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深度解析“机械增压”,美式肌肉的最爱!——机械增压PK涡轮增压

美式肌肉车2018-04-15 16:54:45


关于机械增压和美式肌肉之间那种千丝万缕的联系,几乎几天几夜都讲不完,美国人作为全世界最崇尚动力的民族,为什么那么喜欢机械增压?

leoleo再次为大家带来一个高质量的大长篇,详细解说机械增压的方方面面,以及与涡轮增压的PK对比,由于篇幅比较长,如果一时看不完,也推荐大家先点击右上角菜单,选择“收藏

leoleo在跟各位肌肉迷交流的时候,经常被问到有关机械增压的问题,比如机械增压改装后效果明显吗?机械增有多少种,有什么区别?机械增压和涡轮增压比较,哪个性能更好?——各种各样的问题虽然不少,但我觉得仔细琢磨起来也挺有趣,所以特意写了这篇文章。

这一切,让我们还是从美国大片《速度与激情》说起:


无可否认,《速度与激情》中的主角多米尼克,就特别喜欢美式肌肉

(上图是《速6》中执行坦克任务时驾驶的1968 Camaro,表现出他对美式肌肉的热爱)

电影中最著名的恐怕就是这台道奇1970 Charger,车头高高扬起的机械增压器,恐怕无论是车迷还是影迷,都觉得特“肌肉”。

其实这就是一种老式的机械增压器,叫做“鲁式机械增压”(Roots SuperCharger),此外机械增压还有“双螺杆式机械增压”(Twin Screw SuperCharger)、“离心式机械增压”(Centrifugal SuperCharger)等。

那么这些增压器在性能上有什么区别,与涡轮增压的作用有什么不同?改装哪种比较好?下面来详细聊一聊。




一、科普一下基础概念

机械增压叫做SuperCharger(可以理解为超级增压);

涡轮增压叫做TurboCharger,字面意思也就是涡轮增压了。


这里先说一下原理,如果已经明白的可以略过,下面会详细分析各种增压器的优缺点和对动力的影响。


(一)机械增压器是靠发动机运转带动的,由发动机曲轴带动增压器运转的,所以自然会消耗一些发动机的动力,但如果认为机械增压会消耗发动机马力就“不好”,那就错了!实际上机械增压会给发动机带来很明显的动力提升!

(高高竖起的鲁式机械增压器,上面的开口是进气口(节气门),上图可以明显看到中间的增压器有个皮带由发动机带动运转)

(增压器旋转起来之后,把空气强行压入发动机


(二)涡轮增压是由发动机排气推动涡轮运转,然后这个被排气带动的涡轮再把动力传输到进气涡轮上,从而给进气带来增压,从运转原理上来说,跟机械增压完全不同。


涡轮增压原理也简单说一下:



(上图是涡轮运转原理,红色箭头代表排气吹动右边的涡轮,然后这个涡轮就带动左边的涡轮,蓝色箭头代表进气。下面这个图的原理也一样,不再解释)



二、详细聊一聊机械增压

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。

机械增压器的类型

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 、双螺杆式和离心式等。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。 鲁式和双螺杆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。

(一)鲁氏机械增压器

鲁式机械增压器几乎是老式肌肉车的最爱,在各种改装古典肌肉车上,鲁式增压器都是一个极其凸显“肌肉精神”的标志。

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,当时还没有发明内燃机呢。

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。
Gottleib Daimler,即戴姆勒汽车的创始人,日后与早期的奔驰合并为戴姆勒-奔驰

下图是鲁式机械增压的工作原理:

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。

由于这种设计结构的问题,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),为了解决或减小这种间隙以及提高效率,鲁式机械增压也从原来的双叶片升级为三叶片,尽管有所改善,但吸气间隙还是存在;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。

——不过对于美式肌肉迷来说,这种增压带来的尖叫声,不就是一种交响乐、一种肌肉情怀吗?


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。


鲁式增压器是属于容积式压缩机 (Porsitive Displacement )的一种;

鲁式增压器里的转子机构,在运转时所输送的空气量是相同的,所以不需要和涡轮增压一样排出多余的空气,因为高转速和低转速所输送的空气差不了多少,运作时也比较稳定。但是因为空气在通过增压器时 不仅有因为增压器运作时产生的噪音,还有受到转子的旋转时所产生的摩擦热,再加上所输送的空气并没有压缩,也造成在输送空气的过程中产生高温空气,这也是鲁式增压器的缺点。


解决之道就是在增压器与进气歧管间,加装一具中冷气(空气冷却器 lntercooer),如此一来即可解决进气温度过高的问题。


后来也有改良版的新鲁式增压器,通过修改转子的形状将其改为螺旋式的运作方式,降低了转子在旋转时所产生的磨擦热,也就大大提升增压器的实用性,这就是后来发展出来的“双螺杆式机械增压”。

(二)双螺杆式机械增压器

这里要重点讲讲双螺杆式机械增压。


双螺杆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,双螺杆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,双螺杆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。

下图是双螺杆式机械增压的工作原理示意图:


双螺杆式在运作上与新鲁式增压器有异曲同工之妙,比较明显的区别是:内部转子构造是采用一凹一凸(也称之为公母设计)。

在运作时 凹转子和凸转子互像啮合后产生的空气压力快速的导入引擎,也由于空气已经过压缩所以也不会产生额外热能,运作效率比传统鲁式要来得好。

(从上下两张图可以明显看出双螺杆式增压器内部的两个转子,是一公一母)


双螺杆增压器的转子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,双螺杆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。

双螺杆式机械增压也是现代肌肉车(Modern Muscle)最喜欢采用的一种机械增压,美国通用、福特、道奇等美系厂商推出的三大顶级肌肉上都采用了双螺杆式机械增压:

(上面两张图是第五代野马GT500,可以明显看到发动机上方的双螺杆式机械增压)

(道奇挑战者地狱猫,也是在V8引擎上安装了一个强力的双螺杆机械增压)

(上图是美国通用基于第五代Camaro推出的Copo版本,用于1/4英里直线加速赛的专业赛车,也可以看到发动机上方的双螺杆式增压器;此外Camaro ZL1、凯迪拉克CTS-V等同样也都采用了双螺杆式增压)


双螺杆式增压在鲁式增压的基础上改良了不少,赢得了各个肌肉厂家的喜爱。当然在性能方面双螺杆式增压的特点也非常鲜明,下面会详细比较几类增压器的动力特性。


(在电影《极速蜗牛》中出现了一台重度改装的Camaro,车头高高竖起的增压器其实已经不是鲁式增压,而是已经改良过的双螺杆式增压)


双螺杆式机械增压还有个有趣的特性,就是工作的时候一样会发出特有的声音,是一种高频的尖叫声,大家可以在网上欣赏道奇地狱猫、Camaro ZL1等车的评测视频时特别留意一下;由于凯迪拉克属于豪华车型,相比动力更为关注驾驶舒适性,据说工程师为了屏蔽双螺杆增压器的这种“尖叫”声,甚至花费了比改良动力更多的时间和心思


(三)离心式机械增压器


离心式机械增压器的外观与涡轮增压非常相似,但仍然通过发动机曲轴带动皮带来让增压器获得动力,驱动方式与涡轮增压的原理完全不同。


在国内流行的科迈罗V6机械增压改装,就是离心式机械增压,就是下面两张图里改装的这种机械增压:

可以看到,在发动机右下角都有个涡轮(国内的车友注意谨防假货,改增压可不是闹着玩的),那么这种离心式增压,又有什么不同呢?


工作原理:离心式机械增压器是通过利用叶轮的旋转,将空气高速吸入狭小的压缩机壳体,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。

离心式增压器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(主要是离心式增压器不想鲁式、双螺杆式有气室来储存空气),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(但是leoleo认为,起步打滑、摆屁股不就是肌肉车的精髓吗)。

——换句话说,离心式增压在低转速时带来的动力提升相对有限,但随着转速的提升,增压值越来越高,在高转速时可以爆发很强的动力。


(上图是2015款野马GT改装的离心式机械增压)

由于离心式增压的这种独特的工作特性,在高转速能爆发较强的增压值,所以过去在飞机上应用广泛,飞机的发动机基本上都工作在较高的转速区间,但后来涡轮增压发明后,逐渐取代了离心式机械增压在飞机上的应用。

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(所以离心式增压的改装成本也最低)。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。


(上图是科迈罗V6的离心式增压套件,可以看到前面有个空气冷却器)


三、机械增压PK涡轮增压

(一)涡轮增压先天的缺点是低速的涡轮迟滞( Turbo Lag),为了避免这种情况(比如满足低中速快速反应的场合),于是就有了机械增压的发展。机械增压与涡轮增压的目的一样,就是强制将大量的空气送往引擎汽缸室内,不一样的是其运作的方式:

涡轮是利用排气废气来推动涡轮,非得要等引擎做了一次燃烧循环后排出废气才会作动,而机械增压则是直接提供大量空气给引擎。


(二)还有不一样的地方就是增压器安装的位置,涡轮是装在引擎的排气头段位置,机械增压则是装在进气头段前,所以供给空气的速度当然比涡轮增压来的快,所以机械增压的动力响应也更及时。


(三)不仅如此机械增压在低速时反应会比涡轮增压好,也是因为机械增压作动方式是由油门来控制。怎么说呢?

相较于涡轮叶片需要足够的引擎转速,来提供足够的废气量推动涡轮叶片,机械增压的作动方式是由引擎直接带动,所以当引擎一发动机械增压就处于待命状态,增压器的作动与油门转速相辅相成,油门一踩 增压器随即作动动力随传随到,油门踩多深动力也跟着提升,自然操控线性比涡轮增压更好。

(四)机械增压这么利害难道没有缺点?!

尽管机械增压的进气效率比同级数的涡轮增压要来得好,但是却因为是由引擎曲轴带动的关系,所以会占用些许引擎本身的马力,而且机械增压里的转子机构无法像涡轮增压一样,高达数十万转的速度,所以 一但到高转速区间,机械增压就容易显得疲乏”(特指双螺杆式机械增压),所以比起同级的涡轮增压,机械增压所能增加的最大马力有限。

虽然如此,只要搭配得当,例如发动机本身就是大排量,或是拥有高转速,高马力的的车种上,配合涡轮增压就可以补足低速扭力不足的情形进而达到全速域的动力表现。


使用涡轮增压+机械增压的组合,可以可以获得比较均衡和全面的表现,当然这样也会进一步加大车头的重量,比如这台夸张的Camaro,改装了机械增压+双涡轮增压:



最后简单总结一下,机械增压VS涡轮增压,可以看下面这张图:

解释一下:

1、机械增压(双螺杆式):优点为更强的低转速扭矩、更好的油门动力响应;缺点是不太好的燃油经济性(似乎肌肉车根本不Care),并且重量较大。

2、涡轮增压:优点为更好的燃油经济性、更轻的重量;缺点是低速下对扭矩提升没有帮助,滞后的油门响应。



四、几类机械增压与涡轮增压的数据对比
上面分析了那么多,都是定性分析,没有定量的数据,最后用张一目了然的Dyno对比图展示PK对比结果:


上图的横坐标轴代表发动机转速(单位是千转/分钟),纵坐标代表马力提升值,这样对比就非常明显了,我们来解读一下:


1、红线是双螺杆式机械增压,特点是在低转速区间的提升较好,但是到了高转速区间,提升有限,但是这样的特性,不就是跟美式肌肉,尤其是OHV发动机的动力特性相吻合吗?

以美国通用、克莱斯勒道奇所倡导的OHV架构引擎,就是突出在低转速爆发大扭矩的特性,这也是美式肌肉的精髓:起步大马力、难以操控,肌肉车之所以狂野的来源。

(具体可参考阅读《什么才是美式肌肉的灵魂?详解OHV的是是非非》,在公众号主页面回复关键字“ohv”可获得这个帖子)


——适应于肌肉车的动力理念,我想这就是美式肌肉为何那么喜欢机械增压的原因!


2、绿线是离心式机械增压,属于一条比较陡峭的动力曲线,低转速表现不佳(因此也有车商为离心式机械增压开发过离合器、电磁阀,让发动机在低速状态下完全断开增压器,直接按照自然吸气方式运转,从而避免增压器对发动机进气造成阻滞),但是到了高转速区间,动力提升甚至超过了双螺杆式机械增压!

国内有不少改装离心式机械增压的V6科迈罗车主,在进行0-400米直线加速赛时,这类离心式机械增压的科迈罗往往在起步时并没有什么优势,但是却总能在冲线时战胜对手,靠的就是高转速区间爆发的强悍动力。


3、蓝线是涡轮增压,虽然低速时几乎没有提升(动力延迟),但只要涡轮一爆发,不得不说对动力的提升还是很强悍的(这就是为什么例如Hennessey这类改装厂喜欢通过加装涡轮来压榨发动机的极限动力),不过涡轮增压随着转速攀升到红线,扭矩和动力还会出现下降,并没有在这张曲线图中表现出来。


最后,其实各种增压器都有自己的特性、工作特点,并不存在“谁更好”的说法;各种增压器的最终的目的都只有一个,就是提高引擎效率、获得更好的动力,各种增压器各有所用,各尽其职,以车辆类型来选择使用,才能将增压器的能力发挥出来!

但对于美式肌肉来说,三大现代肌肉都了双螺杆式作为原厂增压器,无疑是最符合美式肌肉理念的增压方式!


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