Система подвійного турбонаддува Twin Turbo
Зміст
Якщо дизельний мотор за замовчуванням оснащується турбіною, то бензиновий ДВС абсолютно спокійно може обійтися і без турбонагнетателя. Проте, в сучасному автомобілебудуванні турбокомпресор для машини вже не вважається екзотикою (детально про те, що це за механізм і як він працює, розповідається в іншій статті).
В описі до деяких нових моделей авто згадується таке поняття, як biturbo або twin turbo. Розглянемо, що це за система, як вона працює, як можуть підключатися компресори в ній. На завершення огляду обговоримо, в чому плюси і мінуси твін турбо.
Що таке Twin Turbo?
Спочатку розберемося з термінологією. Фраза бітурбо завжди означатиме, що, по-перше, це турбований вид двигуна, а по-друге, схема примусового нагнітання повітря в циліндри включатиме дві турбіни. Різниця між бітурбо та твінтурбо в тому, що у першому випадку використовуються дві різні турбіни, а у другому – однакові. Навіщо – розберемося трохи згодом.
Прагнення досягти першості в гоночних змаганнях змусило автовиробників шукати можливість підвищити продуктивність стандартного ДВС без кардинальних втручань в його конструкцію. І найефективнішим рішенням було впровадження додаткового нагнітача повітря, завдяки якому в циліндри надходить більший обсяг, і підвищується ККД агрегату.
Тим, хто хоч раз в житті їздив на машині, мотор якою оснащений турбіною, помічав, що поки двигун не розкрутиться до певних оборотів, динаміка такого авто м'яко кажучи млява. Але як тільки починає працювати турбонагнетатель, чуйність мотора підвищується, ніби в циліндри надійшла закис азоту.
Інерційність таких установок спонукала інженерів задуматися над створенням іншої модифікації турбін. Спочатку призначення даних механізмів полягало саме в усуненні цього негативного ефекту, який позначався на ефективності роботи системи впуску (докладно про неї читайте в іншому огляді).
Згодом турбонаддув почали застосовувати для того, щоб знизити споживання палива, але при цьому підвищити продуктивність ДВС. Установка дозволяє розширити діапазон крутного моменту. Класична турбіна збільшує швидкість руху потоку повітря. Завдяки цьому в циліндр надходить більший обсяг, ніж у атмосферника, а кількість палива при цьому не змінюється.
За рахунок цього процесу підвищується компресія, яка є одним з ключових параметрів, що впливають на потужність мотора (про те, як її виміряти, читайте тут). Згодом любителів автомобільного тюнінга перестала влаштовувати заводська комплектація, тому компанії з модернізації спортивних автомобілів почали використовувати різні механізми, які нагнітають повітря в циліндри. Завдяки впровадженню системи додаткового наддуву у фахівців вийшло розширити потенціал моторів.
Як подальша еволюція турбо для моторів з'явилася система Twin Turbo. У порівнянні з класичною турбіною дана установка дозволяє зняти з ДВС ще більше потужності, а любителям автотюнінгу вона надає додатковий потенціал для модернізації свого транспортного засобу.
Як працює Твін-турбо?
Звичайний атмосферний двигун працює за принципом всмоктування свіжого повітря за рахунок розрідження, яке створюють поршні у впускному тракті. У міру просування потоку по тракту в нього надходить невелика кількість бензину (в разі бензинового ДВС), якщо це карбюраторний автомобіль або виробляється впорскування палива за рахунок роботи інжектора (додатково прочитайте про те, які бувають різновиди примусової подачі палива).
Компресія в такому моторі безпосередньо залежить від параметрів шатунів, об'єму циліндрів і т.д. Що стосується звичайної турбіни, то працюючи від потоку вихлопних газів, її крильчатка збільшує надходить в циліндри повітря. За рахунок цього збільшується ефективність двигуна, так як при згорянні повітряно-паливної суміші виділяється більше енергії, і підвищується крутний момент.
Робота твинтурбо має схожий принцип. Тільки в даній системі усунутий ефект «задумі» мотора, поки розкручується крильчатка турбіни. Це досягається установкою додаткового механізму. Невеликий компресор прискорює процес розгону турбіни. Коли водій натискає на педаль газу, така машина розганяється швидше, так як мотор практично моментально реагує на дію водія.
Варто згадати, що другий механізм в цій системі може мати різну конструкцію і принцип роботи. У більш просунутому виконанні турбіна з меншими розмірами розкручується менш сильним потоком вихлопних газів, завдяки чому посилюється вхідний потік на менших оборотах, і ДВС не потрібно розкручувати до межі.
Така система буде працювати за такою схемою. При запуску двигуна, поки авто нерухомо, агрегат працює в режимі холостих обертів. У впускному тракті утворюється природний рух свіжого повітря за рахунок розрідження в циліндрах. Полегшується цей процес невеликою турбіною, яка починає обертатися при низьких оборотах. Цей елемент забезпечує невелике посилення тяги.
У міру підвищення оборотів коленвала вихлоп стає більш інтенсивним. В цей час менший нагнітач обертається сильніше, і надлишковий потік відпрацьованих газів починає зачіпати основний пристрій. Зі збільшенням оборотів крильчатки у впускний тракт надходить збільшений об'єм повітря за рахунок більшої тяги.
Подвійний наддув усуває різку ступінь зміни потужності, яка присутня в класичних дизелях. На середніх оборотах ДВС, коли велика турбіна тільки починає розкручуватися, маленький нагнітач досягає граничних оборотів. Коли в циліндр надходить більше повітря, зростає тиск вихлопних газів, приводячи в рух головний нагнітач. Такий режим усуває відчутну різницю між моментом максимальних обертів двигуна і включенням турбіни.
Коли ДВС досягає максимальних обертів, компресор теж виходить на граничний рівень. Конструкція подвійного наддуву створена так, що включення великого нагнітача попереджує менший аналог від перевантаження через роботу на надмірному навантаженні.
Подвійний автомобільний компресор забезпечує такий тиск в тракті впускної системи, якого неможливо досягти при використанні класичного наддуву. У моторах з класичними турбінами обов'язково присутній турбояма (відчутна різниця потужності силового агрегату між виходом його на максимальні оберти і включенням турбіни). Підключення компресора менших розмірів усуває цей ефект, забезпечуючи плавну динаміку двигуна.
У подвійному турбонаддуве крутний момент і потужність (про різницю цих понять читайте в іншій статті) Силового агрегату розвивається в більшому діапазоні оборотів, ніж у аналогічного мотора з одним нагнітачем.
Види схем наддуву з двома турбокомпресорами
Отже, теорія роботи турбокомпресорів довела їх практичність для безпечного підвищення потужності силового агрегату без зміни конструкції самого двигуна. З цієї причини інженерами різних компаній було розроблено три ефективних різновиди твинтурбо. Кожен тип системи буде по-своєму влаштований, і буде мати трохи відрізняється принцип роботи.
На сьогоднішній день в автомобілях встановлюється наступний вигляд систем подвійного турбонаддува:
- паралельний;
- послідовний;
- Ступінчастий.
Кожна різновид відрізняється схемою підключення нагнітачів, їх розмірами, моментом, коли кожен з них буде включатися в роботу, а також характеристиками процесу наддуву. Розглянемо кожен тип систем окремо.
Паралельна схема підключення турбін
У більшості випадків паралельний тип турбонаддува використовується в моторах з V-подібною конструкцією блоку циліндрів. Пристрій такої системи наступне. Для кожної секції циліндрів покладається по одній турбіні. Вони мають однакові розміри, а також працюють паралельно один одному.
Вихлопні гази рівномірно розподіляються в випускному тракті і йдуть на кожен турбокомпресор в однакових кількостях. Ці механізми працюють за тією ж схемою, що і в разі рядного мотора з одного турбіною. Різниця тільки в тому, що у даного різновиду biturbo два однакових нагнітача, але повітря від кожного з них не розподіляється по секціях, а постійно нагнітається в загальний тракт впускної системи.
Якщо порівнювати таку схему з системою одинарної турбіни в рядном силовий агрегат, то в даному випадку конструкція подвійного турбонаддува складається з двох турбін менших розмірів. Завдяки цьому потрібно менше енергії, щоб розкрутити їх крильчатки. З цієї причини підключення нагнітачів відбувається на менших оборотах, ніж однієї великої турбіни (менше інерційність).
У такій компоновці виключається утворення такої різкої турбоями, яка буває на звичайних ДВС з одним нагнітачем.
послідовне включення
Послідовний тип Biturbo також передбачає установку двох ідентичних нагнітачів. Тільки їхня робота відрізняється. Перший механізм в такій системі буде працювати на постійній основі. Другий пристрій підключається тільки на певному режимі роботи мотора (коли збільшується його навантаження або підвищуються обороти коленвала).
Управління в такій системі забезпечується електронікою або клапанами, що реагують на тиск проходить потоку. ЕБУ відповідно до запрограмованими алгоритмами визначає, в який момент підключити другий компресор. Його привід забезпечується не включенням індивідуального двигуна (механізм як і раніше працює виключно від тиску потоку вихлопних газів). Блок управління активує виконавчі механізми системи, яка контролює рух відпрацьованих газів. Для цього використовуються клапани з електроприводом (в простіших системах це звичайні клапани, що реагують на фізичне зусилля проходить повз потоку), які відкривають / закривають доступ до другого нагнітача.
Коли блок управління повністю відкриває доступ до крильчатці другого механізму, обидва пристрої працюють паралельно. З цієї причини дана модифікація також називається послідовно-паралельна. Робота двох нагнітачів дозволяє влаштувати більший натиск повітря, що поступає, так як їх подають крильчатки з'єднані в один впускний тракт.
В даному випадку теж встановлюються компресори менших розмірів, ніж у звичайній системі. Завдяки цьому також знижується ефект турбоями і максимальний крутний момент стає доступним на менших оборотах ДВС.
Такий різновид битурбо встановлюється як на дизельних, так і на бензинових силових агрегатах. Конструкція системи дозволяє встановлювати навіть не два, а три компресора, підключені послідовно один одному. Приклад такої модифікації - розробка компанії BMW (Triple Turbo), яка була представлена в 2011-му році.
ступінчаста схема
Ступінчаста твінскрольная система вважається найдосконалішою різновидом подвійного турбонаддува. Незважаючи на те, що вона існує з 2004-го року, двоступеневий тип наддуву більше всіх зарекомендував свою ефективність в технічному плані. Такий Twin Turbo устанавлявается на деякі різновиди дизельних моторів, розроблених компанією Opel. Аналог ступеневої наддуву, розроблений компанією Borg Wagner Turbo Sistems, монтується на деякі ДВС BMW, а також Cummins.
Схема такого турбонаддува складається з двох нагнітачів різних розмірів. Вони встановлюються послідовно. Потік відпрацьованих газів управляється електроклапанами, робота яких контролюється електронікою (також зустрічаються механічні клапани, які приводяться в рух від сили натиску). Додатково система оснащена клапанами, що змінюють напрямок нагнітається потоку. Це буде давати можливість активувати другу турбіну, і відключати першу, щоб вона не вийшла з ладу.
Система має наступний принцип роботи. У випускному колекторі встановлено перепускний клапан, що відсікає потік від рукава, що йде до основної турбіні. Коли двигун працює на низьких оборотах, цей відведення закритий. В результаті вихлоп проходить через маленьку турбіну. За рахунок мінімальної інерційності цей механізм забезпечує додатковим обсягом повітря вже при невеликих навантаженнях ДВС.
Далі потік рухається через крильчатку основний турбіни. Так як її лопаті починають обертатися при більшому тиску, поки мотор не досягне середніх оборотів, другий механізм залишається нерухомим.
У впускному тракті також є перепускний клапан. На малих обертах він закритий, і потік повітря йде практично без нагнітання. Коли водій підвищує обороти мотора, мала турбіна сильніше обертається, збільшуючи тиск у впускному тракті. Це в свою чергу підвищує тиск вихлопних газів. Так як натиск в випускному тракті стає сильнішою, перепускний клапан трохи відкривається, завдяки чому мала турбіна продовжує обертатися, а деяка кількість потоку прямує на великий нагнітач.
Поступово великий нагнітач починає обертатися. У міру підвищення частоти обертання коленвала цей процес посилюється, чому клапан сильніше відкривається, і компресор розкручується в більшій мірі.
Коли ДВС досягне середніх оборотів, мала турбіна вже працює на максимумі, а основний нагнітач тільки розкрутився, але не вийшов на свій максимум. Під час роботи першого ступеня вихлопні гази йдуть через крильчатку малого механізму (при цьому крутяться його лопаті у впускний системі), а на каталізатор видаляються через лопаті основного компресора. На цьому етапі повітря всмоктується через крильчатку великого компресора і йде через обертовий меьше механізм.
У момент завершення першого ступеня перепускний клапан повністю відкривається, і вихлопної потік вже повністю спрямовується на крильчатку основного наддуву. Цей механізм сильніше розкручується. Перепускна система налаштована так, щоб на даному етапі малий нагнітач повністю скасовано. Причина полягає в тому, що при досягненні середніх і максимальних обертів великий турбіни вона створює настільки сильний напір, що перший ступінь просто заважає йому належним чином поступати в циліндри.
На другому ступені наддуву вихлопні гази йдуть повз малої крильчатки, а вхідний потік прямує в обхід малого механізму - прямо в циліндри. Завдяки такій системі автовиробникам вдалося усунути велику різницю між високим крутним моментом при мінімальних обертах і максимальною потужністю при виході на максимальну частоту обертання коленвала. Цей ефект був незмінним супутником будь-якого дизельного мотора зі звичайним наддувом.
Плюси і мінуси подвійного турбонаддува
Бітурбо рідко коли встановлюється на малопотужні двигуни. В основному це обладнання, яке належить для потужних машин. Тільки в цьому випадку можливо знімати оптимальний показник крутного моменту вже на більш низьких оборотах. Також невеликі габарити ДВС не є перешкодою для збільшення потужності силового агрегату. Завдяки подвійному турбонаддуву досягається пристойна економія палива в порівнянні з атмосферним аналогом, що розвиває ідентичну потужність.
З одного боку користь від обладнання, стабілізуючого основні процеси або підвищує їх ефективність, є користь. Але з іншого боку такі механізми не позбавлені додаткових мінусів. І подвійний турбонаддув не виняток. Така система не тільки має позитивні сторони, але і деякі серйозні недоліки, через які деякі автомобілісти відмовляються купувати подібні машини.
Спочатку розглянемо плюси системи:
- Основний плюс системи - усунення турбоями, яка характерна для всіх ДВС, оснащених звичайної турбіною;
- Двигун легше переходить на режим потужності;
- Різниця між максимальним обертовим моментом і потужністю значно скорочується, так як за рахунок збільшення тиску повітря у впускний системі велика частина ньютонів залишається доступною на більшому діапазоні оборотів двигуна;
- Зменшується витрата палива, необхідного для досягнення максимальної потужності;
- Так як додаткова динаміка авто доступна на менших оборотах ДВС, водієві доводиться не так сильно його розкручувати;
- За рахунок зниження навантаження на ДВС зменшується знос мастильних матеріалів, а також система охолодження не працює в підвищеному режимі;
- Вихлопні гази не просто видаляються в атмосферу, а енергія цього процесу використовується з користю.
Тепер звернемо увагу на ключові недоліки твинтурбо:
- Основний мінус полягає в складності конструкції впускної і випускної систем. Особливо це стосується нових модифікацій систем;
- Цей же фактор впливає на вартість і обслуговування системи - чим складніше механізм, тим дорожче його ремонт і настройка;
- Ще один мінус теж пов'язаний зі складністю пристрою систем. Так як вони складаються з великої кількості додаткових деталей, то і вузлів, в яких може утворитися поломка також більше.
Окремо слід згадати клімат місцевості, в якій експлуатується турбірована машина. Так як крильчатка нагнітача розкручується подекуди більший 10 тисяч об / хв, вона потребує якісної мастилі. Коли автомобіль залишається на ніч, мастило йде в піддон, тому більшість деталей агрегату, в тому числі і турбіна, стають сухими.
Якщо вранці запустити мотор і експлуатувати його з пристойними навантаженнями без попереднього прогріву, можна вбити нагнітач. Причина полягає в тому, що сухе тертя прискорює зношування деталей. Щоб виключити дану проблему, перш ніж виводити мотор на високі обороти, потрібно трохи почекати, поки масло прокачати по всій системі, і досягне найвіддаленіших вузлів.
Влітку на це не доводиться витрачати багато часу. Масло в піддоні в цьому випадку має достатню плинністю, щоб насос зміг його швидко прокачати. А ось взимку, особливо в сильні морози, цей фактор не можна ігнорувати. Краще витратити пару хвилин на прогрів системи, ніж через невеликий проміжок часу викидати пристойну суму на покупку нової турбіни. Додатково слід згадати, що через постійне контакту з вихлопними газами крильчатка нагнітачів може розжарюватися до тисячі градусів.
Якщо механізм не отримає належної мастила, яка паралельно виконує функцію охолодження пристрою, його деталі будуть тертися один об одного всуху. Відсутність олійною плівки заподіє різке підвищення температури деталей, забезпечивши їм теплове розширення, і як наслідок їх прискорений знос.
Щоб забезпечити надійну роботу подвійного турбонаддува, потрібно виконувати ті ж процедури, що і при обслуговуванні звичайних турбокомпресорів. По-перше, необхідно вчасно міняти масло, яке використовується не тільки для змащення, але і для охолодження турбін (про регламент заміни мастильного матеріалу наш сайт має окрему статтю).
По-друге, так як крильчатки нагнітачів безпосередньо контактують з вихлопними газами, якість палива повинно бути високим. Завдяки цьому на лопатях не буде накопичуватися нагар, який заважає вільному обертанню крильчатки.
На завершення пропонуємо невелике відео про різні модифікаціях турбін і їх відмінностях:
Питання та відповіді:
Що краще бі турбо чи твін турбо? Це системи турбонаддуву двигуна. У моторах з бітурбо згладжується турбо-лаг та вирівнюється розгінна динаміка. У системі твінтурбо ці фактори не змінюються, зате збільшується продуктивність ДВЗ.
У чому відмінність між бі турбо від твін турбо? Бітурбо - це система з турбінами, що послідовно включаються. Завдяки їхньому послідовному включенню усувається турбо-яма під час розгону. Твінтурбо просто дві турбіни для збільшення потужності.
Навіщо потрібний твін турбо? Дві турбіни забезпечують приплив у циліндр повітря більшого об'єму. За рахунок цього посилюється віддача при згорянні ВТС – у тому ж циліндрі стискається більша кількість повітря.
