渦輪增壓器可變幾何結構的運作原理：優點、故障與保養

在引擎的各種增壓系統中，有固定幾何與可變幾何的渦輪增壓器，後者常被稱為VGT。兩者的目標相同：利用排氣氣體的慣性，將比引擎自行吸入更多的空氣送入汽缸，從而提升效能。

但傳統渦輪增壓引擎的主要缺點之一是，當引擎在低轉速運轉時，排氣氣體的力道不足以帶動壓縮進氣的渦輪。相反地，當引擎在高轉速下運轉時，排氣流量非常大，渦輪受到的能量過強，因此必須啟動洩壓閥，白白浪費了排氣中所攜帶的部分能量。

這正是可變幾何渦輪增壓器所要解決的問題。正如我們接下來將看到的，它無論在低轉速或高轉速下，都能更有效地壓縮進氣。

可變幾何渦輪增壓器的最初研發可追溯到50年代中期，不過第一款量產車型採用此技術的是90年代初的Fiat Croma turbodiésel，其1.9引擎也是最早採用缸內直噴的柴油引擎之一。如今也有解決方案直接使用小型電動馬達來加速渦輪。另一類用於改善增壓引擎低轉速反應的渦輪增壓器是雙蝸殼（Twin-Scroll）渦輪。

可變幾何渦輪如何運作？

固定式與可變式（VGT）渦輪增壓器的差異在於，後者配備一套機構，能改變排氣氣流射入渦輪的速度，使渦輪加速得更快。它並不改變空氣量，而是改變進氣截面。

為此，它配備了一組可變導葉（或稱葉片），在引擎低轉速時關閉，加速排氣氣流，使其對渦輪的推力增加。引擎在高轉速時，葉片打開，擴大排氣的進入截面，因此速度降低。這使得最大增壓壓力能在更高的引擎轉速下達到。

導葉的調節可以透過機械系統完成，使用壓力或真空致動器，不過較新的引擎通常採用小型電動馬達，由引擎的電子控制單元（ECU）驅動。

若想更詳細了解可變幾何渦輪增壓器的運作方式，可以觀看這段影片：

https://www.youtube.com/watch?v=AuQor-YnbZ8

可變幾何渦輪有哪些優點？

了解可變幾何渦輪增壓器的運作原理後，其優點便顯而易見：

• 減少或消除增壓引擎在低轉速加速時特有的「渦輪遲滯」或回應延遲。
• 在引擎的所有轉速下優化增壓系統的運作，帶來更平坦的扭矩曲線。
• 透過移動導葉來控制增壓壓力，不需要洩壓閥或「waste gate」。
• 這是比雙渦輪順序增壓更簡單的方案。即便如此，某些高性能引擎仍配備多個渦輪增壓器，其中至少一個採用可變幾何設計。
• 由於優化了扭矩輸出，性能得以提升，因此油耗與排放也隨之改善

。

可變幾何渦輪有哪些缺點？

由於機構較複雜、活動零件較多，可變幾何渦輪增壓器比傳統型號更昂貴，同樣因為這個原因，它們也更容易出現故障。

另一個缺點是在汽油引擎上應用的複雜性，汽油引擎的排氣溫度較高，需要更精密且更昂貴的研發方案。

Porsche 是最早在汽油引擎上採用可變幾何渦輪增壓器的品牌之一，不過如今也能在小型引擎上找到它，主要目的是提升效率，而非追求高性能。近期的例子是全新Alfa Romeo Tonale的1.5混合動力引擎。

可變幾何渦輪的保養、維護與故障

由於活動零件較多，而且這些零件暴露在高溫與排氣氣流之中，可變幾何渦輪增壓器比固定式渦輪更容易出問題。

最常見的故障是可變葉片系統卡死。此時可變渦輪無法像固定幾何渦輪那樣運作，因為葉片卡住使引擎只能在特定轉速範圍內正常工作。症狀包括明顯的性能下降，進而導致油耗增加。此外，常見的現象還有動力輸出出現跳動，或是引擎似乎推不動的死區。

與空氣流量計、EGR與顆粒過濾器一樣，可變幾何渦輪卡死的主要原因之一，是長期在市區行駛，或引擎一直在極低轉速下運轉，因為這種情況下燃燒產生的積碳最多。

因此，避免可變幾何渦輪增壓器故障的最佳方法是不要只在市區行駛，偶爾上高速或快速道路，讓引擎也在中高轉速下工作。當然，使用合適的機油並遵守保養週期同樣不可或缺。