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「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)

机械增压V.S.涡轮
原理效能大不同


大家都知道,车辆若想大幅增加动力输出,加装增压装置是最快最简单的方式,不过通常大家第一个想到的绝对会是涡轮增压,机械增压反而是大家较为陌生的改装方式,不过很多人不知道早在19世纪初,戴姆勒汽车的创始人Gottleib Daimler就首度在汽车上安装鲁式机械增压器来提升引擎性能,而涡轮增压汽油车款则是在1962年代才首度由GM推出,可见机械增压的发展历史比起涡轮增压还要早起步。最早的机械增压器是在1860年代由Philander和Francis Roots发明,也就是俗称的「鲁式」机械增压器,不过当时主要的用途是将大量空气送入矿坑中来帮助通风,直到1900年代才开始运用在汽车内燃机上;而运用在发动机上的涡轮增压概念最早出现在1905年,是由Sulzer公司的工程师Alfred J Buchi所提出并申请专利,不过早期的涡轮增压技术是运用在船舶与飞机的发动机上,一直到1970年代才出现在汽车引擎方面。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)1962年Chevrolet Corvair是首款搭载涡轮增压的汽油引擎轿车,但较首款使用机械增压的车辆还晚了60多年。

无论是机械增压或涡轮增压都拥有同样的目的,那就是将大量的空气「挤」入引擎汽缸内,来达到相同排气量自然进气引擎所无法达到的容积燃烧效率,虽然二者的目的都相同,但是所使用的原理却大异其趣,涡轮增压是利用引擎排出的废气来推动涡轮增压器,而机械增压则是利用引擎本身的输出来带动增压器工作,二者对于动力提升的效果或是输出的感受是完全不同的。在涡轮增压部分,由于是使用引擎排出的废气来驱动加压装置,可说是废物再利用的功能,对引擎原本的动力来说是没有任何的损耗,不过因为引擎排出的废气带有极高的温度与压力,这些温度与压力都会蓄积在涡轮与头段中,对于涡轮本身来说就是相当大的考验,更别说引擎室中的高热会对其他周边所产生的引响,必须对散热装置进行额外强化,此外,当引擎转速较低时,所排出废气尚无法推动涡轮叶片让进气压力达到正压时,动力反而比起自然进气的低转速还弱,一旦转速达到足以让涡轮进行增压的水準后,动力就会突如其来的涌现,这种被称作涡轮迟滞(Turbo Lag)的状态是使用涡轮增压系统不可避免的现象。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)鲁式机械增压的原理是利用二个转子将空气快速送出,过程当中并没有太多的压缩作用,因此与其说鲁式是一种增压器到不如说是送风机来的恰当。

至于机械增压器方面,乃是利用引擎曲轴普利透过皮带去驱动增压器本体,再由增压器将大量的空气送入引擎之中,目的与涡轮增压相同,但由于是使用引擎本身的动力去驱动增压器,因此会耗损掉一部分原本的动力,这就像是开启冷气或大量用电时,压缩机与发电机会耗损引擎的动力,让人会觉得车子变得比较没力一样,此外,由于机械增压器机械结构的问题,使得转速与增压效率极限没有涡轮增压器来得好,且运转时的噪音较大,这些都是机械增压器的缺点。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)鲁式增压器的转子结构较大且较重,因此增压器本身体积就会相当庞大,运转时也会造成较多的引擎负荷。

虽然机械增压系统的缺点不少,但还是有许多涡轮增压所没有的优点所在,首先是在动力输出反应方面,因为机械增压器是由引擎动力所驱动,当引擎怠速运转时就能将大量的空气持续送入引擎中,并跟随着转速而提高增压效能,因此不会出现像涡轮一样的迟滞(Lag)现象,开起来动力输出较为线性,且在一定的增压範围内也不需要洩压阀的装置;再者就是增压器本体不会与引擎大量的接触,更不像涡轮就直接安装在排气头段上,因此不会产生大量的热能,所以大部分增压值不高的的机械增压装置是不需要额外的进气冷却系统(叶片式的机械增压器除外,原因后面再述),且排气系统也不用大幅度的改造。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)从外观上分辨鲁式与螺旋式机械增压器除了看体积大小外,最简单的就是看进气口的位置,鲁式的进气口位于增压器本体的上方,而螺旋式则是在增压器的尾部。
增压器种类大不同
效能好坏各有利弊
目前市面上常见的机械增压器笔者将其区分为三种类型,分别为鲁式(Roots)、螺旋式(Screw)与叶片压缩式(Compressor Wheel),接下来分别就此三大类型的机械增压器进行说明。
鲁式机械增压器:
鲁式增压器是最早发展的一种机械增压系统,构造简单来说为一茧型外壳与内部二支转子所构成,二转子间与外壳并未接触,仅有极微小的空隙,作动时引擎动力透过皮带来带动二支转子向外侧方向旋转,转子就会将空气从增压器外壳上方的进气孔带到增压器下方,然后再通过歧管进入汽缸内部,大家可以透过图示来进一步了解鲁式机械增压器作动的方式。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)由于鲁式增压器体积大、效率不佳,因此只有美国老式大排气量的肌肉车才会使用此类的增压器设计。

关于转子的作用笔者打个比方,那就像是拿一把扇子扇风,实际作动时二支转子就是将空气「扇」入歧管中,过程里鲁式增压器只是将空气送出,本身并没有对空气进行压缩的动作,所以鲁式增压器严格来说并不算「压缩机」的一种,而比较类似容积式「送风机」的原理,实际上由于鲁式增压器不断地送入空气,因此在歧管内产生加压的现象,来达到所谓「增压」的目的。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)螺旋式机械增压器的构造类似鲁式,但其作动原理是利用二个螺旋状的转子将空气吸入并压缩,因此增压效率比起鲁式还好上许多。

了解上述的鲁式机械增压器作动原理之后,大家应该会发现到此种增压器的效率似乎不是那幺好,过去装置鲁式机械增压器的车辆通常最大压力值仅在0.3bar-0.5bar左右,就算将增压器转速加快也不见得会有更好的增压效率,此外,鲁式增压器的转子是一次次快速的将空气压入歧管内,而非连续不间断的持续气流,且增压器本体与转子体积庞大,若要提供更大的进气量必须加大增压器而非提高转速,因此效率并不高,再者增压器在运作时会发出一种特殊的噪音,所以此种增压器目前使用度较低。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)螺旋式增压器由于转子具有压缩效率,因此增压器本身的体积不用太大,而吸气口则是在尾部而非上方。
「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)从这二张图就可以看出螺旋式增压器尾部吸气与前方出气位置的结构,而二个转子必须契合但形状不见得要相同,製造上也必须需要较高的技术。
「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1) 
「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)之前相当多人使用的日本TRD机械增压套件也是採取螺旋式的设计,对于提升车辆效能有很大的帮助。
「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(1)目前VAG所推出这具搭载于S4、S5上的这具3.0升V6机械增压引擎,原厂赋予最大动力可达333hp、44.9kgm之谱。
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