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「超級」增壓超給力 機械增壓原理剖析(2)


刊登時間: 2013/08/04

螺旋式機械增壓器:

螺旋式機械增壓器的外觀與構造都跟魯式壓器相當接近,嚴格來說此類機械增壓器是由魯式增壓器進化而來的,雖然同樣都是由繭型外殼與二支轉子所構成,不過這二支轉子為相互契合的螺旋狀外型(二支螺旋轉子外型不一定相同),且與魯式增壓器的轉子一樣都不互相接觸,而二支轉子的運轉方向與魯式增壓器相反,是朝內側方向旋轉,在旋轉的同時會將空氣由增壓器本體的後方吸入,並透過轉子將空氣壓縮並向前方送出,然後加壓後的空氣再進入歧管、汽缸內與汽油混和燃燒,如此來達到增壓的效果。

由這二張圖可以看出,所謂離心式機械增壓器驅動端並不與葉片在同一軸心上,內部是透過齒輪來提高渦輪轉速,但這種設計齒輪會較容易磨損,且轉速通常都不會超過四、五萬轉,因此這樣的設計已漸漸被淘汰。

雖然外觀相似,但螺旋式機增壓器的效能比起魯式來說進步許多,因為螺旋轉子對空氣有加壓的作用,因此在效率上比起魯式要優異不少,也不需要更大的體積即可達到較多的進氣量,而此款增壓器所提供的最大增壓值,也由魯式的0.3bar-0.5bar左右提高到0.5bar-0.8bar的水準,經過改裝後甚至能衝到1.0bar,因此目前較新的原廠機械增壓車款都會採用螺旋式機械增壓器。螺旋式機械增壓不但解決了魯式體積大、效率不佳的問題,還可提供穩定持續的出風量,不過與魯式相同的運轉噪音式機械結構方面無法解決的問題,此外,製造轉子需要相當精密的加工才能達到理想的效率,無形之中也提高了成本,再加上進氣歧管必須依車種不同來個別開模生產,因此一組品質良好的螺旋式機械增壓套件的價格通常都不會便宜到哪去。

 

葉片壓縮式機械增壓器:

葉片式機械增壓器猛一看與渦輪外型差不多,事實上此類增壓器採用與渦輪相同原理的葉片式空氣壓縮機(Compressor),不過在驅動端方面是採用引擎本身的動力,而非渦輪使用排出的廢氣來提供驅動力。葉片式機械增壓器的壓縮機形式雖然與渦輪相同,但礙於驅動端機械方面的物理極限,最高轉速一般來說約在每分鐘5-6萬轉左右,與渦輪動輒10-20萬轉相比可說是小巫見大巫,不過目前可透過改進葉片的形狀以及提高驅動端的轉速效率,進而達到更高的增壓值。

雖然行星式的驅動端結構較離心式複雜,但齒輪強度與增壓器轉速都優於離心式,但磨損與噪音的問題還是依舊存在。

目前葉片式機械增壓器是比較熱門的機械增壓形式,除了增壓效率優於魯式或螺旋式增壓器外(約可提供0.5bar-1.5bar的增壓值),體積較小也適合大部分的車款使用,且葉片式機械增壓器就像渦輪一樣可模組化大量生產,周邊套件的開發成本也比較低廉,不過由於此類增壓器與渦輪相同在增壓時會提高進氣空氣溫度,必須搭配進氣冷卻器來使用,不過考量到效率與成本因素,葉片式機械增壓器已漸漸成為未來的主流。

葉片式機械增壓器在進氣端各家廠牌都大同小異,不過在驅動端部分確有不同的設計,這會影響增壓器本身的運作效能,在此筆者依不同的設計方式再進行區分。

牽引式機械增壓器的運作原理與行星式相同,只不過將原本的齒輪換成平滑的轉子,再靠內部的高張力油品來提供驅動時的牽引力,好處式噪音小、不易磨損,但由於油品的牽引力有其極限,因此轉速也不會比行星式快。

第一種稱為「離心式機械增壓器」(Centrifugal),此類設計的驅動端與進氣葉片並不在同一軸心上,而是透過驅動端內部的齒輪去帶動進氣葉片軸心的齒輪,通常這類增壓器為了提高齒輪比來增加渦輪轉速,在無法加大齒輪的前提下都會增加齒輪的齒數,如此會造成齒輪耐用度的問題,此種增壓器目前比較少見到。

第二種稱為「行星式機械增壓器」(Planetary),這種驅動端的設計是與進氣葉片在同一軸心上,而驅動端內部採用三顆一組的行星齒輪,當外盤經由引擎透過皮帶轉動時,就會帶動行星齒輪轉動進氣葉片軸心,這種設計最大的好處就是能夠讓進氣葉片的轉速更高(約可到達7-8萬轉左右),且各齒輪的齒距比起離心式也較大較堅固,耐用度會比前者好上許多,但畢竟齒輪之間還是會接觸,使用了一段時間之後還是會有磨損的問題。

HKS GT系列機械增壓器為了解決牽引力不足造成轉速無法提升的問題,因此將內部轉子設計成一大二小來增加牽引力,因此葉片軸心不在驅動端的中心位置,因此HKS又將這款增壓器稱為偏心式增壓器。

最後一種稱為「牽引式機械增壓器」(Traction),基本的構造與行星式相同,但礙於行星齒輪較易損耗的問題,因此將外盤、行星齒輪與軸心改為平滑的轉子,內部則是使用壓力黏度係數高的特殊油品,在運轉時壓力上升後油膜變化產生較大的摩擦力,進而驅動進氣葉片軸心來達到增壓的動作,比起行星齒輪的摩擦驅動,此類增壓器驅動機構幾乎不會發生磨損,讓使用壽命延長,且減少震動、噪音的問題,這是目前最佳的機械增壓設計之一。

 

總結:
一般人總會人為機械增壓的動力輸出效能值遠不如渦輪增壓,不過看看M.Benz SLR、Koenigsegg CCX/CCR、Ford F40/Shelby GT500、Chevrolet Corvette ZR1這些怪獸等級的夢幻超跑,通通都是使用機械增壓來達成超暴力的動力表現,再看看日本D1,今年谷口信輝所駕駛的HKS GT86甩尾廠車,不也是使用機械增壓系統嗎?渦輪增壓有容易提升動力的優點,而機械增壓同樣可以達到相同的動力表現,但機械增壓的線性輸出特性,那就不是渦輪增壓所能辦到的!所謂青菜蘿蔔各有所好,喜歡暴力輸出的就選渦輪,喜歡動力輸出較為線性的,機械增壓絕對是較好的選擇。

由於葉片式增壓器具有大幅壓縮空氣的功能,進而造成較高的進氣溫度,因此這類的套件必須搭配進氣冷卻器來使用。

由於葉片式機械增壓器的轉速不如渦輪來得高,若使用渦輪的進氣葉片會無法達到最佳效率,因此這類增壓器的葉片都會採取較多的葉片數與較大的面積,來達到最佳的進氣效果。

誰說渦輪一定比機械增壓好?看看美國的平民超跑Chevrolet Corvette ZR1就是採用螺旋式增壓器來提升性能,以達到638匹最大馬力與83.9kgm扭力的驚人數據。