涡轮

翁德沃彭：

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涡轮孔
双涡轮增压
三涡轮
双涡流涡轮
可变几何涡轮
排泄阀
废气门
中冷器
压缩机特性（浪涌和扼流线）
涡轮和压缩机组合
电子涡轮

手术：
从气缸排出的废气从排气歧管输送至涡轮。废气压力导致涡轮旋转（红色气体）。然后废气通过同一涡轮机叶轮离开涡轮机到达排气口。压缩机叶轮通过轴（蓝色气体）驱动。压缩机叶轮从侧面（显示空气过滤器的位置）吸入空气，并通过涡轮软管在压力下（通过蓝色箭头）将空气供应到压缩机中冷器。中冷器冷却压缩空气（空气越冷，发动机性能越好）。然后空气进入进气歧管。

使用涡轮增压器时，与自然吸气发动机相比，在进气冲程期间进入气缸的空气更多，而自然吸气发动机仅因活塞向下移动而被吸入。通过这种方式向气缸供应更多的空气并添加更多的燃料，将获得更高的功率。

涡轮压力通过以下方式测量增压压力传感器。涡轮压力根据该传感器发送到 ECU 的信号进行调节。

涡轮机尽可能靠近排气歧管安装。有时歧管和涡轮被设计为一个整体。涡轮机必须安装在尽可能靠近气缸盖的位置，因为废气的速度下降得尽可能少，并且压力损失也尽可能小。

涡轮迟滞：
较旧的涡轮机经常遭受臭名昭著的涡轮迟滞的困扰。涡轮机利用发动机排出的废气进行工作。如果油门踏板一口气踩到底，发动机低速时需要大量空气，但此时涡轮仍要靠排出的废气来启动。涡轮尚未提供足够的压力。只有当发动机达到较高转速时涡轮才能正常启动。这种情况通常发生在 2000 rpm 左右，并且很明显，因为汽车加速更猛烈。
这种涡轮迟滞被视为一个主要缺点。结果，很多人都赞成一种机械压缩机。它持续工作，因为它由曲轴直接驱动，因此始终以与发动机转动相同的速度。当您加速时，压缩机将立即从怠速提供压力。如今汽车内置的涡轮增压器受此影响较小，部分原因在于可变涡轮增压器。

双涡轮：
添加的“双涡轮”表示存在两个涡轮。这 2 个涡轮增压器可以并排安装在 1 排气缸上，或者每排气缸 1 个涡轮增压器。这使驾驶员能够在低速时获得更大的扭矩、在高速范围内获得更好的性能以及更平稳的发动机特性。在低速时，空气由小型涡轮机供应到发动机，而在较高速时，较大的涡轮机开始工作。较大的涡轮机具有较大的涡轮滞后，因为它需要更多的空气才能启动，但这会被小型涡轮机抵消。

下面的四张图描述了两个涡轮都工作的情况，或者只有两个涡轮之一工作的情况。四个圆圈是气缸，红色和蓝色部分是废气和进气。中冷器标有“IC”。

低发动机转速和低发动机负载：
当转速低于 1800rpm 时，会产生少量废气。小体积使得可以使用小涡轮。排气歧管和大涡轮之间的阀门关闭。因此，废气仅从小涡轮转移到大涡轮。大型涡轮机已经开始加速。这是串联连接，因为两个涡轮都被使用。

中等发动机转速和中等负载：
在 1800 至 3000rpm 之间，排气歧管和大型涡轮之间的阀门打开。目前，两种涡轮机均直接由发动机排出的废气驱动。这也是串联，因为两个涡轮都被使用。

高发动机转速和高负载：
超过3000rpm时，废气的体积流量对于小型涡轮来说变得太大。涡轮关闭，以免越过所谓的“扼流线”（请参阅本页下方的压缩机特性章节）。小型涡轮机的废气旁通阀打开，以便将供给涡轮机的所有废气引导经过涡轮机。然后废气不会到达压缩机叶轮。
大型涡轮机完全由废气供给。阀门保持打开状态，使大型涡轮能够达到高速，从而将大量进气移至进气歧管。

三涡轮：
如今，“三涡轮”发动机也已生产。这些发动机上安装了三个涡轮增压器，以便在每个速度范围内都能达到最大填充水平。宝马在 M550d 等车型上使用了三涡轮增压技术。两个小型涡轮机采用可变几何结构，因此它们既适合低速也适合高速。根据速度，调整涡轮以获得更好的响应。大型涡轮机使用废气旁通阀。
下面描述两种情况，指示哪个涡轮机在什么时间运行。

低发动机转速和低负载：
仅驱动两个小型涡轮机中的一个。由于涡轮的尺寸，它的转速很快。小涡轮将废气传递至大涡轮。这将已经启动大型涡轮机。

中、高发动机转速和负载：
两个小型涡轮机均被驱动。两个小涡轮驱动大涡轮。这可以在所有中速和高速下实现最大增压压力。

双涡流涡轮：
当多种废气在排气歧管中汇集时，可能会出现干扰问题；压力波相互阻碍。使用双涡流涡轮机时，废气彼此分离并通过两个通道导入涡轮机。来自气缸 1 和气缸 2 的废气不会在进气歧管中汇聚，而是彼此独立地撞击涡轮机叶轮。采用双涡流涡轮可实现更快的油门响应和更高的效率。下图显示 1 号和 4 号气缸的废气汇集在一起，2 号和 3 号气缸的废气汇集在一起。

对于传统的涡轮机，废气在排气歧管中相互接触。我们称之为“干扰”。下图显示了一个气缸排气歧管中产生的压力脉冲。

因为我们正在处理气门重叠（在从排气冲程到进气冲程的变化过程中，进气门和排气门都打开），所以也会产生负压（低于大气压）。通过气门重叠，废气有助于将新鲜空气吸入燃烧室并驱走剩余的废气。这为燃烧室提供了更多的氧气，从而提高了容积效率。

当我们观察四缸发动机排气歧管中的压力时，我们会看到很多干扰。由于阀门重叠产生的负压，每个正脉冲变得不那么高。这是涡轮迟滞的缺点（加速反应时间）

使用双涡流涡轮可提高响应时间，因为来自气缸 1+4 和 2+3 的废气是分离的。脉冲要强得多，因为它们当时不受负脉冲的影响。因此，制造商还可以增加气门重叠发生的时间，以实现更高的容积效率。

可变几何涡轮：
带有废气旁通阀的涡轮机会出现涡轮迟滞的问题。只有当发动机旋转到一定转数时，涡轮才能提供足够的废气才能开始工作。可变几何涡轮没有废气门，但在排气通道中有可调节叶片。这些刀片可以通过转动调节环来调节。该调节环通过真空旋转。所需的真空量由电磁阀（电磁阀）根据发动机负载和发动机转速提供，由ECU控制。
通过调节叶片，可以引导气流。由于气流的变化，涡轮机已经可以在低发动机转速下以更高的速度运行，包括较低的废气压力。叶片的位置限制了流入的废气量。为了能够以更高的速度运行，叶片会在更高的发动机转速下向内调整。在低速和高速下均可实现高填充压力。这确保了涡轮增压器在较宽的速度范围内发挥最佳作用，因为发动机在低速时将获得与高速时相同的增压压力。

卸料阀：
放泄阀也称为“放泄阀”。倾泄阀安装在涡轮软管上，空气从涡轮软管输送到发动机的进气侧。加速时，乘用车的涡轮转速可达每分钟200.000万转。在该速度下达到最大充气压力。当油门踏板一下子松开时，发动机进气侧有充足的气压，但节气门关闭。

如果没有泄放阀，则会对涡轮产生背压，导致供应的增压空气快速降低涡轮的速度。当您再次加速时，涡轮需要很长时间才能恢复正常速度。倾泄阀可以防止这种情况发生。气体释放时，会吹走一定量的供给空气。然后多余的空气从进气系统中消失。涡轮叶片不会减慢，因此当油门再次加速时，涡轮叶片会启动得更快。当供应的空气被吹掉时，排放阀立即关闭。与许多人的想法相反，泄放阀并不能提供更多的动力。
当带有涡轮增压器的汽车在加速过程中释放气体时，倾泄阀会发出典型的排气声。

废气门：
每个不带可变叶片的涡轮机上都安装有废气旁通阀。废气旁通阀确保涡轮机壳体内（即排气侧）的压力不会变得太大。当涡轮机运行且压力增大时，废气旁通阀关闭。在排气冲程期间离开气缸的所有空气实际上都用于驱动涡轮机叶轮。这达到了最大填充压力。
然而，怠速时不需要增压。就在此时废气门打开。部分废气改道排气；它可以直接流向排气口。废气旁通阀基本上是排气歧管和发动机排气之间的一个阀门；流经废气旁通阀的所有空气均不会流经涡轮增压器。因此原则上不使用可用能量。因此废气旁通阀的名称也可以解释为： “Waste”在英语中是“损失”的意思。
当达到一定速度时，废气旁通阀也会打开；加速时，涡轮必须快速加速，但是当涡轮，包括压气机叶轮达到一定速度时，这个速度必须保持恒定。通过以此速度打开废气旁通阀，可以将多余的废气直接引导至排气口。涡轮的转速可以通过调节废气门的开度来控制。 ECU根据来自ECU的数据进行调节增压压力传感器废气旁通阀的控制程度。

中冷器：
压缩空气的温度可能会变得非常热（超过 60 摄氏度）。为了更好地燃烧，空气需要冷却。中冷器可以解决这个问题。中冷器是一个单独的部件，因此在另一页上详细描述；查看页面中冷器.

压缩机特性（浪涌和扼流线）
设计发动机时，必须考虑涡轮的尺寸。涡轮增压器的尺寸与发动机的匹配称为“匹配”。如果涡轮太大，就会出现很大的“涡轮间隙”。涡轮机的启动速度会较慢，因为涡轮机壳体对于少量废气而言太大。只有在更高的速度下，涡轮才能达到速度并能够提供高压。如果涡轮太小，涡轮迟滞几乎不存在。涡轮机叶轮将在少量废气的情况下快速启动。高涡轮压力已经在低速下实现。缺点是，在较高的速度下，废气量对于这种小型涡轮来说太大了。废气超出涡轮所能容纳的量；在这种情况下，废气旁通阀必须提前打开并转移大量废气。浪费是“损失”的翻译，这也适用于这里；流经废气旁通阀的废气无助于驱动涡轮机。
因此，涡轮的尺寸对于发动机的设计非常重要。每个涡轮机在设计过程中都被赋予了压缩机特性。压缩机特性可用于确定其是否适合特定发动机。下图显示了压缩机特性的示例。

压力比 P2/P1（在 Y 轴上）是涡轮机入口 (P1) 和出口 (P2) 之间的比率。涡轮机叶轮之后的压力始终低于之前。（无量纲）压力比为2,0意味着涡轮叶轮之前的压力是涡轮叶轮之后的压力的两倍。体积流量系数（X 轴）是流过涡轮的空气量。弯曲的水平线表示涡轮轴的速度。

图中红线为喘振线，蓝线为扼流线。喘振线，也称为泵极限，是压缩机叶轮速度过低的极限。喘振线是由于压缩机叶轮太小而对气流的限制。压力比太高，体积流量太低。空气不再被压缩机吸入，因此它停止并随后恢复其速度。这种不稳定的气流会导致进气道中的压力波动和脉动。脉冲也称为压缩机的“喘振”。因此得名“手术线”。来回流动的空气会产生巨大的力量，导致涡轮机过载。压缩机叶轮叶片可能折断并且轴承过载。
扼流线是压缩机不应超过的另一个限制。这里，最大体积流量出现在低压比下。压缩机壳体的直径决定了最大体积流量。当超过扼流线时，压缩机叶轮太小而无法处理（较大的）体积流量。结果，损失了大量的发动机功率。扼流线也称为“过旋扼流圈”。

该图显示了发动机部分负载时的压缩机特性。发动机在部分负荷时应具有最低的燃油消耗。通过最小的岛屿实现最低的具体燃料消耗。废气门调节压力，使其直接穿过中岛。最初废气旁通阀关闭，从而涡轮压力增加。发动机管理系统打开废气旁通阀，如图中绿线所示。涡轮轴的转速在每分钟8000至9000转之间。

在山区行驶时，地理海拔较高；那里的空气比较稀薄。这会影响涡轮机的运行，因为稀薄的空气中含有较少的氧气，这会导致压缩机的压力下降。压力比（包括压缩机速度）必须增加才能达到最终的填充压力。这种情况可以从图中看出。

绿线表示在海平面行驶时的部分负载情况，橙色线表示在山区行驶时的部分负载情况。由于空气较稀薄，压缩机转速将增加至每分钟100000转。
压缩机的较高转速也会增加供应至发动机的进气温度。因此，中冷器必须散发更多的热量。现在，差异还体现在油耗上；在山区，由于较高的压力比P2/P1和较高的涡轮转速，燃油消耗会增加。

涡轮机和压缩机的组合：
如今，汽车制造商越来越多地选择为发动机配备涡轮增压器和压缩机。涡轮通常尺寸较大并配备废气门。压缩机用于防止涡轮迟滞；在发动机低速运转时，压缩机提供增压压力并启动涡轮增压器。在更高的速度下，涡轮增压器接管。
压缩空气通过压缩机或旁通阀到达涡轮机，并通过涡轮机通过中冷器到达进气歧管。

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电子涡轮：
传统涡轮机在低速时会出现涡轮迟滞，因为需要废气来驱动涡轮机叶轮。压缩机不会受到此影响，并通过怠速提供增压压力。两者的结合似乎很理想。然而，机械罗茨压缩机必须由曲轴驱动。在此过程中能量损失。因此汽车制造商正在尝试使用多个废气涡轮或电动涡轮来防止废气涡轮的涡轮迟滞。

电动涡轮由发动机控制单元控制。在短短 250 毫秒内，压缩机叶轮的速度就达到每分钟不少于 70.000 转。涡轮机中的电动机驱动压缩机叶轮。压缩机叶轮将压力下的进气移动至废气涡轮的压缩机叶轮。当电动机启动时，压缩机叶轮旋转得非常快正在变得受控。

在电动涡轮的帮助下，发动机具有更快的响应行为。在较高的速度下，废气涡轮能够提供全部增压压力，电子涡轮关闭。