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「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(2)

螺旋式机械增压器:

螺旋式机械增压器的外观与构造都跟鲁式压器相当接近,严格来说此类机械增压器是由鲁式增压器进化而来的,虽然同样都是由茧型外壳与二支转子所构成,不过这二支转子为相互契合的螺旋状外型(二支螺旋转子外型不一定相同),且与鲁式增压器的转子一样都不互相接触,而二支转子的运转方向与鲁式增压器相反,是朝内侧方向旋转,在旋转的同时会将空气由增压器本体的后方吸入,并透过转子将空气压缩并向前方送出,然后加压后的空气再进入歧管、汽缸内与汽油混和燃烧,如此来达到增压的效果。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(2)由这二张图可以看出,所谓离心式机械增压器驱动端并不与叶片在同一轴心上,内部是透过齿轮来提高涡轮转速,但这种设计齿轮会较容易磨损,且转速通常都不会超过四、五万转,因此这样的设计已渐渐被淘汰。

虽然外观相似,但螺旋式机增压器的效能比起鲁式来说进步许多,因为螺旋转子对空气有加压的作用,因此在效率上比起鲁式要优异不少,也不需要更大的体积即可达到较多的进气量,而此款增压器所提供的最大增压值,也由鲁式的0.3bar-0.5bar左右提高到0.5bar-0.8bar的水準,经过改装后甚至能冲到1.0bar,因此目前较新的原厂机械增压车款都会採用螺旋式机械增压器。螺旋式机械增压不但解决了鲁式体积大、效率不佳的问题,还可提供稳定持续的出风量,不过与鲁式相同的运转噪音式机械结构方面无法解决的问题,此外,製造转子需要相当精密的加工才能达到理想的效率,无形之中也提高了成本,再加上进气歧管必须依车种不同来个别开模生产,因此一组品质良好的螺旋式机械增压套件的价格通常都不会便宜到哪去。

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叶片压缩式机械增压器:

叶片式机械增压器猛一看与涡轮外型差不多,事实上此类增压器採用与涡轮相同原理的叶片式空气压缩机(Compressor),不过在驱动端方面是採用引擎本身的动力,而非涡轮使用排出的废气来提供驱动力。叶片式机械增压器的压缩机形式虽然与涡轮相同,但碍于驱动端机械方面的物理极限,最高转速一般来说约在每分钟5-6万转左右,与涡轮动辄10-20万转相比可说是小巫见大巫,不过目前可透过改进叶片的形状以及提高驱动端的转速效率,进而达到更高的增压值。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(2)虽然行星式的驱动端结构较离心式複杂,但齿轮强度与增压器转速都优于离心式,但磨损与噪音的问题还是依旧存在。

目前叶片式机械增压器是比较热门的机械增压形式,除了增压效率优于鲁式或螺旋式增压器外(约可提供0.5bar-1.5bar的增压值),体积较小也适合大部分的车款使用,且叶片式机械增压器就像涡轮一样可模组化大量生产,周边套件的开发成本也比较低廉,不过由于此类增压器与涡轮相同在增压时会提高进气空气温度,必须搭配进气冷却器来使用,不过考量到效率与成本因素,叶片式机械增压器已渐渐成为未来的主流。

叶片式机械增压器在进气端各家厂牌都大同小异,不过在驱动端部分确有不同的设计,这会影响增压器本身的运作效能,在此笔者依不同的设计方式再进行区分。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(2)牵引式机械增压器的运作原理与行星式相同,只不过将原本的齿轮换成平滑的转子,再靠内部的高张力油品来提供驱动时的牵引力,好处式噪音小、不易磨损,但由于油品的牵引力有其极限,因此转速也不会比行星式快。

第一种称为「离心式机械增压器」(Centrifugal),此类设计的驱动端与进气叶片并不在同一轴心上,而是透过驱动端内部的齿轮去带动进气叶片轴心的齿轮,通常这类增压器为了提高齿轮比来增加涡轮转速,在无法加大齿轮的前提下都会增加齿轮的齿数,如此会造成齿轮耐用度的问题,此种增压器目前比较少见到。

第二种称为「行星式机械增压器」(Planetary),这种驱动端的设计是与进气叶片在同一轴心上,而驱动端内部採用三颗一组的行星齿轮,当外盘经由引擎透过皮带转动时,就会带动行星齿轮转动进气叶片轴心,这种设计最大的好处就是能够让进气叶片的转速更高(约可到达7-8万转左右),且各齿轮的齿距比起离心式也较大较坚固,耐用度会比前者好上许多,但毕竟齿轮之间还是会接触,使用了一段时间之后还是会有磨损的问题。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(2)HKS GT系列机械增压器为了解决牵引力不足造成转速无法提升的问题,因此将内部转子设计成一大二小来增加牵引力,因此叶片轴心不在驱动端的中心位置,因此HKS又将这款增压器称为偏心式增压器。

最后一种称为「牵引式机械增压器」(Traction),基本的构造与行星式相同,但碍于行星齿轮较易损耗的问题,因此将外盘、行星齿轮与轴心改为平滑的转子,内部则是使用压力黏度係数高的特殊油品,在运转时压力上升后油膜变化产生较大的摩擦力,进而驱动进气叶片轴心来达到增压的动作,比起行星齿轮的摩擦驱动,此类增压器驱动机构几乎不会发生磨损,让使用寿命延长,且减少震动、噪音的问题,这是目前最佳的机械增压设计之一。

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总结:
一般人总会人为机械增压的动力输出效能值远不如涡轮增压,不过看看M.Benz SLR、Koenigsegg CCX/CCR、Ford F40/Shelby GT500、Chevrolet Corvette ZR1这些怪兽等级的梦幻超跑,通通都是使用机械增压来达成超暴力的动力表现,再看看日本D1,今年谷口信辉所驾驶的HKS GT86甩尾厂车,不也是使用机械增压系统吗?涡轮增压有容易提升动力的优点,而机械增压同样可以达到相同的动力表现,但机械增压的线性输出特性,那就不是涡轮增压所能办到的!所谓青菜萝蔔各有所好,喜欢暴力输出的就选涡轮,喜欢动力输出较为线性的,机械增压绝对是较好的选择。

「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(2)由于叶片式增压器具有大幅压缩空气的功能,进而造成较高的进气温度,因此这类的套件必须搭配进气冷却器来使用。
「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(2)由于叶片式机械增压器的转速不如涡轮来得高,若使用涡轮的进气叶片会无法达到最佳效率,因此这类增压器的叶片都会採取较多的叶片数与较大的面积,来达到最佳的进气效果。
「超级」增压超给力 机械增压原理剖析(2)谁说涡轮一定比机械增压好?看看美国的平民超跑Chevrolet Corvette ZR1就是採用螺旋式增压器来提升性能,以达到638匹最大马力与83.9kgm扭力的惊人数据。
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