加强动力的法器 浅析常见机械增压器

综述机械增压器

自从发动机面世以来,工程师们一直想方设法提高发动机的功率。提高发动机的功率,为的是让发动机气缸内能充盈尽可能多的空气,让更多的氧分子参与燃烧,进而产生出更多的能量。而为了提高发动机充气量,除了制造更大排量的发动机,增加参与燃烧的空气体积以外,另一种方法就是提高相同排量下,增加气缸内的空气的分子数,也就是令更多的空气分子进入到气缸之中。但对于依靠气缸内与气缸外的气压差来为气缸充气的自然进气方式,气缸的充气气压绝对不可能超过一个大气压力,这也是自然进气发动机的物理极限,那如何提高发动机的充气效率呢?从自然吸气的原理可以知道,唯一的做法是强制性地向燃烧室“泵”入更多的空气,而不是依靠活塞下行被动地“吸”入空气。这就是强制进气(Forced Intake)诞生的基本思路。强制进气的方式,被分为机械增压以及涡轮增压。目前我们听说比较多的是涡轮增压,在此也不再赘述了;而机械增压则是另一种强制进气的形式,它的总体工作原理是,由曲轴皮带轮带动泵气机,将空气压缩至超过一个大气压力,并送入气缸内参与燃烧。

加强动力的法器  浅析常见机械增压器

图:奥迪3.0机械增压V6发动机。

机械增压器(Supercharger)是机械增压系统的核心。大家都知道涡轮增压器,其叶片是由废气“吹”得转动的,而机械增压器则是其皮带轮与发动机曲轴皮带盘,以皮带连接,利用发动机曲轴的转动,通过皮带将旋转传递给增压器,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,以此达到提高充气效率的目的。机械增压器是从曲轴直接获取动力的,所以机械增压自身会占用掉发动机的功率,而且机械增压本体根据其结构的分别,增压效率也大有不同。

加强动力的法器  浅析常见机械增压器

图:机械增压器增压原理图。发动机曲轴通过皮带带动机械增压器皮带轮旋转,动力传递到主动轴上的主动齿轮带动从动齿轮旋转。压缩机转子也由此开始旋转,空气通过转子凸缘集中起来吸入,由于转子具有锥度,空气从增压器进气口流向排气口,气道会变小。随着气道的收缩,空气便被压入到更小的空间,使得空气的压缩可以连续进行。

根据构造不同,机械增压器曾经出现过许多种类型,包括:鲁式 (Roots)、双螺旋式和离心式等。它们的主要区别在于将空气吸入发动机进气歧管的方式不同。 鲁式和双螺旋式机械增压器使用不同类型的啮合凸缘,而离心式机械增压器则是使用叶轮的旋转吸入空气。

鲁氏(Roots)机械增压器

鲁氏机械增压器是机械增压家族中最先设计的,早在1860年由Philander和Francis Roots发明并申请了设计专利,最先的目的是用于矿井内部通道的通风。在内燃机发明后,1900年,Gottleib Daimler首次在汽车发动机中安装了鲁氏机械增压器。

加强动力的法器  浅析常见机械增压器

图:图为鲁氏机械增压器工作原理。

鲁氏压缩机中的有两个凸缘转子,它们相互啮合。当主动轴啮合被动轴凸缘旋转时,凸缘之间产生真空或负压,由此空气会被吸入,然后在增压器进气口和其排气口之间传送。大量的空气将进入进气歧管,并累积起来产生正压力。但这种设计的增压器并不是连续不断地吸入空气,而是间歇式的吸入(虽然间歇很短但不能忽略),而且转子凸缘体笨重,需消耗较多的曲轴扭矩,效率并不高,而且这类增压器的压缩空气排出压缩机时会发出轰鸣声,一般需要安装降噪装置以降低噪音。

加强动力的法器  浅析常见机械增压器

图:GM旗下土星2006款Ion上的Eaton鲁氏增压器。

鲁式机械增压器通常体积都比较大,安装在发动机的顶部。因为可以装在发动机盖的外面,所以它们在大马力的汽车中很受欢迎。不过,它却是效率最低的机械增压器,原因有两方面:一方面它重量较大,增加了轿车的重量,另一方面则是只能间歇地吸入空气,并不能顺畅地连续吸入空气。

双螺旋式机械增压器

双螺旋式机械增压器又被称为罗茨鼓风机,和鲁氏机械增压器十分相似,双螺旋式机械增压器通过两根类似于一组涡轮传动的啮合凸缘转子吸入空气,增压器中的空气也是通过转子凸缘集中起来吸入的。和鲁氏增压器不同的是,双螺旋式机械增压器会不间断的压缩转子壳体内的空气,而不会像鲁氏增压器间歇式的吸入空气。其原因在于这些转子具有一定锥度,这意味着随着空气从增压器进气口流向排气口,气道会变小。随着气道的收缩,空气便被压入到更小的空间,使得空气的压缩可以连续进行,这样既提高增压器的压缩效率,又使得增压器不需要造得十分庞大。

加强动力的法器  浅析常见机械增压器

图:为双螺旋式机械增压器的工作原理。

加强动力的法器  浅析常见机械增压器

图:由Sprintex为Bullet设计生产地克莱斯勒300 SRT-8系列的机械增压套件将这台2气门大排量V8的极限发挥的琳琳精致。

由于转子凸缘的形制的需要,在制造过程中需要进行精密加工,使得这款增压器的制造成本上升。与鲁氏机械增压器一样,双螺旋是增压器一般都安装在发动机的上方,也有部分的会选择安装在发动机的一侧。因其工作原理与鲁氏增压器十分相似,从排气口排出的压缩空气会和鲁氏增压器一样会发出轰鸣声,一般都须使用降噪装置消除这些声音。

离心式机械增压器

离心式机械增压器通过利用叶轮的旋转,将空气高速吸入狭小的压缩机壳体。其叶轮的形状与涡轮增压器压缩机的转子十分相似,它的转速透过输入轴变速器的放大,可达每分钟5-6万转。空气在叶轮轮毂处被吸入,叶轮旋转产生的离心力会导致空气向外扩散。这些空气会使叶轮处于高速低压状态。扩压器是一组环绕叶轮的固定叶片,它会将高速低压的空气转换成低速高压的空气。当空气分子碰到这些叶片时,会减慢速度,从而降低气流速度以及增加压力。和任何离心式增压器一样,在发动机低转速的时候提供很小范围的增压来辅助发动机进行工作,并且在发动机减速的时候,空气会旁通。有一点和鲁氏、双螺杆一样的,就是在发动机的任何工作速度下都能提供有效地增压值。但由于汽油发动机要求燃油和氧气在相对较小的比例下压缩成混合气并进行燃烧,所以在低转速的工作状态成为了很多人关注的热点,而离心式实际上在低转速区间不能和鲁氏、双螺旋式机械增压器一样供给足够的氧气去提供燃烧,所以离心式机械增压器被考虑用在大排量的发动机上,而且在启动阶段不需要过多的强制进气的发动机进行匹配,这样也可以避免了轮胎在发动机启动阶段的打滑。

加强动力的法器  浅析常见机械增压器

图:离心式机械增压器的工作原理。

加强动力的法器  浅析常见机械增压器

图:广本奥德赛发动机舱的离心涡轮式机械增压器。

离心式机械增压器的增压效率是上述三种机械增压器中最高的,同时增压后空气的温度一般也较前两种高,常常需要加装中间冷却器以降低压缩空气的温度。由于这款增压器的体积小,重量轻,可以安装在发动机的前面而不是顶部。与其他几款机械增压器一样,工作时,它也会产生与众不同的轰鸣声,如有需要也应加装降噪装置。由于这款机械增压器与涡轮增压器高度相似,不少人会以为这是一款涡轮增压器。但从压缩机的驱动方式上讲,它是不折不扣的机械增压器。

 

相关技术文章

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

2013年04月28日

专业汽车ECU升级改装
深圳市阿德科技有限公司