机械增压是如何做到涡轮增压器做不到的事情的?
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机械增压是一种强制进气系统,通过压缩进入发动机的空气,使相同的发动机排量获得更大功率;它与涡轮增压的区别在于,其机械动力直接来自曲轴,而非废气.得益于这种连接,机械增压能提供无延迟、即时且线性的动力输出;但作为代价,它会持续消耗发动机自身的一部分功率,在燃油经济性方面通常不如涡轮增压高效.
亮点速览
- 机械增压通过皮带、链条或齿轮从曲轴获取动力;涡轮增压则利用废气能量.
- 面向街道使用的套件通常产生 6-12 psi 的增压值,并将进入发动机的空气量增加约 50%-85% .
- 功率提升通常在 30%-75% 范围内;燃油经济性视驾驶风格而定,可能会下降 15%-30% .
- 机械增压有三种主要类型:Roots式、双螺杆式和离心式.
- 机械增压可能消耗发动机总功率的 高达20% 来驱动自身运转.
机械增压如何工作:来自曲轴的动力
决定内燃机所能产生功率的基本限制,在于进入气缸的氧气量.自然吸气发动机中,空气靠进气冲程产生的真空和自身压力的推动进入气缸.机械增压改变了这一平衡:它以高于大气压的压力(增压值)将空气泵入气缸.更多的氧气意味着更多的燃油可以燃烧;每个循环的爆炸更强烈,也就是更高的马力和扭矩.
从机械结构角度看,关键在于动力来源.机械增压通过皮带、链条或齿轮直接连接到曲轴;发动机转速越快,机械增压的转速也随之越快.涡轮增压则恰恰相反,它依靠废气的动能旋转,回收这部分能量.仅此一点差异就决定了两种技术的全部特性:一个响应即时,但以燃油为代价;另一个利用本会排掉的废气能量,但最初会有迟滞.
压缩过程还有另一个代价:热量.被压缩的空气会升温,热空气的密度降低,功率增益因此受限.这就是为什么 serious 机械增压系统采用风冷或水冷式中冷器;压缩后的空气经过冷却,变得更稠密、含氧更丰富.此外,高增压值下爆震风险增加;高辛烷值燃油抗爆震能力更强,因此允许更激进的调校.
涡轮增压与机械增压的区别:油门响应与效率之争
区分这两种技术的问题其实是:能量从哪里来?涡轮增压将本会从排气管排出的废气能量通过涡轮回收;因此在理论上效率更高.但涡轮启动旋转需要时间.低转速时废气流量不足,在涡轮达到工作状态之前,发动机表现得像自然吸气一样;这种等待被称为涡轮迟滞.
机械增压则不存在这种等待.由于压缩机与曲轴机械相连,增压即使在怠速时也存在,功率曲线呈线性:踩多少油门,就得到多少响应.这种可预测性在赛道上提供了控制优势;在海拔较高的稀薄空气中,它还能压缩稀薄空气以保持性能.
代价则是不透明但可衡量的:机械增压器最高可消耗发动机总功率输出的 20%, 用于自身的运转.这被称为寄生负荷.涡轮增压器不承担这种负荷;它的代价是在排气系统中作为驱动力而付出的.管路布置上也有差异:机械增压的管路简单,空气从压缩机直接进入发动机.涡轮则需要复杂的管路布置,让排气通过涡轮,而且由于高温排气部件靠近进气道,过热风险较高.
| 特性 | 机械增压 | 涡轮增压 |
|---|---|---|
| 动力来源 | 曲轴机械驱动 | 废气能量 |
| 油门响应 | 即时,线性 | 需等待涡轮迟滞 |
| 效率 | 承担寄生负荷 | 回收废气能量 |
| 管路布置 | –50% | 复杂的排气-进气布置 |
| 功率曲线 | 低转速即有增压 | 高转速达到峰值功率 |
三种机械增压类型及其特性
机械增压器根据增压与发动机转速的关联方式分为两大类:容积式压缩机在几乎所有转速下都能提供稳定的增压;动态压缩机的增压则随转速成比例增加.所有三种主要类型都属于这两类之一.
Roots式:最古老,最即时
Roots式设计于1860年为矿井通风而获得专利,后来被引入汽车领域.两个反向旋转的转子叶片将空气保持在转子与壳体之间的空隙中并推入歧管.需要注意的关键点是:Roots式并不压缩空气,只是输送空气.因此它与其说是压缩机,不如说常被称为鼓风机.它在整个转速范围内都能提供增压,加上安装在发动机顶部的经典外观,成为肌肉车文化的象征.但其效率仅约为 水平,且会产生大量热量.GMC的鼓风机分类至今仍反映这一传统:6-71 blower的设计目的是为426立方英寸(7.0 L)发动机的每个气缸提供71立方英寸的扫气容积. 水平,并产生大量热量.GMC的鼓风机分类至今仍反映这一传统:6-71 blower的设计目的是为426立方英寸(7.0 L)发动机的每个气缸提供71立方英寸的扫气容积.
双螺杆式(Twin-Screw):内置压缩设计
双螺杆式设计又称Lysholm式,使用两个相互啮合的螺旋螺杆,在逐渐收窄的通道中对空气进行内部压缩.正是这一细节决定了它与Roots式的区别:更高的热效率,更低的热量.它可以在较窄的负荷和转速范围内提供接近动态压缩机的效率.现代设计由Alf Lysholm于 1935年获得专利;而基本的螺杆压缩机专利则可追溯到 1878年的Heinrich Krigar.这是既希望保留Roots式即时响应特性、又希望降低热量损失的应用所青睐的类型.
离心式:涡轮特性,机械驱动
离心式机械增压在设计上与涡轮增压器相似,但它不是由废气驱动,而是由机械驱动.高速旋转的叶轮将空气向外加速,并将这种速度转化为压力.与正排量类型不同,增压值随发动机转速一起增加;其结果是类似自然吸气发动机、但在高转速下增加功率的特性.三种类型中它的效率最高: 在70%-85% 之间.产生的热量也更低,紧凑的本体使其易于安装在狭窄的发动机舱内.缺点很明确:低转速下功率不如Roots式或双螺杆式.
对油耗的影响有多大?
机械增压对燃油经济性的影响是不争的事实:它通常会增加油耗.更多的空气意味着需要燃烧更多的燃油;发动机必须在不破坏空燃平衡的情况下工作.搭载机械增压套件的车辆,其经济性根据驾驶风格和调校的不同,通常会 下降15%-30%; 激烈驾驶时油耗甚至可能翻倍.
类型的选择也会改变这一局面.Roots式由于其巨大的寄生负载,是对经济性挑战最大的类型;离心式设计凭借其高效率成为该类型中最经济的选择.但任何机械增压都无法比回收废气能量的涡轮更有效率.这正是21世纪制造商转向小排量涡轮增压发动机背后的主要逻辑:奔驰在2010年前后用涡轮增压发动机取代了其名为Kompressor的机械增压发动机.也有例外:奥迪的3.0 TFSI发动机从 2009年起,捷豹的AJ-V8 Gen III发动机也从同一年起保持机械增压.
哪些车辆为何选择机械增压?
选择取决于节气门响应有多关键.在直线加速赛和牵引机拉重赛等以十分之一秒决定胜负的比赛中,机械增压很常见;增压没有延迟,功率随油门瞬间变化.美国肌肉车的传统也是基于同样的逻辑:GM、Dodge和Ford的高性能车型中机械增压的主导地位,可以用瞬时扭矩和低转速功率在文化上受到青睐来解释.Ford为GT500选择机械增压的理由包括对传统的传承、瞬时节气门响应和高转速性能.
也可以做出相反的选择.结合两种技术的双增压方法,在低转速启用机械增压,中转速启用两者,高转速仅启用涡轮. Lancia Delta S4 在 1985-86 年的WRC赛季中通过电磁离合器和旁通阀采用了这种布局.在量产方面, VW 1.4 TSI (2005-2013)和 Volvo B4204T 2.0等例子应用了这种双重供给.复杂性和可靠性问题使这种方法保持了小众地位.
机械增压还是涡轮增压:哪个更好?
对于一个没有唯一答案的问题,最诚实的回答是将比较简化为两个方面:在低转速和瞬时响应方面,机械增压占优;在峰值功率和效率方面,涡轮占优.机械增压的弱点是效率,涡轮的弱点是涡轮迟滞;孰优孰劣取决于使用场景.您是在城市交通中需要瞬时响应,还是在长途行驶中更看重效率?前一种情况下机械增压,后一种情况下涡轮是更理性的选择.
常见问题之一是速度:哪个更快?一概而论会带来误导;涡轮的峰值功率通常更高,但在测量、时长和距离等维度上,车辆的标定、增压器类型的选择和调校才是决定性因素.机械增压的功率增益典型范围为 30%-75%,而在一套设计良好的套件中 50%-85% 左右;两者都必须调校在发动机耐用性极限和爆震容许范围之内.
结论:一个简单的工程决策
机械增压并非涡轮的对立面,而是值得与涡轮一同考虑的替代方案.由曲轴直接驱动的机械连接提供了无延迟且可预测的动力;代价是发动机要持续消耗自身的一部分功率.Roots式的全转速瞬时响应、双螺杆式的热平衡、离心式的高转速效率,是通向同一目标的三条不同工程路径.正确的问题不是哪一个绝对更好,而是在哪种使用场景下哪种特性更可能发挥作用.