解讀汽車(chē)增壓系統(tǒng)下渦輪與機(jī)械增壓

渦輪增壓篇

上篇文章講過(guò)，渦輪增壓以廢氣為動(dòng)力帶動(dòng)兩個(gè)渦輪為發(fā)動(dòng)機(jī)提供更多的空氣，或者我不說(shuō)你也知道。但是渦輪增壓這種形式又有什么樣的特點(diǎn)亮點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)呢？往下看。充分壓榨發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力

提到發(fā)動(dòng)機(jī)提升動(dòng)力，首先想到的就是渦輪增壓。沒(méi)錯(cuò)，這是最常見(jiàn)的形式。加一個(gè)渦輪，民用車(chē)上的渦輪可以將進(jìn)氣壓力提升至0.5-1bar，將動(dòng)力大幅度甚至成倍的提升，這個(gè)誘惑力很大。而賽車(chē)上的渦輪增壓值則更高，可以幾倍提升原始排量發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。一定程度的節(jié)油功效

而渦輪增壓最大亮點(diǎn)即是將尾氣動(dòng)力充分利用，在做功行程之后，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣仍有一定動(dòng)能和熱量，直接排出未免有些浪費(fèi)，渦輪增壓器正好可以吸收這部分能量，以彌補(bǔ)進(jìn)氣時(shí)的“泵氣損失”。而且尾氣在經(jīng)過(guò)渦輪之后，溫度會(huì)有一定幅度下降，這不單純是將內(nèi)能傳遞給渦輪，很大程度是將內(nèi)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化的過(guò)程。這就進(jìn)一步利用了燃油產(chǎn)生的能量，優(yōu)化了能耗。性格有點(diǎn)分裂

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上，渦輪不是始終運(yùn)轉(zhuǎn)的，在低速時(shí)，渦輪不介入，相當(dāng)于相同排量的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)（甚至更低一些，因?yàn)閴嚎s比降低了）。而在1500-2000轉(zhuǎn)速時(shí)介入，強(qiáng)大扭矩隨即輸出，所以在2000-3000轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)得到最大扭矩，相當(dāng)于排量增加，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)很“有勁兒”，不用深踩油門(mén)，超車(chē)和加速依然也可以很容易，而且因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)速并不高，活塞往復(fù)次數(shù)也不多，摩擦降低，油耗自然表現(xiàn)優(yōu)異。而渦輪增壓的節(jié)油效果不僅于此，在渦輪不介入時(shí)的低轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)處于相對(duì)較低的功率，這在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，低速起步和中速巡航時(shí)，相當(dāng)于一臺(tái)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，油耗自然可以控制了。小脾氣與大問(wèn)題

正因?yàn)闇u輪不是一直在工作，所以有無(wú)渦輪，發(fā)動(dòng)機(jī)是兩個(gè)性格的，尤其是在低轉(zhuǎn)速加速時(shí)，不會(huì)立即得到最大動(dòng)力，而是經(jīng)過(guò)短暫的轉(zhuǎn)速提升后，渦輪介入，動(dòng)力陡增，顯得很突兀，讓人覺(jué)得不是很舒服，這就是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一大通病——“渦輪遲滯”，這在早期渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，以及采用了大號(hào)渦輪的賽車(chē)、改裝車(chē)上非常明顯。

而且渦輪增壓器的工作環(huán)境可以用水深火熱來(lái)形容。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣有700-900℃，不假思索，全部吹到渦輪上，而另一端壓氣渦輪那邊也不容樂(lè)觀，每分鐘十幾萬(wàn)甚至更高的轉(zhuǎn)速的渦輪強(qiáng)烈攪動(dòng)空氣，除將空氣壓縮而產(chǎn)生的熱量之外，空氣摩擦產(chǎn)生的熱也不容小覷，加上另一邊廢氣的熱量，整個(gè)渦輪的溫度都非常高，而且因?yàn)檫@種六位數(shù)的轉(zhuǎn)速，渦輪軸承不同于一般滾珠軸承而采用在潤(rùn)滑油中浮動(dòng)的行駛，如果沒(méi)有良好的散熱和潤(rùn)滑，這只渦輪很快就會(huì)掛掉，并且因?yàn)樵缙跍u輪油封不夠理想而燒機(jī)油。這些諸多因素都影響了渦輪增壓在當(dāng)年的口碑，這就是是為什么渦輪增壓車(chē)型要用高級(jí)別的機(jī)油，為什么早期車(chē)型在冷啟動(dòng)和停車(chē)時(shí)要低速運(yùn)轉(zhuǎn)的原因，也是很多人覺(jué)得渦輪增壓“傷不起”的原因了。不要太過(guò)緊張

其實(shí)當(dāng)前的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)沒(méi)有那么“矯情”了，汽車(chē)工程師絞盡腦汁想盡一切解決的方法，VGT可變渦輪截面技術(shù)、小慣量渦輪的使用，讓這種感覺(jué)不再明顯，停車(chē)?yán)鋮s循環(huán)，更高級(jí)別的加工工藝等，讓這些常見(jiàn)的弊病都已經(jīng)大為改觀。渦輪增壓已經(jīng)完全適應(yīng)了這個(gè)社會(huì)，而不是孤傲的杵在風(fēng)口浪尖了。機(jī)械增壓篇

同渦輪增壓一樣，機(jī)械增壓也是通過(guò)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量而提升引擎的動(dòng)力。不過(guò)沒(méi)有渦輪增壓那么暴躁，是一種很穩(wěn)健的力量。壓榨歸壓榨，但合作親密無(wú)間

機(jī)械增壓的壓氣機(jī)直接取自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，也就是說(shuō)只要發(fā)動(dòng)機(jī)一啟動(dòng)，機(jī)械增壓就在運(yùn)轉(zhuǎn)，只要車(chē)輛開(kāi)始前進(jìn)，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的就是已經(jīng)被機(jī)械增壓增強(qiáng)了的動(dòng)力，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，相當(dāng)于擴(kuò)大了排量，在低速時(shí)，機(jī)械增壓比渦輪增壓有更好的表現(xiàn)。

而且動(dòng)力提升幅度，是和節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度同步的，不會(huì)像渦輪增壓一樣，有個(gè)明顯的發(fā)力點(diǎn)。這就可以通過(guò)油門(mén)精確的控制車(chē)速，在操控表現(xiàn)上機(jī)械增壓更占優(yōu)勢(shì)。

不溫不火，悠然自得

由于機(jī)械增壓器沒(méi)有排氣的事兒，所以工作環(huán)境溫度不高，也因?yàn)闆](méi)有高速渦輪形成的擾流，增壓后的空氣溫度也不高。而且壓氣機(jī)最高轉(zhuǎn)速“僅”為20000-30000轉(zhuǎn)，且沒(méi)有太高的溫度，所以對(duì)潤(rùn)滑和冷卻也沒(méi)有太高的要求，工況也就更穩(wěn)定。

不過(guò)機(jī)械增壓是要消耗引擎動(dòng)力的，所以從這方面看，經(jīng)濟(jì)性略低一些。而且單級(jí)壓氣機(jī)增壓幅度有限，在高轉(zhuǎn)速時(shí)增壓的難度幾何增加，形成瓶頸。一般機(jī)械增壓器增壓幅度在0.6-1.2bar左右，最高不過(guò)1.5bar，而渦輪增壓很容易達(dá)到1.5bar。但這不算什么問(wèn)題，使用機(jī)械增壓的民用車(chē)型往往都突出平順性而對(duì)動(dòng)力的提升沒(méi)有過(guò)分的要求，1bar的增壓已經(jīng)足足夠夠了，很多車(chē)型都在0.5左右，而且機(jī)械增壓只不過(guò)是為了改善進(jìn)氣環(huán)境充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)性能而已。雖然浪費(fèi)一些動(dòng)力，但是讓動(dòng)力提前輸出也可以將功補(bǔ)過(guò)，平衡油耗。

機(jī)械增壓家族哥仨

機(jī)械增壓器的壓氣機(jī)有羅茨、雙螺桿和離心式三種形式，其中離心式壓氣機(jī)造型和原理非常類(lèi)似半個(gè)渦輪增壓器，除了實(shí)時(shí)響應(yīng)之外其他效果與渦輪增壓無(wú)疑，接下來(lái)著重介紹羅茨與雙螺桿壓氣機(jī)的異同。

早年間機(jī)械增壓器使用的是羅茨鼓風(fēng)機(jī)，采用容積泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為壓氣形式。身形重，噪聲高是它的一大特點(diǎn)，所以只用在大型柴油機(jī)，以及追求起步加速的0-400加速比賽上。

后來(lái)誕生了雙螺桿結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)，較小的造型和噪音使其成為機(jī)械增壓陣營(yíng)中的新生力量，良好的密閉性和內(nèi)部壓縮特點(diǎn)使其性能表現(xiàn)優(yōu)異，但較為精細(xì)的結(jié)構(gòu)，和運(yùn)行時(shí)的摩擦也制約了雙螺桿式機(jī)械增壓的發(fā)展。

目前的壓氣機(jī)大有將羅茨式與雙螺桿式統(tǒng)一的趨勢(shì)，羅茨壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子采用了雙螺桿的式樣，讓氣流更平緩一些（相當(dāng)于之前介紹的直齒齒輪和斜齒齒輪的區(qū)別），雙螺桿壓氣機(jī)也采用了羅茨式的同步運(yùn)轉(zhuǎn)方式，降低直接接觸帶來(lái)的摩擦。但兩者仍有區(qū)別。

羅茨壓氣機(jī)的氣流是由上部進(jìn)入，然后流入缸壁和轉(zhuǎn)子下方組成的相對(duì)密閉的氣室，兩個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并減小氣室空間，將空氣向下擠出。這個(gè)過(guò)程中，氣室內(nèi)壓力與壓氣機(jī)后方一致，故屬于外壓縮方式，有時(shí)會(huì)因氣壓的波動(dòng)引起喘振，并因?yàn)閮蓚€(gè)轉(zhuǎn)子并不是緊密結(jié)合，壓氣效率不高。

而雙螺桿壓氣機(jī)的空氣是進(jìn)入兩個(gè)螺桿軸與缸壁密封的空間后，隨著兩個(gè)螺桿的嚙合（非直接接觸但縫隙極?。?，空間逐漸減小，當(dāng)壓縮到一定程度時(shí)，由另一側(cè)的出口排出，這個(gè)過(guò)程中，空氣已經(jīng)明顯壓縮，所以屬于內(nèi)壓縮方式，氣流在排出時(shí)更為順暢。

目前大部分機(jī)械增壓車(chē)型多為羅茨式壓氣機(jī)，而部分高性能車(chē)及改裝零件廠商則傾向雙螺桿壓氣機(jī)。

伊頓TVS機(jī)械增壓器轉(zhuǎn)子，雖為雙螺旋式樣，但仍為羅茨結(jié)構(gòu)

雙螺桿機(jī)械增壓器，兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合非常緊密別忘了兩個(gè)功臣泄氣閥

為了不讓增壓器的壓力過(guò)大而造成發(fā)動(dòng)機(jī)的失控，必須有一個(gè)部件來(lái)限制最大壓力，這就是泄氣閥，目前的泄氣閥可以通過(guò)ECU的信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)增壓值。而在渦輪增壓車(chē)型上，泄氣閥還兼顧另外的作用，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)收油，此時(shí)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變小，但渦輪因?yàn)閼T性不能立即停止因而繼續(xù)向發(fā)動(dòng)機(jī)輸入高壓空氣，如果不將這種情況加以控制，會(huì)損害渦輪和發(fā)動(dòng)機(jī)，所以必須將此時(shí)產(chǎn)生的增壓效果予以疏散，這就是泄氣閥在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上的必要性。

左下方圓柱形裝置及連桿即泄氣閥中冷器

由理想氣體定律得出，氣體在壓縮時(shí)內(nèi)能會(huì)增加，也就是溫度升高，而同樣氣壓下，氣體密度會(huì)因溫度升高而降低，所以將壓縮后的高溫氣體降溫，可以進(jìn)一步的增加空氣流量，而中冷器的作用就是將空氣在進(jìn)入氣缸前降溫，使發(fā)動(dòng)機(jī)更多的吸入空氣，并避免爆燃。經(jīng)過(guò)機(jī)械增壓之后的空氣溫度可以達(dá)到100℃，經(jīng)過(guò)渦輪增壓之后的溫度就更高了，所以中冷器是個(gè)很有必要的部件。誰(shuí)能跑過(guò)誰(shuí)？

增壓，增加了很多動(dòng)力，但是否可以大幅提升車(chē)速呢？我們分析下：

機(jī)械增壓從一開(kāi)始就將動(dòng)力放大，所以起步時(shí)機(jī)械增壓勝；

渦輪增壓一開(kāi)始有點(diǎn)懶，但轉(zhuǎn)速足夠大時(shí)，暴躁的渦輪絕不示弱，憑著較高增壓值在中段扳回一局；

而自然吸氣就不行了嗎？當(dāng)然不是。在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，機(jī)械增壓的壓氣機(jī)的阻力會(huì)變大，變得很大，非常大，乃至要消耗1/4的動(dòng)力，提升出來(lái)的動(dòng)力此時(shí)也被自身消耗了；渦輪增壓也不容樂(lè)觀，雖然不需發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，但廢氣渦輪和扭曲的排氣線路大大增加了排氣壓力，一樣拖了后腿。而此時(shí)，自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)在此時(shí)沒(méi)有太大的負(fù)擔(dān)，終于笑到了最后。

當(dāng)然，以上三種情況只是虛擬的場(chǎng)景并非絕對(duì)情況，但同樣功率的三種發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)有著上述的趨勢(shì)。不過(guò)正常情況下很少有人踩到紅線玩兒命跑，合理的使用扭矩區(qū)域，配以合適的檔位，老老實(shí)實(shí)的行駛才是真正的生活，這也是增壓裝置真正帶來(lái)的便利。美日歐車(chē)系使用增壓情況

曾經(jīng)很長(zhǎng)一段時(shí)間，很多歐系車(chē)出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，樂(lè)于使用渦輪增壓，典型代表即為大眾-奧迪、沃爾沃、薩博。其中薩博是渦輪增壓汽車(chē)的鼻祖，而大眾-奧迪則較早的讓國(guó)人體驗(yàn)了渦輪增壓的喜怒哀樂(lè)。

美國(guó)人一直推崇大排量，對(duì)增壓不太感冒，即便是選擇，也更傾向直來(lái)直往的機(jī)械增壓。

日系車(chē)型有著島國(guó)特有的極端，民用車(chē)型使用五花八門(mén)的進(jìn)氣技術(shù)卻偏偏不加增壓，準(zhǔn)賽車(chē)和改裝界則重型渦輪大行其道，經(jīng)常將動(dòng)力翻倍。

而目前的增壓形式已經(jīng)沒(méi)有“流派”的劃分，一向看重機(jī)械增壓的奔馳轉(zhuǎn)向渦輪，看重自然吸氣的寶馬在世界形勢(shì)下不免長(zhǎng)嘆息，也玩兒起了渦輪，而每天都把渦輪掛在嘴邊恨不得叼著渦輪說(shuō)話的大眾，最近卻將轉(zhuǎn)向機(jī)械增壓，并和寶馬渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一起獲得十佳發(fā)動(dòng)機(jī)稱(chēng)號(hào)。

奔馳曾經(jīng)是機(jī)械增壓的擁躉者

奔馳C級(jí)車(chē)尾，KOMP