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【國王學苑】認識引擎進氣形式─ 自然進氣 vs 強制進氣

2018年06月19日 發表

【國王學苑】認識引擎進氣形式─ 自然進氣 vs 強制進氣

圖片來源:Mercedes-Benz

雖然電動車已經勢不可擋,但是目前市場上汽車主流的動力系統仍然是內燃機引擎。不過和單純由電動馬達與電池組成的電動系統不同,內燃機引擎在結構與設計上擁有許多變化與不同的形式,雖然這讓內燃機引擎相當複雜,卻也是讓人著迷不已之處。這次【國王學苑】就要帶車迷來認識內燃機引擎的進氣形式,了解不同進氣方式的優缺點。

自然進氣

【國王學苑】認識引擎進氣形式─ 自然進氣 vs 強制進氣

圖片來源:Ferrari

自然進氣引擎又簡稱為NA(Naturally Aspirated)引擎。以目前普遍的四行程內燃機引擎來說,汽缸內活塞在進氣行程時會向下移動,進氣汽門也會開啟。此時汽缸內會產生真空效應,將進氣管路當中的空氣或者混合油氣吸入汽缸內。自然進氣,正是完全仰賴進氣行程時引擎產生的真空將周遭的空氣自然吸入汽缸之中來提供燃燒行程所需要的空氣。

若要增加自然進氣引擎的進氣效率,最簡單的方式為使用流量較大的進氣濾芯,但是會因此稍微犧牲進氣系統的過濾效果。較為進階的方式則是使用俗稱多喉直噴的「獨立式節氣門系統」,或者修改進氣歧管的設計來增加進氣氣流的流速,進而改善進氣行程之下引擎的進氣效率。

▼BMW S65 V8引擎為了追求最佳進氣效率,就採用了獨立式節氣門系統

【國王學苑】認識引擎進氣形式─ 自然進氣 vs 強制進氣

圖片來源:BMW
  • 註:坊間有一些改裝品會在進氣管路當中加裝類似渦輪葉片或者風扇葉片的裝置,宣稱能夠增加引擎的進氣量來提升動力。事實上,這類改裝品只會對進氣氣流造成阻礙,對引擎性能只有反效果,甚至有可能因為品質不良而造成零件破損導致碎片吸入引擎,奉勸讀者不要冒險使用這類改裝品。至於有人改裝過後「感覺」動力增加,充其量也只是因為進氣阻力增加而改變引擎低轉速時輸出曲線的「錯覺」罷了。

自然進氣引擎的效率與馬力重量比都比較低,動力提升的空間也非常有限,此外,隨著高度增加與大氣壓力下降,自然進氣引擎的性能會顯著的降低,也就是出現「高山症」的現象。

然而,自然進氣引擎有著結構簡單的優點,在這個條件之下,自然進氣引擎的妥善率通常較好,而製造成本也比較低,保養也相對容易。另外,自然進氣引擎因為輸出相當線性,因此動力輸出的特性容易掌握,油門反應也比較直接,而讓車迷最熱愛的一點,就是自然進氣引擎有著無可比擬的悅耳排氣聲浪。因此,即便渦輪增壓引擎已經成為市場主流,卻還是有部分高性能車款堅持搭載大排氣量、多缸數的自然進氣引擎。

強制進氣

強制進氣引擎(Forced Induction Engine)以自然進氣引擎為基礎,但是加裝了增壓器來為引擎提供更大的進氣量,進而提升引擎的輸出。以簡化的方式舉例來說,假設在自然進氣狀態之下,一個汽缸可以吸入最多500cc的空氣量,在使用了增壓器以後,變成能夠「塞入」1000cc的空氣量,這麼一來引擎在燃燒行程時就擁有兩倍的空氣(混合油氣)能夠燃燒,爆發出更多能量來驅動引擎。

增壓器主要又分為兩種形式,分別是渦輪增壓器(Turbocharger)以及機械增壓器(Supercharger),兩種增壓方式各自的優缺點請看接下來的說明。

  • 註:對於強制進氣系統如何運作有興趣的讀者,可以前往此網頁觀看詳細的3D動畫。

渦輪增壓

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圖片來源:AFE POWER

渦輪增壓器是透過引擎排放的廢氣來驅動增壓器內部的渦輪葉片,進而達到為進氣增壓的效果。由於是利用引擎廢氣來做為運轉的動力,因此渦輪增壓的方式可以說是無中生有,在不耗損引擎動力之下增加引擎動力,為目前最有效率的增壓方式。

不過,靠著高溫排氣驅動的渦輪增壓會較容易讓引擎以及周邊零件出現過熱問題而降低零件壽命,而進氣系統也一定要增加冷卻器來降低進氣溫度。這讓採用渦輪增壓配置的引擎有著較複雜的結構、更多的零組件,因此製造成本也更高。另外,安裝在排氣管路的渦輪增壓器也會對排氣聲浪產生抑制的作用,使得渦輪引擎的引擎聲浪會比自然進氣與機械增壓遜色。

性能方面,渦輪增壓器在引擎低轉速時會因為排氣流量較低,造成增壓不足而產生渦輪遲滯(Turbo Lag)的現象,也因為如此,早期渦輪引擎的輸出通常較不線性,並且會有動力突然湧現的狀況,讓車輛難以駕馭。所幸近年來在渦輪技術的改良之下,渦輪遲滯的現象已經能夠靠著可變渦輪葉片等方式來減輕,因此現在高效率的渦輪增壓才會成為市場主流。

【國王學苑】認識引擎進氣形式─ 自然進氣 vs 強制進氣

圖片來源:Ferrari

渦輪增壓發展至今,除了最普遍的單渦輪增壓之外,也出現了效率更高的雙渦輪增壓以及雙渦流渦輪增壓。雙渦輪增壓通常會配置一大一小的渦輪增壓器,在低轉速時推動較小的渦輪,高轉速時則由較大的渦輪接手為引擎提供足夠的進氣增壓。雙渦流渦輪則是會將汽缸分為兩組,分別導向兩個不同的渦輪排氣管路,這個做法能夠避免不同排氣順序的氣流互相干擾,持續以最大的排氣壓力來推動渦輪葉片,提高渦輪運轉的效率、減少渦輪遲滯現象。

▼雙渦流渦輪在排氣端會有兩道排氣管路,藉由不同汽缸的排氣順序持續的推動渦輪葉片

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圖片來源:BMW

機械增壓

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圖片來源:Roush Performance

機械增壓得名於使用純機械的方式來帶動增壓器運轉,無論是最傳統的魯式增壓器(Roots Type)、雙螺旋增壓器(Twin Screw Type)或者是離心式增壓器(Centrifugal Type),都需要透過引擎本身的皮帶來帶動內部的螺旋轉子或者渦輪葉片為引擎帶入更多的空氣。

【國王學苑】認識引擎進氣形式─ 自然進氣 vs 強制進氣

圖片來源:Roush Performance

上述的三種機械增壓當中,魯式增壓器是最早期的機械增壓設計,體積大、效率較低,由於內部轉子的設計,其增壓過程為間歇式而非連續不間斷的為進氣增壓。雙螺旋增壓器則是魯式增壓器的改良,內部轉子改為雙螺旋設計,因為能夠連續為進氣增壓,因此效率更好,但是製造成本也提高。上述兩種機械增壓器都會產生特殊的運轉蜂鳴聲,因此需要透過特殊的減噪技術來降低運轉噪音。

▼魯式及雙螺旋增壓器會發出的運轉蜂鳴聲

影片來源:YouTube

至於離心式增壓器在結構上則和渦輪增壓器非常相似,只不過其渦輪葉片是由引擎皮帶與變速齒輪來帶動。一般來說,離心式增壓器的體積小,運轉效率和增壓值也較前述兩種機械增壓器高,因此多半會額外加裝冷卻系統來降低進氣溫度。

▼離心式的機械增壓外型和渦輪相當類似,結構也幾乎相同,只不過是藉由皮帶與變速齒輪來帶動渦輪葉片

【國王學苑】認識引擎進氣形式─ 自然進氣 vs 強制進氣

圖片來源:RIPP Supercharger

由於是以引擎帶動,因此機械增壓會耗損掉些許引擎動力,但是機械增壓器為引擎增加的輸出仍然能夠輕易彌補這些耗損的動力。不過,機械增壓固然能夠提高引擎的整體輸出,但是在引擎在高轉速時的效率卻也會遜於渦輪增壓。

撇除上述的缺點,機械增壓還是有著不少優勢。機械增壓器的結構與所需零件都比渦輪增壓器來的簡單,這讓機械增壓較為易於安裝及維修。由於機械增壓是以引擎曲軸帶動,因此增壓程度會隨著引擎轉速上升而同步增加,讓機械增壓沒有渦輪遲滯的問題,輸出與油門反應也和自然進氣引擎一樣線性。此外,機械增壓並不需要更動排氣系統,因此能夠和自然進氣引擎擁有一樣的悅耳排氣聲浪,也不必像渦輪引擎一樣有著高溫的問題。

雙增壓系統

雙增壓系統(Twincharger)乃是整合了渦輪增壓與機械增壓的一套增壓系統,在低轉速時以機械增壓負責為引擎提供足夠的增壓值,高轉速時則由渦輪增壓器接手,確保引擎高轉時的增壓效率。雙增壓引擎有著極佳的性能與優異的輸出特性,但是兩套增壓系統卻也大幅增加了引擎結構的複雜程度、重量以及製造成本,因此現在已經較少汽車製造商採用這種增壓系統。

了解了各種進氣形式的差異之後,或許有人會有疑問,到底哪種進氣方式最好?其實這個答案會因人而異。編輯本人就相當偏好自然進氣的線性輸出以及排氣聲浪,也很喜歡機械增壓那種和自然進氣類似的輸出曲線,推力卻渾厚飽滿的特性。但是也有不少人喜歡渦輪增壓優異的扭力輸出、高效率以及洩壓聲。單純從引擎性能的角度來看,強制進氣無庸置疑是最佳的方式,但是自然進氣卻也多了些感性,讓許多車迷至今仍然堅持NA至上。無論你喜愛哪一種進氣方式,在市場轉向電動車的趨勢之下,我們只能期望在單純的電動馬達完全取代內燃機之前,內燃機引擎的複雜與多樣性能夠繼續維持更長一段時間。

-資料來自網路(KINGAUTOS)

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部分資料來自網路
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