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机械增压详解
自从人类发明了内燃机以来，引擎工程师们就一直在寻找一种能够有效增加引擎能量的办法。制造大排气量的引擎便是其中之一，但更大的排气量往往意为着更重以及更为昂贵的价格。另一种方法则是在常规大小的引擎上做文章，通过吸入更多的空气到燃烧室里来达到目的。因为更多的空气被吸入意为着可以注入更多的燃油，而更多的燃油则代表着引擎能够在气缸内制造更为强大的爆炸力和更高的马力。


(Ford Ranger的机械增压引擎)



使用增压器是达到强制进气目的的好帮手。在这篇文章里，我们将会介绍何谓机械增压，它们是如何工作以及与涡轮增压相比时的优劣之分。

增压器是什么?

任何的增压器都是一种能够通过压缩空气来增加“大气压力值”的装置。涡轮增压，机械增压都是如此。事实上，“涡轮增压器”是一种缩写，其全称应当为“涡轮机械增压器”(Turbo-Supercharger)。

(译者按:在英文里，增压器、机械增压器统称为Supercharger，涡轮增压器则为Turbocharger)


涡轮增压器与机械增压器的区别在于其获取运转能量时的来源不同。涡轮增压是使用引擎排放的废气来推动，而机械增压则是通过使用链条或齿带连接引擎曲轴来带动。



一具普通的往复式4行程引擎在吸入空气时有以下3个步骤：

1．活塞往下运动

2．制造真空状态

3．真空导致气缸外大气压强大于气缸内，空气被吸入燃烧室

当空气被吸入燃烧室后将会迅速与燃油混合形成可燃气。然后在压缩行程时被活塞压缩，并且在未到达上死点前由火星塞点燃。此时产生的爆炸力将推动活塞往下运行，提供动力给曲轴最终传达至轮胎。

(译者按:Intake-进气行程、Compression-压缩行程、Combustion-爆炸行程、Exhaust-排气行程)

注入更多的燃油进燃烧室将会产生更有力的爆炸。但你不能仅仅只增加燃油量，因为使得引擎有效运转的最佳空燃比为14：1。所以重点在于：在增加燃油的同时，吸入更多的空气。



这就是增压器的工作，提高进气门附近的大气压力，使得空气能够在除了真空吸入以外的情况下还能被强制压入引擎。有了更多的空气就能注入更多的燃料，从而获得更多的能量。一具增压器可以平均提升40%的马力和31%的扭矩。



机械增压器是如何工作的？

不像涡轮增压器使用废气驱动，机械增压器通常是通过一条齿带连接引擎曲轴来带动。这条齿带在曲轴转动时带动增压器上与“传动齿轮”(drive gear)相连的“滑轮”(pulley)，然后在传动齿轮旋转的同时连带着“轮叶齿轮”(driven impeller gear)一起转动，最终让轮叶能够高速运转。
(ProCharger D1SC centrifugal式机械增压)



为了能压缩空气进入燃烧室，轮叶的转速必须比引擎的转速还要快。使用比与其相连“轮叶齿轮”大的“传动齿轮”能产生此效果。一般机械增压器的轮叶转速能达到5万至6.5万转每分钟。



5万转的增压器能产生大约6-9psi的压强。由于海平面大气压强为14.7psi，也就意为着有大约50%多余的空气将会被增压器压入引擎中。

当空气被压缩的同时，温度也会随之升高。而由于高温空气的密度低于低温空气，含氧量减少，燃烧效率降低，使得其在被压缩点燃时无法产生应有的能量，所以压缩过后的空气必须降温。

中冷器(intercooler)的出现解决了这个问题。当高温高压空气经过中冷器时，冷却水或冷空气作为热交换媒介有效的降低了压缩空气的温度，

虽然在此过程中会损失部分压力。



Roots式机械增压器

现在常见的机械增压器主要有三种式样:Roots式，Twin-screw式和Centrifugal式。

它们最大的不同点在于其压缩空气的方式不同。

Roots和Twin-screw使用的是不同种类的meshing lobes机构，而Centrifugal则采用的是类似涡轮的轮叶机构。而且虽然这三种机械增压器同样都是为了制造压力，但他们之间的效率却有一定的差别。

Roots式机构早在1860年代就被设计出来且用于管道的通风系统上。但直到1900年才被Gottleib Daimler应用于汽车引擎。




当meshing lobes开始旋转时，大量的空气在短时间内由上方的入口被吸入，再经由下方的排出口送出，从而制造出所需要的正压。也正因为如此，机械增压器又常被称为“鼓风机”(Blower)。

Roots式机械增压由于体积较大并且只能装置在引擎的上方，所以通常只被应用在美式肌肉跑车或专门用来比直线加速的赛车上，因为这些车可以毫无顾忌得在引擎盖上挖洞(或干脆直接拿掉)来放置增压器。



Twin-screw式机械增压器

与Roots的工作原理相同，Twin-screw也是使用的两根meshing lobes来压缩空气。但由于Twin-screw的meshing lobes被设计成回旋样式，使得吸入的空气能够被集中起来并压缩在一个更小的空间里。


这种需要精密加工技术的设计让Twin-screw式增压更有效率，同时却也更为昂贵。而且当被压缩过的空气从排出口挤出来时，会发出巨大的噪音，让使用者不得不另外花钱装置消音器。



Centrifugal式机械增压器

离心力(Centrifugal)式增压使用的是一个类似涡轮的装置，其轮叶能够在很短的时间内以高达50000至60000RPM的转速将空气压缩。

但与此同时，轮叶的高转速却使得从排气口出来的空气处在高速低压的状态。为了增加压力，工程师们在出口处设计了一个挡板。当被推挤出来的空气冲击到挡板时，流速降低，压力因此被从新***起来。


体积小、重量轻和可以安置在引擎前方的优点让离心力式增压成为最有效率、最普及的机械增压器。





(Mini-Cooper S原厂便帶有机械增压)

现今市场上大多数的机械增压套件来自与改装厂，但也有少部分原厂车出厂时就已安装。



机械增压的优点

装置增压器的目的是为了能够让引擎拥有更多的马力。但如何在机械增压器和涡轮增压器之间做抉择呢？这个问题同样让工程师们很伤脑筋，但总体来说，机械增压还是略胜过涡轮增压。



首先，机械增压不会产生延迟(Lag)。

涡轮增压的启动需要有足够多的废气来支持，而这通常会需要一点时间。机械增压的驱动力则直接来自引擎的曲轴，当引擎启动时，机械增压就已开始工作。

其次，由于涡轮增压对排气系统要求很高，需要在改装时一并对其进行强化，而机械增压只需装置在引擎上即可。

最后，当你要熄灭引擎时，涡轮增压引擎通常需要30秒左右的时间来让部件、机油冷却，而机械增压引擎则可以直接熄火，无需任何特殊保养。



机械增压的缺点

机械增压最大的不足来自其优点：由于机械增压由曲轴来带动，也就意味着驱动它就必须直接地消耗引擎的马力。大概有20%的马力消耗在驱动机械增压器上，但考虑到它能制造46%以上的马力，这点损耗实际上是值得的。.