自然吸氣發(fā)動機，渦輪增壓發(fā)動機，機械增壓發(fā)動機各有什么優(yōu)劣勢

【專家解說】：機械增壓 　　針對自然進氣（NA）引擎在高轉速區(qū)域會出現(xiàn)進氣效率低落的問題，從最基本的關鍵點著手，也就是想辦法提升進氣歧管內(nèi)的空氣壓力，以克服氣門干涉阻力，雖然進氣歧管、氣門、凸輪軸的尺寸不變，但由于進氣壓力增加的結果，讓每次氣門開啟時間內(nèi)能擠入燃燒室的空氣增加了，因此噴油量也能相對增加，讓引擎的工作能量比增壓之前更為強大，這就是增壓（Charge）的基本原理。 　　現(xiàn)今運用在汽車的增壓系統(tǒng)有兩大主流 　　機械增壓（Super Charge）、渦輪增壓（Turbo Charge） 　　本文將機械增壓方式，并分析其優(yōu)缺點。 　　機械增壓器（Super Charge）之構造 　　機械增壓器采用皮帶與引擎曲軸皮帶盤連接，利用引擎轉速來帶動機械增壓器內(nèi)部葉片，以產(chǎn)生增壓空氣送入引擎進氣歧管內(nèi)，整體結構相當簡單，工作溫度界于70℃-100℃，不同于渦輪增壓器靠引擎排放的廢氣驅(qū)動，必須接觸400℃-900℃的高溫廢氣，因此機械增壓系統(tǒng)對于冷卻系統(tǒng)、潤滑油脂的要求與NA自然進氣引擎相同，機件保養(yǎng)程序大同小異。 　　機械增壓器（Super Charge）之特性 　　由于機械增壓器采用皮帶驅(qū)動的特性，因此增壓器內(nèi)部葉片轉速與引擎轉速是完全同步的，基礎特性為： 　　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，同時受限于引擎安裝空間，因此機械增壓器的工作轉速遠低于30,000rpm，與渦輪增壓器經(jīng)常處于100,000rpm以上超高轉域的情形相去甚遠，同時機械增壓器轉速是完全連動于引擎轉速，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互相影響，當一方運轉受阻的時候，必定會藉由皮帶傳輸而影響另一方的運作，這就是機械增壓器的特性。 　　由于制造成本的限制，市售車輛的引擎最高轉速多半維持在7500rpm以下，理想的機械增壓器應該在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%，因此機械增壓器必須在低轉速就產(chǎn)生增壓效應，通常引擎一脫離怠速區(qū)域，在1000rpm-1300rpm即能帶動機械增壓器產(chǎn)生增壓效果，并延續(xù)至引擎最高轉速，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，即可達成“高原型”引擎輸出功率曲線的目標。 　　不過看似完美無缺的機械增壓系統(tǒng)，卻有一個小問題存在，由于機械增壓器的動力來源完全依靠引擎帶動，而引擎的負擔越輕，轉速提升就越快，這就是為什么比賽用房車都事先拆除冷氣壓縮機的原因，若是方程式（formula）賽車，甚至連激活馬達、機油幫浦都改成外部連接，以減少對引擎造成的負擔，因此增壓器本身的運轉阻力必須越小越好，才不會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，但是相對的增壓器內(nèi)部葉片受風阻力也會升高，當阻力達到某一界限時，增壓器本身的阻力會讓引擎承受極大的負擔，嚴重影響引擎轉速的提升，因此設計師必須在增壓值與引擎負擔之間取得妥協(xié)，以避免高增壓系統(tǒng)帶來的負面效應。 　　目前歐洲生產(chǎn)的機械增壓系統(tǒng)多半采取0.3-0.5kg/c㎡的低增壓，著重在于低轉速扭力輸出與中高轉速“高原型”馬力輸出，而臺灣“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，動力提升的幅度更為顯著，雖然機械增壓系統(tǒng)在現(xiàn)階段仍然無法突破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)”來提升引擎輸出，但是兩者在結構上無法相提并論。 　　高增壓渦輪增壓系統(tǒng)必須讓引擎承受由負壓轉變?yōu)檎龎旱膭×易兓c高壓，因此引擎內(nèi)部機件的材質(zhì)與加工精密度要求很高，對于冷卻、潤滑系統(tǒng)的要求也遠較一般引擎來得高，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。 　　在引擎機件維持原有形式，不用額外制造高單價精密機件的情形下，機械增壓系統(tǒng)可以讓引擎動力輸出增進20-40%，又不至于造成維修體系的負擔，因此各大車廠在近年都有開發(fā)機械增壓引擎的計劃，例如：BENZ、Jaugar、Aston Martin..等等歐洲高級車廠都采用機械增壓系統(tǒng)來延長現(xiàn)有引擎的生產(chǎn)壽命，并達成環(huán)保、省油、高效率的目標，以大幅節(jié)省新引擎的開發(fā)費用。 　　機械增壓的種類 　　機械增壓共分為3類 　　離心式機械增壓（Centrifugal Superchargers）：這種機械增壓與渦輪增壓很像，只不過它不是用發(fā)動機的廢氣驅(qū)動，而是用發(fā)動機的皮帶帶動。它和渦輪增壓增壓原理相同，吸入空氣靠離心力把空氣加壓，以達到壓縮空氣的目的。 　　基本式機械增壓（Roots Superchargers）：你經(jīng)常能在60到70年代的肌肉車上看到看到這東西，它從發(fā)動機蓋上的突非常明顯，正如圖中這輛野馬跑車一 樣。這種機械增壓將空氣吸入增壓器內(nèi)部，有兩個螺旋狀葉片將空氣壓縮，之后送到進氣歧管里。這種機械增壓能提供強大的扭矩輸出。它在加速比賽和街道競賽中十分流行。 　　螺旋式增壓器（Screw Superchargers）：這個形式的增壓器是基本型的派生出來的，而且也長得很像，但它們的吸氣壓縮方式卻截然不同。當空氣被吸入 增壓器時，被螺旋狀葉片強壓入進氣歧管內(nèi)。這種形式的增壓器對于提升各個轉速的馬力都很有效 渦輪增壓(Turbo) 渦輪增壓器實際上是種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發(fā)動      機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發(fā)動機轉速增快，廢氣排出速度與禍輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量就可以增加發(fā)動機的輸出功率。   渦輪增壓器的最大優(yōu)點是能在不加大發(fā)動機排量就能較大幅度地提高發(fā)動機的功率及扭力，一般而言，加裝增壓器后的發(fā)動機的功率及扭矩要增大20%—30%。渦輪增壓器的缺點是滯后，即由于葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩，使發(fā)動機延遲增加或減少輸出功率，這對于要突然加速或超車的汽車而言，瞬間會有點提不上勁的感覺。 機械增壓 (Super Charger) 針對自然進氣（NA）引擎在高轉速區(qū)域會出現(xiàn)進氣效率低落的問題，從最基本的關鍵點著手，也就是想辦法提升進氣歧管內(nèi)的空氣壓力，以克服氣門干涉阻力，雖然進氣歧管、氣門、凸輪軸的尺寸不變，但由于進氣壓力增加的結果，讓每次氣門開啟時間內(nèi)能擠入燃燒室的空氣增加了，因此噴油量也能相對增加，讓引擎的工作能量比增壓之前更為強大，這就是增壓（Charge）的基本原理。 渦輪增壓 VS 機械增壓 簡單來說,一具引擎會不停運轉而產(chǎn)生動力,是因為汽油進入燃燒室,與空氣混合形成油氣混合物后由火花塞點燃,燃燒中產(chǎn)生的壓力推動活塞產(chǎn)生動力,最后燃燒后的廢氣經(jīng)由排氣閘門排出外界,然后循環(huán)造成的. 這個過程可分為四部分(即Otto-Cycle) 1.進氣沖程 2.壓縮沖程 3.燃燒(或動力)沖程 4.排氣沖程 -價格: 在同一具引擎上,兩者差別不大(這是指一般的產(chǎn)品,同增壓性能而言,超高性能的則很難比較),所以價格通常不在考慮之列. -效率: 這是TURBO最大優(yōu)點,因為TURBO只是由廢氣驅(qū)動,相對比要由引擎驅(qū)動的Super Charger,它不用浪費部分引擎動力,也較經(jīng)濟省油. -延遲: 這是TURBO最大缺點(有名的TURBO Lag,渦輪遲滯效應),也是Super Charger的最大優(yōu)點,因為要等到TURBO的Turbine到達一定轉速時(大概12000RPM)才能啟動Compressor工作,盡管所需時間很短,但是對于駕駛者來說,是很不舒服的感覺,試想,當你重踩油門過了1-2秒車子才突然沖出去,對車子的操作感都變差了吧?而Super Charger就像之前所說的,"all the way",只要引擎開著就在工作,不會有任何的延遲. -散熱: 因為TURBO的Compressor是在排氣管里面(很熱很熱的地方!)的,加上它超高速的運轉軸承(12000RPM以上耶!),由此而來的高溫高壓是不可避免的,因此需要采取如機油冷卻/水冷卻,機械開關/電腦泄壓的方式來保證車子安全.另外,幾乎所有的TURBO車上一定得有Intercooler(中央冷卻器)裝置.因為更多的空氣被壓縮后,溫度升高,密度降低,也就是含氧量減少(再回去翻翻物理書吧^^),燃燒效率降低,所以必須用Intercooler來冷卻空氣溫度.對于Super Charger問題就小多了,一般來說boost level(中文不知怎么翻譯,增壓級數(shù)?)在10psi(Pounds per Square Inch,磅/平方英寸)以下的是不用Intercooler的. -噪音: TURBO的構造決定了它所產(chǎn)生的噪音是小于Super Charger的,因為TURBO安于排氣管的Turbine起到了消聲的作用,而Super Charger...有些夸張的更將整套裝置外露于引擎蓋上方(參看FAST&FURIOUS-速度與激情里的那輛黑色Dodge Charger...),非常吵,但是很多人就是喜歡! 動力輸出: 總體來說TURBO占優(yōu),Peak Power(峰值功率)TURBO要強于Super Charger,但高功率TRURBO需要改裝引擎的其它部分. -安裝: TURBO較復雜,因為要有部分要裝入排氣系統(tǒng)里面,還得加Intercooler什么的. -穩(wěn)定性: 一般來說Super Charger較好,TURBO車在熄火以后排氣管的轉子有可能因為仍然過熱產(chǎn)生很多問題.         奧迪A8 4.0L 渦輪增壓TDI柴油機上使用的渦輪增壓器 渦輪增壓器的串聯(lián)與并聯(lián)： 在雙渦輪增壓（Twin Turbo）的汽車上會看到2組渦輪通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接，并聯(lián)指每組渦輪負責引擎半數(shù)汽缸的工作，每組渦輪都是同規(guī)格的，如保時捷911 turbo，Skyline GT-R的RB26DETT，Supra的2JZ-GTE和BMW新的3.0雙渦輪增壓都是并聯(lián)渦輪的杰出代表，其優(yōu)點就是增壓反應快并減低管道的復雜程度。至于串聯(lián)渦輪通常是一大一小兩組渦輪串聯(lián)搭配而成，低轉時推動反應較快的小渦輪，使低轉扭力豐厚高轉時大渦輪介入，提供充足的進氣量，功率輸出得以提高，RX-7的13B-REW引擎就是串聯(lián)渦輪的好例子。       寶馬X5上使用的并聯(lián)渦輪增壓器 機械增壓器壓縮機的驅(qū)動力來自引擎曲軸，一般都是利用皮帶連接曲軸皮帶輪，間接將曲軸運轉的扭力帶動增壓器，達到增壓目的。依構造不同，機械增壓會經(jīng)出現(xiàn)過許多種類，包括葉片式(Vane)、羅茲(Roots)、溫克爾(Wankle)等型式，而活塞運動最早也被認為是一種機械增壓，時至今日，則以羅茲增壓器最被廣泛使用，更是改裝的大熱門。羅茲增壓器有雙葉與三葉轉子兩種型式，目前以雙葉轉子較普遍，其構造是在橢圓形的殼體中裝兩個繭形的轉子，轉子之間保有極小的間隙而不直接相連，藉由螺旋齒輪連動，其中一個轉子的轉軸與驅(qū)動的皮帶輪連結，轉子轉軸的皮帶輪上裝有電磁離合器，在不需要增壓時即放開離合器以停止增壓,離合器則由計算機控制以達到省油的目的。  羅茲式機械增壓器的三葉轉子 奔馳E200K和C200K所使用的1.8L機械增壓發(fā)動機 排量只有1.6L的標致207也裝備了渦輪增壓器 奔馳車上的“Kompressor”標示代表著它裝備了機械增壓器