Twin Turbo System
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Wenn ein Dieselmotor standardmäßig mit einer Turbine ausgestattet ist, kann ein Benzinmotor problemlos auf einen Turbolader verzichten. In der modernen Automobilindustrie wird ein Turbolader für ein Auto jedoch nicht mehr als exotisch angesehen (im Detail wird beschrieben, um welche Art von Mechanismus es sich handelt und wie er funktioniert in einem anderen Artikel).
In der Beschreibung einiger neuer Automodelle wird beispielsweise Biturbo oder Twin Turbo erwähnt. Lassen Sie uns überlegen, um welche Art von System es sich handelt, wie es funktioniert und wie die Kompressoren daran angeschlossen werden können. Am Ende der Überprüfung werden wir die Vor- und Nachteile eines Twin-Turbos diskutieren.
Was ist Twin Turbo?
Beginnen wir mit der Terminologie. Der Begriff Biturbo bedeutet immer, dass es sich erstens um einen Turbomotor handelt und zweitens das System der Zwangslufteinspritzung in die Zylinder zwei Turbinen umfasst. Der Unterschied zwischen Biturbo und Twin-Turbo besteht darin, dass im ersten Fall zwei unterschiedliche Turbinen verwendet werden, im zweiten Fall die gleichen. Warum - wir werden es etwas später herausfinden.
Der Wunsch nach Überlegenheit im Rennsport hat die Autohersteller gezwungen, nach Wegen zu suchen, um die Leistung eines Standard-Verbrennungsmotors ohne drastische Eingriffe in sein Design zu verbessern. Die effektivste Lösung war die Einführung eines zusätzlichen Luftgebläses, aufgrund dessen ein größeres Volumen in die Zylinder gelangt und der Wirkungsgrad der Einheit steigt.
Diejenigen, die mindestens einmal in ihrem Leben ein Auto mit einem Turbinentriebwerk gefahren haben, haben festgestellt, dass die Dynamik eines solchen Autos, gelinde gesagt, träge ist, bis der Motor bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit durchdreht. Sobald der Turbo zu arbeiten beginnt, erhöht sich das Ansprechverhalten des Motors, als ob Lachgas in die Zylinder gelangt wäre.
Die Trägheit solcher Anlagen veranlasste die Ingenieure, über eine weitere Modifikation der Turbinen nachzudenken. Der Zweck dieser Mechanismen bestand ursprünglich genau darin, diesen negativen Effekt zu beseitigen, der sich auf die Effizienz des Ansaugsystems auswirkte (lesen Sie mehr darüber in einer anderen Bewertung).
Im Laufe der Zeit wurde die Turboaufladung eingesetzt, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und gleichzeitig die Leistung des Verbrennungsmotors zu steigern. Durch die Installation können Sie den Drehmomentbereich erweitern. Die klassische Turbine erhöht die Geschwindigkeit des Luftstroms. Aufgrund dessen tritt ein größeres Volumen in den Zylinder ein als das des angesaugten, und die Kraftstoffmenge ändert sich nicht.
Aufgrund dieses Prozesses nimmt die Kompression zu. Dies ist einer der wichtigsten Parameter, die sich auf die Motorleistung auswirken (lesen Sie, wie Sie diese messen können hier). Im Laufe der Zeit waren Auto-Tuning-Enthusiasten nicht mehr mit der Werksausstattung zufrieden, weshalb Sportwagen-Modernisierungsunternehmen verschiedene Mechanismen verwendeten, die Luft in die Zylinder einspritzen. Dank der Einführung eines zusätzlichen Druckbeaufschlagungssystems gelang es den Spezialisten, das Potenzial der Motoren zu erweitern.
Als Weiterentwicklung des Turbos für Motoren erschien das Twin Turbo-System. Im Vergleich zu einer klassischen Turbine können Sie mit dieser Einheit noch mehr Leistung aus dem Verbrennungsmotor entfernen und für Auto-Tuning-Enthusiasten bietet sie zusätzliches Potenzial für die Aufrüstung ihres Fahrzeugs.
Wie funktioniert Twin Turbo?
Ein herkömmlicher Saugmotor arbeitet nach dem Prinzip, Frischluft durch ein Vakuum einzusaugen, das durch Kolben im Ansaugtrakt erzeugt wird. Während sich der Durchfluss entlang des Pfades bewegt, tritt eine kleine Menge Benzin in ihn ein (im Fall eines Benzinmotors), wenn es sich um ein Vergaserauto handelt oder Kraftstoff aufgrund des Betriebs des Injektors eingespritzt wird (lesen Sie mehr darüber, was Arten der Zwangskraftstoffversorgung).
Die Kompression in einem solchen Motor hängt direkt von den Parametern der Pleuel, des Zylindervolumens usw. ab. Wie bei einer herkömmlichen Turbine, die an der Abgasströmung arbeitet, erhöht ihr Laufrad die in die Zylinder eintretende Luft. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Motors, da bei der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches mehr Energie freigesetzt und das Drehmoment erhöht wird.
Twin Turbo funktioniert ähnlich. Nur in diesem System wird der Effekt der "Nachdenklichkeit" des Motors beseitigt, während sich das Turbinenlaufrad dreht. Dies wird durch die Installation eines zusätzlichen Mechanismus erreicht. Ein kleiner Kompressor beschleunigt die Beschleunigung der Turbine. Wenn der Fahrer das Gaspedal drückt, beschleunigt ein solches Auto schneller, da der Motor fast sofort auf die Aktion des Fahrers reagiert.
Es ist erwähnenswert, dass der zweite Mechanismus in diesem System ein anderes Design und Funktionsprinzip haben kann. In einer fortgeschritteneren Version wird eine kleinere Turbine mit einem geringeren Abgasstrom hochgefahren, wodurch der einströmende Strom bei niedrigeren Drehzahlen erhöht wird, und der Verbrennungsmotor muss nicht bis zum Anschlag gedreht werden.
Ein solches System funktioniert nach dem folgenden Schema. Wenn der Motor gestartet wird, während das Auto steht, arbeitet das Gerät im Leerlauf. Im Ansaugtrakt entsteht durch das Vakuum in den Zylindern eine natürliche Frischluftbewegung. Dieser Prozess wird durch eine kleine Turbine erleichtert, die sich bei niedrigen Drehzahlen zu drehen beginnt. Dieses Element sorgt für eine leichte Erhöhung der Traktion.
Mit steigender Kurbelwellendrehzahl wird der Auspuff intensiver. Zu diesem Zeitpunkt dreht sich der kleinere Lader mehr und der überschüssige Abgasstrom beginnt, die Haupteinheit zu beeinflussen. Mit zunehmender Laufraddrehzahl tritt aufgrund des größeren Schubes ein erhöhtes Luftvolumen in den Ansaugtrakt ein.
Dual Boost eliminiert die harte Leistungsverschiebung, die bei klassischen Dieseln auftritt. Bei mittlerer Drehzahl des Verbrennungsmotors erreicht der kleine Lader seine maximale Drehzahl, wenn die große Turbine gerade anfängt, sich zu drehen. Wenn mehr Luft in den Zylinder gelangt, baut sich der Abgasdruck auf und treibt den Hauptlader an. Dieser Modus eliminiert den merklichen Unterschied zwischen dem Drehmoment der maximalen Motordrehzahl und dem Einschluss der Turbine.
Wenn der Verbrennungsmotor seine maximale Drehzahl erreicht, erreicht der Kompressor auch den Grenzwert. Das Dual-Boost-Design ist so konzipiert, dass durch den Einbau eines großen Laders verhindert wird, dass das kleinere Gegenstück überlastet wird.
Der doppelte Fahrzeugkompressor liefert Druck im Ansaugsystem, der mit herkömmlicher Aufladung nicht erreicht werden kann. Bei Motoren mit klassischen Turbinen gibt es immer eine Turboverzögerung (ein spürbarer Unterschied in der Leistung des Aggregats zwischen dem Erreichen der Höchstdrehzahl und dem Einschalten der Turbine). Durch den Anschluss eines kleineren Kompressors wird dieser Effekt beseitigt und eine gleichmäßige Motordynamik erzielt.
Bei der doppelten Turboaufladung Drehmoment und Leistung (lesen Sie den Unterschied zwischen diesen Konzepten in einem anderen Artikel) des Antriebs entwickelt sich in einem breiteren Drehzahlbereich als der eines ähnlichen Motors mit einem Lader.
Arten von Aufladeschemata mit zwei Turboladern
Die Betriebstheorie von Turboladern hat sich also als praktisch erwiesen, um die Leistung des Aggregats sicher zu erhöhen, ohne das Design des Motors selbst zu ändern. Aus diesem Grund haben Ingenieure verschiedener Unternehmen drei effektive Arten von Twin-Turbos entwickelt. Jeder Systemtyp wird auf seine Weise angeordnet und hat ein etwas anderes Funktionsprinzip.
Heutzutage werden die folgenden Arten von dualen Turboladersystemen in Autos eingebaut:
- Parallel;
- Konsistent;
- Trat.
Jeder Typ unterscheidet sich im Anschlussplan der Gebläse, ihrer Größe, dem Zeitpunkt, zu dem jeder von ihnen in Betrieb genommen wird, sowie den Eigenschaften des Druckbeaufschlagungsprozesses. Betrachten wir jeden Systemtyp separat.
Anschlussplan der parallelen Turbine
In den meisten Fällen wird bei Motoren mit V-förmiger Zylinderblockkonstruktion eine parallele Turboaufladung verwendet. Die Vorrichtung eines solchen Systems ist wie folgt. Für jeden Zylinderabschnitt wird eine Turbine benötigt. Sie haben die gleichen Abmessungen und verlaufen auch parallel zueinander.
Die Abgase sind gleichmäßig im Abgastrakt verteilt und gelangen in gleichen Mengen zu jedem Turbolader. Diese Mechanismen funktionieren genauso wie bei einem Reihenmotor mit einer Turbine. Der einzige Unterschied besteht darin, dass diese Art von Biturbo zwei identische Gebläse hat, aber die Luft von jedem von ihnen wird nicht über die Abschnitte verteilt, sondern ständig in den gemeinsamen Trakt des Ansaugsystems injiziert.
Wenn wir ein solches Schema mit einem einzelnen Turbinensystem in einem Inline-Triebwerk vergleichen, besteht in diesem Fall das Twin-Turbo-Design aus zwei kleineren Turbinen. Dies erfordert weniger Energie, um ihre Laufräder zu drehen. Aus diesem Grund werden die Lader mit einer niedrigeren Drehzahl als eine große Turbine (weniger Trägheit) angeschlossen.
Diese Anordnung eliminiert die Bildung einer solch scharfen Turboverzögerung, die bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren mit einem Lader auftritt.
Sequentielle Aufnahme
Die Serie Biturbo ermöglicht auch den Einbau von zwei identischen Gebläsen. Nur ihre Arbeit ist anders. Der erste Mechanismus in einem solchen System wird permanent funktionieren. Das zweite Gerät ist nur in einem bestimmten Motorbetriebsmodus angeschlossen (wenn seine Last zunimmt oder die Kurbelwellendrehzahl steigt).
Die Steuerung in einem solchen System erfolgt durch Elektronik oder Ventile, die auf den Druck des vorbeiströmenden Stroms reagieren. Die ECU bestimmt gemäß den programmierten Algorithmen, zu welchem Zeitpunkt der zweite Kompressor angeschlossen werden soll. Der Antrieb erfolgt ohne Einschalten des einzelnen Motors (der Mechanismus arbeitet immer noch ausschließlich mit dem Druck des Abgasstroms). Die Steuereinheit aktiviert die Aktuatoren des Systems, das die Bewegung der Abgase steuert. Hierzu werden elektrische Ventile verwendet (in einfacheren Systemen sind dies gewöhnliche Ventile, die auf die physikalische Kraft des fließenden Flusses reagieren), die den Zugang zum zweiten Gebläse öffnen / schließen.
Wenn das Steuergerät den Zugang zum Laufrad des zweiten Gangs vollständig öffnet, arbeiten beide Geräte parallel. Aus diesem Grund wird diese Änderung auch als seriell-parallel bezeichnet. Der Betrieb der beiden Gebläse ermöglicht es, einen höheren Druck der einströmenden Luft zu erzeugen, da ihre Zulaufräder mit einem Einlasstrakt verbunden sind.
In diesem Fall sind auch kleinere Kompressoren installiert als in einem herkömmlichen System. Dies reduziert auch den Turboverzögerungseffekt und stellt maximales Drehmoment bei niedrigeren Motordrehzahlen zur Verfügung.
Diese Art von Biturbo wird sowohl bei Diesel- als auch bei Benzinmotoren installiert. Das Design des Systems ermöglicht es Ihnen, nicht einmal zwei, sondern drei in Reihe geschaltete Kompressoren zu installieren. Ein Beispiel für eine solche Modifikation ist die 2011 vorgestellte Entwicklung von BMW (Triple Turbo).
Schrittschema
Das gestufte Twin-Scroll-System gilt als die fortschrittlichste Art der Biturboaufladung. Obwohl es seit 2004 existiert, hat sich die zweistufige Aufladung technisch am stärksten bewährt. Dieser Twin Turbo ist bei einigen von Opel entwickelten Dieselmotoren verbaut. Das gestufte Auflade-Pendant von Borg Wagner Turbo Sistems ist in einigen Verbrennungsmotoren von BMW und Cummins eingebaut.
Das Turboladerschema besteht aus zwei unterschiedlich großen Ladern. Sie werden nacheinander installiert. Der Abgasstrom wird durch Elektroventile gesteuert, deren Betrieb elektronisch gesteuert wird (es gibt auch mechanische Ventile, die durch Druck angetrieben werden). Zusätzlich ist das System mit Ventilen ausgestattet, die die Richtung des Auslassstroms ändern. Dadurch ist es möglich, die zweite Turbine zu aktivieren und die erste auszuschalten, damit sie nicht ausfällt.
Das System hat das folgende Funktionsprinzip. Im Abgaskrümmer ist ein Bypassventil installiert, das den Durchfluss vom Schlauch zur Hauptturbine unterbricht. Wenn der Motor mit niedriger Drehzahl läuft, ist dieser Zweig geschlossen. Infolgedessen passiert das Abgas eine kleine Turbine. Aufgrund der minimalen Trägheit liefert dieser Mechanismus auch bei geringen ICE-Belastungen ein zusätzliches Luftvolumen.
Dann bewegt sich die Strömung durch das Hauptturbinenlaufrad. Da sich die Schaufeln bei höherem Druck zu drehen beginnen, bis der Motor die mittlere Drehzahl erreicht, bleibt der zweite Mechanismus bewegungslos.
Es gibt auch ein Bypassventil im Ansaugtrakt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist es geschlossen und der Luftstrom geht praktisch ohne Einspritzung. Während der Fahrer den Motor hochfährt, dreht sich die kleine Turbine stärker und erhöht den Druck im Ansaugtrakt. Dies erhöht wiederum den Druck der Abgase. Wenn der Druck in der Abgasleitung stärker wird, wird das Wastegate leicht geöffnet, so dass sich die kleine Turbine weiter dreht und ein Teil der Strömung zum großen Gebläse geleitet wird.
Allmählich beginnt sich das große Gebläse zu drehen. Mit steigender Kurbelwellendrehzahl verstärkt sich dieser Prozess, wodurch das Ventil weiter geöffnet wird und sich der Kompressor stärker dreht.
Wenn der Verbrennungsmotor eine mittlere Drehzahl erreicht, arbeitet die kleine Turbine bereits mit maximaler Leistung, und der Hauptlader hat gerade angefangen, sich zu drehen, hat jedoch sein Maximum nicht erreicht. Während des Betriebs der ersten Stufe strömen die Abgase durch das Laufrad des kleinen Mechanismus (während sich seine Schaufeln im Ansaugsystem drehen) und werden durch die Schaufeln des Hauptkompressors zum Katalysator geleitet. In diesem Stadium wird Luft durch das Laufrad des großen Kompressors angesaugt und durch das rotierende kleinere Zahnrad geleitet.
Am Ende der ersten Stufe ist das Wastegate vollständig geöffnet und der Abgasstrom ist bereits vollständig zum Haupt-Ladedruckrad geleitet. Dieser Mechanismus dreht sich stärker. Das Bypass-System ist so eingestellt, dass das kleine Gebläse zu diesem Zeitpunkt vollständig deaktiviert ist. Der Grund dafür ist, dass bei Erreichen der mittleren und maximalen Drehzahl einer großen Turbine eine so starke Förderhöhe entsteht, dass die erste Stufe einfach verhindert, dass sie ordnungsgemäß in die Zylinder eintritt.
In der zweiten Stufe der Druckbeaufschlagung passieren die Abgase das kleine Laufrad und der einströmende Strom wird um den kleinen Mechanismus herum geleitet - direkt in die Zylinder. Dank dieses Systems ist es den Autoherstellern gelungen, den großen Unterschied zwischen hohem Drehmoment bei minimaler Drehzahl und maximaler Leistung bei Erreichen der maximalen Kurbelwellendrehzahl zu beseitigen. Dieser Effekt war ein ständiger Begleiter jedes herkömmlichen aufgeladenen Dieselmotors.
Vor- und Nachteile der doppelten Turboaufladung
Biturbo wird selten bei Motoren mit geringer Leistung installiert. Grundsätzlich ist dies die Ausrüstung, auf die sich leistungsstarke Maschinen verlassen. Nur in diesem Fall ist es möglich, die optimale Drehmomentanzeige bereits bei niedrigeren Drehzahlen zu verwenden. Auch die geringen Abmessungen des Verbrennungsmotors sind kein Hindernis für die Leistungssteigerung des Aggregats. Dank der doppelten Turboaufladung wird ein angemessener Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu seinem Gegenstück mit Saugmotor erzielt, das eine identische Leistung entwickelt.
Einerseits profitieren Geräte, die die Hauptprozesse stabilisieren oder deren Effizienz steigern. Andererseits sind solche Mechanismen nicht ohne zusätzliche Nachteile. Und Doppelturboaufladung ist keine Ausnahme. Ein solches System hat nicht nur positive Aspekte, sondern auch einige schwerwiegende Nachteile, aufgrund derer einige Autofahrer den Kauf solcher Autos ablehnen.
Betrachten Sie zunächst die Vorteile des Systems:
- Der Hauptvorteil des Systems ist die Beseitigung der Turboverzögerung, die typisch für alle Verbrennungsmotoren ist, die mit einer herkömmlichen Turbine ausgestattet sind.
- Der Motor schaltet leichter in den Leistungsmodus.
- Der Unterschied zwischen maximalem Drehmoment und Leistung wird erheblich verringert, da durch Erhöhen des Luftdrucks im Ansaugsystem die meisten Newton über einen größeren Motordrehzahlbereich verfügbar bleiben.
- Reduziert den Kraftstoffverbrauch, der erforderlich ist, um maximale Leistung zu erzielen.
- Da die zusätzliche Dynamik des Autos bei niedrigeren Motordrehzahlen verfügbar ist, muss der Fahrer es nicht so stark drehen.
- Durch die Verringerung der Belastung des Verbrennungsmotors wird der Schmiermittelverschleiß verringert, und das Kühlsystem arbeitet nicht in einem erhöhten Modus.
- Abgase werden nicht einfach in die Atmosphäre abgegeben, sondern die Energie dieses Prozesses wird mit Vorteil genutzt.
Achten wir nun auf die Hauptnachteile des Twin Turbo:
- Der Hauptnachteil ist die Komplexität der Konstruktion der Einlass- und Auslasssysteme. Dies gilt insbesondere für neue Systemmodifikationen.
- Der gleiche Faktor wirkt sich auf die Kosten und die Wartung des Systems aus - je komplexer der Mechanismus ist, desto teurer ist seine Reparatur und Einstellung.
- Ein weiterer Nachteil ist auch mit der Komplexität des Systemdesigns verbunden. Da sie aus einer großen Anzahl zusätzlicher Teile bestehen, gibt es auch mehr Knoten, in denen ein Bruch auftreten kann.
Das Klima des Gebiets, in dem die Turbomaschine betrieben wird, ist gesondert zu erwähnen. Da sich das Laufrad des Laders manchmal über 10 XNUMX U / min dreht, muss es qualitativ hochwertig geschmiert werden. Wenn das Auto über Nacht stehen gelassen wird, gelangt das Fett in den Sumpf, sodass die meisten Teile der Einheit, einschließlich der Turbine, trocken werden.
Wenn Sie den Motor morgens starten und ohne ausreichende Aufwärmphase mit angemessenen Lasten betreiben, können Sie den Kompressor ausschalten. Der Grund ist, dass trockene Reibung den Verschleiß der Reibteile beschleunigt. Um dieses Problem zu beheben, müssen Sie vor dem Einschalten des Motors auf hohe Drehzahlen einige Zeit warten, bis das Öl durch das gesamte System gepumpt ist und die entferntesten Knoten erreicht.
Im Sommer muss man nicht viel Zeit damit verbringen. In diesem Fall hat das Öl in der Ölwanne eine ausreichende Fließfähigkeit, so dass die Pumpe es schnell überpumpen kann. Im Winter, insbesondere bei starkem Frost, kann dieser Faktor jedoch nicht ignoriert werden. Es ist besser, ein paar Minuten damit zu verbringen, das System aufzuwärmen, als nach kurzer Zeit eine angemessene Menge herauszuwerfen, um eine neue Turbine zu kaufen. Zusätzlich sollte erwähnt werden, dass sich das Laufrad der Gebläse aufgrund des ständigen Kontakts mit Abgasen auf tausend Grad erwärmen kann.
Wenn der Mechanismus keine ordnungsgemäße Schmierung erhält, die parallel die Funktion des Kühlens des Geräts erfüllt, reiben seine Teile trocken aneinander. Das Fehlen eines Ölfilms führt zu einem starken Temperaturanstieg der Teile, wodurch sie sich thermisch ausdehnen und infolgedessen ihren Verschleiß beschleunigen.
Um einen zuverlässigen Betrieb des Doppelturboladers zu gewährleisten, sollten die gleichen Verfahren wie bei der Wartung herkömmlicher Turbolader befolgt werden. Erstens ist es notwendig, das Öl rechtzeitig zu wechseln, das nicht nur zur Schmierung, sondern auch zur Kühlung der Turbinen verwendet wird (Informationen zum Verfahren zum Ersetzen des Schmiermittels finden Sie auf unserer Website ein separater Artikel).
Zweitens muss die Qualität des Kraftstoffs hoch sein, da die Laufräder der Gebläse in direktem Kontakt mit den Abgasen stehen. Dadurch sammeln sich keine Kohlenstoffablagerungen auf den Schaufeln an, die die freie Drehung des Laufrads beeinträchtigen.
Abschließend bieten wir ein kurzes Video über verschiedene Turbinenmodifikationen und deren Unterschiede:
Fragen und Antworten:
Was ist besser Bi-Turbo oder Twin-Turbo? Dies sind Turboladersysteme für Motoren. Bei Motoren mit Biturbo wird das Turboloch geglättet und die Beschleunigungsdynamik nivelliert. Bei einem Twin-Turbo-System ändern sich diese Faktoren nicht, aber die Leistung des Verbrennungsmotors steigt.
Was ist der Unterschied zwischen Bi-Turbo und Twin-Turbo? Biturbo ist ein in Reihe geschaltetes Turbinensystem. Dank ihrer sequentiellen Aufnahme wird das Turboloch beim Beschleunigen eliminiert. Ein Twin-Turbo sind nur zwei Turbinen zur Leistungssteigerung.
Warum braucht man einen Twin-Turbo? Zwei Turbinen liefern ein größeres Luftvolumen in den Zylinder. Dadurch wird der Rückstoß bei der Verbrennung von BTC verstärkt - mehr Luft wird im gleichen Zylinder komprimiert.
