机械增压的工作原理是?

机械增压的工作原理是?

装用在汽车上的增压器，起初都是机械增压，在刚发明时被称超级增压器(Supercharge)，后来涡轮增压发明之后为了区别两者，起初涡轮增压器被称为Turbo Supercharger，机械增压则被称为 Mechanical Supercharger。久而久之，两者就分别被简化为Turbocharger与Supercharger了! 机械增压器压缩机的驱动力来自发动机曲轴。一般都是利用皮带连接曲轴皮带轮，以曲轴运转的扭力带动增压器，达到增压目的。根据构造不同，机械增压曾经出现过许多种类型，包括:叶片式(Vane)、鲁兹(Roots)、温克尔(Wankle) 等型式。不过，现在较为常见的为前两种。 鲁兹增压器有双叶、三叶转子两种型式，目前以双叶转子较普遍，其构造是在椭圆形的壳体中装两个茧形的转子，转子之间保有极小的间隙而不直接接触。两转子借由螺旋齿轮连动，其中一个转子的转轴与驱动的皮带轮连接，转子转轴的皮带轮上装有电磁离合器，在不需要增压时即放开离合器以停止增压。离合器的开合则由计算机控制以达到省油的目的。 而叶片式( 亦有称为涡流式) 的本体就是属于叶片式本体的一种。其运作方式主要是利用三个可根据不同离心力而改变转速的行星齿轮组带动进气叶片。透过齿轮组与叶片轴心的相互磨擦，提高轴心转速并进一步提高进气叶片的速度，以获得持续不断的增压反应。换句话说，就是发动机转速愈高，进气叶片的转速也能跟着提高。 机械增压的特性: 机械增压与涡轮增压在动力输出上有着明显的区别，前者有接近自然进气的线性输出，而后者则因为有涡轮迟滞的现象，出力相对多一点突兀，没那么线性。 因为机械增压的作动原理，使其在低转速下便可获得增压。增压的动力输出也与曲轴转速成一定的比例，即机械增压引擎的动力输出随着转速的提高，也随之增强。因此机械增压引擎的出力表现与自然气极为相似，却能拥有较大的马力与扭力。 由于机械增压器采用皮带驱动的特性，因此增压器内部叶片转速与引擎转速是完全同步的，基础特性为: 引擎rpm X(R1/R2)= 增压器叶片之rpm ??R1 引擎皮带盘之半径 ??R2 机械增压器皮带盘之半径 而机械增压器由于利用引擎转速来带动机械增压器内部机构。其整体结构简单，工作温度介于70℃ -100℃，比起靠废气驱动的涡轮增压器的400℃ -900℃的高温工作环境要舒服得多。因此，机械增压系统对于冷却系统、润滑系统的要求与NA 引擎基本相同，机件保养程序也大同小异。 此外，机械增压优点为体积小，不需修改引擎本体、安装容易，因此在美国的改装界也颇受欢迎。原本为大排气量NA 设计的车辆，尤其适合改装。 房车赛的赛车在改装时要拆除空调压缩机，而方程式(Formula)赛车，甚至连启动马达、机油泵都改成外部连接，目的都是为了减少对引擎造成的负担。 依靠发动机动力带动的机械增压器，与以上部件一样，都会给发动机带来额外的负担。因此，增压器本身的运转阻力必须越小越好，才不会拖累引擎的工作效率，发动机转速提升才能更快。 然而，机械增压器的进风量与阻力成正比关系。当使用高增压时，虽然引擎输出的能量大增，但相对增压器内部叶片受风阻力也会升高，当阻力达到某一界限时，这个阻力会使引擎承受极大的负荷，严重影响转速的提升。因此，机械增压必须在增压值与引擎负荷间取得平衡，以避免高增压带来的负面效应。 目前，欧洲设计的机械增压多为介于0.3-0.5bar的低增压，着重在低转速扭力输出与中高转速“高原型”马力输出。而台湾“特嘉”研发的新式高效率增压器可以产生0.6-1.2bar 的中度增压值，动力提升的幅度更为显著。虽然机械增压系统在现阶段仍然无法突破1.5bar 的高增压范围，而涡轮增压早已突破2.2bar 的超高压境界，单就效率而言，涡轮增压系统可以用“倍数”来提升引擎输出，但要付出的金钱、维护，以及周边整合也是机械增压的数倍，孰优孰劣，就请各位读者自行评断。 机械增压: 针对自然进气(NA)引擎在高转速区域会出现进气效率低落的问题，从最基本的关键点着手，也就是想办法提升进气歧管内的空气压力，以克服气门干涉阻力，虽然进气歧管、气门、凸轮轴的尺寸不变，但由于进气压力增加的结果，让每次气门开启时间内能挤入燃烧室的空气增加了，因此喷油量也能相对增加，让引擎的工作能量比增压之前更为强大，这就是增压(Charge)的基本原理。 现今运用在汽车的增压系统有两大主流 机械增压(Super Charge)、涡轮增压(Turbo Charge) 本文将机械增压方式，并分析其优缺点。 机械增压器(Super Charge)之构造 机械增压器采用皮带与引擎曲轴皮带盘连接，利用引擎转速来带动机械增压器内部叶片，以产生增压空气送入引擎进气歧管内，整体结构相当简单，工作温度界于70℃-100℃，不同于涡轮增压器靠引擎排放的废气驱动，必须接触400℃-900℃的高温废气，因此机械增压系统对于冷却系统、润滑油脂的要求与NA自然进气引擎相同，机件保养程序大同小异。 机械增压器(Super Charge)之特性 由于机械增压器采用皮带驱动的特性，因此增压器内部叶片转速与引擎转速是完全同步的，基础特性为: 引擎rpm X(R1/R2)= 增压器叶片之rpm R1 引擎皮带盘之半径 R2 机械增压器皮带盘之半径 由于各类引擎的皮带盘尺寸差异不大，同时受限于引擎安装空间，因此机械增压器的工作转速远低于30,000rpm，与涡轮增压器经常处于100,000rpm以上超高转域的情形相去甚远，同时机械增压器转速是完全连动于引擎转速，两者呈现平起平坐的现象，形成一组稳定之等差数线，而且增压器与引擎之间会互相影响，当一方运转受阻的时候，必定会藉由皮带传输而影响另一方的运作，这就是机械增压器的特性。 由于制造成本的限制，市售车辆的引擎最高转速多半维持在7500rpm以下，理想的机械增压器应该在1000rpm-7500rpm的引擎工作区域之内，产生一足够且稳定之增压值，让引擎输出提升20-40%，因此机械增压器必须在低转速就产生增压效应，通常引擎一脱离怠速区域，在1000rpm-1300rpm即能带动机械增压器产生增压效果，并延续至引擎最高转速，因此整体增压曲线是呈现一缓步上升之平滑曲线，经由供油程序与泄压阀的调整，即可达成“高原型”引擎输出功率曲线的目标。 不过看似完美无缺的机械增压系统，却有一个小问题存在，由于机械增压器的动力来源完全依靠引擎带动，而引擎的负担越轻，转速提升就越快，这就是为什么比赛用房车都事先拆除冷气压缩机的原因，若是方程式(formula)赛车，甚至连激活马达、机油帮浦都改成外部连接，以减少对引擎造成的负担，因此增压器本身的运转阻力必须越小越好，才不会拖累引擎的工作效率。 然而增压器产生的能量(增压值)与阻力成正比关系，如果一味追求增压值，虽然引擎输出的能量大增，但是相对的增压器内部叶片受风阻力也会升高，当阻力达到某一界限时，增压器本身的阻力会让引擎承受极大的负担，严重影响引擎转速的提升，因此设计师必须在增压值与引擎负担之间取得妥协，以避免高增压系统带来的负面效应。 目前欧洲生产的机械增压系统多半采取0.3-0.5kg/c㎡的低增压，着重在于低转速扭力输出与中高转速“高原型”马力输出，而台湾“特嘉”研发的新式低阻抗增压器可以产生0.6-0.9kg/c㎡的中度增压值，动力提升的幅度更为显著，虽然机械增压系统在现阶段仍然无法突破1.0kg/c㎡的高增压范围，而涡轮增压早已突破2.0kg/c㎡的超增压境界，单就效率而言，涡轮增压系统可以用“倍数”来提升引擎输出，但是两者在结构上无法相提并论。 高增压涡轮增压系统必须让引擎承受由负压转变为正压的剧烈变化与高压，因此引擎内部机件的材质与加工精密度要求很高，对于冷却、润滑系统的要求也远较一般引擎来得高，保养间隔短、手续繁杂、工作寿命短..等等都是高增压值涡轮引擎的缺点。 在引擎机件维持原有形式，不用额外制造高单价精密机件的情形下，机械增压系统可以让引擎动力输出增进20-40%，又不至于造成维修体系的负担，因此各大车厂在近年都有开发机械增压引擎的计划，例如:BENZ、Jaugar、Aston Martin..等等欧洲高级车厂都采用机械增压系统来延长现有引擎的生产寿命，并达成环保、省油、高效率的目标，以大幅节省新引擎的开发费用。 机械增压的种类 机械增压共分为3类 离心式机械增压(Centrifugal Superchargers):这种机械增压与涡轮增压很像，只不过它不是用发动机的废气驱动，而是用发动机的皮带带动。它和涡轮增压增压原理相同，吸入空气靠离心力把空气加压，以达到压缩空气的目的。 基本式机械增压(Roots Superchargers):你经常能在60到70年代的肌肉车上看到看到这东西，它从发动机盖上的突非常明显，正如图中这辆野马跑车一样。这种机械增压将空气吸入增压器内部，有两个螺旋状叶片将空气压缩，之后送到进气歧管里。这种机械增压能提供强大的扭矩输出。它在加速比赛和街道竞赛中十分流行。 螺旋式增压器(Screw Superchargers):这个形式的增压器是基本型的派生出来的，而且也长得很像，但它们的吸气压缩方式却截然不同。当空气被吸入增压器时，被螺旋状叶片强压入进气歧管内。这种形式的增压器对于提升各个转速的马力都很有效