涡轮增压器工作原理
引言
当人们谈论赛车或高性能跑车时，涡轮增压器通常都是必谈的话题。 涡轮增压器也用于大型柴油机发动机中。涡轮可以显著提升发动机的马力，而不会大幅度增加发动机重量，这也是涡轮增压器如此受欢迎的一个重要因素。
Garrett 供图
在本文中，我们将了解涡轮增压器在极端工作条件下如何增加发动机的动力输出。同时我们也将了解“废气泄放阀”、陶瓷涡轮叶片以及滚珠轴承如何帮助涡轮增压器提高性能。
涡轮增压器是一种强制引导系统。 它对流入发动机的空气进行压缩（有关普通发动机中气流的介绍，请参考汽车发动机工作原理）。压缩空气可以使发动机能够将更多的空气压到气缸里，而更多空气就意味着能向气缸内注入更多的燃料。因此，每个气缸的燃烧冲程就能产生更多动力。 涡轮增压发动机产生的动力要比相同普通发动机大得多。这样就可显著提高发动机的动力重量比（有关详细信息，请参考马力及其应用）。
为了获得这种性能上的提升，涡轮增压器使用发动机排出的废气带动涡轮旋转，而涡轮则带动气泵旋转。涡轮在涡轮机中的最高转速为每分钟150,000转——这相当于大多数汽车发动机转速的30倍。同时由于与排气管相连，涡轮的温度通常非常高。
涡轮增压器基础知识
增加发动机所能燃烧的燃料和空气是提升发动机动力最可靠的方法之一。 增加燃料和空气的方法之一是增加气缸数或增大气缸容积。有时这些方法并不可行。这时使用涡轮将是增加动力更简便、有效的方法，尤其在购买后自行改装时更是如此。
涡轮增压器在汽车中的位置
涡轮增压器使发动机能将更多的燃料和空气注入气缸，从而使发动机能够燃烧更多的燃料和空气。涡轮增压器通常能够产生41-55千帕的气压。 由于在海平面大气压力为1012.8千帕，因此发动机中注入的空气会增加50%。从而发动机内部动力可增加50%。 但上述过程并不能完全实现，实际动力可能增加30-40%。
在使用涡轮增加发动机动力过程中，有一个原因会导致涡轮效率低下，那就是需要动力动涡轮旋转。将涡轮装在排气管内会增加排气管内的空气阻力。 这意味着，发动机在排气冲程时，不得不克服更高的负压。这会稍微减少发动机在燃烧时产生的动力。
涡轮增压器适用于高海拔
涡轮增压器在空气较为稀薄的高海拔地区很有用。在高海拔地区，通常普通发动机的动力会减小，因为在活塞的每个冲程中，发动机都只能获得少量的空气。涡轮增压发动机可能同样会减小动力，但减小量会少很多，因为稀薄的空气会更容易被涡轮增压器抽入发动机。
装有化油器的老式汽车为了适应气缸内增加的空气，会自动增加燃料。 使用燃料直喷技术的现代汽车一定程度上也会在作相同的调整。燃料喷射系统通过装在排气管内的氧气含量传感器来判断空燃比是否正确，因此加装涡轮后，系统会自动增加燃料。
在采用燃料直喷技术的汽车中，如果涡轮增压器过多地增加空气压缩率，系统可能无法提供足够的燃料（要么是控制器的软件程序不允许，要么是燃料泵和喷射器无法提供如此多的燃料）。在这种情况下，为了最大程度地利用涡轮增压器，必须对车辆进行其他改进。
涡轮增压器的工作原理
涡轮增压器连接到发动机的排气歧管。气缸内排出的尾气带动涡轮旋转，与燃气轮机类似。 涡轮通过轴与安装在空气过滤器与吸气管之间的压缩机相连。压缩机把空气压缩到气缸中。
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涡轮增压器在汽车中的连接方式
气缸排出的尾气流过涡轮叶片，使涡轮旋转。 流过叶片的尾气越多，涡轮旋转速度就越快。
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涡轮增压器的内部结构
在连接涡轮的轴另一端，压缩机将空气抽到气缸中。压缩机是一种离心泵，它在叶片的中心位置吸入空气，并在旋转时将空气甩到外面。
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涡轮压缩机叶片
为了适应高达150,000转/分的转速，必须小心支撑涡轮轴。大部分轴承在这样的高速下会爆炸，所以绝大多数的涡轮增压机使用的是液压轴承。这类轴承能使轴浮于一层薄薄的油膜上，这些油从轴四周恒定抽入。 这可以起到两个作用：一方面能够降低轴和一些其他涡轮增压机部件的温度，另一方面能够减小轴在旋转时遇到的摩擦。
在为发动机设计涡轮增压机时，需要权衡许多利弊。在下一节，我们将了解一些需要权衡的因素，并说明其如何影响涡轮增压机的性能。
过度增压由于空气在涡轮增压机的压迫下进入气缸，然后又被活塞进一步压缩（请参考汽车发动机工作原理示例），所以发生爆震的危险会增大。爆震之所以会发生，是因为空气被压缩时温度会上升。 空气温度可能在火花塞点火之前就升高到足以点燃燃料的程度。安装涡轮增压机的汽车通常使用高辛烷值燃料，以防止发动机爆震。如果增压压力确实非常高，就必须降低发动机的空气压缩率，以防止爆震。
涡轮增压器的设计考虑因素
涡轮增压机的一个主要问题是：当踩下油门时，发动机不会立即产生增压，而是需要几秒时间使涡轮提升转速，之后才能产生增压。这样就产生了延时感，即踩下油门后，要等涡轮转速上升，汽车才会加速前进。
减少涡轮延时的方法之一是减小旋转件的惯性，这主要通过减少旋转件的重量来实现。这样就使涡轮和压缩机能够更快地加速，更快地产生增压。 减小涡轮增压器的尺寸是降低涡轮及压缩机惯性的一个有效方法。小型涡轮增压机在发动机低转速时能更快地产生增压，但无法在发动机处于高转速、更多空气进入发动机时产生更多的增压。同时，发动机高速运转时，更多的尾气会经过涡轮，还可能存在使涡轮转速过快的危险。
大型涡轮可以在发动机高速运转时产生较多的增压，但因为其涡轮和压缩机偏重，以致加速缓慢，从而产生较严重的涡轮延时。幸运的是，我们可以通过一些小窍门来克服这些问题。
多数涡轮增压机都有一个废气泄放阀，由于它的存在，我们可在采用小型涡轮增压机降低增压延时的同时，防止发动机高速运转时涡轮旋转过快。废气泄放阀是一个阀门，它使排出的废气绕过涡轮叶片。 废气泄放阀能感知增压压力。如果压力过高，废气泄放阀就会指示涡轮旋转太快，此时废气泄放阀使一部分尾气经过涡轮叶片，从而降低涡轮叶片的转速。
一些涡轮增压机用滚珠轴承代替液压轴承来支承涡轮轴。但它们不是普通的滚珠轴承，而是用高级材料制造出的高精度轴承，用以应对涡轮增压器的速度和温度。涡轮轴旋转时，这类滚珠轴承承受的摩擦力小于大多数涡轮增压器液压轴承中的摩擦力。 同时还允许使用略小、略轻的轴。这样涡轮增压器加速更快，进一步降低了涡轮延时。
陶瓷涡轮叶片比大多数涡轮增压器中使用的钢制涡轮叶片要轻。 同样，这也使涡轮能更快地加速，从而降低涡轮延时。
有些发动机同时使用两个不同尺寸的涡轮增压机。较小的一个可较快地加大转速，降低涡轮延时，而较大的一个在发动机高速旋转时能产生更多增压。
空气被压缩时，温度升高；而空气温度升高时，就会发生膨胀。因此当使用涡轮增压时，空气在进入发动机前就已经因为压缩生热而产生了一些膨胀。为了提升发动机动力，需要使更多的空气分子进入气缸，而并不一定要产生更多的气压。
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涡轮增压器在汽车中的连接方式（包括进气冷却器）。
中间冷却器或进气冷却器是外观像散热器一样的附加组件，只不过空气同时从中间冷却器的内部和外部经过。涡轮吸入的空气通过密封管路流过冷却器，而发动机冷却风扇吹出的冷风从它外部的散热片流过。
在来自压缩机的压缩空气进入发动机之前，中间冷却器会将其冷却，从而进一步提升发动机的动力。这意味着，如果涡轮增压机在337千帕的增压下运转，中间冷却器就会产生337千帕温度更低的空气，这些空气密度更高，含有的空气分子比温度较高的同气压空气多。
