輪增壓機之進氣均勻, 引擎運轉與排氣噪音可有效減低 8
( 七 ) 貨源充沛 (sufficient availability): 由於在航空上輔助動力系統 地面輔助動力系統 船泊引擎與一般卡車引擎皆使用渦輪增壓機, 全球已有相當多家製造商, 經本研究中查訪國內精密鑄造工廠, 確信國內亦有相關技術, 其生產成本亦有競爭力, 唯目前之市場僅有國內小型模型飛機引擎使用, 透過本研究之成果, 若能配合華擎公司之引擎或許能建立國內自主之渦輪機市場 B 缺點: ( 一 ) 不便宜 (cost): 由於渦輪增壓機中渦輪段需能抗高溫與高應力之材料, 造價不便宜 ( 二 ) 低轉速性能 (low speed performance): 由於引擎在低轉速下之廢氣無法提供有效增壓造成低轉速扭力不足 ( 三 ) 加速性 (transient performance): 一般使用渦輪增壓機之引擎在中高轉速以上時, 由於渦輪增壓機之慣性力矩, 造成汽車加減速時反應遲滯 ( 四 ) 廢氣不斷衝擊葉面, 加上渦輪高轉速所產生的高熱, 因此在冷卻方面必須加強, 機油也由於高溫的關係容易衰退而影響潤滑力, 所以保養必須提前 9
(4) 渦輪增壓器的原理構造渦輪增壓器的構造主要由同軸的渦輪機 (turbine) 離心壓縮機 (compressor) 渦輪殼(turbine housing) 壓縮機蓋(compressor cover) 及浮式軸承 (floating metal) 所組成 渦輪機之葉片是由拉應力高及耐熱性高的鎳合金製成, 由引擎排氣門排出之廢氣衝擊葉片, 使渦輪機轉動 離心壓縮機由離心葉輪 (Impeller) 擴散器(diffuser) 及壓縮機蓋所構成 由於渦輪機的轉動, 帶動同軸壓縮機的運轉 壓縮機中的葉輪以很高的速度迴轉, 空氣流經葉輪由於離心力的作用, 流速增快, 再流經擴散器時流速減緩, 使流速減慢以提高壓力 浮式軸承意謂著旋轉軸的軸承浸浮於潤滑油中, 由於迴轉軸每分鐘旋轉約十萬轉, 如此高轉速下軸承無法耐其摩擦, 於是把軸承浸入於潤滑油中, 迴轉軸稍微移動亦可支撐軸承, 可以說是浮在油膜上的軸承 Turbo- 渦輪增壓器, 是個藉由內燃機 (intermal combustion engine) 排氣的能量轉換推動葉輪 (turbine wheel), 使其高速運轉, 帶動另一個帶動葉輪 (compressor wheel), 壓縮空氣, 再把此壓縮後的空氣灌入內燃機進氣端的裝置, 藉著更大的空氣量, 使內燃機運作更有效率, 產出更大的力 如圖 A 所示 10
(5) 渦輪進氣敘述 : 如下圖 B 所示右邊紅色部分為排氣氣流, 左邊藍色為進氣氣流, 排氣側葉輪, 也就是驅動側, 我們稱為 turbine, 其外殼便稱為 turbine housing, 高溫高速脈動的排氣氣流, 由葉輪的外圍切線方向進入 turbine housing, 順著蝸牛殼形狀建縮的管道擠入葉片之間的空間, 很有效率的將排氣能量轉動 turbine, 使其高速旋轉, 轉速通常在 80000~180000RPM 的範圍, 排氣氣流在順著 turbine 葉片的弧度和旋轉的自軸線方向排出渦輪本體外, 在接到排氣管排出 進氣側葉輪, 用以對進氣加壓, 我們稱之為 compressor wheel, 這部分外殼也是蝸牛形狀, 叫 compressor housing 和排氣側相反的是, 氣流由軸向中央部份吸入, 被帶著弧面放色狀的葉片由內往外甩, 這部分氣流速度非常快, 但此時並不具備有向下的壓力, 快速往外甩的 11
氣流, 在 compressor housing 和 compressor wheel 之間形成的漸縮區域逐漸減小體積, 壓力升高, 再由最外圍的漸大管道收集起來, 最後突出 turbo 本體, 行程高壓的空氣, 準備灌入引擎的進氣岔管 加壓後的空氣, 含有大量氧氣, 配合相應的供油, 能讓引擎發揮強大的扭力和馬力, 換個角度, 在相同的出力下, 可以用較小排氣量來做到, 也就減輕了整體的重量 ; 總合來說, 對引擎的效率有很大的提升, 這個特點, 在數十年前的航空用引擎也發揮了很大的功能, 在高空中氣壓低, 引擎吸不了多少空氣, 加上螺旋槳在稀薄空氣中效率也降低, 所以高度越高, 飛機的性能就越差, 有了增壓的幫助, 就讓當年的飛機得以改善在高空的性能 再需要高負荷長距離行駛的貨車和拖車頭, 也能得以利於渦輪增壓, 因為在長時間穩定負荷的狀態下, 正式渦輪增壓引擎發揮其高性能的最佳應用之一, 強大的扭力有利於拖曳, 高效率則減少了整體燃油的消耗 圖 C 為渦輪增壓的結構分析圖 12
13
(6)A/R 值 : A A/R 值這是描述 compressor housing 和 turbine housing 的型態比例 蝸牛殼形狀的管道, 管道每一處的截面積 (A), 和該處 housing 中心所成的半徑 (R), 必須保持衡定, 其比值便是 A/R 值 由此圖可見, 以 compressor housing 來說,A/R 就描述了壓縮空氣在蝸牛殼內 擴張 的情形,A 大 R 小, 就表示蝸牛殼繞的短, 管徑擴張的快, 所以 A/R 值的 compressor housing, 吸入的空氣在相對較短的管道內就會被甩出來, 加上管道截面積相對較大, 也就表示高流量的傾向, 因此 A/R 大的 compressor housing 的 turbo, 便傾向高轉速馬力, 但中低轉速的反應較差, 反過來說,A/R 值較小的, 就表示蝸牛殼繞的長, 擴張的慢, 這就變成壓力較容易蓄積, 而在低流量時就能產出 14
大的壓力, 適用於著重中低轉速而實用性的引擎 而對 turbine housing 來說, 情形也類似, 只是氣流方向不一樣, 較大 A/R 值得 turbine housing, 有相對較大的管道, 而在較短的路徑就繞 完了, 當廢氣作用在 turbine 上的時間較短, 很快氣流就排出, 這便 造就了較低的背壓和較高的流量, 而小 A/R 值的情形, 就變成截面 積較小的管道, 圍著 turbine 繞的比較長, 因此有更多的廢棄能量得 以作用在 turbine 上, 也就能很早就把 turbine 帶到高轉速, 但因為較 小的截面積和較長的管道, 因此產生的背壓較大, 不利於高流量的用 途 B 縮減率 描述葉輪型態的比例, 定義 TrimCompressor=(induces Diameter)2/(Exducer Diameter)2*100 TrimTrurbine=(Exducer Diameter)2/( induces Diameter))2*100 15
這是兩個 compressor wheel, 所謂的 inducer, 就是氣流進來的地方, 也就是塗上朝上, 直徑較小的部分,exducer, 就是氣流甩出去的地方, 就是朝下直徑較大的部分, 所以,trim 的意思就是小端和大端的直徑比例, 比值方式為, 平方後再乘上 100, 16
三 渦輪的維護 1. 愛乾淨不怕麻煩一般人都認為渦輪車比較難養, 事實上也是如此, 主要原因在於渦輪車因為周邊 控制器增多的關係, 加上工作溫度較自然進氣車要來的高, 因此在維修保養上會較繁瑣是一定的事, 可是開 Turbo 車的人絕對不能只有延遲熄火 勤加換油這兩項觀念而已, 到底還有什麼觀念能幫助車主保養自己的渦輪車呢? 首先必須保持空氣濾芯的清潔 因為空氣濾芯一旦過髒而阻塞, 在低速時會因吸氣阻力變大的緣故, 導致怠速勢必會有忽高忽低的不平衡現象, 雖然會有怠速馬達做自動提速的動作, 但由於一主動一被動的相互切入, 其效果還是有限 ; 另外空氣濾芯太髒, 對高轉馬力的表現也不好, 甚至會對進氣葉片造成嚴重傷害, 因為阻塞的空氣濾芯容易使進氣管路內的空氣飽和度不夠, 造成管路真空值上升, 此時一旦有微量的空氣吸入, 就很容易因空氣的衝擊, 造成進氣葉片上緣羽狀化, 失去葉片平衡及減低進氣量, 導致渦輪壽命縮短 還有很多原廠渦輪車都會配置的熱線或熱膜式空氣流量計, 由於它是 接續在濾芯的後方, 如果濾芯髒污也會連帶使這些流量計附著污垢, 如此一來傳給 ECU 錯誤的訊息, 將會影響到正確的燃調對應, 如此 17
怠速不穩甚至引擎無力都會發生, 不過流量計最好不要隨便清理, 因 為其內的熱線芯非常脆弱, 弄不好是會完全搞壞的 再來就是須將搖臂蓋上的廢油氣管路 By Pass 掉, 最好是安裝廢油回收筒 ( 環保 ) 因為渦輪轉子的吸力相當強, 倘若繼續將廢油氣導回引擎燃燒, 渦輪將會把大量的油氣吸入進氣葉片中, 再經過中冷器, 最後才導入引擎中 如此一來將會使進氣葉片與中冷器管路上附著一層油垢, 久了就會失去進氣葉片旋轉平衡並阻塞中冷器的管路, 自然就會縮短渦輪的壽命 另外就是養成定期更換機油濾芯的習慣 機油濾芯內有一過壓閥門, 平常是不會作動, 一旦濾芯久未更換阻塞時, 此閥門就會因油壓過高而打開, 此時機油就會在未過濾的情況下, 再流回引擎內循環, 這些帶有鐵削的機油, 流經渦輪軸心細小油道中時, 是不是就很容易造成油道阻塞呢? 油道一旦阻塞, 軸心就無法透過機油冷卻 潤滑, 如此一來將會造成軸心異常磨損, 縮短軸心壽命 還有一個壞習慣, 也會導致軸心油道的阻塞, 那就是沒有進行停車前引擎 渦輪本體冷卻的動作 因為渦輪軸心的工作溫度相當高, 一旦車輛在高溫運轉後立即熄火, 將會導致停滯在軸心附近的機油因高溫而變成油泥, 次數一多油道口逕自然就會變小, 造成軸心銅套散熱不 18
良並受熱膨脹, 最後就像引擎活塞縮缸一樣使軸心卡住, 甚至出現軸心扭斷的嚴重問題 所以養成延遲熄火的習慣是必須的, 其實也不必刻意去做原地停車延遲熄火的動作, 只要在到達目的地的前三 四分鐘前, 降低引擎轉速行駛一段路, 就可以讓引擎及渦輪溫度降低至安全範圍, 這樣一來不但可以免掉怠速燃油的消耗, 還能節省寶貴的時間 還有一項問題會造成渦輪故障, 那就是機油清潔劑的使用 ( 不是汽油清潔劑!) 許多人在更換機油前, 都會倒一瓶機油清潔劑到引擎中循環, 目的就是希望能藉此將引擎中的油道做一番清潔, 但這些化學溶劑很容易使機油變稀 ( 才能清潔油道 ), 導致軸心中的油膜破裂, 造成軸心磨損, 因此能盡量不用就不用 2. 渦輪故障的原因 (1) 軟硬體設定有關渦輪故障的原因其實在上面的論述已經有提到, 但除了人為因素外, 其實還有一些是車輛本身軟 硬體設計不良才會發生的故障 先就硬體層面來說 : 吸氣不順, 導致吸氣不順的原因, 除了空氣濾芯髒污會造成外, 進氣管徑過小或材質過軟, 也會造成吸氣不順 Why? 許多加大原廠渦輪 19
號數或增壓值的車輛, 在進行渦輪號數 / 增壓值提昇的同時, 倘若未將進氣管路口徑一併加大, 很容易在高轉速或急加速時, 因管徑的單位時間空氣流量, 不敷增加後的渦輪吸氣量, 形成吸氣不順的問題, 特別是在重負荷的狀況下 ( 例如五檔全增壓 ), 有甚於者, 如果此時管徑的材質偏軟, 就有可能發生整個進氣管路被吸扁, 導致渦輪吸不到氣的窘境, 如此一來將會使軸心向進氣側推擠 ( 真空效應 ), 造成油封受損, 甚至還會將軸心內的機油吸出, 造成進氣葉片與中冷器裏, 都是機油的有趣畫面 ( 中冷器還可以倒出機油!), 所以國外在進行 Hi-boost 的改裝時, 都會建議換裝大口徑的吸氣導管, 也更容易發揮出高速的增壓性能 (2) 異物吸入 : 這一點要分成進氣端與排氣端兩部分 進氣端會有異物吸入, 通常都是沒有裝設空氣濾芯或過濾效果不良, 才會導致進氣端將異物吸入, 那排氣端呢? 原因有兩個, 一個是排氣頭段焊接不良, 另一個則是火星塞電極熔毀 先說前者, 大部分的渦輪車排氣頭段, 為因應不同種類的渦輪都是採用手工焊接而成, 可是如果在焊接後未將管徑內部進行充分研磨拋光, 而將焊接時的金屬突出接點繼續附著在管壁上時, 在車輛高轉高溫運作時, 此金屬接點就很容易因高溫熔化而脫離管徑表面, 並直接敲擊排氣葉片, 造成排氣葉片受損, 導致氣密性失效與 20
廢氣亂撞的情形 至於火星塞電極的熔毀, 常出現在使用過熱值的型 號, 或是混合氣自燃 機油帶進燃燒室的異常爆炸所造成, 一旦電極 熔毀脫離火星塞也會發生上述的問題 進氣洩壓閥故障或洩壓不及 : 進氣洩壓閥的功能在於, 將節氣門關閉後留存在進氣管路的壓縮氣體洩放掉, 可是此時如果出現進氣洩壓閥故障或洩壓不及時, 就很容易造成壓縮氣體回衝至進氣葉片端, 造成進氣葉片變形, 甚至出現逆轉的現象, 這時又要請讀者試想, 一顆運轉已達全負荷 8 9 萬轉的渦輪軸心, 倘若軸心的一邊突然逆轉, 另一邊還因排氣的推動而繼續轉動時, 會出現什麼問題呢? 那就是軸心的扭斷! 此情況最容易出現在小號但作高增壓設定的渦輪上, 因為軸心較細, 但轉速卻很高 這也正好說明了為什麼軸心卡住, 也會造成扭斷的情況發生, 因為中心不轉, 兩邊繼續轉 3. 排溫排壓的重要 : (1) 排溫過高 : 一般 Turbo 車正常排溫大約在 900 左右, 但是有些供油程式設計不良, 造成空燃比過稀的車輛, 其排溫通常會超過 1000, 其實這樣就渦輪壽命來說是不好的, 因過高的排溫, 容易將熱量累積在排氣外殼的壓縮輪彙集點上, 形成類似乙炔的高熱點, 並且 21
將排氣葉片的掃氣角熔毀, 降低渦輪排氣效益, 使得渦輪轉速變慢, 增壓值自然就上不來 且過高的排溫還會降低排氣側油封壽命, 導致軸心內的機油吸出排氣端, 如此一來排氣管就會出現排放藍煙的現象 (2) 排壓過高 : 排壓過高除了排氣管效率不彰 觸媒阻塞會導致外, 過高的增壓值也會使渦輪無法消化過多的廢氣, 導致廢氣積存在渦輪排氣外殼內, 排壓自然就會增加 排壓一旦增加, 首當其衝的就是排溫升高, 因為高熱的廢氣經過壓縮後溫度會再增加, 一旦無法順利排出, 熱量就開始累積 再來就是持續增壓值會慢慢往下掉, 因為過高的排壓會使排氣葉片旋轉速度變慢, 相對的進氣葉片速度也就變慢, 自然增壓值就上不去 事實上排壓過高, 還有一項相當嚴重的問題, 那就是過高的排氣端壓力, 會使軸心兩端的壓力落差太大, 使排氣葉片向進氣側擠壓, 造成進氣葉片上緣與進氣外殼相互磨擦, 導致進氣葉片受損裂開, 接下來不但會出現嗡嗡的低頻聲, 渦輪壽命也會跟著縮短 22
4. 渦輪車自我檢測預防問題擴大 : 有了上述這些基礎知識後, 我們就可以針對自己的愛車進行相關的自我檢測工作, 並發現車輛異常, 以防止進一步的傷害發生 既然要檢測就要準備工具, 才監控或檢查車輛的工作狀況是否正常, 而最簡單也最基本的檢測工具, 就是各式的賽車儀錶 基本上筆者建議渦輪車上至少要安裝四顆錶 : 增壓 油壓 油溫 排溫等四種儀錶, 至於排壓與水溫則較不需要 ( 有錢想裝也可以 ), 主要原因在於前者只要排溫不要高於 900 度, 加上排氣管直通化, 排壓通常都在容許的範圍內 至於水溫錶由於原廠已有安裝, 加上油溫表的輔助, 因此預算有限的車主倒是可以不用安裝 接下來筆者針對渦輪車常遇到的兩個問題 - 怠速不穩及增壓異常進行說明, 希望能幫助渦輪車主, 瞭解如何自我檢測愛車狀況, 以預防問題擴大 23
5. 怠速不穩怎麼辦先從查管路漏氣, 當你的渦輪車常出現的怠速不穩的狀況時, 你可以從下列的地方查起 (1) 真空管路 : 渦輪車因為真空管路多的關係, 會發生怠速不穩的機會遠比 NA 車多的多, 就好像你加裝增壓錶 洩壓閥 增壓值控制器時, 會使用連接進氣歧管的三通或四通管, 如果此三通管接合的地方因龜裂出現洩漏, 那麼就會漏真空導致負壓變低, 或者使引擎從這裡吸入多餘的空氣, 那麼怠速不安定就在所難免了 相同的道理, 進氣管路有稍稍漏氣的情形時, 也會致使怠速和負壓低下, 且在全油門的狀態下, 還會有無法達到正常壓力 排放黑煙的情事, 很容易即可察覺到異狀, 所以為什麼很多人都會換裝耐溫 耐壓又可撓的 Silicon 真空管 至於要檢查有無漏氣, 最簡單的方式便是裝置增壓錶 (2) 空氣濾芯或流量計髒污 : 就像筆者在上述所提到的, 空氣濾清器一旦過髒而阻塞, 那麼因吸氣阻力變大的緣故, 怠速一定會隨之降低, 雖然此刻會有怠速馬達做自動提速的動作, 但只要由於一主動一被動的相互切入, 怠速勢必會有忽高忽低的不平衡現象 再過來空氣流量計如果過 24
髒的話, 則會傳給 ECU 錯誤的訊息, 進而影響到正確的燃調對 應, 如此怠速不穩甚至引擎無力都會發生 (3) 改裝洩壓閥所引起 : 許多渦輪車都會改裝的大氣洩放式進氣洩壓閥, 最常遇到的問題便是剛換裝上去時, 會有怠速變低 回油熄火的情形, 此乃是因它的閥門過軟使得增壓空氣釋放太多, 導致流量計已傳給電腦正確的訊號, 但實際引擎吸入的流量卻沒那麼多, 結果就是油氣偏濃致使轉速低下甚至熄火 此時就要請店家使用特殊的工具檢測, 並設定進氣洩壓閥正確的鬆緊度 (4) 檢查提速馬達 : 如果你徹底清理過空氣芯和流量計, 整個進氣管路也沒裂損卻仍是有怠速不穩的情況, 那麼就有可能是提速馬達已積碳嚴重, 需要拆開徹底清理了 事實上, 很多渦輪增壓車的提速馬達都很容易積碳, 因此最好是在車輛大保養時都請店家做一次清潔 6. 增壓異常不穩定小心大修引擎! 接下來就是許多人在提高增壓值後, 常出現的增壓異常現象 進氣管或電磁閥漏氣 : 進氣管路出現洩漏, 會使得增壓打不上去突然沒有馬力, 尤其是在前置中冷器的進出入口端 ; 另一方面進 25
氣洩壓閥卡住 磨損或彈簧不夠力, 也會造成洩漏增壓空氣的情形, 所以定期檢查 清理亦是有必要的 再過來當你有增壓過度的問題時, 可能是控制增壓的電磁閥, 其連接負壓的管子有裂痕漏氣, 因而產生增壓值過高的狀況產生 ; 相反的如果是接續正壓的管子破損, 則壓力就會提高不起來, 這方面故障若不趁早處理, 因增壓值不穩定很容易損傷到渦輪與引擎 7. 渦輪本體損壞 : 發生增壓的原動力是在於排氣側葉片作動, 假使你所有的管路 控制器都正常但還是有 Boost 異常問題, 那麼原因一定是出在渦輪身上, 以完全不會增壓的狀況來說, 絕大部分都是渦輪內部的隔板破裂所致 ( 經常 Hi-boost 持續操駕 ), 此碎片在旋轉時還會通過排氣管發出金屬碰撞的聲響, 所以在還尚未轉為正壓時很容易就可判斷出故障來源 一般渦輪在掛點前都會有預兆產生, 那就是它會發出敲擊的聲音, 以及進氣管路內有機油滲出, 這便是葉片軸承已經鬆動, 因而發生機油被吸出 氣密性失效與廢氣亂撞的情形 渦輪軸承的平衡性破壞掉之後, 除了因震動帶來異音與油封洩漏的情形以外, 葉片也會因此裂開出現 咻! 咻! 的不正常風壓聲, 如不趕快修理 更換新品的話, 什麼時候會掛在路上都不知道! 26
四 實驗部驟 I 實驗名稱 汽車引擎動力計 II 實驗工具 1. 汽車引擎 : TOYOTA 2. 渦電流馬力試驗機 : FELICITY 3. 油耗計 : API MP324/R 4. 引擎過熱保護器 : FELICITY III. 實驗標準程序 1. 準備事項本次的引擎動力計實習, 首先要把水泵的開關打開, 再來將引擎的電瓶接上, 並且將排氣管接到戶外以免廢棄中毒, 也可以使用電風扇幫助, 使室內的通風順暢, 還要檢查油箱是否有無鉛汽油, 使油耗計作動正常, 因為油量消耗計沒有油時無法正確的作動 ; 導致準確度不準, 再來還有注意水溫是否有過熱, 因為有設定水溫的界限, 保護引擎是溫度不會過高, 然後再將動力計儀器的開關一一打開, 發動引擎就可以準備開始 27
將引擎的電瓶接上 檢查油箱是否有汽油 打開動力計的總開關 節氣門開度開關 OPEN 轉速表及扭力動力計開關 OPEN 引擎水溫開關 OPEN 引擎油耗計 OPEN 開始測量紀錄 準備事項流程圖 28
2. 測量步驟 : 首先讓引擎溫熱一下, 就可以開始動手測量, 這一次的測量有節氣門開度 5% 10% 15% 等三種, 及引擎轉速 1500rpm 2500rpm 3000rpm, 而每一個開度都要作三種轉速, 看它的轉速及扭力, 將其數值紀錄下來, 再來還要記錄水溫 汽油油耗計 等所有數值一一紀錄 ; 將全部所測得得數值畫成圖形 ( 一 ) 開始時先設定我們要的轉速, 先按動力計上的輸入鍵, 轉動轉速的轉鈕調整到 1500rpm 的位子, 再按輸出鍵兩下就可以看到我們所要的扭力, 然後將它固定扭下面的固定裝置固定住 ( 二 ) 再來就是調整節氣門開度的轉鈕, 分別調整到 5% 10% 15% 的位子, 紀錄每一個開度的轉速及扭力, 如此重復的改變轉速紀錄每一個開度的轉速及扭力 ( 三 ) 而汽油油耗器的撥桿要撥到中間 CONT 的位子, 假如撥桿是往下撥的話會被旁邊的設定時間給控制了, 所以要撥到中間才不會受到影響 就這樣重復這幾項步驟即可 29
發動引擎時達到工作溫度 將節氣門開度保持在 5% 10% 15% 的開度 設定最高的轉速分別為 1500 2500 3000 將轉速保持在 1500 2500 3000 轉 動力計上限速器轉到 1500 轉 5% 開度 紀錄轉速 扭力 將油耗計撥桿波到中間位子 紀錄油耗計數據 紀錄完成後接著做油門 10% 開度 油門 10% 開度重複上面步驟 測量步驟流程圖 30
3. 實驗數據分析受測量的引擎分別取用三個油門開度作測試分別為 5 %開度( 接近怠速時期 ) 10 %開度( 中速時期 ) 15 %( 全速時期 ), 在動力計方面, 限轉速在 1500RPM~3500RPM 為主, 每間隔 1000RPM 量測一次, 分別在測試引擎之制動馬力扭力及燃料消耗量的數據及曲線圖 31
1 引擎之扭力曲線圖 64 60 Tosion (N-m) 56 52 48 44 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Engine rpm 節氣門開度 5% 之扭力圖 100 80 Torsion (N-m) 60 40 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Engine rpm 節氣門開度 10% 之扭力圖 32
2 引擎之馬力曲線圖 10.2 10.1 Power (kw) 10 9.9 9.8 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Engine rpm 節氣門開度 5% 之馬力圖 18 16 Power (kw) 14 12 10 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Engine rpm 節氣門開度 10% 之馬力圖 33
3 引擎之扭力 馬力綜合曲線圖 64 10.2 60 10.1 Torsion (N-m) 56 52 10 Power (kw) 48 throttle 5% Torque Power 9.9 44 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Engine rpm 節氣門開度 5% 之扭力 馬力圖 9.8 100 18 16 80 Torsion (N-m) 14 Power(kw) 60 throttle 10% 12 Torque Power 40 10 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Engine rpm 節氣門開度 10% 之扭力 馬力圖 34
4 燃油消耗 0.9 0.8 Fuel deplete (kg/h) 0.7 0.6 0.5 0.4 1500 1600 1700 1800 1900 Engine rpm 節氣門開度 5% 之燃油消耗圖 1.1 1 Fuel deplete (kg/h) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Engine rpm 節氣門開度 35 10% 之燃油消耗圖
五 結果與討論在本次的實驗中發現, 在開度 15% 的時候因為引擎的油門吸氣量不足導致馬力不夠, 所以無法實驗獲得數值 而我們也在本次的實驗過程中暸解到當節氣門開度越大可以獲得較大的馬力以及扭力, 當節氣門開度越大油耗較為嚴重 雖然渦輪增壓器體積小, 重量又很輕, 但還是需要一定的廢氣循環的動能, 才能夠順利推動, 所以在廢氣壓力未達設定值之前, 渦輪增壓器的效率很低, 在強制進氣量不足的情況下, 反因為引擎壓縮比較自然進氣引擎還低, 活塞下拉時所帶動的吸力更顯不足, 引擎效率低落 36
六 渦輪增壓機未來趨勢綜合上述優缺點, 新一代之渦輪增壓機在汽油引擎之應用有越來越多之趨勢, 在各大汽車廠之研發下, 不但轉軸及葉輪採用了重量更輕更耐高溫之陶瓷材質, 讓渦輪作動起來更快, 消除了以往的增壓遲滯現象, 同時也由於磨擦秏能減低, 渦輪增壓機可以在更低的引擎轉速就產生增壓效果, 讓日常行車加速的實用性大大提高 最近三菱於美國推出雙渦輪增壓機引擎, 將序列式設計之雙渦輪增壓機能兼顧高低轉速之馬力與油秏 此外, 進氣冷卻器效率的提高, 合成機油的優良流動性 耐高溫和抗氧化的特質, 也都讓往日渦輪增壓的缺點逐一補平, 這也就是為什麼最近渦輪增壓車種數目又有增加的趨勢 37
七 參考文獻 [1] 吳啟明 汽油噴射引擎, 全國工商出本社圖書,pp 326-327, 1993 年 5 月 [2]http://tw.myblog.yahoo.com/jw!F8LcBXGVF0Ah07bh0uxHLdk/ar ticle?mid=9&pk=%e6%b8%a6%e8%bc%aa%e5%a2%9e%e5% A3%93 車輛技術研究部落格 [3] 詹嘉維 渦輪增壓引擎壓縮機量測與流場分析 中華大學機械 與航太工程研究所碩士論文 2003. [4] 胡恆梳 汽油引擎與渦輪增壓之組裝與性能測試 中華大學機 械與航太工程研究所碩士論文 1997. [5] 洪錡炫 渦輪增壓器性能分析與測試 國立清華大學動力機械 工程學系碩士論文 2003. [6] 黃世吉 渦輪增壓器之性能測試與分析 國立交通大學機械工 程系碩士論文 2000. 38
圖 1-1 儀器開關 圖 1-2 扭力計 39
圖 2-1 開度 (%) 圖 2-2 空氣燃料計 40
圖 3-1 油耗計 圖 3-1 油耗計 41
圖 4-1 電瓶 圖 4-2 測量油耗計 42
圖 5-1 油門增壓器 圖 5-2 控制閥門 43
圖 6-1 冷卻水傳輸 44