涡轮增压与机械增压的工作原理：增压类型详解

发动机的增压系统可以显著提高发动机性能。基本上，对发动机进行增压的目的是向气缸内输入比发动机在大气压力下自行吸入的更多的空气。

为什么我们需要燃烧室内有更多的空气？简单来说，发动机的功率取决于能与燃料发生反应、产生强大爆发（汽油机称为燃烧，柴油机称为燃烧，视具体情况而定）从而推动活塞的氧气量（因而也取决于空气量）。

为此，必须使用增压装置压缩进气，增压装置有两种类型：涡轮（也称涡轮增压器）或机械增压器。

我们来看看涡轮和机械增压器的工作原理，这样你就能更好地理解它们各自的优缺点。

在此之前，需要说明的是，机械增压器和涡轮都不是新技术。

增压技术从二十世纪первых十年起就已用于赛车运动。机械增压器采用的机构在其他工业应用中早已使用。至于涡轮增压器，其最初的发展用于飞机发动机，以弥补海拔升高时空气密度降低的问题。

涡轮的工作原理

涡轮基本上由两个涡轮组成，它们通过一根轴刚性连接，并在一个壳体内旋转。其工作原理是利用发动机废气的动能。

废气先经过第一个涡轮，使其转动。由于第二个涡轮与之刚性相连，也会随之转动。此时，第二个涡轮的运动被用来产生压力，将空气推入进气歧管。

关于涡轮增压发动机，有几点重要的事项需要了解。通常，涡轮越大，产生压力的能力就越强。然而，废气也需要更多的能量才能加速涡轮，这可能导致踩下油门到动力实际输出之间出现响应延迟。这就是所谓的涡轮迟滞。

另外，涡轮可以以极高的速度旋转，超过150,000转/分钟。因此，为避免故障，涡轮的正确润滑（特别是其轴）至关重要。为此，必须非常清楚发动机机油所起的重要作用。

涡轮可能产生的过高压力由泄压阀控制。调节此阀门（使空气“泄出”）即可调整涡轮的设定值或增压压力。

此外，为提高性能，涡轮增压发动机通常配备一个称为中冷器的散热器。该散热器的作用是在进气经过涡轮后冷却空气，因为空气在压缩时温度升高，氧气密度下降。

最后谈谈涡轮增压器，值得一提的是，它尤其适合柴油发动机，因为柴油机是靠压缩混合气工作的，而非靠火花塞点燃混合气爆炸。

汽油发动机需要特定氧气与燃料比例的混合气（对于好奇者，称为理论空燃比），才能实现有效燃烧，而柴油机则能燃烧你送入燃烧室的所有氧气。

事实上，市场上已经很久没有自然吸气的柴油发动机了。在汽油机上，随着电子燃油喷射的出现，涡轮开始变得重要，因为与化油器式涡轮发动机相比，它能更精确地控制混合气。不过这又是另一个故事了。目前，市场上也有一些品牌推出了不带涡轮的优秀汽油发动机。例如Mazda在CX-30上测试过的2.0 Skyactive发动机。

涡轮类型

根据用途不同，涡轮增压器有多种类型。根据其“几何结构”，可分为固定式或可变式涡轮。

• 固定几何涡轮增压器。在这类涡轮增压器中，驱动涡轮的废气流始终以相同方式冲击涡轮。其制造更简单，因为活动部件更少。问题在于，当发动机低转速运行时，废气流的能量不足以迅速加速涡轮，从而产生前面提到的涡轮迟滞或响应延迟。
• 可变几何涡轮增压器。也称为VGT（英文缩写，Variable Geometry Turbocharger）。在涡轮区域设有通过气动或电动驱动的叶片。它们可以改变废气冲击涡轮的方式，主要用于在废气流量较小时加速涡轮的转动。这在很大程度上消除了涡轮的响应延迟。
• 双涡管涡轮：也称双进口涡轮。其原理是利用气缸废气的流动，并将其分离，以避免在进气歧管中产生背压。

在这段视频中，你可以看到涡轮增压器的工作过程，特别是可变几何结构的涡轮。

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

机械增压器的工作原理

现在我们来看机械增压器。其目标与涡轮相同，即将压缩空气送入燃烧室。但这里不利用废气的能量，而是由发动机本身驱动增压机构，通常通过连接曲轴的皮带来实现。

其应用同样可以追溯到二十世纪初，当时它被用于竞赛车型，以获得更高功率。由于不依赖废气，不存在响应延迟。但在高转速时，它会导致发动机功率损失，从而降低效率。

机械增压器的类型

根据结构不同，机械增压器有多种类型。

• 罗茨式机械增压器。也称“叶瓣式”，因其转子呈八字形，在壳体内反向旋转，推动空气流动。
• 伊顿式机械增压器。也称“螺杆式”机械增压器。由两个螺旋形元件组成，它们相互啮合旋转，使进入两个转动部件之间的空气所占体积逐渐减小，从而提高压力。

另一种机械增压器，Volkswagen在90年代曾尝试但未获成功，即G型机械增压器，又称涡旋式机械增压器。它由一个固定的螺旋线和一个内部活动的螺旋线组成，活动部分在运动时压缩空气。由于制造复杂且可靠性低，该类型后来停止使用。

罗茨式机械增压器视频

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

伊顿式机械增压器视频

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

涡轮和机械增压器哪个更好？

如果你读到这里，你就可以对涡轮和机械增压器哪个更好形成自己的看法了。因为这个问题没有唯一的答案，它取决于发动机类型以及你想要实现的目标。事实上，正如你将看到的，有些品牌会同时采用两种系统。

总的来说，机械增压器能够在很低转速下实现几乎即时的油门响应。但它们体积庞大，而且驱动机构会消耗发动机功率。

涡轮增压器不会“抢夺”发动机的能量，它利用的是废气能量，否则这些能量会被浪费掉。但它存在响应延迟问题：当废气不足以驱动涡轮时，延迟会更明显，涡轮越大，问题越严重。因此需要采用一些解决方案，比如使用多个涡轮增压器（小涡轮用于低转速，大涡轮用于高转速时的大功率输出）；Mercedes-Benz或BMW甚至在某些发动机上使用了多达三个涡轮。

还有一些品牌采用双重增压，以结合两种系统的优点。而且这并非只出现在运动车型上。例如，集团的许多车型曾在流行的四缸1.4发动机上同时使用机械增压器和涡轮，这款发动机尤其搭载在Volkswagen高尔夫上。

电气化的新时代为带电动辅助的涡轮增压器打开了大门，例如的EPC，它配备了电动压缩机，负责加速涡轮，以减少低转速时的涡轮迟滞。另一种方案，也可见于Audi近期的TDI运动车型，是将电动压缩机与涡轮相结合。