學習理工的人，對「渦輪增壓器，Turbo Charger」大概都會有一點點印象，但是卻又不是那麼清晰，至於在意愛車性能的改車發燒友，在引擎上加裝「渦輪增壓器」，除了提升引擎的馬力之外，少數有「炫耀」的成分參雜其中。我知道的是，有些車友想在「渦輪增壓器」鑽一些洞，為的是可以讓「渦輪增壓器」發出聲響，這麼做的用意是「召告天下」，並不在意這樣會降低「增壓器」的效能。

「渦輪增壓器」是一種增加引擎氧氣供應量的發明（圖一，藍色彎曲箭頭所示），它的動力來源，是利用引擎燃燒之後的廢氣（圖一，紅色彎曲箭頭所示）。

圖一

圖片來源：http://www.kadekticaret.com/whatisaturbocharger.htm

圖二是一具引擎裝上裝上「渦輪增壓器」的大概長相，而圖三是顯示那些用紅色表示的廢氣是怎麼樣集合後送進「渦輪增壓器」。圖四則是加入了「渦輪增壓器」的引擎的運作方式。現在如果從後知後覺的角度觀察這個發明，好像沒有新奇之處，但是為什麼它並不是一般鐵工廠可以輕鬆製造出來，因為它需要夠格的冶金技術，夠好的加工精度，才可以應付攝氏一千多度的操作溫度以及每分鐘十幾至二十幾萬轉的轉速。
　　
圖二

圖片來源：https://switchbackroad.wordpress.com/2012/02/07/essential-parts-1-turbochargers

圖三

圖片來源：http://www.ipdusa.com/techtips/10079/understanding-turbo-boost

圖四

圖片來源：http://carsearchonline.blogspot.tw/2010/12/turbocharger-of-cars.html

圖五

圖片來源：Wiki

圖五是車用「渦輪增壓器」的剖面，用顏色來表示工作時溫度的高低，所以紅色代表溫度最高的區域，是承受高溫廢氣的「渦輪，Turbine」所在的位置。而另一端藍色的部分溫度不高，功用是將外界的空氣帶入引擎之中，稱作「Compressor」。兩者之間用「軸」（Shaft）連接，因為軸需要高速轉動，不可以少了「軸承，Bearing」，整套零件運行的時候，還是得穿上外套，所以「外殼」Housing是不可以少的。

以下是整組車用「渦輪增壓器」所用到的材料

• Turbine Housing
  • 柴油引擎Diesel Engine – High alloy casting (D2, D5)
  • 汽油引擎Gasoline Engine – Austentic cast steel + high Ni-Cr
• Turbine (Wheel) – Heat resistance Ni based alloy
• Bearing Housing – Gray cast iron
• Compressor – 鋁合金 ( 355, 354) , 鈦合金 (TiAl6V4)
• Compressor Housing –鋁合金(356)
• Bearings－Dual bearing in cartridge
• Shaft －不銹鋼，Stainless Steel

可以注意到「渦輪增壓器」的核心－Turbine (Wheel)已經不再使用鋼材，而是使用鎳（Ni）合金來對抗工作時的高溫。

誰熱衷使用「渦輪增壓器」？

歐洲人喜歡用「渦輪增壓器」，2014 當年生產的「渦輪增壓器」大約44%用在歐洲車上，可以想像的，最浪費能源的美國佬則是最不熱衷這玩意，當年生產的「渦輪增壓器」，大約只有16%用在美國車上。

表一、渦輪增壓器使用地區分佈

資料來源：http://beforeitsnews.com/.../2892136.html

「渦輪增壓器」的市場那塊餅有多大？

「渦輪增壓器」的市場的需求是往上的，這一點從越來越多的車子將這一個裝備列為標準配備這一點可以看出端倪，市面研究機構的估計，銷售金額年成長率約為10%，預估到達2019年的時候，全球有181億美元的銷售金額，共約生產四千九百萬組的「渦輪增壓器」。

哪些車會配備「渦輪增壓器」？

這個問題的答案可能與你想的不太一樣。「渦輪增壓器」配備在「小車」上更有價值，從真正的數據上也可以看出這樣的趨勢。如果氣缸數越多代表車子越大，從真正裝機的數量來看，兩氣缸至四氣缸的裝機比例是明顯上升的。而六氣缸的大車裝機比例是下降的。

表二、渦輪增壓器的裝機數量

資料來源：http://www.just-auto.com/analysis/new-suppliers-enter-turbocharger-market_id106238.aspx

「渦輪增壓器」有哪些供應商，誰是領頭羊？

以下是一些「渦輪增壓器」的供應商，主要還是分布於工業先進的美國，德國及日本：

• Borgwarner Inc.
• Cummins Inc.
• Honeywell International Inc.
• IHI Corporation
• Mitsubishi Heavy Industries Ltd.
• Bosch Mahle Turbosystems
• Continental AG

對於不熟悉這個行業的人，聽到領頭羊是誰，可能會讓你頗感意外。Honeywell在不少人的記憶中，是電腦設備或是空氣清淨機的供應商，但是當它與「Allied Signal」和「Garrett」合併之後，它成為「渦輪增壓器」的領導廠商，在全球的市佔率大約有四成。「Garrett」是誰，少有人知，但是如果告訴各位，它是IDF（經國號）戰機的引擎供應商，大概不少人覺得它熟悉多了。

「渦輪增壓器」是哪一類的產品？

這個問題的意思是，「渦輪增壓器」是不是一種仍然有不斷創新的產品？
專利的申請，代表研發的成果，希望得到國家的保護。這個時候，用專利分析的角度，來審視這個問題，是一種不錯的選擇。所以在專利資料庫中，把Honeywell 公司申請的專利，與「渦輪增壓器」有關的部分，拿來分析一下，看看會得到什麼？我用「Turbo」以及「Turbine」當作關鍵字，知道這個公司有五百多件專利與「渦輪增壓器」有關，代表Honeywell公司在這方面研發的成果。把年分與專利申請件數當成橫軸及縱軸製成一張表（表三），很容易的看出專利申請量在2007年到達高峰之後，便呈下滑的趨勢。這樣的趨勢至少代表了在2007年之後，Honeywell公司在「渦輪增壓器」這方面的新想法變少了。

表三、Honeywell「渦輪增壓器」專利申請件數趨勢
 
資料來源：USPTO

對照市場的現況，「渦輪增壓器」的發明也有數十年的歷史，除非另有革命性的發展，這種趨勢也不令人感到意外。如果從這些專利的內容分析，所占數目最多的，是「渦輪增壓器」零件安排的改善，以及與渦輪葉片有關的改善。

「渦輪增壓器」有哪幾類改進？

「渦輪增壓器」的目的，是利用廢氣做為提高引擎效率的原料，而「渦輪增壓器」本身耐用的程度、效率的高低以及是不是容易控制，都是各個廠家在銷售自家　「增壓器」時候的賣點。實務上，使用更強韌耐熱的材料增加「渦輪增壓器」的壽命自然不在話下，而設計「增壓器」的工程師，在整個產品設計上所做的努力至少有以下幾項，如果用以下圖六和圖七這個專利申請的例子來看，各位可能發現「渦輪增壓器」並不只一組，而是兩組（圖七「1」及「2」所標示的位置），而在一大堆「箭頭」標示前進方向的管路中，也增加了控制閥門（圖七「05」及「12」所標示的位置），這些閥門稱作「Wastegate」。「Wastegate」的功效，就是增加「渦輪增壓器」的可控制性。

圖六 資料來源：USPTO

圖七 資料來源：USPTO

另外一種稱作Variable Geometry Variable Nozzle Turbocharger（VGT / VNT ），運作的概念如圖八、圖九所示，其實也就是在「渦輪增壓器」中增加更多的控制面，控制氣流的方向和大小。

圖八 Low Exhaust Flow VGT Position	圖九 High Exhaust Flow VGT Position
圖片來源：http://www.epi-eng.com/piston_engine_technology/turbocharger_technology.htm

「渦輪增壓器」可能的對手是誰？

對於燃燒燃料的內燃機引擎，「渦輪增壓器」總是有使得上力的地方，幫助引擎增加效率、推動汽車、節省能源。但是如果推動汽車的不再是內燃機引擎，而改成電池呢？是的，電動車是「渦輪增壓器」明顯但非立即的對手。一旦電池的技術能有突破，類似充電站的基礎設施有進步，預期將會給「渦輪增壓器」的銷售量，蓋上一個難以突破的屋頂。

作者： 林士強 現任： 北美智權 教育訓練處 專利工程研究員 經歷： 法商台灣康旭 研發工程處 專案經理 中科院飛彈製造中心 專案工程師 聖荷西州立大學機械研究所碩士 專長： 機械、供應鏈管理、專案管理

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