Re: [問題] 機械增壓和渦輪增壓

[Chiardy (永恆的巡航，無盡的追尋)]

※ 引述《centry21 (愛貓人士)》之銘言：
: 小弟想再請教這兩種有何不同呢
: 抱歉...小弟懶得去找資料..問人比較快

正常人大概都不會回答吧，
不過小弟最近不太像人，
所以順手翻出以前寫的一篇心得，
簡單解釋一下。
（寫的是飛機引擎，但是原理是一樣的）

增壓器是一種附加在活塞引擎上的裝置，提供額外的力量，增加引擎出力。
這個裝置並不是很新的科技，早在二次大戰期間就已經出現。
一如ABS防鎖死煞車系統一樣，
增壓裝置也是從飛行轉變為民間使用的一項技術，後來這項技術逐漸普及，
很多汽車也裝置了這些增壓裝置，來提升引擎的馬力。

先來看看當初設計增壓裝置的原因。
活塞引擎就是吸入空氣，與油氣混合，在汽缸中燃燒，
推動活塞，帶動傳動軸，轉動螺旋槳。
不論是使用化油器或是噴射供油，這些活塞引擎都是屬於自然進氣，
也就是有一個進氣口，當引擎進氣活塞打開，
油∕空氣就會被吸進去（因為活塞下降）。
這個在地面（低海拔）沒有什麼問題，因為空氣密度高。

但是隨著飛行高度上升，空氣密度下降，
引擎能夠吸進來的空氣就會下降，所以這時油的比例也要下降，
以免油氣過多造成燃燒不良並且耗油。
也就是說，隨高度上升，引擎的出力會愈來愈低。
以飛行訓練用的TB-10型單引擎飛機來說，
地面上油門全開時進氣歧管的壓力約在29.7in-Hg（英吋汞柱）左右，
接近大氣壓力，爬升率可達每分鐘1200呎。
但是當爬升到約8000呎附近時，油門全開也只剩下23in-Hg左右，
爬升率只剩三四百呎。這是活塞引擎一大限制。

要如何讓引擎在高高度也有很好的效果？
最簡單直接的方法就是增加進氣，只要可以吸入多一點空氣，
就同時也可以多吸進一些油氣，直接讓引擎維持相同的出力。
這就是增壓裝置的構想：增加進入引擎的空氣。
利用齒輪或是廢氣來推動壓縮器風扇，將空氣強迫送至引擎汽缸中。

有兩種型態的增壓裝置。
一個是機械增壓裝置(Supercharger)，
也就是這種裝置是由發動機直接經由變速箱驅和傳動軸的帶動，
以發動機的馬力直接帶動增壓器。

另外一種增壓器是俗稱的渦輪增壓器(Turbocharger)，簡稱Turbo。
渦輪增壓器是利用發動機排出的廢氣驅動壓縮器，達到壓縮進氣的目的。

這兩種增壓器各有優劣點，所以看要使用的技術和需求來設計。

機械增壓裝置Supercharger又叫Internal Supercharger，以引擎齒輪直接驅動。
最大優點是，在地面（低空）即可以達到最大出力，因為直接調整變速箱比例，
就可以控制壓縮器的功率，所以是屬於地面增幅裝置(Ground Boosted Type)。
因為利用齒輪驅動，可以直接將進氣量增加，
不影響引擎廢氣排放，所以不影響引擎（活塞部分）之工作效率。
且隨高度增加，因為引擎之廢氣排放效果上升（外界壓力下降），
馬力可再向上提升一些。

缺點主要是需要引擎帶動變速箱齒輪推動壓縮器，耗損引擎之直接出力。
同時在進氣加壓過程造成氣體體積下降溫度上升，
若不降溫或是使用高辛烷值的燃油，容易造成爆震，且重量較高。
此外，改變齒輪比即可改變進氣壓力，提升引擎出力，
但是過高之壓力會造成汽缸壓力過大而損害甚至爆炸，也就是破缸。

當高度達到油門全開之高度(Full Throttle Height)，
亦即引擎出力已達極限，再爬上去引擎出力就會下降。

渦輪增壓器Turbocharger又叫External Supercharger，以引擎廢氣驅動增壓器。
在地面（低空或是低速下，廢氣少）無法對進氣有效增壓。
但隨高度增加，外界氣壓下降，但是Turbo仍可維持一定之進氣壓力，
因為增壓過的空氣吸入引擎，使排放之廢氣壓力亦上升，
所以屬於高度增幅裝置(Altitude Boosted Type)。
渦輪增壓器在結構上和噴射發動機的渦輪段很像，
因此在技術和材料的要求上較高，
對高溫耐熱合金研發或使用有問題的國家都無法成功的引入渦輪增壓器。
渦輪增壓器的效率較高，重量上也比機械增壓器要低，
但是渦輪增壓器需要很多管線導引發動機的氣流進出壓縮機，
因此佔用的體積和整個管線加上來的重量較大，
這也是為何早期和簡單的訓練用單發動機飛機很少會使用渦輪增壓器的原因。
Turbocharger優點為使用廢氣驅動，不影響引擎直接出力。
結構簡單，較輕，對於燃油要求較不嚴苛。

缺點為機件必須忍受廢氣之高溫，對金屬強度需求較高，
低速低空低馬力下效果不佳。
廢氣驅動，影響廢氣排放，造成引擎之工作效率下降（排氣受阻）。
但是隨高度上升，外界壓力下降，排氣會順利，所以出力可以改善很多。
相關管線佔用的體積較大，對小飛機不利。

當高度達到臨界高度(Critical Height)，
亦即控制廢氣推動渦輪比例之控制閥已經全開，
即無法再提供更大之廢氣力量，再爬上去引擎出力就會下降。

所以，除了增加馬力提升速度這個優點外，
也可以讓飛機飛得更高，就可以飛得更遠，更省油。
不然，要一架自然進氣的活塞引擎螺旋槳飛機飛到兩三萬英呎，是不可能的任務。

以二次大戰的德國來說，德國想做渦輪增壓器很久了，
就是卡在耐熱合金的問題上面。
當德國人好不容易解決壓縮機的材料問題，
才發現相關的管線也需要同樣耐熱等級的材料，
使得整體的研發一直無法突破。
因此德製的戰鬥機基本上多配置機械增壓裝置。
相對的英美則多配置渦輪增壓裝置。
所以德軍的各式戰機一般來說在中低高度的性能會稍微優異一些，
但是高度一高，性能的劣化卻很快，
而盟軍在中高高度上則是佔很大的便宜（當然增壓器只是影響的其中一個環節）。
至於熟優熟劣，其實也都是在伯仲之間，
你現在比我的好，我下一個改良就幹掉你，
最後大抵是決定在駕駛員的技術上。
（要不然，後期美製的P-51野馬式對上中早期的德製Me-109，
  看起來似乎已經分出高下。
  但是二戰擊落王德國哈特曼，352架的記錄雖然多是在東線擊落俄機，
  其中確也有6架P-51在普洛什特油田保衛戰中成為其手下敗將）
除了戰鬥機之外，像是B-17，B-29等重轟炸機，
也是靠著增壓系統才能載著一堆炸彈油料在兩三萬英呎高來高去。

隨著時間演進和科技的普及化，這項技術就被轉移到汽車上面，提高汽車性能。
喜歡開快車，喜歡加速感的人一定希望自己的汽車上裝上增壓器，
讓引擎馬力暴增，車上掛上Turbo似乎就是高性能的代稱。
其實在車上，使用機械增壓或是渦輪增壓的差異倒是小得多。
使用機械增壓的車在起步和中低速時的表現會比較強悍（直接由引擎帶動），
渦輪增壓因為需要靠廢氣驅動，需要引擎到中高轉速時表現才會大幅增加，
不過其實之間差異並不會太明顯。
路上如果聽到有些高檔車加速時突然會有『咻！！』的洩氣聲，
八成就是裝了渦輪增壓，因為壓力過大閥門調節壓力而洩壓。
機械增壓最有名的就是賓士車，型號後面會加上Kompressor。
（德文的壓縮器？不知道有沒有拼錯）

簡單的說，增壓系統目的在增加活塞引擎之進氣量，
因為增加進氣量，就可以同時增加進油量，提升每次燃燒時的能量。
在汽車或是戰鬥機來說，主要可以提高速度，
對於商用機或是運輸機，除了增加速度之外，
主要也是可以讓飛機飛得更高，仍然具有相當優異的引擎出力，
達到增加飛行距離，減少飛行時間的目的。
早期由於金屬材質因素，熄火前要有數分鐘的緩機時間，
讓高溫的增壓裝置逐漸降溫，以避免快速的降溫造成金屬容易疲乏，
也讓潤滑油可以充分附著在機件上，保護增壓裝置的壽命。
時至今日，金屬材料和潤滑油料已經非常進步，
許多渦輪裝置已經不需要額外的時間來冷卻，可以直接熄火了，
不過如果有疑慮的話，還是在熄火前緩慢的行駛一些距離，
這樣應該是會比較保險的。

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我知道我終將面對自己的命運    就在天上的雲朵之間
我和我不憎恨的人們作戰    我卻護衛著我不愛的那些人
沒有法律，沒有責任    不為群眾，不為歡呼
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推 XperT:原po是Aviation板名人啊~C大好像是飛行教官吧!
推 reallocust:我只有實際經驗,就是小引擎想改增壓請用渦輪增壓,用機
推 XJ220:但是我之前聽說渦輪最早是用在輪船上面耶  XD
→ reallocust:械增壓只有笑果,大引擎就沒差,不過引"動態特性"來說,一
→ reallocust:般人較能接受機械增壓,沒有lag情況,但聲音比渦輪吵,且
→ reallocust:較不耐用
→ reallocust:一般來說,在汽車上的機械增壓不是齒輪直接帶動,是用皮
→ reallocust:帶(ex:E55AMG)
推 ciche21:XJ大，我猜用在輪船上的渦輪應該是蒸汽渦輪機吧，跟渦輪增
→ ciche21:壓是不一樣的東西
推 hgveerdd:好文!
推 ciche21:問個小問題! 現今汽車上的機械增壓是否有配備變速箱來改變
→ ciche21:增壓大小。
推 freaky555:好強ˊˋ
→ DYE:機械增壓做高增壓並不是做不到 只是相較渦輪成本高
→ DYE:小排氣量又多是低價位的車 成本的因素就很明顯
→ DYE:不過像Lotus跟Ariel比較特殊取向的車廠 小排氣量機械高增壓
→ DYE:也有300/270hp出力 可能增壓器的部分會吃掉一些動力
→ DYE:但是淨出力還是可以增加
→ DYE:另外 機械增壓都要變速
→ DYE:主因在增壓器上限(合適的轉速)與引擎不一定同
→ DYE:所以要變轉速 大小皮帶盤是很常見的
→ DYE:如果轉速差很多 就需要齒輪箱 例如一些離心式增壓器要幾萬轉
→ DYE:但是很少有變齒比的設計 不需要
推 ciche21:D大，我想問的是變齒比設計，而不是有沒有變速箱，如果可
→ ciche21:以變齒比，來調整經濟模式或動力模式的不同需求，這樣不是
推 CygnuxSR:推專業
→ ciche21:很好嗎?  難道是成本考量?
推 wih1007:辛苦打了那麼多，我想原發問者根本忘了他有在這PO文...
推 dannyho31003:專業
→ Chiardy:感謝D大和r大專業補充！！
推 reallocust:科,與其說我專業,不如說這只是民間軼事,學術專業不是我
→ reallocust:的style...(菸)
→ DYE:如果要經濟一點 油門就踩少一點就是 並不需要變速(變齒比)
→ DYE:另外有一些設計 例如增壓器的電磁離合器 以及bypass的進氣閥
→ reallocust:D大專業...m(_._)m
→ DYE:主要是減少低轉的時候的負擔 以及低轉進氣的阻力
→ reallocust:我查到電磁離合器只有控制怠速和踩油門之間切換 @@"
→ DYE:咳咳 捧來捧去不用了吧 雞皮哥搭掉滿地 bbs就是互相討論而已
推 pikachew:猛阿!! 大推 高手!!