涡轮增压器是如何工作的

当人们谈到赛车或高性能跑车时，通常都会谈到涡轮增压器。涡轮增压器也用在大型柴油发动机上。涡轮可以显著提高发动机的功率而不会显著增加其重量，因此使的涡轮增压器广受欢迎！

那么，涡轮增压器工作原理是什么呢？它是如何提高发动机的动力输出而又不使发动机工作在极端条件下？

涡轮增压器是一种强制进气系统，它压缩空气并将其导入引擎。压缩空气的优点在于，它可以使发动机吸入更多的空气到气缸里，更多的空气意味着可以加入更多的燃料。因此，每个气缸每次爆炸都可以获得更多的动力。整体而言，涡轮增压发动机，相比于没有涡轮增压的发动机可以输出更大的动力。这可以显著提高发动机的功率重量比。

为了达到这个目的，涡轮增压器利用发动机排出的废气推动涡轮机转动，从而带动空气压缩机。在涡轮增压器的涡轮机旋转速度每分钟（RPM）可达15万转‭-‬这比大多数汽车发动机的转速快大约30倍。并且由于它被安装在排气系统中，涡轮机的温度也非常高。

涡轮增压器和发动机

毋庸置疑，使发动机输出更多功率的最可靠的方法就是增加进入发动机气缸空气和燃料。这样做的一种方法是增加活塞的直径，使气缸更大。但是有些时候，这种方法可能行不通。涡轮是一种更简单、更紧凑的来增加动力的方式，特别是对于售后市场。

涡轮增压器使得发动机可以吸入更多的燃料和空气进入汽缸。典型的涡轮增压器可以将进入发动机的空气压力升高6至8磅每平方英吋（PSI）。由于正常的大气压力为14.7PSI（海平面上），因此涡轮增压器可以将没有增压时多约50%的空气进入发动机。因此，你有望将发动机的输出功率增加50%。考虑到效率等各种因素，最终你会得到30～40%的改善。

使效率降低的一个原因是推动涡轮机转动也是需要能量的。在排气系统中增加一个涡轮机也限制了排气效率。这意味着，在排气冲程中，发动机有较高的背压。这也会使发动机的输出功率有所下降。

涡轮增压器的设计

涡轮增压器用螺栓固定在发动机的排气歧管上。气缸排出的废气推动涡轮旋转，其工作方式类似于燃气涡轮发动机。涡轮机链接到压缩机并带动其转动。空气压缩机位于空气过滤器和进气歧管之间并将其连接起来。压缩机将进入气缸的空气加压。

为了保证涡轮轴可以在高达15万转每分钟的情况下正常工作，涡轮轴的支撑设计必须非常谨慎。大多数轴承在这样的转速下会爆裂，所以大多数涡轮增压器采用液压轴承。这种类型的轴承支撑在薄薄的一层油膜上。这有两个目的：一是它可以冷却涡轮轴和一些其它的涡轮增压器部件，其二是它的摩擦系数极小。

空气通过涡轮增压器加压后进入气缸，然后由活塞进一步压缩，这提高了爆震的危险。发生爆震是因为空气压缩后温度会升高，当温度高到不需要火花塞点火就可以使燃料燃烧，这就是爆震。有涡轮增压的汽车发动机需要用更高辛烷值燃料，以避免爆震。如果增压压力非常高时，必须降低发动机的压缩比以避免爆震。

涡轮增压器的零件

涡轮增压器的一个主要问题是，当你踩下油门时，它并不能马上提升功率。它需要一秒钟的时间使涡轮转速提升。因此当你脚踩油门时会有滞后的感觉，涡轮转速达到正常工作转速时车子猛地向前方一冲，但是这一冲发生在你踩油门后的一秒钟之后。

降低涡轮滞后的一种方式是降低旋转部件的惯性，主要是降低其重量。这使得涡轮机和压缩机，迅速加速，并提前开始提供助力。一个确定有效的降低涡轮机和压缩机惯性方式是使涡轮增压器更小。更小的涡轮增压器可以更快的加速，可以提早提供助力，即便是在发动机转速较低的时候。但是小的涡轮增压器能够提供的助力有限。而且，当发动机速度足够高，有大量的废气排出时，有可能会使涡轮的转速过高的风险。

大多数汽车涡轮增压器具有一个废气门，它允许使用较小的涡轮增压器，以减少滞后，同时防止高发动机转速时涡轮转速太快。废气门是一个阀，它使废气绕过涡轮机叶片。废气门自动检测增压压力。如果压力过高，说明涡轮转速过快，因此，废气门打开是一部分废气绕过涡轮叶片，从而保证涡轮转速不至于过高。

一些涡轮增压器使用滚珠轴承代替液压轴承支撑涡轮轴。但这些都不是常规球轴承‭ -‬它们是由先进材料制成，可以承受涡轮增压器的高速度和高温度的超精密轴承，而且这种轴承的摩擦系数极小，使得涡轮轴可以在几乎没有摩擦的状态下旋转。使用这种轴承可以使用更小，更轻的涡轮轴，这有助于涡轮增压器加速更快，从而进一步降低涡轮滞后。

采用现代材料科技制成的陶瓷涡轮叶片比大多数涡轮增压器使用钢的叶片更轻，因此可以使涡轮加速更快，从而减少涡轮迟滞。

使用两个涡轮增压器及其它涡轮零件

一些发动机使用不同大小的两个涡轮增压器。较小的一个加速非常快，减少了延迟，而更大的一个在较高的发动机转速下开始工作，以提供更大的助力。

当空气被压缩时，其温度会升高；而当空气加热时，其体积又会膨胀。因此从涡轮增压器中出来的空气在进入发动机之前的压力增加是由于空气加热的结果。为了提高发动机的动力，就要使更多的空气进入气缸，但不一定要更高的空气压力。

中间冷却器或增压空气冷却器是另一种助力组件，它们看起来像个散热器。中间冷却器由空气可以通过的中间通道和外侧通道组成。空气在冷却器内密封通道通过时，由发动机冷却风扇吹出的外部空气流过冷却器翅片，从而使从中间通过的空气降温。中间冷却器通过冷却流出压缩机的加压空气从而增加了发动机的输出功率。

涡轮增压器还有助于在高海拔地区，那里的空气密度较小。正常的发动机在高海拔地区输出功率会减少，因为活塞的每一冲程，发动机得到的空气质量较小。涡轮增压发动机也有可能增加功耗，但不会那么明显，因为涡轮增压器更容易压缩稀薄的空气。

较早的汽车化油器可以自动提高燃油供应，以配合增加的气流进入气缸。现代汽车燃油喷射也会做到这一点。燃料喷射系统通过氧传感器中检测废气的氧含量，以确定是否空气‭ - ‬燃料比是否正确的。因此，涡轮增压器加入后，燃油喷射系统将会自动增加燃料的供应。

如果在燃料喷射的汽车使用过强的的涡轮增压器，由于控制器中的软件的限制，可能会导致燃油系统不能提供足够的燃料。在这种情况下，必须对软件做相应的修改，以使涡轮增压器达到最有效的使用。