图1  两种增压器的瞬态响应比较

本文概述了机械增压和涡轮增压的不同特点，着重介绍了伊顿机械增压器的技术优势及其在小型直喷发动机中的应用和独特的价值。

从2009年开始，中国汽车产销量就已超过美国，跃居世界第一。不过，作为汽车动力的主要装置，我国的内燃机在技术上与国外还有一定的差距。

近年来，从国家层面到企业层面， 再到消费者层面，都已形成共识，必须着力推动国内发动机技术的研发和升级，推动节能减排技术的快速发展。

从技术上来看，毫无疑问，发动机小型化可以降低排放和油耗，同时使用增压技术更能够保证使用者对汽车驾驶动力性的要求；而汽油机缸内直喷技术从根本上改变了汽油机预混合燃烧的特征，在压缩终了时才喷油，降低了压缩行程的燃烧室温度，大大降低了汽油机的爆震倾向，有利于提高发动机压缩比，能够支持分层稀薄燃烧，因此能够对改善燃烧和排放都有很大帮助。

图2  2.0 L四缸发动机运行转速降低900 r/min可使整车油耗降低10%

总之，为了满足日益严格的排放和油耗法规，以及用户对汽车驾驶乐趣、动力及环保性能等多方面的追求，高性能参数、高燃油经济性以及轻量小尺寸化将是未来发动机设计的三大主要趋势，而发动机增压技术、缸内直喷技术以及它们的结合，将是目前可以同时满足上述性能要求的最佳解决方案。

在此，本文着重讨论发动机增压技术。

机械增压和涡轮增压

目前，世界上运用最多、技术最成熟的发动机增压技术主要有机械增压和涡轮增压这两种。

图3  机械增压器系统简单

与涡轮增压利用废气驱动不同，机械增压是通过皮带由曲轴带轮驱动进行空气压缩。由于涡轮增压是靠排气流动的能量来产生压缩压力，在低速时排气能量较低，所以发动机在低转速时经常会有“涡轮迟滞”现象；而机械增压一般和发动机转速有一个固定的传动比，带来最大的一个好处就是在任何工况下都能提供即时的增压响应，完全不依赖于排气温度和压力，在任何情况下都没有任何增压延迟，这使得机械增压发动机具有对应油门的极佳的瞬态响应和车辆的极佳的驾驶性能。

1.瞬态响应的比较

从瞬态响应上来比较，机械增压具有涡轮增压无可比拟的优势。从图1可以看出，在中、低速超车工况下，机械增压系统在0.5 s以内就可以建立90%的绝对压力，而涡轮增压系统要用5 s才能达到相同的绝对压力，这种增压的延迟足以对整车的驾驶感和操控感产生很大影响。

图4  伊顿第6代TVS系列增压器性能

2.油耗的比较

机械增压系统的一个相对不利因素是不能利用回收排气中的部分能量。但是，我们需要看到的是，涡轮增压器利用废气能量也并非“免费的午餐”。涡轮排气能量主要来源于排气背压的升高，但排气背压的升高也会使发动机泵气损失增大，从而消耗部分发动机功率。而机械增压系统不提高排气阻力，在整个转速范围外特性工况进气压力大于排气压力，因此，这个压力差对活塞做正功。

另外，得益于机械增压发动机即时的瞬态响应和优秀的低速转矩性能，机械增压系统可以在发动机小型化的同时支持低速化。低速化降低了发动机的摩擦功，可有效降低整车油耗。一般规律是，在同样的车速时，发动机运行转速降低300 r/min，可使整车油耗降低5%，发动机运行转速降低900 r/min，可使整车油耗降低10%（见图2）。

3.可靠性和耐久性

机械增压器是自润滑的机械装置，因而无需与发动机的油路进行连接；机械增压器也不会产生极端的高温，不需与发动机冷却系统连接进行额外冷却。因此，机械增压器比涡轮增压器有先天的可靠耐久性优势，在整车应用中也已证明了机械增压器和发动机具有同寿命的耐久性，与此同时，机械增压器系统简单（见图3），周边零件少，因而成本也更低。

图5  日产2011年投产的1.2 L 三缸汽油直喷发动机HR12DDR

4.其他方面的优势

机械增压系统不从排气汲取能量，使发动机冷起动工况三元催化器很快达到起燃温度。同时得益于更好的燃烧室扫气，使发动机可以适当提高压缩比或增大点火提前角。另外，不依赖于排气能量，使得机械增压器在Miller循环或Atkinson循环发动机及上也更为适用。此外，机械增压器还允许 EGR 进入增压器进气端，对汽油机或柴油机都能提供EGR泵的功能，而涡轮增压器一般不允许EGR进入进气端。

伊顿机械增压器及其应用

伊顿是目前世界上最大的机械增压器生产商，从1988年开始，伊顿机械增压器装备在福特超级雷鸟上批量投产以来，伊顿已经为70个整机客户生产了累计超过400万台机械增压器。目前主要的OEM 厂商有日产、大众、奔驰、奥迪、保时捷、路虎、捷豹、凯迪拉克以及通用等。在这些合作中，伊顿有能力为小于1 L的小排量汽油机到8 L以上的大排量汽油机和柴油机匹配各种机械增压器。

伊顿机械增压器发展到目前已经经历了6代的改进，在流量、热效率和噪声等方面的表现均已大为提高。目前伊顿正在生产的是第6代TVS系列增压器，具有2.5的压比（见图4）和超过75%的热效率。

图6  大众的1.4 L TSI双增压分层直喷汽油机

第7代的产品正在开发中，并且将会有两个系列的产品——RA系列和V系列。RA系列会注重于高压比（3.0 : 1）和高效率（76%），适合于单机械增压和柴油机应用；V系列则注重提高中低速的容积效率，适用于机械涡轮混合增压的应用。

伊顿机械增压器除了在普通的直喷增压发动机上得以广泛应用并获得好评之外，还在其他一些领域能够提供涡轮增压所不具备的价值，为客户提供特殊的价值，如：小排量miller循环+机械增压技术；V6和V8机械增压在整车布置上的优势；机械—涡轮双增压系统的应用。

1.小排量发动机的miller循环

Miller循环一般利用大范围的VVT调节，推迟了进气阀门关闭时间，进气行程中的进气有部分被推出气缸，相当于缩短了进气行程和压缩行程。这样，做功行程大于压缩行程，由此，燃料热能向动能的转化效率远高于四冲程发动机，同时在部分负荷时，进气歧管负压造成的气体损失也有所减少。但是Miller循环造成进气量减少，因而功率会有所下降，需要匹配增压技术来提高功率输出。但是由于进气量的减少，排气能量也大幅减少，小排量发动机在低速时本身的排气能量就比较有限，涡轮增压器低速固有的涡轮迟滞现象将更为明显和难以接受，因此，小排量Miller循环发动机应优先匹配机械增压器。

以日产2011年投产的1.2 L 三缸汽油直喷发动机（图5）为例，该HR12DDR发动机采用了Miller循环、汽油直喷系统(DIG)、高效增压器以及怠速停止(Idling Stop)系统等节能环保技术，在高动力输出和低燃油消耗之间取得了很好的平衡。该发动机最大功率72 kW， 最大转矩142 Nm，装配在March车型上的CO2排放量为95 g/km， 处于世界上最好的油耗和CO2排放水平上。与福特 1.6 L Turbo 柴油机相比，动力和CO2排放都稍有优势，但发动机和后处理成本要低50%。

图7  机械增压器与V6、V8发动机的匹配

2.机械—涡轮双增压系统

机械—涡轮双增压系统结合了机械增压和涡轮增压各自的技术和应用优势为一体，即机械增压在中低速转矩好和响应快，以及涡轮增压高速效率好的特点；同时，由于涡轮增压器不用负责低速性能，只要按照高速来匹配，可以更加发挥涡轮增压器在高转速时的效率优势，达到1+1>2的效果。

这项技术的应用方面，大众开发的1.4 L TSI双增压分层直喷汽油机（图6）代表了当今世界乘用车汽油机的最新技术，该汽油机是目前全球最先进的汽油机之一。

大众1.4 L TSI双增压发动机是在他们已开发成功的分层直喷汽油机的基础上，进一步采用废气涡轮—机械复合增压的最新技术，使该发动机的最大功率达到了125 kW，升功率达到了89.3 kW/L，最大转矩到240 Nm，升转矩达171.43 Nm/L。这样一来，这个1.4 L排量的发动机功率实际上已达到了2.4 L排量进气道喷射发动机的功率水平。该发动机通过两级增压后，其增压比值达2.5，平均有效压力达2.17 MPa（而1.8TFSI的平均有效压力只有1.8 MPa），其爆发压力达12 MPa (FSI汽油机爆发压力为8.5 MPa)，其机械式增压器可以接合也可以脱开，采用两级增压后，在低转速能达到最大转矩，且最大转矩、转速范围十分宽广。该发动机具有超高性能，良好燃油经济性和低的排放，上市以来已经连续四届获得“世界十佳发动机奖”。

图6为双增压系统的工作原理。在这个双增压系统中，由皮带驱动的机械增压器驱动压缩空气到废气驱动的涡轮增压器；机械增压器提高发动机低速时的性能，而涡轮增压器提供中高速的性能；机械增压器是从发动机怠速到3000 r/min时起主要增压作用，涡轮增压和中高转速相匹配，以优化效率，它用废气旁通阀来控制转矩曲线。

增压技术在柴油机上的应用首推机械—涡轮双增压系统。在系统布置上可以有先机械后涡轮或先涡轮后机械增压系统。与双极涡轮增压系统相比，其在成本、系统复杂性方面基本一致，但在性能方面具有较大优势。 在已经进行的发动机试验中可以看出它主要在降低排放、转矩的响应性和整机油耗方面有较大的提高。

图8  3.0 L TFSI发动机的优化及其输出功率

3.V型发动机机械增压

对V6、V8发动机来说，如果应用涡轮增压器的话，需要在两边的排气歧管上匹配两个涡轮增压器，如果是3.0 L排量的V6发动机的话，每边相当于1.5 L的涡轮增压系统。这样既没有良好的油门响应性，且两边的进气管道的连接和真空管路的控制使系统的布置和控制极为复杂。而要使用机械增压，其在V型机中的布置优势就显得极为突出，只需在V型发动机夹角原进气歧管位置布置1个机械增压器，还可在机械增压器壳体上集成中冷、节气门体和旁通阀等为大总成，装配时只需拧上6个螺栓即大功告成(见图7)。

图8体现的是奥迪3.0 L TFSI发动机的优化，奥迪A6上，从选择的3.2 L自然吸气发动机作为基本型，经过不断设计更改到批量生产，最终大幅提高了发动机性能，百公里油耗从10.9 L降到了10.2 L。在批量生产后，在整车的配置搭配上选择了大速比自动变速器和Quattro全时四轮驱系统，更使得百公里油耗降到了9.6 L。

奥迪3.0 L TFSI发动机从转速4850 r/min起即可输出功率213 kW，最大转矩420 Nm时对应的转速区域为2500～4850 r/min。从1800 r/min起即可输出最大转矩的90%，表现出了出色的动力性能和经济的燃油消耗水平。

奥迪3.0 L TFSI机械增压发动机是V6系列发动机的顶级之作。它集成安装了机械增压模块，包括Roots叶轮、旁通阀和中冷器，并采用FSI燃烧技术，这使其在结构紧凑性、噪声、响应性和经济性都达到了极高的水平，这也使其不管在舒适型还是运动型轿车上都有非凡的表现，现已应用于奥迪A6、A8、Q7、S系列及大众Toureg混合动力、保时捷卡宴混合动力车型。

该发动机刚刚在2012年北美车展上获得了由“Ward's Auto World”评出的“2012年世界十佳发动机奖”。

结束语

在国家的各项汽车税收政策鼓励小排量化，以及越来越严格的油耗和排放法规的驱动下， 终端用户对汽车驾驶性能的和节油性的追求越来越高，OEM汽车生产厂商普遍开始开发汽油直喷+增压技术的小排量发动机和高性能的发动机。在这种技术发展趋势之下，伊顿机械增压器凭借快速响应、更低的成本以及更高的可靠性等特点和优势，以及在布置、低速性能和不依赖于排气能量等方面具有的其他增压方案所无可比拟的优势，从而在中国发动机技术的未来发展中具有非常广阔的前景。