2021-02-22 51

合成油並非萬靈丹,面對上千度的渦輪增壓高溫,任何油品都無法直接承受長期的煎熬。合成油比起礦物油有幾十度的高溫優勢,可以有效抑制並延緩高溫的衝擊,是渦輪增壓引擎的最佳拍擋。不過良好的駕駛習慣和定期的換油保養仍舊是最關鍵且不可忽略的。摘自石油情報,作者:吳世榮

渦輪增壓器


渦輪增壓器基本上是相當簡單的構造,由引擎排放的廢氣來驅動渦輪葉片,再經過中心軸連動另一端的壓縮葉片,迫使新鮮空氣在高壓力下進入引擎。通常壓縮端裝置在空氣濾芯和進氣歧管之間,而渦輪端則在排氣歧管和排氣尾管間。由於是以高壓將大量的空氣壓縮進入引擎燃燒室,能混合較多的燃油並且有效的燃燒,所以可產生較大的動力。



這種增壓的觀念其實早在第一次世界大戰時期的航空器便開始使用。因為在相當的高度時,空氣的密度亦相對減低,自然進氣的引擎能吸入引擎燃燒的空氣也隨之減少,所以引擎動力大幅下降。一般而言,高度上升1,000英呎空氣的密度相對下降約3%左右。 所以當飛機於10,000英呎上空飛行時,以自然進氣只能吸入原引擎設計在地平面上運轉時的七成空氣,因此須藉由增壓器的作用,使得引擎有足夠的空氣燃燒,而可以維持一定的動力。

隨後為了賽車和高效引擎的研發,汽車引擎陸續採用脈瓣式或離心式增壓器輸送較多的空氣或混合氣進入汽缸。這些利用引擎曲軸及齒輪組帶動的機械式增壓裝置,在以引擎數倍的旋轉速度運轉增強動力的同時,也消耗了引擎本身部分的動力。接著,使用排放廢氣來推動的渦輪增壓裝置被開發了出來,由於使用的是排放廢氣為動力,所以理論上並不會對引擎原有的動力有任何的減損。但是排放的廢氣帶來極高溫的作業環境,卻是渦輪增壓裝置必需面對和克服的一項最主要難題。



渦輪增壓裝置的故障

渦輪增壓裝置基本上並不需要特別的維護保養,但是為確保長期穩定的運轉,需注意持續供應潔淨優質的引擎滑油及空氣,幾乎所有的渦輪增壓裝置故障都歸因於這兩部分的缺失。

先談談滑油的問題,渦輪增壓裝置需依靠乾淨滑油的持續供應來作為潤滑和冷卻之用。渦輪增壓全速運轉時高達200,000rpm的轉速,渦輪及壓縮葉片轉軸由兩銅套軸承支撐,渦輪增壓裝置運轉時,需來自曲軸箱的高壓滑油經油道不斷的供給,使銅套軸承浮在滑油膜上高速旋轉,以減除摩擦。

除了潤滑之外,更重要的是迅速的帶走渦輪端軸承的高熱。因為引擎的排放廢氣雖可驅動渦輪葉片,但其溫度動輒600℃~700℃,甚至於1,000℃。這樣的嚴苛條件下,即便是短暫的油壓不足,都可能造成無法彌補的損壞。

一般而言,因潤滑問題導致渦輪損傷的原因是:1)滑油供給遲滯2)滑油污染和3)滑油循環不良。

滑油供給遲滯發生於引擎剛啟動時,低溫滑油黏度較稠,流經渦輪軸承的速度較慢,無法有效的將軸承撐起浮於油膜層上。此時如果立即猛加油門讓引擎高速運轉,軸承和轉軸間不當磨損無可避免,久而久之軸承的損壞就浮現。

不潔的滑油對任何引擎而言都是問題。高速的渦輪增壓裝置更容易因滑油裡的污染粒子而產生磨損。吸入空氣濾清不良,滑油及油濾芯未定期更新,都會使滑油遭受污染,導致軸承轉軸及機罩快速磨損,而且千萬不能小覤這些微小的磨損,因為高速運轉極易造成軸封漏油,隨後震動平衡不良,將使渦輪和壓縮葉片打到機罩,嚴重損毀渦輪增壓器。為了對付滑油的污染問題,最簡單的方法便是依照原廠的建議定期換油保養,同時更換濾油芯,以確定引擎滑油隨時保持良好的狀況。更有廠家在渦輪增壓器之前額外加裝濾油器以保證滑油的潔淨。

雖然滑油供給遲滯及污染都是問題,但滑油最嚴重的是焦化問題。

焦化肇因於渦輪增壓引擎在高速運轉後立即關機,軸承罩的高溫無法藉由滑油的流動持續帶走而降溫,停留於軸承罩裡頭的滑油因此逐漸的燒焦且裂解,最後在渦輪增壓器的油道內表層形成一層焦化的積垢,這積垢層不僅破壞潤滑造成軸承的拉痕,並且阻礙滑油的熱傳效果,使積碳焦化加劇。如果問題持續惡化,最終滑油道將完全堵塞,而渦輪增壓器毀損。面對渦輪端的高溫難題,大型渦輪增壓引擎率先採用循環水道,以水冷方式來降低渦輪增壓中央心軸的高溫。這種水冷系統可以降低中央機罩的溫度達100℃,所以隨後水冷系統成為渦輪增壓器的標準設計。以上的故障原因都來自滑油供應系統的缺憾。

接著我們再進一步從空氣的供給系統來探討。渦輪增壓引擎進氣系統最重要的組件是高品質的空氣濾芯。轉速高達200,000rpm的壓縮端進氣氣流裡,任何細微的灰塵砂粒都足以產生嚴重的磨損。這些含有堅硬粒子作為磨料的磨損,如果持續進行,將會使壓縮輪葉腐蝕,降低渦輪增壓器的效率。再者,如果磨耗不均輪葉失衡,震動的結果損傷渦輪增壓軸承,最終整個渦輪增壓器損毀。

長期有不潔的空氣夾帶著細微的灰塵粒子會損壞渦輪增壓器,可是單一的硬塊或小石礫進入渦輪增壓的進氣口,瞬間就可造成相同程度的損毀。當檢查出壓縮輪葉片有彎曲或破裂的情形,則可確定是有較大的硬物侵入渦輪增壓器造成的現象。


另一進氣系統常見的問題是空氣濾清器的堵塞。這種情況會使空氣清淨系統和渦輪增壓器進氣口之間產生壓差,滑油經壓縮端的軸封被吸入引擎裡,接著吸入的滑油燃燒使排氣冒煙,同時渦輪增壓器無法吸入足量的空氣來提升燃燒動力。進氣量由引擎速度、燃油密度和噴射系統來控制的設計,空氣濾清器的堵塞會造成過量的燃油混合比。 然而較進步的空氣總流量系統設計,雖可維持正確的油氣混合比,但仍會有明顯的動力損失。


良好的操作習慣


談了這麼多的渦輪增壓器可能出現的毛病後,我們再來探討有效的對策,以免除這些問題。首先從駕駛人開始檢討是最佳的方向。



之前提過渦輪增壓器除了配合精密的軸承外,基本上不是很複雜的設計,只是運轉上的高速及高溫是和傳統自然進氣及機械增壓截然不同的,更麻煩的是這些困難並非現有潤滑相關產品及設計可輕易解決的,而良好的操作條件和使用習性反倒是最佳的解決之道。以下建議渦輪增壓引擎標準的操作程序:

+冷車啟動的引擎,避免立即高速運轉。

理想的潤滑是讓軸承浮在滑油膜上高速旋轉,所以讓引擎於中低速運轉片刻,達到正常的工作溫度後,滑油黏度降低,能快速的通過軸承處,將軸承撐起以減除摩擦阻力並順暢運轉。

+引擎高速運轉之後,應有適當的緩和時間,讓渦輪增壓心軸處的高溫冷卻再關掉引擎。 大部分的渦輪增壓器都有滑油延遲裝置,在引擎熄掉之後持續循環幾分鐘,然而這和幾十分鐘的低速或怠速運轉效果自然是相去甚遠。

+ 同樣的關掉引擎之前,切勿拉高引擎轉速。 這可能使滑油供給瞬間不足,造成軸承損傷。

+ 確實遵循保養手冊的建議定期維修保養。 可能的話儘量縮短保養間隔,尤其是比較嚴苛的駕駛狀況。



渦輪增壓引擎的潤滑油

如何確保渦輪增壓器的效能及壽命,最重要的是正確的選用滑油並定期更換。 滑油的選擇需遵照原廠所指定或建議的品級,其不外乎美國石油學會(API)的服務品級分類和汽車工程師協會(SAE)的黏度級數。

無論是汽油或柴油引擎,原廠大都會建議選用美國石油學會(API)的最高服務品級分類滑油,例如:API SJ/SL或API CH-4/CI-4 等等,分別給予汽油或柴油引擎應用,以提供最佳的保護。有些知名廠家甚至有特別的規範,要求在抗氧化,抗高溫,抗磨損和維持潔淨方面進一步的保護。滑油品級的要求隨著更新的引擎設計而不停的往上提升。

另外正確的SAE黏度選擇其重要性絕不亞於API的服務品級分類。黏度太稀,固然不足以保護高速高負載下的運轉;但是黏度過於濃稠,會造成供油遲滯,潤滑不良,在低溫狀況時尤其嚴重。翻開原廠的滑油黏度建議,絕大多數的廠家都推薦複級油,且傾向低黏度,例如:10W-30,5W-40,5W-30,0W-40等。 而早在80年代,歐美的柴油引擎製造商即推薦複級油15W-40作為一般環境下的應用。

在渦輪增壓尚未普遍出現於柴油引擎商用車的時期,僅有極少數柴油車開始使用複級油。部分製造商不建議複級油用於中大型高速柴油引擎,理由是複級油所含的黏度指數增進劑(VI)不堪長期高溫重荷,會率先劣化焦結積垢。

其實這是針對船舶高速柴油引擎的使用,陸上車用引擎維持定期換油的保養習性時,則無此顧慮。況且持續研發的添加劑技術,通過API的服務品級分類及各車廠的嚴苛規範要求,已足以應付定期保修模式下的各種考驗了。

反倒是俗稱「油精」的市售添加劑,在添加使用後,對渦輪增壓車種所產生的後遺症遠超過在一般自然進氣引擎造成的問題,應絕對避免。

整體來說,柴油引擎商用車除了少數頂級合成油品以外,複級油黏度15W-40是不二選擇。 而具備渦輪增壓的汽油引擎,上述低黏度複級油是絕對正確的。 少數追逐極致動力的改裝引擎,或許傾向於高黏度油品,那另當別論。

接下來談談合成油的使用。合成油是否提供渦輪增壓引擎較好的保護,答案是肯定的。合成基礎油具有先天的高黏度指數,所以配方裡的黏度指數增進劑(VI)含量相對減除。當然合成油優異的抗高溫特性可抑制劣化的進展,不過要特別強調的是,合成油並非萬靈丹,面對上千度的渦輪增壓高溫,任何油品都無法直接承受長期的煎熬。合成油比起礦物油有幾十度的高溫優勢,可以有效抑制並延緩高溫的衝擊,是渦輪增壓引擎的最佳拍擋。不過良好的駕駛習慣和定期的換油保養仍舊是最關鍵且不可忽略的。