只要三分鐘 讀懂汽車界4種進氣增壓方式

看過《頭文字D》的朋友都會被其中藤原拓海駕駛買菜神車在秋名山五連發卡彎道暴虐戰神GT-R的鏡頭深深的吸引。其實片中的AE86的4AGE-U引擎原本是用在AE101上的TRD比賽用引擎，通過調校以及配件的強化，增加進氣機械增壓最終達到250Ps。還有它的車身重量，僅有925公斤。對比R32 GT-R雖然採用直列六缸廢氣渦輪增壓發動機，最大馬力280Ps（當時日本限制的最高馬力）。雖然車身重是漂移失敗的一個原因，其實在多彎道漂移比賽中AE86的機械增壓比GT-R的渦輪增壓也是有很明顯的優勢。那麼不同的進氣增壓對發動機動力輸出究竟有什麼影響？侃弟今天就給大家把汽車上常見的四種進氣增壓類型給大家剖析下。

發動機進氣增壓發展歷史

早在1915年，瑞士工程師就製造出了原型航空器發動機增壓器，利用發動機廢氣驅動，主要目的是用來克服高海拔稀薄空氣對動力的負面影響。在1919年，通用電氣(GE)製造的增壓器將飛行器升到了一萬米高空，當時的人們還沒有完全認識到增壓器的潛力。到1938年第一款帶增壓的卡車發動機面市。到了1961年，小轎車才開始試探性地安裝增壓器。但是由於渦輪增壓會使進氣的溫度增加，使排氣中的有害物氮氧化合物上升，所以被暫時限制，直到最近的十多年隨著電控技術不斷進步，渦輪增壓的技術才普及到家用轎車，同時研製出了更多的增壓類型，如常見渦輪增壓，機械增壓，複合增壓，進氣諧波增壓。

什麼是進氣增壓？

所謂進氣增壓，就是增加進氣單位容積的壓力，配合中冷器的降溫處理，從而加大進氣質量，目的是提高發動機的功率，和改善燃油的經濟性。

▌ 衡量進氣增壓有兩個非常重要的參數：

（1） 增壓度———增壓前與增壓后的內燃機功率之比。

（2） 增壓比———增壓器后與增壓器前的空氣壓力之比（低增壓：<1.7bar中增壓：1.7-2.6 bar 高增壓：2.6-3.5bar 超級增壓：>3.5bar）

▌ 中冷器：

說到進氣增壓就必須說一說中冷器。當進氣壓力增加，進氣溫度就會升高（與打氣筒原理相同）。所以進氣密度也會下降，進氣的效率反而會降低，高的進氣溫度也會使燃燒室溫度增加，從而使排氣中的有害物質氮氧化合物增加（氮氧化合物是形成酸雨的主要來源），所以為了提升進氣效率，就必須降低增壓空氣的溫度。因此發明中冷器，用來降低進氣溫度。

進氣增壓類型

1、渦輪增壓

渦輪增壓器又叫廢氣渦輪增壓，主要結構是由泵輪和渦輪組成，其一端為廢氣驅動端，另一端為進氣增壓端。泵輪和渦輪之間由一條剛性軸連接，發動機排出的廢氣驅動泵輪旋轉，泵輪帶動渦輪轉動，渦輪旋轉之後，達到給進氣增壓的目的，增壓器安裝在排氣一側，每分鐘可以達到幾萬甚至幾十萬轉，由於渦輪增壓器轉速和溫度極高，所以中間採用全浮動軸承，由機油潤滑，和專門的冷卻系統冷卻。進氣位置有增壓壓力感測器，測量壓力值，反饋給發動機ECU，當ECU檢測到壓力值達到上限，就會控制電磁閥打開廢氣旁通閥，控制進氣壓力。

優點：

（1） 增加發動機功率，增加提速性能。

（2） 提高了燃油經濟型。

（3） 補償高原空氣稀薄燃燒不充分現象。

（4） 改善發動機排放。

缺點：

（1） 響應有滯后性。

（2） 低轉速扭矩略低。

（3） 熱負荷嚴重。

（4） 後期需要維護。

2、機械增壓

機械增壓是最早應用到汽車上的增壓方式。與廢氣渦輪增壓不同的是它的驅動力來自於曲軸，一般是連接曲軸的皮帶輪帶動葉輪旋轉壓縮空氣。由於驅動進氣方式不同，機械增壓有：葉片式(Vane)（也稱為渦流式）、雙螺旋式，魯茲(Roots)（雙葉式，三葉式）、溫克爾(Wankle) 等型式。

▌ 葉片式機械增壓

葉片式機械增壓器的增壓效率是機械增壓器中最高的，同時增壓后空氣的溫度一般也較高，常常需要加裝中間冷卻器以降低壓縮空氣的溫度。與其他幾款機械增壓器一樣，工作時，它也會產生與眾不同的轟鳴聲，如有需要也應加裝降噪裝置。由於這款機械增壓器與渦輪增壓器高度相似，不少人會以為這是一款渦輪增壓器。但從壓縮機的驅動方式上講，它是不折不扣的機械增壓器。

▌ 雙螺旋式機械增壓

雙螺旋式機械增壓器，和魯茲氏機械增壓器十分相似，雙螺旋式機械增壓器通過兩根類似於一組渦輪傳動的嚙合凸緣轉子吸入空氣，增壓器中的空氣也是通過轉子凸緣集中起來吸入的。和魯茲增壓器不同的是，雙螺旋式機械增壓器會不間斷的壓縮轉子殼體內的空氣，而不會像魯茲增壓器間歇式的吸入空氣。其原因在於這些轉子具有一定錐度，這意味著隨著空氣從增壓器進氣口流向排氣口，氣道會變小。隨著氣道的收縮，空氣便被壓入到更小的空間，使得空氣的壓縮可以連續進行，這樣既提高增壓器的壓縮效率，又使得增壓器不需要造得十分龐大。

▌ 魯茲式機械增壓

魯茲式機械增壓器通常體積都比較大，安裝在發動機的頂部。因為可以裝在發動機蓋的外面，所以它們在大馬力的汽車中很受歡迎。不過，它卻是效率最低的機械增壓器，原因有兩方面：一方面它重量較大，增加了轎車的重量，另一方面則是只能間歇地吸入空氣，並不能順暢地連續吸入空氣。現在已經被淘汰了。

優點：

（1） 相比渦輪增壓的突兀與遲滯，機械增壓非常線性，而且響應快。

（2） 相比廢氣渦輪增壓，機械增壓結構緊湊，容易布置，後期維護方便。

缺點：

（1） 由於是發動機曲軸帶動，因此會消耗發動機動力。

（2） 增壓度有局限性，機械增壓目前最高值在1.5bar左右，但是渦輪增壓的範圍已經遠遠超過它，超級增壓大於3.5bar。

（3） 高轉速提速性能比渦輪增壓稍遜。

3、諧波增壓

利用進氣管內氣流慣性產生的壓力波，即「慣性氣流波動效應」來提高充氣效率。使發動機的轉矩和功率增大，稱「諧波進氣系統」。結構是通過改變進氣歧管的長短或者容積，使得進氣的壓力波長短髮生變化，稱「諧波效應」。諧波進氣增壓控制系統的工作原理是在進氣管的中部增設了進氣控制閥和大容量進氣室，當發動機轉速較低時，同一氣缸的進氣門關閉與開啟的時間間隔較長，此時進氣控制閥關閉，使進氣管內壓力波的傳遞距離為進氣門至空氣濾清器的距離，這一距離較長，壓力波反射回到進氣門附近所需的時間也較長；當發動機高速運轉時，進氣控制閥開啟，大容量空氣進入氣室，使進氣管內壓力波的傳遞距離縮短為進氣門到進氣室之間的距離，與同一氣缸的進氣門關閉與開啟的時間間隔較短相適應，從而使發動機在高速運轉時得到較好的進氣增壓效果。

優點：

（1） 造價低。

（2） 後期免維護。

缺點：

（1） 增壓的效果不是很明顯。

（2） 佔用引擎艙位置比較大。

4、複合增壓

如果說渦輪增壓技術提升了發動機的動力，減少油耗。那麼新的複合增壓技術將更進一步的「壓榨」發動機的性能，從而獲得更極端的燃油效率。複合增壓技術其實是一種更高效利用發動機廢氣的設計。我們都知道，傳統廢氣渦輪增壓技術低轉速的表現並不是非常突出，而低轉速表現突出的機械增壓，在高轉速又不如渦輪增壓。所以發明出了複合增壓技術。

目前常見的複合渦輪增壓技術有三種不同形式，一種是串聯式，一種是並聯式，還有一種是

廢氣能量回收。

▌ 廢氣能量回收

目前的廢氣能量回收技術有兩種不同形式，一種是直接利用廢氣驅動曲軸上的附加渦輪，帶動曲軸的運動，直接利用廢氣驅動曲軸這種純機械形式能為發動機降低5%左右的燃油消耗。還有一種是在渦輪增壓器上集成電動機，電動機吸取渦輪端過剩的動力，產生動力可由電力系統靈活分配。兩種形式都是基於回收廢氣端產生的多餘能量實現的。

▌ 串聯式有雙渦輪增壓技術（大小渦輪）和渦輪增壓搭配機械增壓式。

串聯渦輪通常是一大一小兩組渦輪串聯搭配而成，低轉時推動反應較快的小渦輪，使低轉扭力豐厚。高轉時大渦輪介入，提供充足的進氣量，功率輸出得以提高。或者低轉速機械增壓，高轉速渦輪介入工作。

▌ 並聯式一般是渦輪增壓和機械增壓並聯。

使用電磁離合器控制工作狀態,由曲軸和皮帶來驅動機械增壓系統。機械增壓系統的正常工作範圍在0-3500rpm（左右）,由電控調節閥的旁通進氣迴路中的張開角度來調節所需增壓壓力,可以對廢氣渦輪增壓系統和機械增壓系統進行無級變換。因為低轉速狀態無法提供充足的增壓壓力,所以將廢氣渦輪增壓系統正常工作範圍設計在高效率區。在超過3500rpm時,機械增壓系統將會全部的脫開,不再提供增壓作用,這個時候就靠渦輪增壓系統將助力運轉狀態進行過渡為全負荷運轉,為發動機提供所需要的空氣流量以及增壓壓力,從而保證圓滑平穩的轉矩特性曲線。

優點：

（1） 無加速「遲滯」現象，反應快；

（2） 增壓壓力是連續供給的，且隨轉速升高而增大，動力增長均勻；

（3） 增壓空氣並非一定被冷卻過度；

（4） 極限壓榨發動機的動力；

（5） 發動機扭矩增大快，提前可達到最大扭矩值，因此起步性能好；

（6） 壓縮空氣到汽缸的路徑非常短，空氣體積小，因此反應非常快；

（7） 廢氣特性好。原因: 催化凈化器可以更快地達到工作溫度。對於使用廢氣渦輪增壓器的發動機來說，一部分熱能要用於驅動廢氣渦輪增壓器（這部分熱能就損失掉了）。

缺點：

（1） 生產成本更高：

（2） 對純凈空氣管道內混入的異物敏感性過高；

（3） 重量相對大些；

（4） 降噪音的費用高；

（5） 結構複雜，需要後期更多的保養成本。

侃弟總結 ：

現在的進氣增壓技術非常複雜和精確，隨著發動機電控技術的發展，進氣增壓的類別也是越來越多。機械增壓和渦輪增壓已經在家用轎車快速普及。諧波增壓是大眾的技術，但是布局空間要求太高，而且增壓效果也不是非常明顯，所以現在應用的車型已經比較少了。對於複合增壓，雖然比較先進，但是由於複雜的控制技術和昂貴的造價成本，對於後期的維護也有較高的專業要求，所以只有高級轎車或者跑車上應用的比較多。從自然吸氣到增壓的普及，汽車發動機確實經歷了一次飛躍，無論是能耗效率、動力輸出還是排放，都得到相應的提高，對於人類的可持續發展做出了相應的貢獻。（由於機械結構用語言描述比較複雜，感興趣的朋友可在留言區與侃弟交流）

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