Система двойного турбонаддува Twin Turbo
Содержание
Если дизельный мотор по умолчанию оснащается турбиной, то бензиновый ДВС совершенно спокойно может обойтись и без турбонагнетателя. Тем не менее, в современном автомобилестроении турбокомпрессор для машины уже не считается экзотикой (подробно о том, что это за механизм и как он работает, рассказывается в другой статье).
В описании к некоторым новым моделям авто упоминается такое понятие, как biturbo или twin turbo. Рассмотрим, что это за система, как она работает, как могут подключаться компрессоры в ней. В завершении обзора обсудим, в чем плюсы и минусы твин турбо.
Что такое Twin Turbo?
Вначале разберемся с терминологией. Фраза битурбо всегда будет означать, что, во-первых, это турбированный вид двигателя, а во-вторых, схема принудительного нагнетания воздуха в цилиндры будет включать две турбины. Разница между битурбо и твинтурбо в том, что в первом случае используются две разные турбины, а во втором – одинаковые. Зачем – разберемся немного позже.
Стремление достичь первенства в гоночных состязаниях заставило автопроизводителей искать возможность повысить производительность стандартного ДВС без кардинальных вмешательств в его конструкцию. И самым эффективным решением было внедрение дополнительного нагнетателя воздуха, благодаря которому в цилиндры поступает больший объем, и повышается КПД агрегата.
Тем, кто хоть раз в жизни ездил на машине, мотор которой оснащен турбиной, замечал, что пока двигатель не раскрутится до определенных оборотов, динамика такого авто мягко говоря вялая. Но как только начинает работать турбонагнетатель, отзывчивость мотора повышается, будто в цилиндры поступила закись азота.
Инерционность таких установок побудила инженеров задуматься над созданием другой модификации турбин. Изначально назначение данных механизмов заключалось именно в устранении данного негативного эффекта, который сказывался на эффективности работы системы впуска (подробно о ней читайте в другом обзоре).
Со временем турбонаддув стал применяться для того, чтобы снизить потребление топлива, но при этом повысить производительность ДВС. Установка позволяет расширить диапазон крутящего момента. Классическая турбина увеличивает скорость движения потока воздуха. Благодаря этому в цилиндр поступает больший объем, чем у атмосферника, а количество топлива при этом не меняется.
За счет этого процесса повышается компрессия, которая является одним из ключевых параметров, влияющих на мощность мотора (о том, как ее измерить, читайте здесь). Со временем любителей автомобильного тюнинга перестала устраивать заводская комплектация, поэтому компании по модернизации спортивных автомобилей начали использовать разные механизмы, нагнетающие воздух в цилиндры. Благодаря внедрению системы дополнительного наддува у специалистов получилось расширить потенциал моторов.
Как дальнейшая эволюция турбо для моторов появилась система Twin Turbo. По сравнению с классической турбиной данная установка позволяет снять с ДВС еще больше мощности, а любителям автотюнинга она предоставляет дополнительный потенциал для модернизации своего транспортного средства.
Как работает Твин-турбо?
Обычный атмосферный двигатель работает по принципу всасывания свежего воздуха за счет разрежения, которое создают поршни во впускном тракте. По мере продвижения потока по тракту в него поступает небольшое количество бензина (в случае бензинового ДВС), если это карбюраторный автомобиль или производится впрыск топлива за счет работы инжектора (дополнительно прочитайте о том, какие бывают разновидности принудительной подачи топлива).
Компрессия в таком моторе напрямую зависит от параметров шатунов, объема цилиндров и т.д. Что касается обычной турбины, то работая от потока выхлопных газов, ее крыльчатка увеличивает поступающий в цилиндры воздух. За счет этого увеличивается эффективность двигателя, так как при сгорании воздушно-топливной смеси выделяется больше энергии, и повышается крутящий момент.
Работа твинтурбо имеет похожий принцип. Только в данной системе устранен эффект «задумчивости» мотора, пока раскручивается крыльчатка турбины. Это достигается установкой дополнительного механизма. Небольшой компрессор ускоряет процесс разгона турбины. Когда водитель нажимает на педаль газа, такая машина разгоняется быстрее, так как мотор практически моментально реагирует на действие водителя.
Стоит упомянуть, что второй механизм в данной системе может иметь разную конструкцию и принцип работы. В более продвинутом исполнении турбина с меньшими размерами раскручивается менее сильным потоком выхлопных газов, благодаря чему усиливается входящий поток на меньших оборотах, и ДВС не нужно раскручивать до предела.
Такая система будет работать по следующей схеме. При запуске мотора, пока авто неподвижно, агрегат работает в режиме холостых оборотов. Во впускном тракте образуется естественное движение свежего воздуха за счет разрежения в цилиндрах. Облегчается этот процесс небольшой турбиной, которая начинает вращаться при низких оборотах. Этот элемент обеспечивает небольшое усиление тяги.
По мере повышения оборотов коленвала выхлоп становится более интенсивным. В это время меньший нагнетатель вращается сильнее, и избыточный поток отработанных газов начинает затрагивать основное устройство. С увеличением оборотов крыльчатки во впускной тракт поступает увеличенный объем воздуха за счет большей тяги.
Двойной наддув устраняет резкую ступень смены мощности, которая присутствует в классических дизелях. На средних оборотах ДВС, когда большая турбина только начинает раскручиваться, маленький нагнетатель достигает предельных оборотов. Когда в цилиндр поступает больше воздуха, возрастает давление выхлопных газов, приводя в движение главный нагнетатель. Такой режим устраняет ощутимую разницу между моментом максимальных оборотов мотора и включением турбины.
Когда ДВС достигает максимальных оборотов, компрессор тоже выходит на предельный уровень. Конструкция двойного наддува создана так, что включение большого нагнетателя предотвращает меньший аналог от перегрузки из-за работы на чрезмерной нагрузке.
Двойной автомобильный компрессор обеспечивает такое давление в тракте впускной системы, которого невозможно достичь при использовании классического наддува. В моторах с классическими турбинами обязательно присутствует турбояма (ощутимая разница мощности силового агрегата между выходом его на максимальные обороты и включением турбины). Подключение компрессора меньших размеров устраняет этот эффект, обеспечивая плавную динамику двигателя.
В двойном турбонаддуве крутящий момент и мощность (о разнице этих понятий читайте в другой статье) силового агрегата развивается в большем диапазоне оборотов, чем у аналогичного мотора с одним нагнетателем.
Виды схем наддува с двумя турбокомпрессорами
Итак, теория работы турбокомпрессоров доказала их практичность для безопасного повышения мощности силового агрегата без изменения конструкции самого двигателя. По этой причине инженерами разных компаний было разработано три эффективных разновидности твинтурбо. Каждый тип системы будет по-своему устроенный, и будет иметь немного отличающийся принцип работы.
На сегодняшний день в автомобилях устанавливается следующий вид систем двойного турбонаддува:
- Параллельный;
- Последовательный;
- Ступенчатый.
Каждая разновидность отличается схемой подключения нагнетателей, их размерами, моментом, когда каждый из них будет включаться в работу, а также характеристиками процесса наддува. Рассмотрим каждый тип систем по отдельности.
Параллельная схема подключения турбин
В большинстве случаев параллельный тип турбонаддува используется в моторах с V-образной конструкцией блока цилиндров. Устройство такой системы следующее. Для каждой секции цилиндров полагается по одной турбине. Они имеют одинаковые размеры, а также работают параллельно друг другу.
Выхлопные газы равномерно распределяются в выпускном тракте и идут на каждый турбокомпрессор в одинаковых количествах. Эти механизмы работают по той же схеме, что и в случае рядного мотора с одной турбиной. Разница только в том, что у данной разновидности biturbo два одинаковых нагнетателя, но воздух от каждого из них не распределяется по секциям, а постоянно нагнетается в общий тракт впускной системы.
Если сравнивать такую схему с системой одинарной турбины в рядном силовом агрегате, то в данном случае конструкция двойного турбонаддува состоит из двух турбин меньших размеров. Благодаря этому требуется меньше энергии, чтобы раскрутить их крыльчатки. По этой причине подключение нагнетателей происходит на меньших оборотах, чем одной большой турбины (меньше инерционность).
В такой компоновке исключается образование такой резкой турбоямы, которая бывает на обычных ДВС с одним нагнетателем.
Последовательное включение
Последовательный тип Biturbo также предусматривает установку двух идентичных нагнетателей. Только их работа отличается. Первый механизм в такой системе будет работать на постоянной основе. Второе устройство подключается только на определенном режиме работы мотора (когда увеличивается его нагрузка или повышаются обороты коленвала).
Управление в такой системе обеспечивается электроникой или клапанами, реагирующими на давление проходящего потока. ЭБУ в соответствии с запрограммированными алгоритмами определяет, в какой момент подключить второй компрессор. Его привод обеспечивается не включением индивидуального двигателя (механизм по-прежнему работает исключительно от давления потока выхлопных газов). Блок управления активирует исполнительные механизмы системы, контролирующей движение отработанных газов. Для этого используются клапаны с электроприводом (в более простых системах это обычные клапаны, реагирующие на физическое усилие проходящего мимо потока), которые открывают/закрывают доступ ко второму нагнетателю.
Когда блок управления полностью открывает доступ к крыльчатке второго механизма, оба устройства работают параллельно. По этой причине данная модификация также называется последовательно-параллельная. Работа двух нагнетателей позволяет устроить больший напор поступающего воздуха, так как их подающие крыльчатки соединены в один впускной тракт.
В данном случае тоже устанавливаются компрессоры меньших размеров, чем в обычной системе. Благодаря этому также снижается эффект турбоямы и максимальный крутящий момент становится доступным на меньших оборотах ДВС.
Такая разновидность битурбо устанавливается как на дизельных, так и на бензиновых силовых агрегатах. Конструкция системы позволяет устанавливать даже не два, а три компрессора, подключенные последовательно друг другу. Пример такой модификации – разработка компании BMW (Triple Turbo), которая была представлена в 2011-м году.
Ступенчатая схема
Ступенчатая твинскрольная система считается самой совершенной разновидностью двойного турбонаддува. Несмотря на то, что она существует с 2004-го года, двухступенчатый тип наддува больше всех зарекомендовал свою эффективность в техническом плане. Такой Twin Turbo устанавлявается на некоторые разновидности дизельных моторов, разработанных компанией Opel. Аналог ступенчатого наддува, разработанный компанией Borg Wagner Turbo Sistems, монтируется на некоторые ДВС BMW, а также Cummins.
Схема такого турбонаддува состоит из двух нагнетателей разных размеров. Они устанавливаются последовательно. Поток отработанных газов управляется электроклапанами, работа которых контролируется электроникой (также встречаются механические клапаны, которые приводятся в движение от силы напора). Дополнительно система оснащена клапанами, изменяющими направление нагнетаемого потока. Это будет давать возможность активировать вторую турбину, и отключать первую, чтобы она не вышла из строя.
Система имеет следующий принцип работы. В выпускном коллекторе установлен перепускной клапан, отсекающий поток от рукава, идущего к основной турбине. Когда двигатель работает на низких оборотах, этот отвод закрыт. В результате выхлоп проходит через маленькую турбину. За счет минимальной инерционности этот механизм обеспечивает дополнительным объемом воздуха уже при небольших нагрузках ДВС.
Дальше поток движется через крыльчатку основной турбины. Так как ее лопасти начинают вращаться при большем давлении, пока мотор не достигнет средних оборотов, второй механизм остается недвижимым.
Во впускном тракте также имеется перепускной клапан. На малых оборотах он закрыт, и поток воздуха идет практически без нагнетания. Когда водитель повышает обороты мотора, малая турбина сильнее вращается, увеличивая давление во впускном тракте. Это в свою очередь повышает давление выхлопных газов. Так как напор в выпускном тракте становится сильнее, перепускной клапан немного приоткрывается, благодаря чему малая турбина продолжает вращаться, а некоторое количество потока направляется на большой нагнетатель.
Постепенно большой нагнетатель начинает вращаться. По мере повышения частоты вращения коленвала этот процесс усиливается, отчего клапан сильнее открывается, и компрессор раскручивается в большей степени.
Когда ДВС достигнет средних оборотов, малая турбина уже работает на максимуме, а основной нагнетатель только раскрутился, но не вышел на свой максимум. Во время работы первой ступени выхлопные газы идут через крыльчатку малого механизма (при этом крутятся его лопасти во впускной системе), а на катализатор удаляются через лопасти основного компрессора. На этом этапе воздух всасывается через крыльчатку большого компрессора и идет через вращающийся меьший механизм.
В момент завершения первой ступени перепускной клапан полностью открывается, и выхлопной поток уже полностью направляется на крыльчатку основного наддува. Этот механизм сильнее раскручивается. Перепускная система настроена так, чтобы на данном этапе малый нагнетатель полностью деактивировался. Причина заключается в том, что при достижении средних и максимальных оборотов большой турбины она создает настолько сильный напор, что первая ступень просто мешает ему должным образом поступать в цилиндры.
На второй ступени наддува выхлопные газы идут мимо малой крыльчатки, а входящий поток направляется в обход малого механизма – прямо в цилиндры. Благодаря такой системе автопроизводителям удалось устранить большую разницу между высоким крутящим моментом при минимальных оборотах и максимальной мощностью при выходе на максимальную частоту вращения коленвала. Этот эффект являлся неизменным спутником любого дизельного мотора с обычным наддувом.
Плюсы и минусы двойного турбонаддува
Битурбо редко когда устанавливается на маломощные двигатели. В основном это оборудование, которое полагается для мощных машин. Только в этом случае возможно снимать оптимальный показатель крутящего момента уже на более низких оборотах. Также небольшие габариты ДВС не являются помехой для увеличения мощности силового агрегата. Благодаря двойному турбонаддуву достигается приличная экономия топлива по сравнению с атмосферным аналогом, развивающим идентичную мощность.
С одной стороны польза от оборудования, стабилизирующего основные процессы или повышающего их эффективность, есть польза. Но с другой стороны такие механизмы не лишены дополнительных минусов. И двойной турбонаддув не исключение. Такая система не только имеет положительные стороны, но и некоторые серьезные недостатки, из-за которых некоторые автомобилисты отказываются приобретать подобные машины.
Вначале рассмотрим плюсы системы:
- Основной плюс системы – устранение турбоямы, которая характерна для всех ДВС, оснащенных обычной турбиной;
- Двигатель легче переходит на мощностной режим;
- Разница между максимальным крутящим моментом и мощностью значительно сокращается, так как за счет увеличения давления воздуха во впускной системе большая часть ньютонов остается доступной на большем диапазоне оборотов двигателя;
- Уменьшается расход топлива, необходимого для достижения максимальной мощности;
- Так как дополнительная динамика авто доступна на меньших оборотах ДВС, водителю приходится не так сильно его раскручивать;
- За счет снижения нагрузки на ДВС уменьшается износ смазочных материалов, а также система охлаждения не работает в повышенном режиме;
- Выхлопные газы не просто удаляются в атмосферу, а энергия этого процесса используется с пользой.
Теперь обратим внимание на ключевые недостатки твинтурбо:
- Основной минус заключается в сложности конструкции впускной и выпускной систем. Особенно это касается новых модификаций систем;
- Этот же фактор влияет на стоимость и обслуживание системы – чем сложнее механизм, тем дороже его ремонт и настройка;
- Еще один минус тоже связан со сложностью устройства систем. Так как они состоят из большого количества дополнительных деталей, то и узлов, в которых может образоваться поломка также больше.
Отдельно следует упомянуть климат местности, в которой эксплуатируется турбированная машина. Так как крыльчатка нагнетателя раскручивается порой выше 10 тысяч об/мин, она нуждается в качественной смазке. Когда автомобиль оставляется на ночь, смазка уходит в поддон, поэтому большинство деталей агрегата, в том числе и турбина, становятся сухими.
Если утром запустить мотор и эксплуатировать его с приличными нагрузками без предварительного прогрева, можно убить нагнетатель. Причина заключается в том, что сухое трение ускоряет износ трущихся деталей. Чтобы исключить данную проблему, прежде чем выводить мотор на высокие обороты, нужно немного подождать, пока масло прокачается по всей системе, и достигнет самых отдаленных узлов.
Летом на это не приходится тратить много времени. Масло в поддоне в этом случае обладает достаточной текучестью, чтобы насос смог его быстро прокачать. А вот зимой, особенно в сильные морозы, этот фактор нельзя игнорировать. Лучше потратить пару минут на прогрев системы, чем спустя небольшой промежуток времени выбрасывать приличную сумму на покупку новой турбины. Дополнительно следует упомянуть, что из-за постоянного контакта с выхлопными газами крыльчатка нагнетателей может раскаляться до тысячи градусов.
Если механизм не получит должной смазки, которая параллельно выполняет функцию охлаждения устройства, его детали будут тереться друг о друга всухую. Отсутствие масляной пленки причинит резкое повышение температуры деталей, обеспечив им тепловое расширение, и как следствие их ускоренный износ.
Чтобы обеспечить надежную работу двойного турбонаддува, нужно выполнять те же процедуры, что и при обслуживании обычных турбокомпрессоров. Во-первых, необходимо вовремя менять масло, которое используется не только для смазки, но и для охлаждения турбин (о регламенте замены смазочного материала наш сайт имеет отдельную статью).
Во-вторых, так как крыльчатки нагнетателей непосредственно контактируют с выхлопными газами, качество топлива должно быть высоким. Благодаря этому на лопастях не будет скапливаться нагар, мешающий свободному вращению крыльчатки.
В завершение предлагаем небольшое видео о разных модификациях турбин и их отличиях:
Вопросы и ответы:
Что лучше би турбо или твин турбо? Это системы турбонаддува двигателя. В моторах с битурбо сглаживается турбо-лаг и выравнивается разгонная динамика. В системе твинтурбо эти факторы не меняются, зато увеличивается производительность ДВС.
В чем отличие между би турбо от твин турбо? Битурбо – это система с последовательно включаемыми турбинами. Благодаря их последовательному включению устраняется турбо-яма во время разгона. Твинтурбо это просто две турбины для увеличения мощности.
Зачем нужен твин турбо? Две турбины обеспечивают приток в цилиндр воздуха большего объема. За счет этого усиливается отдача при сгорании ВТС – в том же цилиндре сжимается большее количество воздуха.
