引言

自從人類發(fā)明內燃發(fā)動機以來，汽車工程師、追求極速的車手和賽車設計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。 但大型發(fā)動機也并不總是盡如人意，發(fā)動機越大，重量就越重，制造和維護成本也就越高。

 另一種方法是提高普通規(guī)格發(fā)動機的效率。 可以通過將更多的空氣壓入燃燒室來實現(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勁的爆發(fā)力和更大的馬力。 安裝機械增壓器是實現(xiàn)強制進氣的好方法。 在本文中，我們將解釋機械增壓器的概念、工作原理以及其與渦輪增壓器的差異。

 

機械增壓器基礎知識

機械增壓器是將吸入的空氣加壓到超過正常氣壓的裝置。 機械增壓器和渦輪增壓器均是如此。 實際上，“渦輪增壓器”一詞是其正式名稱“渦輪式機械增壓器”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動渦輪的。 而機械增壓器則由發(fā)動機曲軸通過傳動帶或傳動鏈帶動的。

普通四沖程發(fā)動機有一個沖程專門用于進氣。 這一過程有三個步驟：

活塞往下運動。

制造真空狀態(tài)。

依靠大氣壓將空氣吸入燃燒室。

當空氣被吸入發(fā)動機后，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反應轉換成有用動能。 火花塞通過點燃空氣和燃油的混合氣體引起此化學反應。 當燃油發(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)生往復運動，最終這股動力會傳遞到車輪上。

 

一臺安裝了機械增壓器的基本發(fā)動機

向燃燒室注入更多的燃油將會產(chǎn)生更為強勁的燃燒爆發(fā)力。 但不能僅僅向發(fā)動機中增加燃油，因為燃燒燃油需要嚴格數(shù)量的氧氣。 這種經(jīng)過化學反應產(chǎn)生的混合物，空氣和燃油的比例應控制在14:1，這對發(fā)動機的有效運轉至關重要。 所以重點在于：若要注入更多的燃油，就必須吸入更多的空氣。

這就是機械增壓器的作用。 機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。 這樣就可以強制更多的空氣進入發(fā)動機，從而導致“增壓”。 發(fā)動機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)動機的動力也會增強。 機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)動機性能會降低，因為那里的空氣密度和壓力都比較低，而機械增壓器只有向發(fā)動機提供壓力更高的空氣，才能保證其運轉狀態(tài)最佳。

渦輪增壓器利用燃燒產(chǎn)生的廢氣向壓縮機提供動力，與之不同的是，機械增壓器直接從曲軸獲取動力。 大部分機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壓縮機齒輪。 壓縮機的轉子可以有多種設計，但它的任務是吸入空氣，將空氣壓入更小的空間，并注入進氣岐管中。

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

5萬轉的壓縮機能產(chǎn)生大約41-62千帕的壓強。 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%的空氣被機械增壓器壓入發(fā)動機中。

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燃混合氣體后產(chǎn)生足夠的動力。 為使機械增壓器發(fā)揮全部效率，從排氣裝置排出的壓縮空氣必須在進入進氣歧管前加以冷卻。 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計： 風冷和水冷。 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管，帶走熱量。 當熱空氣離開機械增壓器碰到較涼的導管時，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氣進入燃燒室。

接下來，我們將了解幾種不同類型的機械增壓器。

機械增壓器的類型

機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)動機進氣歧管的方式不同。 魯式和雙螺旋式機械增壓器使用不同類型的嚙合凸緣，而離心式機械增壓器使用葉輪吸入空氣。盡管這三種設計都能產(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動。

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

 

當嚙合凸緣旋轉時，空氣會被吸入凸緣之間的氣槽中，然后在進氣口和排氣口之間傳送。 大量的空氣將進入進氣歧管，并“累積”起來產(chǎn)生正壓力。 也正因為如此，魯式機械增壓器只不過是鼓風機，而“鼓風機”一詞也常用來描述所有的機械增壓器。

 

魯式機械增壓器通常都很大，安裝在發(fā)動機的頂部。 因為可以裝在發(fā)動機蓋的外面，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。

雙螺旋式機械增壓器

雙螺旋式機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。 與魯式機械增壓器一樣，雙螺旋式增加器中的空氣也是通過轉子凸緣集中起來吸入的。 但雙螺旋式機械增壓器會壓縮轉子殼體內的空氣。 其原因在于這些轉子具有錐度，這意味著隨著空氣從進氣口流向排氣口，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子，從而增加了成本。 有些雙螺旋式機械增壓器與魯式機械增壓器一樣，也放在發(fā)動機的上方。 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消除這些聲音。

離心式機械增壓器

離心式機械增壓器利用葉輪（一種類似于轉子的裝置）提供動力，將空氣高速吸入狹小的壓縮機殼體。 葉輪與轉子相似，其轉速可達每分鐘5-6萬轉。 由于空氣在葉輪輪轂處被吸入，因此離心力會導致空氣向外擴散。 這些空氣會使葉輪處于高速低壓狀態(tài)。 擴壓器是一組環(huán)繞葉輪的固定葉片，它會將高速低壓的空氣轉換成低速高壓的空氣。 當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，離心式機械增壓器是最有效率、最普遍的一種機械增壓器。 它們體積小，重量輕，安裝在發(fā)動機的前面而不是頂部。 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。

 

所有這些機械增壓器均可以作為售后汽車的動力增強裝置安裝到汽車上。 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)品樣車上安裝機械增壓器。

下面，讓我們來了解一下機械增壓器的優(yōu)缺點。

  

機械增壓器的優(yōu)缺點

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

但是在機械增壓器和渦輪增壓器之間應該如何選擇呢？ 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，機械增壓器與渦輪增壓器相比有一定的優(yōu)勢。

機械增壓器沒有增壓延時——駕駛員踩下油門到發(fā)動機響應這段時間的長短。 渦輪增壓器存在增壓延時，因為它需要一段時間，讓排出的氣體達到一定速度以加快葉輪/渦輪的轉速。 機械增壓器沒有延時，是因為它們直接通過曲軸獲得動力。 某些機械增壓器在低轉速時效率比較高，而另一些在高轉速時效率比較高。 例如，魯式和雙螺旋式機械增壓器在低轉速時可提供更多的動力。 離心式機械增壓器在葉輪快速旋轉時效率較高，從而能在高轉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)做大幅度的調整，但機械增壓器只要拴在發(fā)動機頂部或旁邊就可以了。 因此，機械增壓器的安裝更方便，同時也更容易使用和維護。

最后，機械增壓器停止工作時不需要專門關閉。 因為它們不用發(fā)動機機油進行潤滑，便可以正常關閉。 而渦輪增壓器必須等待30秒或預先關閉，以便潤滑油冷卻。 也就是說，預熱對于機械增壓器十分重要，它們在正常溫度下的效率最高。

機械增壓器普遍應用于飛機的內燃發(fā)動機。 如果您設想飛機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械增壓器在起作用。 借助機械增壓器，飛機能夠飛得更高而且不會降低發(fā)動機的性能。

  

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

 

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。 Twincharger結合了機械增壓器和渦輪增壓器。 當發(fā)動機處于低轉速時，機械增壓器會將空氣送入氣缸以增強其低端扭矩。 而當發(fā)動機轉速較高時，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。 第一次在飛機上使用機械增壓器是在二戰(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，將機械增壓器安裝在羅爾斯羅伊斯“莫林”發(fā)動機上。

 

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

由于增壓會增加發(fā)動機的負擔，所以發(fā)動機必須得到強化以承受額外的壓力和更強的爆發(fā)力。 大部分制造商在設計一臺帶有機械增壓器的發(fā)動機時，都會專門采用重載元件以提高發(fā)動機的壽命。 同時這也抬高了汽車的價格。 機械增壓器的維護成本也很高，同時許多制造商建議使用高標號汽油。

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

更多專題：