渦輪

科目：

運作方式
渦輪孔
雙渦輪
三渦輪
雙渦流渦輪
可變幾何渦輪
排泄閥
廢氣門
中冷器
壓縮機特性（突波和扼流線）
渦輪和壓縮機組合
電子渦輪

手術：
從汽缸排出的廢氣從排氣歧管輸送至渦輪。廢氣壓力導致渦輪旋轉（紅色氣體）。然後廢氣經由同一渦輪葉輪離開渦輪機到達排氣口。壓縮機葉輪透過軸（藍色氣體）驅動。壓縮機葉輪從側面（顯示空氣過濾器的位置）吸入空氣，並透過渦輪軟管在壓力下（通過藍色箭頭）將空氣供應到壓縮機中冷器。中冷器冷卻壓縮空氣（空氣越冷，引擎性能越好）。然後空氣進入進氣歧管。

使用渦輪增壓器時，與自然進氣引擎相比，在進氣行程期間進入汽缸的空氣較多，而自然進氣引擎僅因活塞向下移動而被吸入。透過這種方式向氣缸供應更多的空氣並添加更多的燃料，將獲得更高的功率。

渦輪壓力透過以下方式測量充氣壓力感知器。渦輪壓力根據該感知器發送到 ECU 的訊號進行調節。

渦輪機盡可能靠近排氣歧管安裝。有時歧管和渦輪被設計為一個整體。渦輪機必須安裝在盡可能靠近汽缸蓋的位置，因為廢氣的速度下降得盡可能少，而且壓力損失也盡可能小。

渦輪遲滯：
較舊的渦輪機經常遭受臭名昭著的渦輪遲滯的困擾。渦輪機利用引擎排出的廢氣進行工作。如果油門踏板一口氣踩到底，引擎低速時需要大量空氣，但此時渦輪仍要靠排出的廢氣來啟動。渦輪尚未提供足夠的壓力。只有當引擎達到較高轉速時渦輪才能正常啟動。這種情況通常發生在 2000 rpm 左右，而且很明顯，因為汽車加速更猛烈。
這種渦輪遲滯被視為一個主要缺點。結果，很多人都贊成一種機械壓縮機。它持續工作，因為它由曲軸直接驅動，因此始終以與引擎轉動相同的速度。當您加速時，壓縮機將立即從怠速提供壓力。如今汽車內建的渦輪增壓器受此影響較小，部分原因在於可變渦輪增壓器。

雙渦輪：
添加的“雙渦輪”表示存在兩個渦輪。這 2 個渦輪增壓器可以並排安裝在 1 排氣缸上，或每排氣缸 1 個渦輪增壓器。這使駕駛員能夠在低速時獲得更大的扭矩、在高速範圍內獲得更好的性能以及更平穩的引擎特性。在低速時，空氣由小型渦輪機供應到發動機，而在較高速時，較大的渦輪機開始工作。較大的渦輪機具有較大的渦輪滯後，因為它需要更多的空氣才能啟動，但這會被小型渦輪機抵消。

下面的四張圖描述了兩個渦輪都工作的情況，或者只有兩個渦輪之一工作的情況。四個圓圈是氣缸，紅色和藍色部分是廢氣和進氣。中冷器標示“IC”。

低引擎轉速和低引擎負載：
當轉速低於 1800rpm 時，會產生少量廢氣。小體積使得可以使用小渦輪。排氣歧管和大渦輪之間的閥門關閉。因此，廢氣僅從小渦輪轉移到大渦輪。大型渦輪機已經開始加速。這是串聯連接，因為兩個渦輪都被使用。

中等引擎轉速和中等負載：
在 1800 至 3000rpm 之間，排氣歧管和大型渦輪之間的閥門打開。目前，兩種渦輪機均直接由引擎排出的廢氣驅動。這也是串聯，因為兩個渦輪都被使用。

高引擎轉速和高負載：
超過3000rpm時，廢氣的體積流量對於小型渦輪來說變得太大。渦輪關閉，以免越過所謂的「扼流線」（請參閱本頁下方的壓縮機特性章節）。小型渦輪機的廢氣旁通閥打開，以便將供給渦輪機的所有廢氣引導經過渦輪機。然後廢氣不會到達壓縮機葉輪。
大型渦輪機完全由廢氣供給。閥門保持打開狀態，使大型渦輪能夠達到高速，從而將大量進氣移至進氣歧管。

三渦輪：
如今，「三渦輪」引擎也已生產。這些引擎上安裝了三個渦輪增壓器，以便在每個速度範圍內達到最大填充水平。 BMW在 M550d 等車型上使用了三渦輪增壓技術。兩個小型渦輪機採用可變幾何結構，因此它們既適合低速也適合高速。根據速度，調整渦輪以獲得更好的響應。大型渦輪機使用廢氣旁通閥。
以下描述兩種情況，指示哪一台渦輪機在什麼時間運轉。

低引擎轉速和低負載：
僅驅動兩個小型渦輪機中的一個。由於渦輪的尺寸，它的轉速很快。小渦輪將廢氣傳遞至大渦輪。這將已經啟動大型渦輪機。

中、高引擎轉速和負載：
兩個小型渦輪機均被驅動。兩個小渦輪驅動大渦輪。這可以在所有中速和高速下實現最大增壓壓力。

雙渦流渦輪：
當多種廢氣在排氣歧管中匯集時，可能會出現幹擾問題；壓力波相互阻礙。使用雙渦流渦輪機時，廢氣彼此分離並通過兩個通道導入渦輪機。來自汽缸 1 和汽缸 2 的廢氣不會在進氣歧管中匯聚，而是彼此獨立地撞擊渦輪葉輪。採用雙渦流渦輪可實現更快的油門響應和更高的效率。下圖顯示 1 號和 4 號汽缸的廢氣匯集在一起，2 號和 3 號汽缸的廢氣匯集在一起。

對於傳統的渦輪機，廢氣在排氣歧管中相互接觸。我們稱之為「幹擾」。下圖顯示了一個汽缸排氣歧管中產生的壓力脈衝。

因為我們正在處理氣門重疊（在從排氣行程到進氣行程的變化過程中，進氣門和排氣門都會打開），所以也會產生負壓（低於大氣壓力）。透過氣門重疊，廢氣有助於將新鮮空氣吸入燃燒室並驅走剩餘的廢氣。這為燃燒室提供了更多的氧氣，從而提高了容積效率。

當我們觀察四缸引擎排氣歧管中的壓力時，我們會看到很多幹擾。由於閥門重疊產生的負壓，每個正脈衝變得不那麼高。這是渦輪遲滯的缺點（加速反應時間）

使用雙渦流渦輪可提高反應時間，因為來自氣缸 1+4 和 2+3 的廢氣是分離的。脈衝要強得多，因為它們當時不受負脈衝的影響。因此，製造商還可以增加氣門重疊發生的時間，以實現更高的容積效率。

可變幾何渦輪：
帶有廢氣旁通閥的渦輪機會出現渦輪遲滯問題。只有當引擎旋轉到一定轉數時，渦輪才能提供足夠的廢氣才能開始工作。可變幾何渦輪沒有廢氣門，但在排氣通道中有可調式葉片。這些刀片可以透過轉動調節環來調整。此調節環透過真空旋轉。所需的真空量由電磁閥（電磁閥）根據引擎負載和引擎轉速提供，並由ECU控制。
透過調節葉片，可以引導氣流。由於氣流的變化，渦輪機已經可以在低引擎轉速下以更高的速度運行，包括較低的廢氣壓力。葉片的位置限制了流入的廢氣量。為了能夠以更高的速度運行，葉片會在更高的引擎轉速下向內調整。在低速和高速下均可實現高填充壓力。這確保了渦輪增壓器在較寬的速度範圍內發揮最佳功能，因為引擎在低速時將獲得與高速時相同的增壓壓力。

卸料閥：
放洩閥也稱為「放洩閥」。傾洩閥安裝在渦輪軟管上，空氣從渦輪軟管輸送到引擎的進氣側。加速時，乘用車的渦輪轉速可達每分鐘200.000萬轉。在該速度下達到最大充氣壓力。當油門踏板一下子鬆開時，引擎進氣側有充足的氣壓，但節氣門關閉。

如果沒有洩放閥，則會對渦輪產生背壓，導致供應的增壓空氣快速降低渦輪的速度。當您再次加速時，渦輪需要很長時間才能恢復正常速度。傾洩閥可以防止這種情況發生。氣體釋放時，會吹走一定量的供給空氣。然後多餘的空氣從進氣系統中消失。渦輪葉片不會減慢，因此當油門再次加速時，渦輪葉片會啟動得更快。當供應的空氣被吹掉時，排放閥立即關閉。與許多人的想法相反，洩放閥並不能提供更多的動力。
當帶有渦輪增壓器的汽車在加速過程中釋放氣體時，傾洩閥會發出典型的排氣聲浪。

廢氣門：
每個不帶可變葉片的渦輪機上都安裝有廢氣旁通閥。廢氣旁通閥確保渦輪機殼體內（即排氣側）的壓力不會變得太大。當渦輪機運轉且壓力增大時，廢氣旁通閥關閉。在排氣沖程期間離開氣缸的所有空氣實際上都用於驅動渦輪機葉輪。這達到了最大填充壓力。
然而，怠速時不需要增壓。就在此時廢氣門打開。部分廢氣改道排氣；它可以直接流向排氣口。廢氣旁通閥基本上是排氣歧管和引擎排氣之間的閥門；流經廢氣旁通閥的所有空氣均不會流經渦輪增壓器。因此原則上不使用可用能量。因此廢氣旁通閥的名稱也可以解釋為：「Waste」在英文中是「損失」的意思。
當達到一定速度時，廢氣旁通閥也會打開；加速時，渦輪必須快速加速，但當渦輪，包括壓縮機葉輪達到一定速度時，這個速度必須保持恆定。透過以此速度打開廢氣旁通閥，可以將多餘的廢氣直接引導至排氣口。渦輪的轉速可以透過調節廢氣門的開度來控制。 ECU根據ECU的數據進行調節充氣壓力感知器廢氣旁通閥的控製程度。

中冷器：
壓縮空氣的溫度可能會變得非常熱（超過 60 攝氏度）。為了更好地燃燒，空氣需要冷卻。中冷器可以解決這個問題。中冷器是一個單獨的部件，因此在另一頁上詳細描述；查看頁面中冷器.

壓縮機特性（突波和扼流線）
設計引擎時，必須考慮渦輪的尺寸。渦輪增壓器的尺寸與引擎的匹配稱為“匹配”。如果渦輪太大，就會出現很大的「渦輪間隙」。渦輪機的啟動速度會較慢，因為渦輪機殼體對於少量廢氣而言太大。只有在更高的速度下，渦輪才能達到速度並能夠提供高壓。如果渦輪太小，渦輪遲滯幾乎不存在。渦輪機葉輪將在少量廢氣的情況下快速啟動。高渦輪壓力已經在低速下實現。缺點是，在較高的速度下，廢氣量對於這種小型渦輪來說太大了。廢氣超出渦輪所能容納的量；在這種情況下，廢氣旁通閥必須提前打開並轉移大量廢氣。浪費是「損失」的翻譯，這也適用於這裡；流經廢氣旁通閥的廢氣無助於驅動渦輪。
因此，渦輪的尺寸對於引擎的設計非常重要。每個渦輪機在設計過程中都被賦予了壓縮機特性。壓縮機特性可用於確定其是否適合特定引擎。下圖顯示了壓縮機特性的範例。

壓力比 P2/P1（在 Y 軸上）是渦輪機入口 (P1) 和出口 (P2) 之間的比率。渦輪機葉輪之後的壓力始終低於之前。（無量綱）壓力比為2,0意味著渦輪葉輪之前的壓力是渦輪葉輪之後的壓力的兩倍。體積流量係數（X 軸）是流經渦輪的空氣量。彎曲的水平線表示渦輪軸的速度。

圖中紅線為喘振線，藍線為扼流線。喘振線，也稱為泵浦極限，是壓縮機葉輪速度過低的極限。喘振線是由於壓縮機葉輪太小而對氣流的限制。壓力比太高，體積流量太低。空氣不再被壓縮機吸入，因此它停止並隨後恢復其速度。這種不穩定的氣流會導致入口路徑中的壓力波動和脈動。脈衝也稱為壓縮機的“喘振”。因此得名「手術線」。來回流動的空氣會產生巨大的力量，導致渦輪機過載。壓縮機葉輪葉片可能斷裂並且軸承過載。
扼流線是壓縮機不應超過的另一個限制。這裡，最大體積流量出現在低壓比下。壓縮機殼體的直徑決定了最大體積流量。當超過扼流線時，壓縮機葉輪太小而無法處理（較大的）體積流量。結果，損失了大量的引擎功率。扼流線也稱為「過旋扼流圈」。

此圖顯示了引擎部分負載時的壓縮機特性。引擎在部分負荷時應具有最低的燃油消耗。透過最小的島嶼實現最低的具體燃料消耗。廢氣門調節壓力，使其直接穿過中島。最初廢氣旁通閥關閉，從而渦輪壓力增加。引擎管理系統打開廢氣旁通閥，如圖中綠線所示。渦輪軸的轉速在每分鐘8000至9000轉之間。

在山區行駛時，地理海拔較高；那裡的空氣比較稀薄。這會影響渦輪機的運行，因為稀薄的空氣中含有較少的氧氣，這會導致壓縮機的壓力下降。壓力比（包括壓縮機速度）必須增加才能達到最終的填充壓力。這種情況可以從圖中看出。

綠線表示在海平面行駛時的部分負載情況，橙色線表示在山區行駛時的部分負載情況。由於空氣較稀薄，壓縮機轉速將增加至每分鐘100000轉。
壓縮機的較高轉速也會增加供應至引擎的進氣溫度。因此，中冷器必須散發更多的熱量。現在，差異也體現在油耗上；在山區，由於較高的壓力比P2/P1和較高的渦輪轉速，燃油消耗會增加。

渦輪機和壓縮機的組合：
如今，汽車製造商越來越多地選擇為引擎配備渦輪增壓器和壓縮機。渦輪通常尺寸較大並配備廢氣門。壓縮機用於防止渦輪遲滯；在引擎低速運轉時，壓縮機提供增壓壓力並啟動渦輪增壓器。在更高的速度下，渦輪增壓器接管。
壓縮空氣經由壓縮機或旁通閥到達渦輪機，並經由渦輪機經由中冷器到達進氣歧管。

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電子渦輪：
傳統渦輪機在低速時會出現渦輪遲滯，因為需要廢氣來驅動渦輪葉輪。壓縮機不會受到此影響，並透過怠速提供增壓壓力。兩者的結合似乎很理想。然而，機械羅茨壓縮機必須由曲軸驅動。在此過程中能量損失。汽車製造商因此正在試驗多個廢氣渦輪或電動渦輪，以防止廢氣渦輪的渦輪遲滯。

電動渦輪由引擎控制單元控制。在短短 250 毫秒內，壓縮機葉輪的速度就達到每分鐘不少於 70.000 轉。渦輪機中的電動馬達驅動壓縮機葉輪。壓縮機葉輪將壓力下的進氣移至廢氣渦輪的壓縮機葉輪。當電動馬達啟動時，壓縮機葉輪旋轉得非常快是受控。

在電動渦輪的幫助下，引擎具有更快的反應行為。在較高的速度下，廢氣渦輪能夠提供全部增壓壓力，電子渦輪關閉。