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「超級」增壓超給力 機械增壓原理剖析(1)


刊登時間: 2013/08/03

機械增壓V.S.渦輪
原理效能大不同


大家都知道,車輛若想大幅增加動力輸出,加裝增壓裝置是最快最簡單的方式,不過通常大家第一個想到的絕對會是渦輪增壓,機械增壓反而是大家較為陌生的改裝方式,不過很多人不知道早在19世紀初,戴姆勒汽車的創始人Gottleib Daimler就首度在汽車上安裝魯式機械增壓器來提升引擎性能,而渦輪增壓汽油車款則是在1962年代才首度由GM推出,可見機械增壓的發展歷史比起渦輪增壓還要早起步。最早的機械增壓器是在1860年代由Philander和Francis Roots發明,也就是俗稱的「魯式」機械增壓器,不過當時主要的用途是將大量空氣送入礦坑中來幫助通風,直到1900年代才開始運用在汽車內燃機上;而運用在發動機上的渦輪增壓概念最早出現在1905年,是由Sulzer公司的工程師Alfred J Buchi所提出並申請專利,不過早期的渦輪增壓技術是運用在船舶與飛機的發動機上,一直到1970年代才出現在汽車引擎方面。

1962年Chevrolet Corvair是首款搭載渦輪增壓的汽油引擎轎車,但較首款使用機械增壓的車輛還晚了60多年。

無論是機械增壓或渦輪增壓都擁有同樣的目的,那就是將大量的空氣「擠」入引擎汽缸內,來達到相同排氣量自然進氣引擎所無法達到的容積燃燒效率,雖然二者的目的都相同,但是所使用的原理卻大異其趣,渦輪增壓是利用引擎排出的廢氣來推動渦輪增壓器,而機械增壓則是利用引擎本身的輸出來帶動增壓器工作,二者對於動力提升的效果或是輸出的感受是完全不同的。在渦輪增壓部分,由於是使用引擎排出的廢氣來驅動加壓裝置,可說是廢物再利用的功能,對引擎原本的動力來說是沒有任何的損耗,不過因為引擎排出的廢氣帶有極高的溫度與壓力,這些溫度與壓力都會蓄積在渦輪與頭段中,對於渦輪本身來說就是相當大的考驗,更別說引擎室中的高熱會對其他周邊所產生的引響,必須對散熱裝置進行額外強化,此外,當引擎轉速較低時,所排出廢氣尚無法推動渦輪葉片讓進氣壓力達到正壓時,動力反而比起自然進氣的低轉速還弱,一旦轉速達到足以讓渦輪進行增壓的水準後,動力就會突如其來的湧現,這種被稱作渦輪遲滯(Turbo Lag)的狀態是使用渦輪增壓系統不可避免的現象。

魯式機械增壓的原理是利用二個轉子將空氣快速送出,過程當中並沒有太多的壓縮作用,因此與其說魯式是一種增壓器到不如說是送風機來的恰當。

至於機械增壓器方面,乃是利用引擎曲軸普利透過皮帶去驅動增壓器本體,再由增壓器將大量的空氣送入引擎之中,目的與渦輪增壓相同,但由於是使用引擎本身的動力去驅動增壓器,因此會耗損掉一部分原本的動力,這就像是開啟冷氣或大量用電時,壓縮機與發電機會耗損引擎的動力,讓人會覺得車子變得比較沒力一樣,此外,由於機械增壓器機械結構的問題,使得轉速與增壓效率極限沒有渦輪增壓器來得好,且運轉時的噪音較大,這些都是機械增壓器的缺點。

魯式增壓器的轉子結構較大且較重,因此增壓器本身體積就會相當龐大,運轉時也會造成較多的引擎負荷。

雖然機械增壓系統的缺點不少,但還是有許多渦輪增壓所沒有的優點所在,首先是在動力輸出反應方面,因為機械增壓器是由引擎動力所驅動,當引擎怠速運轉時就能將大量的空氣持續送入引擎中,並跟隨著轉速而提高增壓效能,因此不會出現像渦輪一樣的遲滯(Lag)現象,開起來動力輸出較為線性,且在一定的增壓範圍內也不需要洩壓閥的裝置;再者就是增壓器本體不會與引擎大量的接觸,更不像渦輪就直接安裝在排氣頭段上,因此不會產生大量的熱能,所以大部分增壓值不高的的機械增壓裝置是不需要額外的進氣冷卻系統(葉片式的機械增壓器除外,原因後面再述),且排氣系統也不用大幅度的改造。

從外觀上分辨魯式與螺旋式機械增壓器除了看體積大小外,最簡單的就是看進氣口的位置,魯式的進氣口位於增壓器本體的上方,而螺旋式則是在增壓器的尾部。

增壓器種類大不同
效能好壞各有利弊
目前市面上常見的機械增壓器筆者將其區分為三種類型,分別為魯式(Roots)、螺旋式(Screw)與葉片壓縮式(Compressor Wheel),接下來分別就此三大類型的機械增壓器進行說明。
魯式機械增壓器:
魯式增壓器是最早發展的一種機械增壓系統,構造簡單來說為一繭型外殼與內部二支轉子所構成,二轉子間與外殼並未接觸,僅有極微小的空隙,作動時引擎動力透過皮帶來帶動二支轉子向外側方向旋轉,轉子就會將空氣從增壓器外殼上方的進氣孔帶到增壓器下方,然後再通過歧管進入汽缸內部,大家可以透過圖示來進一步了解魯式機械增壓器作動的方式。

由於魯式增壓器體積大、效率不佳,因此只有美國老式大排氣量的肌肉車才會使用此類的增壓器設計。

關於轉子的作用筆者打個比方,那就像是拿一把扇子扇風,實際作動時二支轉子就是將空氣「扇」入歧管中,過程裡魯式增壓器只是將空氣送出,本身並沒有對空氣進行壓縮的動作,所以魯式增壓器嚴格來說並不算「壓縮機」的一種,而比較類似容積式「送風機」的原理,實際上由於魯式增壓器不斷地送入空氣,因此在歧管內產生加壓的現象,來達到所謂「增壓」的目的。

螺旋式機械增壓器的構造類似魯式,但其作動原理是利用二個螺旋狀的轉子將空氣吸入並壓縮,因此增壓效率比起魯式還好上許多。

了解上述的魯式機械增壓器作動原理之後,大家應該會發現到此種增壓器的效率似乎不是那麼好,過去裝置魯式機械增壓器的車輛通常最大壓力值僅在0.3bar-0.5bar左右,就算將增壓器轉速加快也不見得會有更好的增壓效率,此外,魯式增壓器的轉子是一次次快速的將空氣壓入歧管內,而非連續不間斷的持續氣流,且增壓器本體與轉子體積龐大,若要提供更大的進氣量必須加大增壓器而非提高轉速,因此效率並不高,再者增壓器在運作時會發出一種特殊的噪音,所以此種增壓器目前使用度較低。

螺旋式增壓器由於轉子具有壓縮效率,因此增壓器本身的體積不用太大,而吸氣口則是在尾部而非上方。

從這二張圖就可以看出螺旋式增壓器尾部吸氣與前方出氣位置的結構,而二個轉子必須契合但形狀不見得要相同,製造上也必須需要較高的技術。

 

之前相當多人使用的日本TRD機械增壓套件也是採取螺旋式的設計,對於提升車輛效能有很大的幫助。

目前VAG所推出這具搭載於S4、S5上的這具3.0升V6機械增壓引擎,原廠賦予最大動力可達333hp、44.9kgm之譜。