涡轮增压器：交互模型，逐步看原理

模型展示了什么

开一辆小排量涡轮增压车，低速时踩下油门，大约一秒钟里没什么反应。接着车子猛地往前冲，好像发动机突然变大了。这一停一冲，都来自模型中间的那个部件：涡轮增压器。它是一台由发动机自己的废气驱动的小风机，把额外的空气吹进气缸。

模型是一台 2.0 升四缸汽油发动机，带一个涡轮增压器、一个前置中冷器和连接它们的管路。涡轮增压器沿轴剖开，红色表面就是切面。橙色的点是废气。蓝色的点是新鲜空气，空气受热时变成紫色，冷却后又变回蓝色。黄色的点是机油。读数给出涡轮轴的转速、增压压力、压气机出口和中冷器出口的空气温度、每个气缸吸入的空气量以及功率。这些都由「操作」里的设置，按本页后面的公式算出。下方的图表显示最近 8 秒，移动节气门时可以看到涡轮怎样追上来。

这些数字是典型小排量涡轮汽油发动机的模型值，不取自任何厂商的数据。页面末尾有一节列出模型省略了什么。

发动机为什么想要更密的空气

汽油发动机用吸进来的空气里的氧气燃烧燃油，能烧多少燃油，取决于有多少空气。在四冲程发动机展品里可以看到，曲轴每转两圈，每个气缸充气一次。充进去的体积由缸径和行程决定，想多进空气，唯一的办法是让空气在进缸之前变得更密。

在这个模型里，四个气缸每个的工作容积是半升，能充到其中的 90%（这就是充气效率）。25 °C、标准海平面气压下的外界空气密度是 1.184 kg/m³，所以一个自己呼吸的气缸每个进气冲程吸入

0.9 × 0.0005 m³ × 1.184 kg/m³ = 533 mg 空气。

在 6,000 rpm 时，整台发动机每秒吸入 107 克空气。按空燃比 14.7、有效热效率 30% 计算，这些空气能烧掉的燃油产生 94 kW。把涡轮设为 1 bar 增压并开着中冷器，同一个气缸吸入 984 mg，发动机输出 173 kW。发动机没有变大，只是空气被压得更紧了。

废气推动涡轮，轴带动压气机

离开气缸的废气又热又有压力，在没有涡轮的发动机里，这份能量从排气管白白流走。这里，排气歧管的四根支管把废气送进涡轮壳。涡轮壳是绕涡轮叶轮一圈的铸铁蜗壳，越往前越窄。变窄让气体加速并旋转起来，它向内穿过叶轮的 11 片叶片，再沿轴线流进排气管。气体推着叶片，叶轮就转了起来。

同一根钢轴的另一端装着压气机叶轮，所以两者转速完全相同。来自滤清器的空气沿轴线进入叶轮，弯曲的叶片在外缘把它甩出去。压气机外的铝制蜗壳越往前越宽，让高速空气慢下来，把速度变成压力。涡轮从热气里取出功、压气机把功交给冷空气，这一对思路也驱动着喷气发动机，只是这里两者之间没有燃烧室，燃烧由发动机的气缸完成。

它转得有多快？最大的厂商之一 Garrett 说，它最大的涡轮增压器最高转 63,000 rpm，最小的则超过 300,000 rpm。模型的压气机叶轮直径 50 mm，要产生 1 bar 增压，它得转到大约 142,000 rpm。这时叶轮外缘的速度是

2π × 0.025 m × 142,300 / 60 s = 373 m/s，

比外界空气中的声速还快。画面上的叶轮比读数显示的慢 2,000 倍。

浮在机油上的轴

大多数涡轮增压器用普通衬套和一层油膜支撑轴，一些高性能涡轮改用专门的滚珠轴承。在模型里，一根编织油管把发动机机油从主油道引到中间壳顶部。机油充满两个青铜衬套周围的间隙，衬套浮在轴和壳体之间，轴骑在油膜上，不碰到金属。压气机旁边的止推轴承承受沿轴向的推力。然后机油从底部的大排油口落下，流回油底壳，所以回油管很粗，而且笔直向下。

机油还负责带走热量。涡轮一侧泡在废气里，压气机一侧吸的是外界空气，中间壳是两者之间的桥梁。出于同样的原因，有些涡轮增压器在中间壳加了冷却液水套，防止机油过热。

压缩让空气变热

给自行车轮胎打气，打气筒会发热。压气机做的是同一件事，只是快得多，空气来不及把热量散出去。对于理想的、没有损失的压气机，出口温度是

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ)，

其中 PR 是压比，空气的 γ 是 1.4。外界 1.013 bar 之上再加 1 bar 增压，压比是 1.987。从 298.15 K（25 °C）出发：

298.15 K × 1.987^0.286 = 362.8 K，约 90 °C。

真实的压气机会把一部分功浪费成额外的热量。模型取效率 72%，温升要除以它：

T₂ = 298.15 × (1 + (1.2168 − 1) / 0.72) = 387.9 K，约 115 °C。

这就是读数里的「压气机出口」一行。把增压上限推到 1.5 bar，它会升到 148 °C。做这份功需要功率：每千克空气 90 kJ，在 6,000 rpm 时约 18 kW，全部由涡轮从废气里取得。

冷却充气，找回密度

热空气就是稀薄的空气。理想气体定律把三者联系起来：ρ = p / (R T)，空气的 R = 287 J/(kg·K)。在 1 bar 增压下，离开压气机的空气是 201,325 Pa、387.9 K：

ρ = 201,325 / (287.05 × 387.9) = 1.808 kg/m³。

压力几乎翻了一倍，密度却只增加到 1.53 倍，因为很大一部分收益变成了热量。热空气进入气缸，还会让混合气更接近爆震，也就是燃油在火花塞点火之前自己烧起来。

中冷器是进气的散热器。充气在扁平的管子里流过，车头的气流吹过管子之间的散热片。模型的中冷器能消除 75% 的温升：

T₃ = 387.9 − 0.75 × (387.9 − 298.15) = 320.6 K，约 47 °C。

压力不变，密度现在是 201,325 / (287.05 × 320.6) = 2.188 kg/m³，是外界空气的 1.85 倍。在「操作」里关掉中冷器，4,000 rpm 时的功率会从 115 kW 降到 95 kW，而增压没有任何变化。

把增压限制在上限

发动机转速高时，废气远远多于涡轮的需要。在模型里，6,000 rpm、节气门全开时，废气能把压气机推到约 3 的压比，远超发动机能承受的程度。废气旁通阀阻止了这种情况。它是涡轮壳里的一块阀片，打开一条直通出口的通道，让一部分废气绕过涡轮叶轮。执行器是一个装有弹簧和膜片的密封罐，增压压力达到上限时，它把阀片推开。Garrett 是这样描述的：到达预设值时，废气旁通阀打开，让废气绕过涡轮。

「增压上限」滑块移动的就是这个预设值。在 4,000 rpm 时阀片开约 16%；在 6,000 rpm 时大约开一半，读数显示发动机转速升高，增压却一直停在 1 bar。把上限设为零，阀片就一直全开；这时发动机像自然吸气发动机一样呼吸，在 6,000 rpm 时输出约 94 kW。

动力为什么来得晚

涡轮只能以废气推得动的速度加速，而小油门巡航时废气并不多。一脚把节气门踩到底，发动机起初只能得到它自己吸得进的空气。这带来稍多一点的废气，让涡轮转得快一点，又带来多一点增压，如此循环，直到达到上限。这段等待叫做涡轮迟滞。

模型把轴的转速当作带延迟地向目标值上升，废气越少，延迟越长。在 2,000 rpm 时，从 15% 节气门到全开，轴从约 19,800 rpm 升到 101,600 rpm；0.7 秒后走完一半，2.4 秒后到达 90%。在 3,500 rpm 时，同样的变化 1.7 秒就到 90%。导览的最后一步就是这个试验，图表上红色的轴转速线和蓝色的增压线都落后于灰色的节气门线。

还有第二个、独立的效应。发动机转速低时，不管等多久，废气都无法让涡轮转到足够产生全增压的速度。在模型里，2,000 rpm 全油门只有 0.45 bar，要到约 3,500 rpm 以上才有全增压。这就是增压门槛。厂商用更小更轻的叶轮、双涡管涡轮壳、涡轮里的可变叶片，以及近年出现的轴上电机来对付这两个问题。

这个模型和真实涡轮的区别

• 涡轮增压器大致按比例画出，但壳体壁、叶片形状和管路走向都做了简化。
• 压气机效率、中冷器效能和发动机的充气效率都是固定值。在真实发动机里它们随流量和转速变化，厂商用特性图而不是单个数值来描述压气机。
• 排气一侧只用一个公式表示涡轮能提供多少压力，其余由废气旁通阀放掉。各缸的排气脉冲、背压和排气温度都没有建模。
• 发动机按固定的空燃比 14.7 和固定的效率 30% 燃烧燃油。真实的涡轮发动机在全增压时混合气更浓，并推迟点火以避免爆震。
• 滤清器、管路和中冷器里的压力损失被忽略了，节气门关闭时放掉压力的泄压阀也没有画。

从船用发动机到小型汽油车

瑞士工程师阿尔弗雷德·比希（Alfred Büchi）1905 年的专利，通常被视为涡轮增压的起点。布朗勃法瑞（Brown Boveri）在 1924 年 6 月完成了第一台用于大型发动机的涡轮增压器 VT402，而 1926 年下水的德国客轮「普鲁士号」（Preussen）和「但泽汉萨城号」（Hansestadt Danzig）是最早装用涡轮增压发动机的船，在比希的监督下建造。接着是飞机：从 1930 年代后期起，波音 B-17 装着通用电气（General Electric）的涡轮增压器飞行，让发动机在高空稀薄的空气里保住功率。在汽车上，涡轮迟滞和体积让它长期难以普及。如今，用涡轮从更小的发动机里获得更大的功率已经很常见，工程师称之为小型化。

为什么增压 1 bar 不会恰好让空气量翻倍

增压表通常测量高于环境大气压的压力，而气体定律使用从真空起算的绝对压力。为了方便计算，假设大气绝对压力为 1 bar，进气温度不变。增压 1 bar 就意味着绝对压力为 2 bar。根据 ρ = p / (R T)，绝对压力翻倍，密度也翻倍，同样的气缸容积便能容纳两倍的空气质量。但这不意味着每增加 1 bar，空气量都会翻倍：如果从绝对压力 2 bar 开始再加 1 bar，比值就是 3 / 2。

温度会改变结果。假设空气的绝对压力翻倍时，温度从 300 K 升至 400 K。这些是演算用的假设，不是模型的另一组设定。密度比变成 2 × 300 / 400 = 1.50。如果保持压力不变，把压缩空气冷却到 330 K，比值便成为 2 × 300 / 330 = 1.82。冷却器在这道计算中没有增加压力，而是让已有空间容纳更多质量。这里必须用开尔文温度；摄氏温标不是从绝对零度开始，用摄氏温度相除会得出错误答案。

展品采用的大气压是 1.013 bar，而不是取整后的 1 bar。因此，增压 1 bar 时的压比略低于 2，温度与密度读数也与这道练习稍有不同。真实中冷器还会造成压力损失，堵塞的滤清器则会降低压气机入口压力。Garrett 的压气机性能图指南在计算实际压比时，计入了入口和出口损失。仅凭仪表盘上的数字，无法知道压气机工作得有多吃力。

功率也容易被误解。更多氧气允许燃烧更多燃料，却不能代替燃料。本展品固定混合比和效率，因此空气质量按比例增加时，计算功率也按比例增加。真实发动机的控制器可能限制转矩、推迟点火或改变混合比。两台增压表读数相同的发动机，进气温度、排量和功率仍可能不同。增压是有用的信息，但并不直接测量马力或机械安全性。

大叶轮为什么不能随意加快转速

前面的轮缘速度计算，把轴转速读数与叶尖的实际速度联系起来。对于模型直径 50 mm 的叶轮，100,000 rpm 对应约 262 m/s；250,000 rpm 时，同样的算法得到约 654 m/s。这些只是小型涡轮可能出现的转速范围内的几何计算例子，并非这只叶轮获准使用的工况。真实叶轮是否承受得住，取决于材料、叶片形状和制造商规定的转速上限。屏幕上的彩色粒子与刻意放慢的旋转，无法表现这些应力。

半径不变时，使叶片上的一点维持圆周运动所需的加速度，与角速度的平方成正比。因此转速翻倍，需要四倍的向心加速度。在相同 rpm 下，半径越大，叶尖速度也越高。所以大型工业涡轮可以比小型汽车涡轮转得慢得多，并不意味着它做的有效功更少。MIT 讲义将离心应力列为压气机转速的限制条件；只报高转速而不说叶轮大小，会遗漏大部分工程问题。

压气机性能图还给出了另一重约束。Garrett 把质量流量放在横轴，绝对压力比放在纵轴。曲线表示轴转速，效率岛表示轴功转变为无用热量较少的区域。在低流量一侧，喘振表示流动不稳定，而不只是输出偏低。在高流量边界，堵塞与效率下降限制了有效工作范围，继续提高压力可能导致超速。压气机并不是越大越好：发动机在所需转速范围内的工作点，都应适合它的性能图。

突然关闭节气门时，发动机不再接收那么多空气，而叶轮仍在旋转，工作点便可能向喘振区移动。真实装置用压气机旁通阀或泄压阀缓解这种情况。它与排气侧的废气旁通阀不是同一个部件。展品省略了这个阀门，也没有压气机性能图，所以不能预测喘振声，更不能验证替换涡轮是否合适。节气门试验展示的是增压延迟，不是实际进气系统可能发生的所有不稳定现象。

分开排气脉冲，或改变涡轮入口

双涡管涡轮仍然只有一个涡轮叶轮。壳体内有分开的排气通道，分隔式歧管使选定的气缸组在气体到达叶轮前保持分离。这样能保留有用的排气脉冲，减少气缸之间的干扰。BorgWarner 对量产六缸应用的技术说明，解释了分开通道为何能改善低转速响应。双涡管不等于双涡轮；如果歧管的对应通道没有保持分隔，仅在壳体中加一块隔板并不能重现完整结构。

可变几何结构处理的是问题的另一部分。涡轮周围可移动的导向叶片，改变有效入口通道。Garrett 对柴油 VGT 的说明指出：发动机低转速时关闭导向叶片，提高涡轮功率和增压；高转速时打开，让更多废气通过，避免超速。改变的不是叶轮本身的大小。与固定壳体相比，控制器可适应更宽的流量范围，但仍需处理执行器的复杂性和高温排气环境。

这两种设计都不能省掉使转子加速所需的能量。更好地利用脉冲或更合适的入口可以缩短响应，但排气流量不足时，可用能量仍有限。较小涡轮有利于低转速响应，却可能在大流量时形成阻力；较大涡轮可以降低阻力，却也更难加速。正确选择取决于发动机和使用任务，没有适用于所有情况的设计排名。本展品不能切换这些壳体；屏幕上是前文所述的固定几何、带废气旁通阀的例子。

缩小排量在什么条件下省油

排量缩小化，是用较小发动机替代较大发动机，在需要高功率时使用增压。其吸引力在于，日常驾驶有很长时间只需要峰值功率的一小部分。小发动机可能有更低的摩擦损失，并在相同道路需求下减少节流。涡轮则补回减小排量原本会损失的性能。这里比较的是完成同一任务的整套发动机系统，并不是说给任何发动机装上涡轮都会自动省油。

EPA 的《汽车趋势报告》把涡轮增压与其他发动机技术归类讨论，分析其对车辆性能和效率的共同影响。这类车队数据描述技术采用情况和整车表现，并不能单独分离出由涡轮保证实现的节油量。车重、传动比、道路负荷和标定都会影响结果。因此，公平比较需要同等车辆按相同驾驶工况运行。本展品没有车辆或驾驶循环模型，不能从功率读数推算出某个固定节油百分比。

高增压也有边界。进气压力和温度越高，汽油发动机尚未燃烧的混合气，就越可能在正常火焰烧到之前自行着火。由此产生的快速压力振荡是爆震，不是预期的火花点火。冷却进气、使用抗爆性足够的燃料、选用合适的点火时刻都有帮助。压缩比同样重要，但它是气缸的几何容积比，不是压气机的压比。两者描述不同过程，不应相加。模型固定效率与混合比，不计算爆震，因此功率数字升高，并不代表可以提高真车的增压上限。

皮带驱动的机械增压器从曲轴取得压缩所需的功，不必等待排气涡轮加速即可响应，但这份轴功仍要消耗发动机功率。电动辅助涡轮则在涡轮与压气机的共用轴上加入电机转矩。BorgWarner 的 eTurbo 文件还说明了用多余涡轮能量发电的模式。它的另一款产品 eBooster 是辅助常规涡轮的电动压气机，并不是在涡轮轴上加电机的同一种硬件。电池能量、电气损耗与散热仍要计入收支。没有一种装置能够免费制造压缩空气。

在屏幕上比较三组条件

比较冷却时，把发动机转速固定为 4,000 rpm，节气门全开，「增压上限」设为 1 bar。等轴转速与增压曲线稳定后记录功率，只改变中冷器设置。模型冷却时约为 115 kW，不冷却时约为 95 kW。除了增压，还要比较进入发动机的温度和每缸空气量。这是在压力几乎不变时比较密度，不是在改变发动机大小。

比较响应时，设为 2,000 rpm，在 15% 节气门下等系统稳定。然后将节气门全开，观察最近 8 s 的图。节气门曲线先动，增压跟随转子响应。保持相同的起始节气门开度，在 3,500 rpm 重复。不要比较刚改变多项设置后的曲线，因为初始轴转速会不同。展品简单的延迟规律使试验可以重复，但它不是量产发动机的实测加速试验。

比较废气旁通阀时，保持节气门全开和相同增压上限，把发动机从 4,000 rpm 提至 6,000 rpm。阀门开度增加，而稳定后的增压仍受限制。开得更多不代表涡轮停止工作：废气仍在驱动叶轮，只是绕过它的比例更大。最后将增压上限设为零，等稳定后比较功率。这些试验能区分冷却、瞬态响应与增压控制，却不声称模拟了油耗、爆震或其他涡轮设计。