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机械增压

机械增压是指针对自然进气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。

机械增压器(Super Charge)之特性

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。

因为机械增压的工作原理,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吸气极为相似,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

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3,000rpm,与涡轮增压器经常处于10,000rpm以上超高转域的情形相去甚远。

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。

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,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。

现今运用在汽车增压系统有两大主流

机械增压(Super Charge)、涡轮增压(Turbo Charge)

本文讲解机械增压方式,并分析其优缺点。

机械增压器(Super Charge)之构造

机械增压共分为3类

鲁兹式机械增压(Roots Superchargers):你经常能在60到70年代的肌肉车上看到这东西,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

相对于涡轮增压技术,机械增压完全解决了油门响应滞后,涡轮迟滞和动力输出突然现象,达到瞬时油门响应,动力随转速线性输出,增加驾驶性能能效果。此外,在低速高扭、瞬间加速,机械增压技术都优于涡轮增压技术。机械增压技术不需跟发动机的润滑系统连接,不需要冷却,免维护,工作可靠,而且寿命长。在这里机械增压是有些优势胜于涡轮增压,但它们各有所长,机械增压比涡轮增压也有不足之处。

1、加速效果不是很明显,与自然吸气引擎差别不大。

2、会损失发动机部分动能,机械增压靠皮带带动,归根到底驱动力还是引擎。

3、高转速时会产生大量的摩擦,影响到转速的提高,噪音大。

机械增压系统

机械增压器

机械增压器是一种强制性容积置换泵,简称容积泵。它跟涡轮增压器一样,可以增加进气管内的空气压力和密度,往发动机内压入更多的空气,使发动机每个循环可以燃烧更多的燃油,从而提高发动机的升功率和平均有效压力,使汽车动力性、燃油经济性和排放都得到改善。 机械增压器本质上是一台罗茨鼓风机,有两个转子,每个转子都扭转一定的角度,例如60度以形成一个螺旋。这两个转子都由发动机曲轴通过皮带驱动,与废气系统不相干。机械增压器跟曲轴之间存在固定的传动比。这两个相向旋转的转子各有若干个突齿,在工作时互相啮合。扭曲的转子跟特殊设计的进口和出口几何形状相结合,有助减少压力波动,使空气流动平稳,工作时噪声较低。这种设计也使其效率比传统的罗茨鼓风机为高。这种带有螺旋式转子和轴向进口的机械增压器可达到14,000r/min的转速,从而缩小了体积。它可利用出口法兰直接通过螺栓连接到进气管上去。机械增压器通过它的置换体积和皮带传动比来跟发动机相匹配,同时能够在任何发动机转速下提供过量的空气流。

机械增压器在发动机的安装

机械增压器在汽油机上的安装情况跟涡轮增压器一样,也可以带中间冷却器。这台机械增压器有个特殊设计的旁通阀,它是由发动机节气门产生的真空度操纵。当发动机不需增压时,这个旁通阀就会使增压空气进行环流,以便节省能源。发动机进气系统跟安装机械增压器的底座连成一体。由于每台发动机都有独特的安装要求,所以大多机械增压器都被设计成用于特定的发动机。

机械增压器构造

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3,000rpm,与涡轮增压器经常处于10,000rpm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。

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。 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。

BENZ、Jaguar、AstonMartin..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。

汽车机械增压系统

汽车的增压系统有两大主流,机械增压(SuperCharge)和涡轮增压(TurboCharge)

机械增压器之构造,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(SuperCharge)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rpmX(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。

机械增压内部构造

机械增压有利汽油机的瞬时响应特性

柴油机因为依靠变质调节的方式调节扭矩,没有节气门,每个循环吸入的空气量相差不大,其质量流量的差异主要由转速变动造成,所以柴油机的质量流量跨度范围只有6.5:1左右。相比之下,传统的汽油机(指缸内直喷式汽油机GDI以外的汽油机)依靠变量调节的方式调节扭矩,通过节气门调节空气流量,随着负荷的变动,每个循环吸入的空气量相差很大,加上汽油机转速的变动范围比柴油机大得多,所以汽油机的质量流量跨度范围可达75:1,接近于柴油机这个指标的12倍。这导致涡轮增压汽油机的瞬时工况较差。而采用机械增压就没有这个问题。

缸内直喷式汽油机在低工况下的节气门是全开,这跟柴油机差不多;只是在高工况下节气门开度才会随负荷变动而变动。所以GDI的质量流量跨度范围跟柴油机比较接近,也比较适合采用涡轮增压

机械增压有利于降低汽油机排放

汽油机起动和起动后暖机阶段的混合气需要特别加浓,造成大量的碳氢化合物和一氧化碳排放。如前所述,迅速提高催化转化器的温度,对于汽油机驱动的轿车满足欧洲第三阶段排放法规的要求具有特别重要的意义。涡轮增压器会降低排气温度,使催化转化器的温度不能迅速升高,影响它的转化净化效率。如果采用机械增压器,就没有这个问题。

机械增压器可以兼作二次空气泵

ESS机械增压套件

同样是出于满足欧洲第三阶段排放法规要求的考虑,汽油机需要引入二次空气系统。机械增压器可以兼作二次空气泵,减少了发动机成本。

机械增压汽油机的成本

为了提高汽油机的升功率,可以采用机械增压,也可以采用四气门。对机械增压的3.8L、两气门V6发动机跟非增压的4.0L四气门V8汽油机进行的比较表明,机械增压的汽车具有较好的功率和扭矩,而且总体成本也比非增压的四气门汽油机汽车低。这是因为四气门汽油机较为复杂,相关的工具费用也较高。

机械增压在汽油机的应用前景前城市柴油公交车有别于一般柴油客车或货车,因为其平均车速低,基本上不会或很少达到最高车速,加上怠速时间长,起步、加速、减速频繁,发动机工况不断地交替变换,所以也适合采用机械增压。由于机械增压和涡轮增压的性能特点在许多方面是互补的。

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