機(jī)械增壓器技術(shù)原理

機(jī)械增壓器，又稱“超級(jí)增壓器”（supercharger），是一種用于內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)制進(jìn)氣裝置。與渦輪增壓器相比，最大的區(qū)別就在于空氣壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，渦輪增壓器利用引擎廢氣推動(dòng)之，而機(jī)械增壓器則利用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸產(chǎn)生的扭矩。但是，機(jī)械增壓器的設(shè)計(jì)初衷與渦輪增壓器大體相同，都是透過(guò)空氣壓縮機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)吸入更多空氣，輔以加大燃油的供給量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。常見的機(jī)械增壓器有離心式機(jī)械增壓器、雙螺旋式機(jī)械增壓器（又稱“羅茨式增壓器”或“羅茨風(fēng)機(jī)”）和“魯式”機(jī)械增壓器（Roots）。由于早期的內(nèi)燃機(jī)用增壓器全部都是機(jī)械增壓，在發(fā)明之初稱為超級(jí)增壓器（Supercharge）。后來(lái)渦輪增壓發(fā)明，為了便于區(qū)分，渦輪增壓器被稱為“Turbo Supercharger”（渦輪式機(jī)械增壓器），機(jī)械增壓則被稱為“Mechanical Supercharger”。久而久之，兩者就分別被簡(jiǎn)化為 Turbocharger 與Supercharger 了

機(jī)械增壓器（Super Charge）之特性

由于機(jī)械增壓器采用皮帶驅(qū)動(dòng)的特性，因此增壓器內(nèi)部葉片轉(zhuǎn)速與引擎轉(zhuǎn)速是完全同步的，基礎(chǔ)特性為：

引擎rpm X（R1/R2）= 增壓器葉片之rpm

R1 引擎皮帶盤之半徑

R2 機(jī)械增壓器皮帶盤之半徑

由于各類引擎的皮帶盤尺寸差異不大，同時(shí)受限于引擎安裝空間，因此機(jī)械增壓器的工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于30,00rpm，與渦輪增壓器經(jīng)常處于100,00rpm以上超高轉(zhuǎn)域的情形相去甚遠(yuǎn)，同時(shí)機(jī)械增壓器轉(zhuǎn)速是完全連動(dòng)于引擎轉(zhuǎn)速，兩者呈現(xiàn)平起平坐的現(xiàn)象，形成一組穩(wěn)定之等差數(shù)線，而且增壓器與引擎之間會(huì)互相影響，當(dāng)一方運(yùn)轉(zhuǎn)受阻的時(shí)候，必定會(huì)藉由皮帶傳輸而影響另一方的運(yùn)作，這就是機(jī)械增壓器的特性。

由于制造成本的限制，市售車輛?的引擎最高轉(zhuǎn)速多半維持在7500rpm以下，理想的機(jī)械增壓器應(yīng)該在1000rpm-7500rpm的引擎工作區(qū)域之內(nèi)，產(chǎn)生一足夠且穩(wěn)定之增壓值，讓引擎輸出提升20-40%，因此機(jī)械增壓器必須在低轉(zhuǎn)速就產(chǎn)生增壓效應(yīng)，通常引擎一脫離怠速區(qū)域，在1000rpm-1300rpm即能帶動(dòng)機(jī)械增壓器產(chǎn)生增壓效果，并延續(xù)至引擎最高轉(zhuǎn)速，因此整體增壓曲線是呈現(xiàn)一緩步上升之平滑曲線，經(jīng)由供油程序與泄壓閥的調(diào)整，即可達(dá)成“高原型”引擎輸出功率曲線的目標(biāo)。

不過(guò)看似完美無(wú)缺的機(jī)械增壓系統(tǒng)，卻有一個(gè)小問(wèn)題存在，由于機(jī)械增壓器的動(dòng)力來(lái)源完全依靠引擎帶動(dòng)，而引擎的負(fù)擔(dān)越輕，轉(zhuǎn)速提升就越快，這就是為什么比賽用房車都事先拆除冷氣壓縮機(jī)的原因，若是方程式（formula）賽車，甚至連激活馬達(dá)、機(jī)油幫浦都改成外部連接，以減少對(duì)引擎造成的負(fù)擔(dān)，因此增壓器本身的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力必須越小越好，才不會(huì)拖累引擎的工作效率。

然而增壓器產(chǎn)生的能量（增壓值）與阻力成正比關(guān)系，如果一味追求增壓值，雖然引擎輸出的能量大增，但是相對(duì)的增壓器內(nèi)部葉片受風(fēng)阻力也會(huì)升高，當(dāng)阻力達(dá)到某一界限時(shí)，增壓器本身的阻力會(huì)讓引擎承受極大的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響引擎轉(zhuǎn)速的提升，因此設(shè)計(jì)師必須在增壓值與引擎負(fù)擔(dān)之間取得妥協(xié)，以避免高增壓系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。

目前歐洲生產(chǎn)的機(jī)械增壓系統(tǒng)多半采取0.3-0.5kg/c㎡的低增壓，著重在于低轉(zhuǎn)速扭力輸出與中高轉(zhuǎn)速“高原型”馬力輸出，而臺(tái)灣“特嘉”研發(fā)的新式低阻抗增壓器可以產(chǎn)生0.6-0.9kg/c㎡的中度增壓值，動(dòng)力提升的幅度更為顯著，雖然機(jī)械增壓系統(tǒng)在現(xiàn)階段仍然無(wú)法突破1.0kg/c㎡的高增壓范圍，而渦輪增壓早已突破2.0kg/c㎡的超增壓境界，單就效率而言，渦輪增壓系統(tǒng)可以用“倍數(shù)”來(lái)提升引擎輸出，但是兩者在結(jié)構(gòu)上無(wú)法相提并論。

高增壓渦輪增壓系統(tǒng)必須讓引擎承受由負(fù)壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎旱膭×易兓c高壓，因此引擎內(nèi)部機(jī)件的材質(zhì)與加工精密度要求很高，對(duì)于冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)的要求也遠(yuǎn)較一般引擎來(lái)得高，保養(yǎng)間隔短、手續(xù)繁雜、工作壽命短..等等都是高增壓值渦輪引擎的缺點(diǎn)。

在引擎機(jī)件維持原有形式，不用額外制造高單價(jià)精密機(jī)件的情形下，機(jī)械增壓系統(tǒng)可以讓引擎動(dòng)力輸出增進(jìn)20-40%，又不至于造成維修體系的負(fù)擔(dān)，因此各大車廠在近年都有開發(fā)機(jī)械增壓引擎的計(jì)劃，例如：BENZ、Jaugar、Aston Martin..等等歐洲高級(jí)車廠都采用機(jī)械增壓系統(tǒng)來(lái)延長(zhǎng)現(xiàn)有引擎的生產(chǎn)壽命，并達(dá)成環(huán)保、省油、高效率的目標(biāo)，以大幅節(jié)省新引擎的開發(fā)費(fèi)用。

機(jī)械增壓系統(tǒng)

機(jī)械增壓器

機(jī)械增壓器是一種強(qiáng)制性容積置換泵，簡(jiǎn)稱容積泵。它跟渦輪增壓器一樣，可以增加進(jìn)氣管內(nèi)的空氣壓力和密度，往發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓入更多的空氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)循環(huán)可以燃燒更多的燃油，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率和平均有效壓力，使汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放都得到改善。 機(jī)械增壓器本質(zhì)上是一臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)，有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，每個(gè)轉(zhuǎn)子都扭轉(zhuǎn)一定的角度，例如60度以形成一個(gè)螺旋。這兩個(gè)轉(zhuǎn)子都由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)，與廢氣系統(tǒng)不相干。機(jī)械增壓器跟曲軸之間存在固定的傳動(dòng)比。這兩個(gè)相向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子各有若干個(gè)突齒，在工作時(shí)互相嚙合。扭曲的轉(zhuǎn)子跟特殊設(shè)計(jì)的進(jìn)口和出口幾何形狀相結(jié)合，有助減少壓力波動(dòng)，使空氣流動(dòng)平穩(wěn)，工作時(shí)噪聲較低。這種設(shè)計(jì)也使其效率比傳統(tǒng)的羅茨鼓風(fēng)機(jī)為高。這種帶有螺旋式轉(zhuǎn)子和軸向進(jìn)口的機(jī)械增壓器可達(dá)到14,000r/min的轉(zhuǎn)速，從而縮小了體積。它可利用出口法蘭直接通過(guò)螺栓連接到進(jìn)氣管上去。機(jī)械增壓器通過(guò)它的置換體積和皮帶傳動(dòng)比來(lái)跟發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配，同時(shí)能夠在任何發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下提供過(guò)量的空氣流。

機(jī)械增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝

機(jī)械增壓器在汽油機(jī)上的安裝情況跟渦輪增壓器一樣，也可以帶中間冷卻器。這臺(tái)機(jī)械增壓器有個(gè)特殊設(shè)計(jì)的旁通閥，它是由發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門產(chǎn)生的真空度操縱。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不需增壓時(shí)，這個(gè)旁通閥就會(huì)使增壓空氣進(jìn)行環(huán)流，以便節(jié)省能源。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)跟安裝機(jī)械增壓器的底座連成一體。由于每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都有獨(dú)特的安裝要求，所以大多機(jī)械增壓器都被設(shè)計(jì)成用于特定的發(fā)動(dòng)機(jī)。