发动机增压器分类、原理、及用油

森淼

目前增压系统分为四类:废气涡轮增压、机械增压、电子增压、复合增压
增压比:压气机出口压力与压气机入口压力之比。 增压度:按增压压比的大小，分成四个等级：1） 低增压，1.3-1.6;2） 中增压，1.6-2.5；3） 高增压，2.5-3.5；4） 超高增压，压比大于3.5;高增压以上要复合增压，一般采用两级增压。
一、废气涡轮增压器(Turbocharger)的工作原理
发动机排出的废气，推动涡轮排气端的涡轮叶轮（上图右边），并使之旋转。由此便能带动与之相连的另一侧的压气机叶轮（左边）也同时转动。于是压气机叶轮就能把空气从进风口强制吸进，并经叶片的旋转压缩后，再进入管径越来越小的压缩通道作二次压缩，这些经压缩的空气温度会比直接吸入的高，需要通过中冷器进行降温之后再被注入汽缸内燃烧。如此重复即是涡轮增压器的工作原理。

1、节气门的作用
　　在发动机进气系统中主要有两大部件，一是空气滤清器，负责过滤空气中的杂质；二是进气管道，将空气引入到气缸中。在进气管中有个很重要的部件，就是节气门。
　　节气门作用就是控制进入气缸的混合气量大小。我们开车时踩油门，就是控制节气门开度的大小。
拉线油门是通过钢丝一端与油门踏板相连另一端与节气门相连，它的传输比例是1：1，这种方式控制精度不理想。电子节气门，是通过位置传感器，将踩踏油门动作的力量、幅度等数据传输到控制单元进行分析，总结驾驶者的意图，再由ECU计算实际节汽门开合度并发出指令控制节汽门电机工作，从而实现对节气门的精准控制。

　　 2、进气歧管长度可变
进气歧管内安装控制阀，通过它的打开和关闭，可以将进气歧管分为两段，从而改变它的有效长度。改变进气歧管的长度主要是为了提高发动机在不同转速时的进气效率，提升发动机在各个转速下的动力性能。

　　 3、排气歧管为什么“长”得奇形怪状的？
　　汽车的排气系统主要包括排气歧管、三元催化转化器、消声器和排气管道等。主要的作用就是将气缸内燃烧的废气排出到大气中。
　　排气管大多都形状怪异，这种设计是为了避免各缸排出的废气发生相互干涉或废气回流的现象，而影响发动机的动力性能。

4、涡轮增压是怎样增压的？
　　涡轮增压器主要由涡轮机和压缩机两部分组成，通过一根传动轴连接。涡轮的进气口与发动机排气歧管相连，排气口与排气管相连；压缩机的进气口与进气管相连，排气口则接在进气歧管上。通过发动机排出的废气冲击涡轮高速运转，从而带动同轴的压缩机高速转动，强制地将增压后的空气压送到气缸中。
发动机排出的具有高温和一定的压力的废气进入增压器中，推动轴的叶轮以每分钟高达数万甚至几十万转的高速度旋转，怠速时，叶轮转速为12000转/分，当全负荷时，叶轮转速可超过135000转/分，普通的轴承是无法承受如此高速而产生的高温和磨损的，涡轮增压系统里边机油的润滑和冷却作用至关重要。柴油发动机也有不少装配涡轮增压系统的，而且柴油发动机的最大增压值普遍比汽油发动机的最大值高。也正是为了涡轮增压器良好的散热需要，装有涡轮增压器的车辆要求熄火前怠速运行片刻。
涡轮增压主要利用发动机废气能量、基本不会消耗发动机的动力，拥有良好的加速持续性，但是在低速时涡轮不能及时介入，带有一定的滞后性。

　　

　　 二、机械增压器(Supercharger)
机械增压器直接由曲轴带动，发动机运转，增压器工作。低转速时，发动机的扭矩输出表现也十分出色，高转速时，机械增压器对发动机动力的损耗很大，动力提升不太明显。
　　机械增压器工作温度在70℃—100℃之间，比废气涡轮增压器的400℃ -900℃的高温要舒服得多，对于冷却、润滑系统的要求与NA（自然吸气）引擎基本相同，机件保养程序也大同小异。

　　 根据构造不同，机械增压分为:鲁式(Roots罗兹式)、 双螺旋式机械增压器、叶片式(Vane涡流式、离心式)、温克尔(Wankle)等，而活塞运动最早也被认为是一种机械增压。
1、鲁式（Roots罗兹式）增压器
鲁式增压器最被广泛使用，更是改装的大热门。鲁式增压器有双叶与三叶转子两种型式，目前以双叶转子较普遍，其构造是在椭圆形的壳体中装两个凸缘转子，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。但鲁式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。
　　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，所在大马力汽车中很受欢迎（如美式高性能车或直线加速赛车）。不过它是效率最低的机械增压器。

GM旗下土星2006款Ion上的Eaton鲁氏增压器。
2、双螺旋式机械增压器
和鲁兹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。和鲁兹增压器不同的是，双螺旋式机械增压器会不间断的压缩转子壳体内的空气，而不会像鲁兹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。

　　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。 3、离心式(Centrifugal)机械增压器
　　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。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。

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。

三、复合增压
　　复合涡轮增压分三种:废气能量回收、串联式、并联式。
1、废气能量回收
　　一种直接利用废气驱动曲轴上的附加涡轮，带动曲轴的运动，直接利用废气驱动曲轴这种纯机械形式能为发动机降低5%左右的燃油消耗。还有一种是在涡轮增压器上集成电动机，电动机吸取涡轮端过剩的动力，产生动力可由电力系统灵活分配。两种形式都是基于回收废气端产生的多余能量。

2、串联式涡轮增压
串联式有双涡轮增压技术（大小涡轮）和涡轮增压+机械增压式。串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成，低转时推动反应较快的小涡轮，使低转扭力丰厚。高转时大涡轮介入，提供充足的进气量，功率输出得以提高。或者低转速机械增压，高转速涡轮介入工作。

电子增压 用电机对压气机进行驱动，其优点 就是能够消除传统涡轮增压器的迟滞现象，相比于废气涡轮，电机驱动能够实现更精准的控制，使得发动机动力的响应更为积极，随传随到。除此之外，由于减少了废气驱动的环节，使得增压器不用经受废气的高温考验，这也有利于延长增压器的使用寿命。缺点是只适合低增压。

　　 3、并联式涡轮增压
并联式一般是涡轮增压和机械增压并联。 使用电磁离合器控制工作状态,由曲轴和皮带来驱动机械增压系统。机械增压系统的正常工作范围在0-3500rpm（左右）,由电控调节阀的旁通进气回路中的张开角度来调节所需增压压力,可以对废气涡轮增压系统和机械增压系统进行无级变换。因为低转速状态无法提供充足的增压压力,所以将废气涡轮增压系统正常工作范围设计在高效率区。在超过3500rpm时,机械增压系统将会全部的脱开,不再提供增压作用,这个时候就靠涡轮增压系统将助力运转状态进行过渡为全负荷运转,为发动机提供所需要的空气流量以及增压压力,从而保证圆滑平稳的转矩特性曲线。
优点：（1） 无加速“迟滞”现象，反应快；（2） 增压压力是连续供给的，且随转速升高而增大，动力增长均匀；（3） 增压空气并非一定被冷却过度；（4） 极限压榨发动机的动力；（5） 发动机扭矩增大快，提前可达到最大扭矩值，因此起步性能好；（6） 压缩空气到汽缸的路径非常短，空气体积小，因此反应非常快；（7） 废气特性好。原因: 催化净化器可以更快地达到工作温度。对于使用废气涡轮增压器的发动机来说，一部分热能要用于驱动废气涡轮增压器（这部分热能就损失掉了）。
缺点：（1） 生产成本更高：（2） 对纯净空气管道内混入的异物敏感性过高；（3） 重量相对大些；（4） 降噪音的费用高；（5） 结构复杂，需要后期更多的保养成本。

四、其他增压: 气（谐）波增压
气波增压是利用转子上的叶片组成的轴向气道和高压燃气接口接通，产生压缩波然后以声波的形式沿气道传播，使其内部的压力和空气密度随之升高。转子不断循环工作，气波则不断产生。由于结构较大，本身属于噪声源，因此气波增压一般只适用于工程机械车的柴油机上。
优点：（1） 造价低。（2） 后期免维护。缺点：（1） 增压的效果不是很明显。（2） 占用引擎舱位置比较大。

五、涡轮增压器的A/R值：
A/R值用以表达涡轮的特性: A是Area（面积），指的是叶片涡轮接受废气的侧入口最窄处的横截面积； R是Radius（半径），指的是A（横截面积）的中心点与涡轮本体中心点的距离。 面积与两中心点距离的比值，就是A/R值。
A/R值越小，表示入口相对较小而涡轮叶片的起动惯性低，流速相对高，低转反应比较好，涡轮迟滞效应不明显。 A/R值越大入口较大，叶片惯性高，低转反应比较迟钝，涡轮迟滞较明显，但在高转时表现则刚烈得多。 较注重高转功率输出的涡轮，A/R值可以达到0.7左右，而注重低转扭力输出的涡轮，A/R值大约为0.2。保时捷的VTG可变涡轮几何叶片技术则是通过改变涡轮的A/R值达到不同的涡轮特性。

六、中冷器
无论那种增压方式，增压后的空气都要送到中冷器（intercooler）去降温（增压等于对空气做功，气压增加到1bar的时候温度会升到80度左右，温度上升后空气体积会增加，同体积时进入燃烧室的空气质量减少，对增压不利，所以要用中冷器进行冷却），过高的气压会在泄压阀（Blow-off Wastegate）放掉（所以有时我们可以听到涡轮增压车子上有“吱吱”的泄气声），增压后的空气最终再送入燃烧室。

『斯巴鲁翼豹WRX STI的原厂中冷器』