引言

自從人類發(fā)明內(nèi)燃發(fā)動機(jī)以來，汽車工程師、追求極速的車手和賽車設(shè)計(jì)師們一直都在尋找提升其動力的方法。 其中一種方法是建造更大的發(fā)動機(jī)。 但大型發(fā)動機(jī)也并不總是盡如人意，發(fā)動機(jī)越大，重量就越重，制造和維護(hù)成本也就越高。

 另一種方法是提高普通規(guī)格發(fā)動機(jī)的效率。 可以通過將更多的空氣壓入燃燒室來實(shí)現(xiàn)這一目的。 更多的空氣意味著可以注入更多的燃油，而更多燃油則意味著更強(qiáng)勁的爆發(fā)力和更大的馬力。 安裝機(jī)械增壓器是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制進(jìn)氣的好方法。 在本文中，我們將解釋機(jī)械增壓器的概念、工作原理以及其與渦輪增壓器的差異。

 

機(jī)械增壓器基礎(chǔ)知識

機(jī)械增壓器是將吸入的空氣加壓到超過正常氣壓的裝置。 機(jī)械增壓器和渦輪增壓器均是如此。 實(shí)際上，“渦輪增壓器”一詞是其正式名稱“渦輪式機(jī)械增壓器”的簡寫。

這兩種裝置的不同之處在于它們的能量來源不同。 渦輪增壓器是借助排出的巨大氣流來驅(qū)動渦輪的。 而機(jī)械增壓器則由發(fā)動機(jī)曲軸通過傳動帶或傳動鏈帶動的。

普通四沖程發(fā)動機(jī)有一個沖程專門用于進(jìn)氣。 這一過程有三個步驟：

活塞往下運(yùn)動。

制造真空狀態(tài)。

依靠大氣壓將空氣吸入燃燒室。

當(dāng)空氣被吸入發(fā)動機(jī)后，便和燃油混合形成油氣混合物。此混合物能夠通過燃燒這一化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成有用動能。 火花塞通過點(diǎn)燃空氣和燃油的混合氣體引起此化學(xué)反應(yīng)。 當(dāng)燃油發(fā)生氧化時，會釋放大量能量。 此過程產(chǎn)生的力量集中在氣缸蓋上，這股力量將推動活塞，使活塞產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，最終這股動力會傳遞到車輪上。

 

一臺安裝了機(jī)械增壓器的基本發(fā)動機(jī)

向燃燒室注入更多的燃油將會產(chǎn)生更為強(qiáng)勁的燃燒爆發(fā)力。 但不能僅僅向發(fā)動機(jī)中增加燃油，因?yàn)槿紵加托枰獓?yán)格數(shù)量的氧氣。 這種經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的混合物，空氣和燃油的比例應(yīng)控制在14:1，這對發(fā)動機(jī)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。 所以重點(diǎn)在于：若要注入更多的燃油，就必須吸入更多的空氣。

這就是機(jī)械增壓器的作用。 機(jī)械增壓器通過將空氣壓縮至正常大氣壓以上來吸入更多的空氣，而不是通過制造真空狀態(tài)來吸入空氣。 這樣就可以強(qiáng)制更多的空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)，從而導(dǎo)致“增壓”。 發(fā)動機(jī)增壓后會吸入更多空氣，從而向燃燒室注入更多的燃油，發(fā)動機(jī)的動力也會增強(qiáng)。 機(jī)械增壓器平均可提高46%的馬力和31%的扭矩。 在海拔較高的地方，發(fā)動機(jī)性能會降低，因?yàn)槟抢锏目諝饷芏群蛪毫Χ急容^低，而機(jī)械增壓器只有向發(fā)動機(jī)提供壓力更高的空氣，才能保證其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)最佳。

渦輪增壓器利用燃燒產(chǎn)生的廢氣向壓縮機(jī)提供動力，與之不同的是，機(jī)械增壓器直接從曲軸獲取動力。 大部分機(jī)械增壓器都通過一條附屬的傳動帶獲得動力，這根傳動帶纏繞在皮帶輪上，皮帶輪連接在一個主動齒輪上。 而主動齒輪則會旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)齒輪。 壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子可以有多種設(shè)計(jì)，但它的任務(wù)是吸入空氣，將空氣壓入更小的空間，并注入進(jìn)氣岐管中。

為了壓縮空氣，機(jī)械增壓器必須急速旋轉(zhuǎn)，甚至比發(fā)動機(jī)本身轉(zhuǎn)得還要快。 將主動齒輪做得比壓縮機(jī)齒輪大，就能使壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)得更快。 機(jī)械增壓器的轉(zhuǎn)速每分鐘能高達(dá)5-6.5萬轉(zhuǎn)。

5萬轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)能產(chǎn)生大約41-62千帕的壓強(qiáng)。 在特定海拔高度，這會產(chǎn)生比大氣壓高41-62千帕的壓力。 而海平面的大氣壓為1012.8百帕，因此大約會多出50%的空氣被機(jī)械增壓器壓入發(fā)動機(jī)中。

空氣受到壓縮會變熱，這意味著空氣密度會降低，同時也會減少爆炸過程中空氣的膨脹程度。 這就無法在火花塞點(diǎn)燃混合氣體后產(chǎn)生足夠的動力。 為使機(jī)械增壓器發(fā)揮全部效率，從排氣裝置排出的壓縮空氣必須在進(jìn)入進(jìn)氣歧管前加以冷卻。 中間冷卻器的出現(xiàn)解決了這一問題。 中間冷卻器有兩種基本設(shè)計(jì)： 風(fēng)冷和水冷。 它們的工作原理類似于散熱器，即讓較涼的空氣或水流過導(dǎo)管，帶走熱量。 當(dāng)熱空氣離開機(jī)械增壓器碰到較涼的導(dǎo)管時，它便會冷卻下來。 隨著空氣溫度降低，其密度會變高，這樣就會使密度較高的混合燃?xì)膺M(jìn)入燃燒室。

接下來，我們將了解幾種不同類型的機(jī)械增壓器。

機(jī)械增壓器的類型

機(jī)械增壓器的類型有三種：魯式 (Roots)、雙螺旋式和離心式。 它們的主要區(qū)別在于將空氣吸入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管的方式不同。 魯式和雙螺旋式機(jī)械增壓器使用不同類型的嚙合凸緣，而離心式機(jī)械增壓器使用葉輪吸入空氣。盡管這三種設(shè)計(jì)都能產(chǎn)生增壓效果，但在效率上卻有很大差別。 各個類型的機(jī)械增壓器都有不同的尺寸，具體選擇哪一種取決于您是只想提升汽車的動力，還是想去參加賽車運(yùn)動。

魯式機(jī)械增壓器是最老式的一種設(shè)計(jì)。1860年，Philander和Francis Roots申請了魯式機(jī)械增壓器的設(shè)計(jì)專利，作為幫助礦井通道通風(fēng)的機(jī)器。1900年，Gottleib Daimler首次在汽車發(fā)動機(jī)中安裝了魯式機(jī)械增壓器。

 

當(dāng)嚙合凸緣旋轉(zhuǎn)時，空氣會被吸入凸緣之間的氣槽中，然后在進(jìn)氣口和排氣口之間傳送。 大量的空氣將進(jìn)入進(jìn)氣歧管，并“累積”起來產(chǎn)生正壓力。 也正因?yàn)槿绱?，魯式機(jī)械增壓器只不過是鼓風(fēng)機(jī)，而“鼓風(fēng)機(jī)”一詞也常用來描述所有的機(jī)械增壓器。

 

魯式機(jī)械增壓器通常都很大，安裝在發(fā)動機(jī)的頂部。 因?yàn)榭梢匝b在發(fā)動機(jī)蓋的外面，所以它們在力量型汽車和大馬力改裝車中很受歡迎。 不過，它們卻是效率最低的機(jī)械增壓器，原因有兩個：它們增加了轎車的重量，并且只能間歇地吸入空氣，而不能順暢地連續(xù)吸入空氣。

雙螺旋式機(jī)械增壓器

雙螺旋式機(jī)械增壓器通過兩根類似于一組渦輪傳動的嚙合凸緣吸入空氣。 與魯式機(jī)械增壓器一樣，雙螺旋式增加器中的空氣也是通過轉(zhuǎn)子凸緣集中起來吸入的。 但雙螺旋式機(jī)械增壓器會壓縮轉(zhuǎn)子殼體內(nèi)的空氣。 其原因在于這些轉(zhuǎn)子具有錐度，這意味著隨著空氣從進(jìn)氣口流向排氣口，氣穴會變小。 隨著氣穴的收縮，空氣便被壓入到更小的空間。

 

這使雙螺旋式機(jī)械增壓器的效率更高，但需要在制造過程中精密加工螺旋型轉(zhuǎn)子，從而增加了成本。 有些雙螺旋式機(jī)械增壓器與魯式機(jī)械增壓器一樣，也放在發(fā)動機(jī)的上方。 它們也會發(fā)出很大的噪音。 從排氣口排出的壓縮空氣會發(fā)出轟鳴聲，因此必須使用降噪技術(shù)消除這些聲音。

離心式機(jī)械增壓器

離心式機(jī)械增壓器利用葉輪（一種類似于轉(zhuǎn)子的裝置）提供動力，將空氣高速吸入狹小的壓縮機(jī)殼體。 葉輪與轉(zhuǎn)子相似，其轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘5-6萬轉(zhuǎn)。 由于空氣在葉輪輪轂處被吸入，因此離心力會導(dǎo)致空氣向外擴(kuò)散。 這些空氣會使葉輪處于高速低壓狀態(tài)。 擴(kuò)壓器是一組環(huán)繞葉輪的固定葉片，它會將高速低壓的空氣轉(zhuǎn)換成低速高壓的空氣。 當(dāng)空氣分子碰到這些葉片時，會減慢速度，從而降低氣流速度以及增加壓力。

 

在所有增壓系統(tǒng)中，離心式機(jī)械增壓器是最有效率、最普遍的一種機(jī)械增壓器。 它們體積小，重量輕，安裝在發(fā)動機(jī)的前面而不是頂部。 它們也會產(chǎn)生與眾不同的轟鳴聲，這會增加汽車在街上的回頭率。

 

所有這些機(jī)械增壓器均可以作為售后汽車的動力增強(qiáng)裝置安裝到汽車上。 有許多公司提供成套的產(chǎn)品，用于客戶自己動手安裝機(jī)械增壓器。 在有趣的汽車和燃油賽車的世界里，這種定制已成為體育運(yùn)動不可分割的一部分。 很多汽車制造商也會在其產(chǎn)品樣車上安裝機(jī)械增壓器。

下面，讓我們來了解一下機(jī)械增壓器的優(yōu)缺點(diǎn)。

  

機(jī)械增壓器的優(yōu)缺點(diǎn)

機(jī)械增壓器最大的優(yōu)點(diǎn)是可以增加汽車的馬力。 給一輛普通汽車或卡車安裝機(jī)械增壓器，會使其像一臺大馬力發(fā)動機(jī)汽車一樣動力十足。

但是在機(jī)械增壓器和渦輪增壓器之間應(yīng)該如何選擇呢？ 汽車工程師和車迷們一直在激烈地爭論這個問題，但通常而言，機(jī)械增壓器與渦輪增壓器相比有一定的優(yōu)勢。

機(jī)械增壓器沒有增壓延時——駕駛員踩下油門到發(fā)動機(jī)響應(yīng)這段時間的長短。 渦輪增壓器存在增壓延時，因?yàn)樗枰欢螘r間，讓排出的氣體達(dá)到一定速度以加快葉輪/渦輪的轉(zhuǎn)速。 機(jī)械增壓器沒有延時，是因?yàn)樗鼈冎苯油ㄟ^曲軸獲得動力。 某些機(jī)械增壓器在低轉(zhuǎn)速時效率比較高，而另一些在高轉(zhuǎn)速時效率比較高。 例如，魯式和雙螺旋式機(jī)械增壓器在低轉(zhuǎn)速時可提供更多的動力。 離心式機(jī)械增壓器在葉輪快速旋轉(zhuǎn)時效率較高，從而能在高轉(zhuǎn)速時提供更多的動力。

安裝一臺渦輪增壓器需要對排氣系統(tǒng)做大幅度的調(diào)整，但機(jī)械增壓器只要拴在發(fā)動機(jī)頂部或旁邊就可以了。 因此，機(jī)械增壓器的安裝更方便，同時也更容易使用和維護(hù)。

最后，機(jī)械增壓器停止工作時不需要專門關(guān)閉。 因?yàn)樗鼈儾挥冒l(fā)動機(jī)機(jī)油進(jìn)行潤滑，便可以正常關(guān)閉。 而渦輪增壓器必須等待30秒或預(yù)先關(guān)閉，以便潤滑油冷卻。 也就是說，預(yù)熱對于機(jī)械增壓器十分重要，它們在正常溫度下的效率最高。

機(jī)械增壓器普遍應(yīng)用于飛機(jī)的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。 如果您設(shè)想飛機(jī)長時間在高海拔飛行（此時缺少足夠用于燃燒的氧氣），就會感覺到一定是機(jī)械增壓器在起作用。 借助機(jī)械增壓器，飛機(jī)能夠飛得更高而且不會降低發(fā)動機(jī)的性能。

  

飛機(jī)發(fā)動機(jī)使用的機(jī)械增壓器與汽車使用的一樣。 它們直接從發(fā)動機(jī)獲得動力，利用壓縮機(jī)把壓縮空氣送入燃燒室。 上圖演示了機(jī)械增壓器在飛機(jī)上的基本安裝過程。

 

大眾汽車公司 (Volkswagen) 最近推出了用于高爾夫GT汽車的 Twincharger發(fā)動機(jī)。 Twincharger結(jié)合了機(jī)械增壓器和渦輪增壓器。 當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時，機(jī)械增壓器會將空氣送入氣缸以增強(qiáng)其低端扭矩。 而當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，在排出足夠數(shù)量的氣體后，渦輪增壓器會推入空氣以提升高端扭矩的性能。 GT僅在歐洲銷售，它在7.9秒內(nèi)時速可從0增加到99.8公里。 它的時速可以提高到每小時218.9公里，而仍然保持39MPG。 第一次在飛機(jī)上使用機(jī)械增壓器是在二戰(zhàn)末期。 最著名的例子是Supermarine Spitfire，這是英國皇家空軍所使用的飛機(jī)，將機(jī)械增壓器安裝在羅爾斯羅伊斯“莫林”發(fā)動機(jī)上。

 

機(jī)械增壓器最大的缺點(diǎn)是： 由于由曲軸帶動，所以它們必須損耗一部分發(fā)動機(jī)馬力。 這也是機(jī)械增壓器的特點(diǎn)之一機(jī)械增壓器會占用一臺發(fā)動機(jī)20%的動力。 但是，由于機(jī)械增壓器可以提升46%的馬力，所以多數(shù)人認(rèn)為這筆交易是值得的。

由于增壓會增加發(fā)動機(jī)的負(fù)擔(dān)，所以發(fā)動機(jī)必須得到強(qiáng)化以承受額外的壓力和更強(qiáng)的爆發(fā)力。 大部分制造商在設(shè)計(jì)一臺帶有機(jī)械增壓器的發(fā)動機(jī)時，都會專門采用重載元件以提高發(fā)動機(jī)的壽命。 同時這也抬高了汽車的價格。 機(jī)械增壓器的維護(hù)成本也很高，同時許多制造商建議使用高標(biāo)號汽油。

盡管有這些缺點(diǎn)，機(jī)械增壓器仍然是一種最經(jīng)濟(jì)有效地增強(qiáng)馬力的方法。 機(jī)械增壓器可以提高50%-100%的動力，使汽車更適合比賽、重載運(yùn)輸或單純增加駕駛的刺激性。

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