机械增压器工作原理
引言
自从人类发明内燃发动机以来，汽车工程师、追求极速的车手和赛车设计师们一直都在寻找提升其动力的方法。 其中一种方法是建造更大的发动机。但大型发动机也并不总是尽如人意，发动机越大，重量就越重，制造和维护成本也就越高。
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福特Ranger在发动机盖下安装了机械增压器。
另一种方法是提高普通规格发动机的效率。 可以通过将更多的空气压入燃烧室来实现这一目的。更多的空气意味着可以注入更多的燃油，而更多燃油则意味着更强劲的爆发力和更大的马力。 安装机械增压器是实现强制进气的好方法。在本文中，我们将解释机械增压器的概念、工作原理以及其与涡轮增压器的差异。
机械增压器基础知识
机械增压器是将吸入的空气加压到超过正常气压的装置。 机械增压器和涡轮增压器均是如此。实际上，“涡轮增压器”一词是其正式名称“涡轮式机械增压器”的简写。
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双螺旋式机械增压器
这两种装置的不同之处在于它们的能量来源不同。 涡轮增压器是借助排出的巨大气流来驱动涡轮的。而机械增压器则由发动机曲轴通过传动带或传动链带动的。
普通四冲程发动机有一个冲程专门用于进气。 这一过程有三个步骤：
活塞往下运动。
制造真空状态。
依靠大气压将空气吸入燃烧室。 当空气被吸入发动机后，便和燃油混合形成油气混合物。此混合物能够通过燃烧这一化学反应转换成有用动能。火花塞通过点燃空气和燃油的混合气体引起此化学反应。 当燃油发生氧化时，会释放大量能量。此过程产生的力量集中在气缸盖上，这股力量将推动活塞，使活塞产生往复运动，最终这股动力会传递到车轮上。
一台安装了机械增压器的基本发动机
向燃烧室注入更多的燃油将会产生更为强劲的燃烧爆发力。 但不能仅仅向发动机中增加燃油，因为燃烧燃油需要严格数量的氧气。这种经过化学反应产生的混合物，空气和燃油的比例应控制在14:1，这对发动机的有效运转至关重要。所以重点在于：若要注入更多的燃油，就必须吸入更多的空气。
这就是机械增压器的作用。 机械增压器通过将空气压缩至正常大气压以上来吸入更多的空气，而不是通过制造真空状态来吸入空气。这样就可以强制更多的空气进入发动机，从而导致“增压”。 发动机增压后会吸入更多空气，从而向燃烧室注入更多的燃油，发动机的动力也会增强。机械增压器平均可提高46%的马力和31%的扭矩。在海拔较高的地方，发动机性能会降低，因为那里的空气密度和压力都比较低，而机械增压器只有向发动机提供压力更高的空气，才能保证其运转状态最佳。
涡轮增压器利用燃烧产生的废气向压缩机提供动力，与之不同的是，机械增压器直接从曲轴获取动力。大部分机械增压器都通过一条附属的传动带获得动力，这根传动带缠绕在皮带轮上，皮带轮连接在一个主动齿轮上。 而主动齿轮则会旋转压缩机齿轮。压缩机的转子可以有多种设计，但它的任务是吸入空气，将空气压入更小的空间，并注入进气岐管中。
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ProCharger D1SC离心式机械增压器
为了压缩空气，机械增压器必须急速旋转，甚至比发动机本身转得还要快。 将主动齿轮做得比压缩机齿轮大，就能使压缩机旋转得更快。机械增压器的转速每分钟能高达5-6.5万转。
5万转的压缩机能产生大约41-62千帕的压强。 在特定海拔高度，这会产生比大气压高41-62千帕的压力。而海平面的大气压为1012.8百帕，因此大约会多出50%的空气被机械增压器压入发动机中。
空气受到压缩会变热，这意味着空气密度会降低，同时也会减少爆炸过程中空气的膨胀程度。这就无法在火花塞点燃混合气体后产生足够的动力。 为使机械增压器发挥全部效率，从排气装置排出的压缩空气必须在进入进气歧管前加以冷却。中间冷却器的出现解决了这一问题。 中间冷却器有两种基本设计： 风冷和水冷。它们的工作原理类似于散热器，即让较凉的空气或水流过导管，带走热量。 当热空气离开机械增压器碰到较凉的导管时，它便会冷却下来。随着空气温度降低，其密度会变高，这样就会使密度较高的混合燃气进入燃烧室。
接下来，我们将了解几种不同类型的机械增压器。
机械增压器的类型
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Eaton机械增压器是一种经过改进的鲁式机械增压器。
机械增压器的类型有三种：鲁式 (Roots)、双螺旋式和离心式。 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。鲁式和双螺旋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使用叶轮吸入空气。尽管这三种设计都能产生增压效果，但在效率上却有很大差别。各个类型的机械增压器都有不同的尺寸，具体选择哪一种取决于您是只想提升汽车的动力，还是想去参加赛车运动。
鲁式机械增压器是最老式的一种设计。1860年，Philander和Francis Roots申请了鲁式机械增压器的设计专利，作为帮助矿井通道通风的机器。1900年，Gottleib Daimler首次在汽车发动机中安装了鲁式机械增压器。
当啮合凸缘旋转时，空气会被吸入凸缘之间的气槽中，然后在进气口和排气口之间传送。大量的空气将进入进气歧管，并“累积”起来产生正压力。也正因为如此，鲁式机械增压器只不过是鼓风机，而“鼓风机”一词也常用来描述所有的机械增压器。
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20世纪40年代的福特汽车使用了鲁式机械增压器
鲁式机械增压器通常都很大，安装在发动机的顶部。 因为可以装在发动机盖的外面，所以它们在力量型汽车和大马力改装车中很受欢迎。不过，它们却是效率最低的机械增压器，原因有两个：它们增加了轿车的重量，并且只能间歇地吸入空气，而不能顺畅地连续吸入空气。
双螺旋式机械增压器
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双螺旋式机械增压器
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吸入空气。与鲁式机械增压器一样，双螺旋式增加器中的空气也是通过转子凸缘集中起来吸入的。 但双螺旋式机械增压器会压缩转子壳体内的空气。其原因在于这些转子具有锥度，这意味着随着空气从进气口流向排气口，气穴会变小。 随着气穴的收缩，空气便被压入到更小的空间。
这使双螺旋式机械增压器的效率更高，但需要在制造过程中精密加工螺旋型转子，从而增加了成本。有些双螺旋式机械增压器与鲁式机械增压器一样，也放在发动机的上方。 它们也会发出很大的噪音。从排气口排出的压缩空气会发出轰鸣声，因此必须使用降噪技术消除这些声音。
离心式机械增压器
离心式机械增压器利用叶轮（一种类似于转子的装置）提供动力，将空气高速吸入狭小的压缩机壳体。叶轮与转子相似，其转速可达每分钟5-6万转。 由于空气在叶轮轮毂处被吸入，因此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。
在所有增压系统中，离心式机械增压器是最有效率、最普遍的一种机械增压器。 它们体积小，重量轻，安装在发动机的前面而不是顶部。它们也会产生与众不同的轰鸣声，这会增加汽车在街上的回头率。
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Monte Carlo和Mini-Cooper S均提供机械增压器。
所有这些机械增压器均可以作为售后汽车的动力增强装置安装到汽车上。 有许多公司提供成套的产品，用于客户自己动手安装机械增压器。在有趣的汽车和燃油赛车的世界里，这种定制已成为体育运动不可分割的一部分。 很多汽车制造商也会在其产品样车上安装机械增压器。
下面，让我们来了解一下机械增压器的优缺点。
机械增压器的优缺点
机械增压器最大的优点是可以增加汽车的马力。给一辆普通汽车或卡车安装机械增压器，会使其像一台大马力发动机汽车一样动力十足。
但是在机械增压器和涡轮增压器之间应该如何选择呢？汽车工程师和车迷们一直在激烈地争论这个问题，但通常而言，机械增压器与涡轮增压器相比有一定的优势。
机械增压器没有增压延时——驾驶员踩下油门到发动机响应这段时间的长短。涡轮增压器存在增压延时，因为它需要一段时间，让排出的气体达到一定速度以加快叶轮/涡轮的转速。机械增压器没有延时，是因为它们直接通过曲轴获得动力。 某些机械增压器在低转速时效率比较高，而另一些在高转速时效率比较高。例如，鲁式和双螺旋式机械增压器在低转速时可提供更多的动力。离心式机械增压器在叶轮快速旋转时效率较高，从而能在高转速时提供更多的动力。
安装一台涡轮增压器需要对排气系统做大幅度的调整，但机械增压器只要拴在发动机顶部或旁边就可以了。因此，机械增压器的安装更方便，同时也更容易使用和维护。
最后，机械增压器停止工作时不需要专门关闭。 因为它们不用发动机机油进行润滑，便可以正常关闭。而涡轮增压器必须等待30秒或预先关闭，以便润滑油冷却。 也就是说，预热对于机械增压器十分重要，它们在正常温度下的效率最高。
机械增压器普遍应用于飞机的内燃发动机。如果您设想飞机长时间在高海拔飞行（此时缺少足够用于燃烧的氧气），就会感觉到一定是机械增压器在起作用。借助机械增压器，飞机能够飞得更高而且不会降低发动机的性能。
飞机发动机使用的机械增压器与汽车使用的一样。 它们直接从发动机获得动力，利用压缩机把压缩空气送入燃烧室。上图演示了机械增压器在飞机上的基本安装过程。
两次世界大战中
的出色表现大众汽车公司 (Volkswagen) 最近推出了用于高尔夫GT汽车的 Twincharger发动机。 Twincharger结合了机械增压器和涡轮增压器。 当发动机处于低转速时，机械增压器会将空气送入气缸以增强其低端扭矩。而当发动机转速较高时，在排出足够数量的气体后，涡轮增压器会推入空气以提升高端扭矩的性能。 GT仅在欧洲销售，它在7.9秒内时速可从0增加到99.8公里。它的时速可以提高到每小时218.9公里，而仍然保持39MPG。
第一次在飞机上使用机械增压器是在二战末期。 最著名的例子是Supermarine Spitfire，这是英国皇家空军所使用的飞机，将机械增压器安装在罗尔斯罗伊斯“莫林”发动机上。
机械增压器最大的缺点是： 由于由曲轴带动，所以它们必须损耗一部分发动机马力。这也是机械增压器的特点之一机械增压器会占用一台发动机20%的动力。但是，由于机械增压器可以提升46%的马力，所以多数人认为这笔交易是值得的。
由于增压会增加发动机的负担，所以发动机必须得到强化以承受额外的压力和更强的爆发力。大部分制造商在设计一台带有机械增压器的发动机时，都会专门采用重载元件以提高发动机的寿命。 同时这也抬高了汽车的价格。机械增压器的维护成本也很高，同时许多制造商建议使用高标号汽油。
尽管有这些缺点，机械增压器仍然是一种最经济有效地增强马力的方法。机械增压器可以提高50%-100%的动力，使汽车更适合比赛、重载运输或单纯增加驾驶的刺激性。
