ツインターボシステム
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ディーゼルエンジンにデフォルトでタービンが装備されている場合、ガソリンエンジンはターボチャージャーなしで簡単に実行できます。 それにもかかわらず、現代の自動車産業では、自動車用のターボチャージャーはもはやエキゾチックとは見なされていません（それがどのようなメカニズムであり、どのように機能するかについて詳しく説明されています 別の記事で).
いくつかの新しい車のモデルの説明では、ビターボやツインターボなどが言及されています。 それがどのようなシステムであるか、どのように機能するか、どのようにコンプレッサーを接続できるかを考えてみましょう。 レビューの最後に、ツインターボの長所と短所について説明します。
ツインターボとは？
用語から始めましょう。 ビターボというフレーズは、第一に、これがターボチャージャー付きタイプのエンジンであり、第二に、シリンダーへの強制空気噴射のスキームにXNUMXつのタービンが含まれることを常に意味します。 ビターボとツインターボの違いは、前者の場合はXNUMXつの異なるタービンが使用され、後者の場合は同じであるということです。 理由-少し後でわかります。
レースでの優位性を達成したいという願望により、自動車メーカーは、設計に大幅な介入を行うことなく、標準的な内燃エンジンの性能を向上させる方法を模索することを余儀なくされています。 そして、最も効果的な解決策は、追加の送風機の導入でした。これにより、より多くの量がシリンダーに入り、ユニットの効率が向上します。
人生で少なくとも一度はタービンエンジンで車を運転したことがある人は、エンジンが特定の速度まで回転するまで、そのような車のダイナミクスは穏やかに言えば遅いことに気づきました。 しかし、ターボが作動し始めるとすぐに、亜酸化窒素がシリンダーに入ったかのように、エンジンの応答性が向上します。
このような設備の慣性により、エンジニアはタービンの別の変更を作成することを検討するようになりました。 当初、これらのメカニズムの目的は、吸気システムの効率に影響を与えたこの悪影響を正確に排除することでした（詳細はこちらをご覧ください） 別のレビューで).
時が経つにつれて、燃料消費量を削減するためにターボチャージャーが使用されるようになりましたが、同時に内燃エンジンの性能が向上しました。 取り付けにより、トルク範囲を拡大できます。 古典的なタービンは、空気の流れの速度を上げます。 このため、吸引した量よりも多くの量がシリンダーに入り、燃料の量は変化しません。
このプロセスにより、圧縮が増加します。これは、モーター出力に影響を与える重要なパラメーターのXNUMXつです（測定方法については、以下を参照してください）。 ここで）。 時間が経つにつれて、車のチューニング愛好家はもはや工場設備に満足していなかったので、スポーツカーの近代化会社はシリンダーに空気を注入するさまざまなメカニズムを使用し始めました。 追加の加圧システムの導入のおかげで、専門家はモーターの可能性を拡大することができました。
モーター用ターボのさらなる進化として、ツインターボシステムが登場しました。 従来のタービンと比較して、この設置により、内燃エンジンからさらに多くの動力を取り除くことができ、自動調整愛好家にとっては、車両をアップグレードするための追加の可能性が提供されます。
ツインターボはどのように機能しますか？
従来の自然吸気エンジンは、吸気管のピストンによって生成される真空によって新鮮な空気を吸い込むという原理で動作します。 流れが経路に沿って移動するときに、少量のガソリンがそこに入ります（ガソリン内燃エンジンの場合）。キャブレターカーの場合、またはインジェクターの操作によって燃料が噴射されます（詳細については、 強制燃料供給の種類).
このようなモーターの圧縮は、コネクティングロッドのパラメーター、シリンダーの容積などに直接依存します。 従来のタービンと同様に、排気ガスの流れに作用し、そのインペラはシリンダーに入る空気を増加させます。 これにより、混合気の燃焼中に放出されるエネルギーが増え、トルクが増加するため、エンジンの効率が向上します。
ツインターボも同様に機能します。 このシステムでのみ、タービンインペラが回転している間にモーターの「思慮深さ」の影響が排除されます。 これは、追加のメカニズムをインストールすることによって実現されます。 小さなコンプレッサーがタービンの加速を加速します。 ドライバーがアクセルペダルを踏むと、エンジンがドライバーの行動にほぼ瞬時に反応するため、このような車はより速く加速します。
このシステムのXNUMX番目のメカニズムは、異なる設計と動作原理を持つ可能性があることに言及する価値があります。 より高度なバージョンでは、より小さなタービンがより弱い排気ガス流で回転し、それにより低速での流入流が増加し、内燃機関を限界まで回転させる必要がない。
このようなシステムは、次のスキームに従って動作します。 エンジンが始動すると、車が静止している間、ユニットはアイドル速度で動作します。 吸気管では、シリンダー内の真空により、新鮮な空気の自然な動きが形成されます。 このプロセスは、低rpmで回転を開始する小さなタービンによって促進されます。 この要素は、トラクションをわずかに増加させます。
クランクシャフトの回転数が上がると、排気が激しくなります。 このとき、小型のスーパーチャージャーが回転し、過剰な排気ガスの流れが本体に影響を及ぼし始めます。 インペラの速度が上がると、推力が大きくなるため、吸気管に入る空気の量が増えます。
デュアルブーストは、古典的なディーゼルに存在する過酷なパワーシフトを排除します。 内燃機関の中速では、大型タービンが回転し始めたばかりのときに、小型過給機が最高速度に達します。 より多くの空気がシリンダーに入ると、排気圧が上昇し、メインスーパーチャージャーを駆動します。 このモードは、最大エンジン速度のトルクとタービンの包含との間の顕著な違いを排除します。
内燃機関が最高速度に達すると、コンプレッサーも限界レベルに達します。 デュアルブースト設計は、大きなスーパーチャージャーを含めることで、小さなスーパーチャージャーが過負荷になるのを防ぐように設計されています。
デュアルオートモーティブコンプレッサーは、従来の過給では達成できない圧力を吸気システムに供給します。 従来のタービンを搭載したエンジンでは、常にターボラグが発生します（最大速度に到達してからタービンをオンにするまでの間に、パワーユニットの出力に顕著な違いがあります）。 小型のコンプレッサーを接続すると、この影響がなくなり、スムーズなモーターダイナミクスが得られます。
ツインターボチャージャーでは、トルクとパワー（これらの概念の違いについて読んでください） 別の記事で）パワーユニットのは、XNUMXつのスーパーチャージャーを備えた同様のモーターよりも広いrpm範囲で発生します。
XNUMXつのターボチャージャーを備えた過給方式のタイプ
したがって、ターボチャージャーの動作理論は、エンジン自体の設計を変更することなく、パワーユニットの出力を安全に増加させるための実用性を証明しています。 このため、さまざまな企業のエンジニアがXNUMXつの効果的なタイプのツインターボを開発しました。 各タイプのシステムは独自の方法で配置され、動作原理がわずかに異なります。
現在、次のタイプのデュアルターボチャージャーシステムが自動車に搭載されています。
- 平行;
- 一貫性のある;
- 階段状。
それぞれのタイプは、ブロワーの接続図、それらのサイズ、それぞれが作動する瞬間、および加圧プロセスの特性が異なります。 各タイプのシステムを個別に検討してみましょう。
並列タービン接続図
ほとんどの場合、並列タイプのターボチャージャーは、V字型シリンダーブロック設計のエンジンで使用されます。 このようなシステムの装置は次のとおりです。 シリンダーセクションごとにXNUMXつのタービンが必要です。 それらは同じ寸法を持ち、互いに平行に走っています。
排気ガスは排気管に均等に分配され、同じ量で各ターボチャージャーに送られます。 これらのメカニズムは、XNUMXつのタービンを備えた直列エンジンの場合と同じように機能します。 唯一の違いは、このタイプのビターボにはXNUMXつの同一のブロワーがありますが、それぞれからの空気はセクション全体に分配されず、吸気システムの共通領域に常に噴射されます。
このようなスキームをインラインパワーユニットの単一タービンシステムと比較すると、この場合、ツインターボ設計はXNUMXつの小さなタービンで構成されます。 これにより、インペラを回転させるのに必要なエネルギーが少なくなります。 このため、スーパーチャージャーはXNUMXつの大型タービンよりも低速で接続されます（慣性が小さい）。
この配置により、XNUMXつのスーパーチャージャーを備えた従来の内燃エンジンで発生するこのような急激なターボラグの形成が排除されます。
シーケンシャルインクルージョン
シリーズBiturboタイプは、XNUMXつの同一のブロワーの設置も提供します。 彼らの仕事だけが違います。 このようなシステムの最初のメカニズムは、永続的に機能します。 XNUMX番目のデバイスは、特定のエンジン動作モード（負荷が増加したとき、またはクランクシャフトの速度が上昇したとき）でのみ接続されます。
このようなシステムの制御は、通過する流れの圧力に反応する電子機器またはバルブによって提供されます。 ECUは、プログラムされたアルゴリズムに従って、XNUMX番目のコンプレッサーを接続するタイミングを決定します。 その駆動は、個々のエンジンをオンにすることなく提供されます（メカニズムは依然として排気ガス流の圧力でのみ動作します）。 コントロールユニットは、排気ガスの動きを制御するシステムのアクチュエーターを作動させます。 このために、XNUMX番目のブロワーへのアクセスを開閉する電気バルブが使用されます（より単純なシステムでは、これらは流れる流れの物理的な力に反応する通常のバルブです）。
コントロールユニットがXNUMX速ギアのインペラへのアクセスを完全に開くと、両方のデバイスが並行して動作します。 このため、この変更はシリアルパラレルとも呼ばれます。 XNUMXつのブロワーの動作により、それらの供給インペラがXNUMXつの入口経路に接続されているため、流入する空気の圧力を高めることができます。
この場合、従来のシステムよりも小型のコンプレッサーも設置されます。 これはまた、ターボラグ効果を低減し、より低いエンジン速度で最大トルクを利用できるようにします。
この種のビターボは、ディーゼルとガソリンの両方のパワーユニットに取り付けられています。 システムの設計により、2011台ではなくXNUMX台のコンプレッサーを直列に接続して設置することができます。 このような変更の例は、XNUMX年に発表されたBMW（Triple Turbo）の開発です。
ステップスキーム
段階的ツインスクロールシステムは、最も先進的なタイプのツインターボチャージャーと見なされています。 2004年から存在しているにも関わらず、XNUMX段式過給は技術的に最も効率が良いことが証明されています。 このツインターボは、オペルが開発した一部のタイプのディーゼルエンジンに搭載されています。 Borg Wagner Turbo Sistemsの段付きスーパーチャージャーは、一部のBMWおよびCummins内燃エンジンに取り付けられています。
ターボチャージャースキームは、XNUMXつの異なるサイズのスーパーチャージャーで構成されています。 それらは順番にインストールされます。 排気ガスの流れは電気弁によって制御され、その操作は電子的に制御されます（圧力によって駆動される機械式弁もあります）。 さらに、システムには、排出フローの方向を変更するバルブが装備されています。 これにより、XNUMX番目のタービンをアクティブにし、最初のタービンをオフにして、故障しないようにすることができます。
システムの動作原理は次のとおりです。 エキゾーストマニホールドにはバイパスバルブが取り付けられており、ホースからメインタービンへの流れを遮断します。 エンジンが低rpmで動作しているとき、このブランチは閉じられます。 その結果、排気ガスは小さなタービンを通過します。 慣性が最小であるため、このメカニズムは、ICEの負荷が低い場合でも追加の空気量を提供します。
次に、流れはメインタービンインペラを通って移動します。 モーターが中速に達するまでブレードが高圧で回転し始めるため、XNUMX番目のメカニズムは動かないままです。
吸気管にはバイパスバルブもあります。 低速では、それは閉じられ、空気の流れは実質的に噴射なしで進みます。 ドライバーがエンジンを上昇させると、小さなタービンがより激しく回転し、吸気管内の圧力が上昇します。 これにより、排気ガスの圧力が上昇します。 排気ラインの圧力が強くなると、ウェイストゲートがわずかに開き、小さなタービンが回転し続け、流れの一部が大きなブロワーに向けられます。
徐々に、大きな送風機が回転し始めます。 クランクシャフトの速度が上がると、このプロセスが激しくなり、バルブがさらに開き、コンプレッサーが大きく回転します。
内燃機関が中速に達すると、小型タービンはすでに最大で作動しており、メインの過給機は回転を開始したばかりですが、最大には達していません。 第一段階の運転中、排気ガスは小さな機構のインペラを通過し（そのブレードが吸気システム内で回転している間）、メインコンプレッサーのブレードを介して触媒に除去されます。 この段階で、空気は大型コンプレッサーのインペラーから吸い込まれ、回転する小型ギアを通過します。
最初の段階の終わりに、ウェイストゲートは完全に開かれ、排気の流れはすでにメインブーストインペラに完全に向けられています。 このメカニズムはより強力にスピンアップします。 バイパスシステムは、この段階で小型ブロワーが完全に非アクティブになるように設定されています。 その理由は、大型タービンの中速および最高速度に達すると、最初の段階でシリンダーに適切に入ることができないほど強力なヘッドが作成されるためです。
加圧の第XNUMX段階では、排気ガスは小さなインペラを通過し、流入する流れは小さなメカニズムの周りを直接シリンダーに向けられます。 このシステムのおかげで、自動車メーカーは、最小回転数での高トルクと最大クランクシャフト速度に達したときの最大出力の大きな違いをなくすことができました。 この効果は、従来の過給ディーゼルエンジンに常に付随しています。
デュアルターボチャージャーの長所と短所
Biturboが低出力エンジンにインストールされることはめったにありません。 基本的に、これは強力なマシンに依存している機器です。 この場合にのみ、すでに低回転で最適なトルクインジケーターを使用することができます。 また、内燃機関の寸法が小さいことは、パワーユニットの出力を上げることの障害にはなりません。 ツインターボチャージャーのおかげで、同じパワーを発揮する自然吸気の同等品と比較して、まともな燃費が達成されます。
一方では、主要なプロセスを安定させたり、それらの効率を高めたりする機器の利点があります。 しかし一方で、そのようなメカニズムには追加の欠点がないわけではありません。 そしてツインターボチャージャーも例外ではありません。 そのようなシステムには、良い面だけでなく、いくつかの深刻な欠点もあります。そのため、一部のドライバーはそのような車の購入を拒否します。
まず、システムの利点を検討します。
- このシステムの主な利点は、従来のタービンを備えたすべての内燃機関に典型的なターボラグがないことです。
- エンジンはより簡単にパワーモードに切り替わります。
- 吸気システムの空気圧を上げることにより、ほとんどのニュートンがより広いエンジン速度範囲で利用可能なままになるため、最大トルクと出力の差が大幅に減少します。
- 最大出力を達成するために必要な燃料消費量を削減します。
- 車の追加のダイナミクスはより低いエンジン速度で利用できるので、ドライバーはそれをそれほど回転させる必要はありません。
- 内燃機関の負荷を減らすことにより、潤滑油の摩耗が減り、冷却システムは増加モードでは機能しません。
- 排気ガスは単に大気中に放出されるだけでなく、このプロセスのエネルギーが有益に使用されます。
それでは、ツインターボの主な欠点に注目しましょう。
- 主な欠点は、吸気システムと排気システムの設計が複雑なことです。 これは、新しいシステムの変更に特に当てはまります。
- 同じ要因がシステムのコストとメンテナンスに影響します。メカニズムが複雑になるほど、修理と調整のコストが高くなります。
- もうXNUMXつの欠点は、システム設計の複雑さにも関連しています。 それらは多数の追加部品で構成されているため、破損が発生する可能性のあるノードも多くなります。
これとは別に、ターボチャージャー付きの機械が稼働している地域の気候についても言及する必要があります。 スーパーチャージャーのインペラーは10万rpm以上で回転することがあるため、高品質の潤滑が必要です。 車を一晩放置すると、グリースがサンプに入るため、タービンを含むユニットのほとんどの部分が乾燥します。
朝にエンジンを始動し、事前にウォームアップせずに適切な負荷でエンジンを作動させると、スーパーチャージャーを殺すことができます。 その理由は、乾式摩擦が摩擦部品の摩耗を加速させるためです。 この問題を解消するには、エンジンを高回転にする前に、オイルがシステム全体にポンプで送られ、最も遠いノードに到達するまで少し待つ必要があります。
夏には、これに多くの時間を費やす必要はありません。 この場合、サンプ内のオイルは十分な流動性を備えているため、ポンプですばやくポンプで汲み上げることができます。 しかし、冬、特に厳しい霜では、この要因は無視できません。 短時間の後に、新しいタービンを購入するためにまともな量を捨てるよりも、システムをウォームアップするのに数分を費やす方が良いです。 さらに、排気ガスとの絶え間ない接触により、ブロワーのインペラーはXNUMX度まで加熱される可能性があることに注意する必要があります。
メカニズムが適切な潤滑を受けていない場合、それは並行してデバイスを冷却する機能を実行し、その部品は互いに摩擦して乾燥します。 油膜がないと、部品の温度が急激に上昇し、部品に熱膨張が生じ、その結果、摩耗が加速します。
ツインターボチャージャーの確実な動作を確保するために、従来のターボチャージャーと同じ手順に従ってください。 まず、潤滑だけでなくタービンの冷却にも使用されるオイルを時間通りに交換する必要があります（潤滑剤の交換手順については、当社のウェブサイトにあります 別記事).
第二に、ブロワーのインペラーは排気ガスと直接接触しているため、燃料の品質は高くなければなりません。 このおかげで、炭素堆積物がブレードに蓄積せず、インペラの自由回転を妨げます。
結論として、さまざまなタービンの変更とその違いについての短いビデオを提供します。
質問と回答：
より良いバイターボまたはツインターボは何ですか？ これらはエンジンターボチャージャーシステムです。 ビターボを備えたモーターでは、ターボラグが滑らかになり、加速ダイナミクスが平準化されます。 ツインターボシステムでは、これらの要因は変化しませんが、内燃エンジンの性能は向上します。
バイターボとツインターボの違いは何ですか？ Biturboは直列接続されたタービンシステムです。 それらの順次包含のおかげで、ターボホールは加速中に排除されます。 ツインターボは、出力を上げるためのXNUMXつのタービンです。
なぜツインターボが必要なのですか？ XNUMXつのタービンは、シリンダーに大量の空気を供給します。 このため、BTCの燃焼中に反動が強化され、同じシリンダー内でより多くの空気が圧縮されます。
