機械增壓是指針對自然進氣引擎在高轉速區域會出現進氣效率低落的問題，從最基本的關鍵點著手，也就是想辦法提升進氣歧管內的空氣壓力，以克服氣門干涉阻力，雖然進氣歧管、氣門、凸輪軸的尺寸不變，但由於進氣壓力增加的結果，讓每次氣門開啟時間內能擠入燃燒室的空氣增加了，因此噴油量也能相對增加，讓引擎的工作能量比增壓之前更為強大。
基本介紹
- 中文名：機械增壓
- 外文名：mechanical supercharging
- 套用學科：工學
- 適用領域範圍：機械，汽車
- 適用領域範圍：機械工程
- 系統：增壓系統
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特性
機械增壓器（Super Charge）之特性
機械增壓與渦輪增壓在動力輸出上有著明顯的區別，前者有接近自然進氣的線性輸出，而後者則因為有渦輪遲滯的現象，出力相對多一點突兀，沒那么線性。
因為機械增壓的工作原理，使其在低轉速下便可獲得增壓。增壓的動力輸出也與曲軸轉速成一定的比例，即機械增壓引擎的動力輸出隨著轉速的提高，也隨之增強。因此機械增壓引擎的出力表現與自然吸氣極為相似，卻能擁有較大的馬力與扭力。
由於機械增壓器採用皮帶驅動的特性，因此增壓器內部葉片轉速與引擎轉速是完全同步的，基礎特性為：
引擎rpm X（R1/R2）= 增壓器葉片之rpm
R1 引擎皮帶盤之半徑
R2 機械增壓器皮帶盤之半徑
由於各類引擎的皮帶盤尺寸差異不大，同時受限於引擎安裝空間，因此機械增壓器的工作轉速遠低於3,000rpm，與渦輪增壓器經常處於10,000rpm以上超高轉域的情形相去甚遠。
歐洲生產的機械增壓系統多半採取0.3-0.5kg/c㎡的低增壓，著重在於低轉速扭力輸出與中高轉速“高原型”馬力輸出，而台灣“特嘉”研發的新式低阻抗增壓器可以產生0.6-0.9kg/c㎡的中度增壓值，動力提升的幅度更為顯著，雖然機械增壓系統在現階段仍然無法突破1.0kg/c㎡的高增壓範圍，而渦輪增壓早已突破2.0kg/c㎡的超增壓境界，單就效率而言，渦輪增壓系統可以用“倍數”來提升引擎輸出，但是兩者在結構上無法相提並論。
在引擎機件維持原有形式，不用額外製造高單價精密機件的情形下，機械增壓系統可以讓引擎動力輸出增進20-40%，又不至於造成維修體系的負擔，並達成環保、省油、高效率的目標，以大幅節省新引擎的開發費用。
主要系統
機械增壓（Super Charge）、渦輪增壓（Turbo Charge）
本文講解機械增壓方式，並分析其優缺點。
機械增壓器（Super Charge）之構造
種類
機械增壓共分為3類
離心式機械增壓（Centrifugal Superchargers）：這種機械增壓與渦輪增壓很像，只不過它不是用發動機的廢氣驅動，而是用發動機的皮帶帶動。它和渦輪增壓增壓原理相同，吸入空氣靠離心力把空氣加壓，以達到壓縮空氣的目的。
魯茲式機械增壓（Roots Superchargers）：你經常能在60到70年代的肌肉車上看到這東西，它從發動機蓋上的突非常明顯，正如圖中這輛野馬跑車一樣。這種機械增壓將空氣吸入增壓器內部，有兩個螺旋狀葉片將空氣壓縮，之後送到進氣歧管里。這種機械增壓能提供強大的扭矩輸出。它在加速比賽和街道競賽中十分流行。
螺旋式增壓器（Screw Superchargers）：這個形式的增壓器是基本型的派生出來的，而且也長得很像，但它們的吸氣壓縮方式卻截然不同。當空氣被吸入增壓器時，被螺旋狀葉片強壓入進氣歧管內。這種形式的增壓器對於提升各個轉速的馬力都很有效
優缺點
優勢
相對於渦輪增壓技術，機械增壓完全解決了油門回響滯後，渦輪遲滯和動力輸出突然現象，達到瞬時油門回響，動力隨轉速線性輸出，增加駕駛性能能效果。此外，在低速高扭、瞬間加速，機械增壓技術都優於渦輪增壓技術。機械增壓技術不需跟發動機的潤滑系統連線，不需要冷卻，免維護，工作可靠，而且壽命長。在這裡機械增壓是有些優勢勝於渦輪增壓，但它們各有所長，機械增壓比渦輪增壓也有不足之處。
缺點
1、加速效果不是很明顯，與自然吸氣引擎差別不大。
2、會損失發動機部分動能，機械增壓靠皮帶帶動，歸根到底驅動力還是引擎。
3、高轉速時會產生大量的摩擦，影響到轉速的提高，噪音大。
增壓機械
機械增壓系統
機械增壓器
機械增壓器是一種強制性容積置換泵，簡稱容積泵。它跟渦輪增壓器一樣，可以增加進氣管內的空氣壓力和密度，往發動機內壓入更多的空氣，使發動機每個循環可以燃燒更多的燃油，從而提高發動機的升功率和平均有效壓力，使汽車動力性、燃油經濟性和排放都得到改善。 機械增壓器本質上是一台羅茨鼓風機，有兩個轉子，每個轉子都扭轉一定的角度，例如60度以形成一個螺旋。這兩個轉子都由發動機曲軸通過皮帶驅動，與廢氣系統不相干。機械增壓器跟曲軸之間存在固定的傳動比。這兩個相向旋轉的轉子各有若干個突齒，在工作時互相嚙合。扭曲的轉子跟特殊設計的進口和出口幾何形狀相結合，有助減少壓力波動，使空氣流動平穩，工作時噪聲較低。這種設計也使其效率比傳統的羅茨鼓風機為高。這種帶有螺旋式轉子和軸向進口的機械增壓器可達到14,000r/min的轉速，從而縮小了體積。它可利用出口法蘭直接通過螺栓連線到進氣管上去。機械增壓器通過它的置換體積和皮帶傳動比來跟發動機相匹配，同時能夠在任何發動機轉速下提供過量的空氣流。
機械增壓器在發動機的安裝
機械增壓器在汽油機上的安裝情況跟渦輪增壓器一樣，也可以帶中間冷卻器。這台機械增壓器有個特殊設計的旁通閥，它是由發動機節氣門產生的真空度操縱。當發動機不需增壓時，這個旁通閥就會使增壓空氣進行環流，以便節省能源。發動機進氣系統跟安裝機械增壓器的底座連成一體。由於每台發動機都有獨特的安裝要求，所以大多機械增壓器都被設計成用於特定的發動機。
增壓原理
機械增壓器構造
然而增壓器產生的能量（增壓值）與阻力成正比關係，如果一味追求增壓值，雖然引擎輸出的能量大增，但是相對的增壓器內部葉片受風阻力也會升高，當阻力達到某一界限時，增壓器本身的阻力會讓引擎承受極大的負擔，嚴重影響引擎轉速的提升，因此設計師必須在增壓值與引擎負擔之間取得妥協，以避免高增壓系統帶來的負面效應。 高增壓渦輪增壓系統必須讓引擎承受由負壓轉變為正壓的劇烈變化與高壓，因此引擎內部機件的材質與加工精密度要求很高，對於冷卻、潤滑系統的要求也遠較一般引擎來得高，保養間隔短、手續繁雜、工作壽命短..等等都是高增壓值渦輪引擎的缺點。
BENZ、Jaguar、AstonMartin..等等歐洲高級車廠都採用機械增壓系統來延長現有引擎的生產壽命，並達成環保、省油、高效率的目標，以大幅節省新引擎的開發費用。
汽車增壓
汽車機械增壓系統
汽車的增壓系統有兩大主流，機械增壓（SuperCharge）和渦輪增壓（TurboCharge）
機械增壓器之構造，機械增壓器採用皮帶與引擎曲軸皮帶盤連線，利用引擎轉速來帶動機械增壓器內部葉片，以產生增壓空氣送入引擎進氣歧管內，整體結構相當簡單，工作溫度界於70℃-100℃，不同於渦輪增壓器靠引擎排放的廢氣驅動，必須接觸400℃-900℃的高溫廢氣，因此機械增壓系統對於冷卻系統、潤滑油脂的要求與NA自然進氣引擎相同，機件保養程式大同小異。機械增壓器（SuperCharge）之特性由於機械增壓器採用皮帶驅動的特性，因此增壓器內部葉片轉速與引擎轉速是完全同步的，基礎特性為：
引擎rpmX（R1/R2）=增壓器葉片之rpm
R1引擎皮帶盤之半徑
R2機械增壓器皮帶盤之半徑
由於製造成本的限制，市售車輛的引擎最高轉速多半維持在7500rpm以下，理想的機械增壓器應該在1000rpm-7500rpm的引擎工作區域之內，產生一足夠且穩定之增壓值，讓引擎輸出提升20-40%，因此機械增壓器必須在低轉速就產生增壓效應，通常引擎一脫離怠速區域，在1000rpm-1300rpm即能帶動機械增壓器產生增壓效果，並延續至引擎最高轉速，因此整體增壓曲線是呈現一緩步上升之平滑曲線，經由供油程式與泄壓閥的調整，即可達成“高原型”引擎輸出功率曲線的目標。
增壓套用
機械增壓內部構造
機械增壓有利汽油機的瞬時回響特性
柴油機因為依靠變質調節的方式調節扭矩，沒有節氣門，每個循環吸入的空氣量相差不大，其質量流量的差異主要由轉速變動造成，所以柴油機的質量流量跨度範圍只有6.5:1左右。相比之下，傳統的汽油機（指缸內直噴式汽油機GDI以外的汽油機）依靠變數調節的方式調節扭矩，通過節氣門調節空氣流量，隨著負荷的變動，每個循環吸入的空氣量相差很大，加上汽油機轉速的變動範圍比柴油機大得多，所以汽油機的質量流量跨度範圍可達75:1，接近於柴油機這個指標的12倍。這導致渦輪增壓汽油機的瞬時工況較差。而採用機械增壓就沒有這個問題。
機械增壓
機械增壓缸內直噴式汽油機在低工況下的節氣門是全開，這跟柴油機差不多；只是在高工況下節氣門開度才會隨負荷變動而變動。所以GDI的質量流量跨度範圍跟柴油機比較接近，也比較適合採用渦輪增壓。
機械增壓有利於降低汽油機排放
汽油機起動和起動後暖機階段的混合氣需要特別加濃，造成大量的碳氫化合物和一氧化碳排放。如前所述，迅速提高催化轉化器的溫度，對於汽油機驅動的轎車滿足歐洲第三階段排放法規的要求具有特別重要的意義。渦輪增壓器會降低排氣溫度，使催化轉化器的溫度不能迅速升高，影響它的轉化淨化效率。如果採用機械增壓器，就沒有這個問題。
機械增壓
機械增壓機械增壓器可以兼作二次空氣泵
ESS機械增壓套件
同樣是出於滿足歐洲第三階段排放法規要求的考慮，汽油機需要引入二次空氣系統。機械增壓器可以兼作二次空氣泵，減少了發動機成本。
機械增壓汽油機的成本
為了提高汽油機的升功率，可以採用機械增壓，也可以採用四氣門。對機械增壓的3.8L、兩氣門V6發動機跟非增壓的4.0L四氣門V8汽油機進行的比較表明，機械增壓的汽車具有較好的功率和扭矩，而且總體成本也比非增壓的四氣門汽油機汽車低。這是因為四氣門汽油機較為複雜，相關的工具費用也較高。
機械增壓在汽油機的套用前景前城市柴油公車有別於一般柴油客車或貨車，因為其平均車速低，基本上不會或很少達到最高車速，加上怠速時間長，起步、加速、減速頻繁，發動機工況不斷地交替變換，所以也適合採用機械增壓。由於機械增壓和渦輪增壓的性能特點在許多方面是互補的。
機械增壓
機械增壓