двойной турбонаддув что это
Что такое параллельный наддув Twin-Turbo
Изначально два турбокомпрессора применялись для преодоления инерционности системы, т.н. турбозадержки (турбоямы). В дальнейшем область применения спаренных турбокомпрессоров расширилась и в настоящее время позволяет значительно повышать выходную мощность, поддерживать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов двигателя, снижать удельный расход топлива. Различают три конструктивные схемы системы Twin Turbo: параллельную, последовательную и ступенчатую. Схемы различаются характеристиками, расположением и порядком работы турбокомпрессоров. Работу турбокомпрессоров регулирует электронная система управления, включающая входные датчики, блок управления и приводы клапанов управления потоком воздуха и отработавших газов. Twin Turbo – торговое название системы турбонаддува, другое используемое название (синоним) Biturbo. В некоторых источниках информации под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.
Схема параллельного наддува Twin Turbo
Система параллельного Twin Turbo включает два одинаковых турбокомпрессора, работающих одновременно и параллельно друг другу. Параллельная работа реализуется путем равномерного разделения потока отработавших газов между турбокомпрессорами. Сжатый воздух от каждого компрессора поступает в общий впускной коллектор и далее распределяется по цилиндрам. Параллельный Twin Turbo применяется в основном на V-образных дизельных двигателях. Каждый турбокомпрессор закреплен на своем выпускном коллекторе. Эффективность параллельной схемы турбонаддува базируется на том, что две небольшие турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая. За счет этого сокращается «турбояма», турбокомпрессоры работают на всех оборотах двигателя, обеспечивая быстрое повышение давления наддува. Схема двухступенчатого турбонаддува Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров разного размера, установленных последовательно в выпускном и впускном (воздушном) трактах. В системе используется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха. При низких оборотах двигателя перепускной клапан отработавших газов закрыт. Отработавшие газы проходят через малый турбокомпрессор (имеет минимальную инерцию и максимальную отдачу) и далее через большой турбокомпрессор. Давление отработавших газов невелико. Поэтому большая турбина почти не вращается. На впуске перепускной клапан наддува закрыт. Воздух проходит последовательно через большой (первая ступень) и малый (вторая ступень) компрессоры. С ростом оборотов осуществляется совместная работа турбокомпрессоров. Перепускной клапан отработавших газов постепенно открывается. Часть отработавших газов идет непосредственно через большую турбину, которая раскручивается все более интенсивно. На впуске большой компрессор сжимает воздух с определенным давлением, но оно недостаточно большое. Поэтому далее сжатый воздух поступает в малый компрессор, где происходит дальнейшее повышение давления. Перепускной клапан наддува при этом по прежнему закрыт. При полной нагрузке перепускной клапан отработавших газов открыт полностью. Газы практически полностью проходят через большую турбину, раскручивая ее до максимальной частоты. Малая турбина останавливается. На впуске большой компрессор обеспечивает максимальное давление наддува. Малый компрессор, наоборот, создает препятствие для воздуха, поэтому в определенный момент открывается перепускной клапан наддува и сжатый воздух поступает напрямую к двигателю.
Таким образом, система двухступенчатого турбонаддува обеспечивает эффективную работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя. Система разрешает известное противоречие дизельных двигателей между высоким крутящим моментом на низких оборотах и максимальной мощностью на высоких оборотах. С помощью двухступенчатых турбокомпрессоров номинальный крутящий момент достигается быстро и поддерживается в широком диапазоне оборотов двигателя, обеспечивается максимальное повышение мощности.
Отдельное спасибо Blamper за полезную инфу.
BI-TURBO И TWIN-TURBO – В ЧЕМ РАЗНИЦА?
В последние годы автомобильные компании все чаще начинают применять в своих моторах системы турбонаддува. Таким образом они компенсируют тенденцию к уменьшению рабочего объема и, как следствие, падения мощности. Но если раньше в двигателях использовали только одну турбину, то сейчас их может быть несколько. Давайте разберемся, что скрывается за загадочными терминами «bi-turbo» и «twin-turbo»?
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ТРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМЫ НАГНЕТАНИЯ ВОЗДУХА:
резонансный;
механический;
газодинамический.
Главным преимуществом подобной системы является отсутствие потерь мощности, связанных с отниманием части энергии от двигателя. Главным же её недостатком можно считать так называемый эффект «турбоямы».
Использование систем bi-turbo и Тwin-turbo позволяет практически полностью забыть о понятии турбоямы. С теоретической частью надувных систем мы разобрались, теперь нам нужно понять, для чего в таких системах используется второй турбокомпрессор.
Наиболее оправданно применение такой системы на V-образных двигателях, которые, как правило, имею большие рабочие объемы. На каждый блок такого мотора приходится по одному турбокомпрессору, и как следствие, каждая из турбин получает свой поток выхлопных газов. Параллельную установку турбин наиболее широко используют британские и немецкие производители автомобилей. Компания BMW, которая долгое время упорно отказывалась строить наддувные моторы, решила наверстать упущенное и устанавливает такую систему даже на свои рядные двигатели.
Что кроется за названием TwinPower Turbo BMW N20?
Что кроется за названием TwinPower Turbo BMW N20?
С момента приобретения авто очень хотелось разобраться, что кроет столь пафосное маркетинговое название- Twin Power Turbo. Две турбины? Двойная мощность? А может скрытая возможность получить с одного мотора две модификации 520 и 528 (186 и 245 сил соответственно), или 320 и 328 в моделях третьей серии. Одно понятно сразу- данное название звучит круто, помогает продавать машины, и друзья с завистью смотрят на пластиковую крышку двигателя с данной надписью. Поиск в интернет дает много теории по турбо движкам и очень мало официальной информации по N20.
1. Определимся с терминами. Турбонаддув — вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов. Итак мы «газуем», отработанные газы раскручивают крыльчатку турбины, давление воздуха увеличивается, едем быстрее. В старых турбо моторах отчётливо ощущалась турбояма, связанная с вынужденной задержкой на раскручивание турбины, так сказать, оборотами двигателя (упрощенно). Помимо того, что требовалось время на то, что бы «поехать», так и «поехать» было взрывным, как пинок под пятую точку. Факт мягко сказано не удобный, если вы не драг рейсер.
2. Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан (вейстгейт, wastegate). Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува.
3. Борьба с турбоямой осуществляется следующими основными методами: применение турбины с изменяемой геометрией; использование двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo) и комбинированный наддув.
Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.
При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора — triple-turbo (BMW) и даже четыре турбокомпрессора.
Комбинированный наддув (twincharger) объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной надув TSI от Volkswagen.
Что удалось найти на официальном сайте BMW цитирую весь текст:
Системы BMW с двумя турбокомпрессорами:
Технология Bi-turbo подразумевает параллельную установку двух одинаковых турбокомпрессоров. Каждый из них подает сжатый воздух в свою половину цилиндров. В сочетании с высокоточной системой впрыска эта технология обеспечивает высокую чувствительность двигателя и низкий расход топлива.
В отличие от описанной выше схемы, технология Variable Twin Turbo, применяемая в дизельных двигателях BMW, подразумевает использование большого и малого турбокомпрессоров, соединенных последовательно. При низких оборотах двигателя воздух свободно проходит сквозь неактивный большой турбокомпрессор и сжимается малым турбокомпрессором. В среднем диапазоне оборотов производится предварительное сжатие воздуха в большом турбокомпрессоре с последующим интенсивным сжатием в малом. При высоких оборотах двигателя сжатие воздуха осуществляется исключительно в большом турбокомпрессоре. Благодаря двухступенчатому наддуву дизельные двигатели BMW обладают одновременно высокой мощностью и сверхнизким расходом топлива, а также отличаются высокой стабильностью и предсказуемостью реакций.
Системы С ОДНИМ турбокомпрессором:
Технология BMW Twin Scroll подразумевает использование одного турбокомпрессора, приводимого в действие турбовентиляторами, расположенными в двух выхлопных трубах. Как и вариант с двумя меньшими по размеру раздельными турбокомпрессорами, такая схема двойного наддува обеспечивает ускоренное нагнетание давления и, как следствие, более высокую «отзывчивость» двигателя. Однако система на основе технологии Twin Scroll более компактна и имеет меньшую массу. В результате улучшаются динамические характеристики, увеличиваются мощности, снижается расход топлива.
Технология BMW TwinPower Turbo представляет собой сочетание специализированной технологии наддува с высокоточной системой впрыска BMW и системой VALVETRONIC (двигатели Otto). Технология BMW TwinPower Turbo обеспечивает уникальное сочетание экономичности и динамичности.
Из чего можно сделать вывод, что наш Твин Павер Турбо не состоит из двух турбин не параллельных, не последовательных. Идем дальше:
Смотрим, что за высокоточная система впрыска.
Опять с сайта BMW:
Высокоточная система впрыска топлива — это инновационная система прямого впрыска для бензиновых двигателей, созданная конструкторами BMW, которая позволяет повысить эффективность сжигания топлива. Двигатель развивает большую мощность, расходуя при этом меньше топлива.
Высокоточная система впрыска топлива является частью пакета технологий Twin Power Turbo и, таким образом, входит в состав пакета BMW EfficientDynamics, объединяющего в себе динамичность и экономичность.
Высокоточная система впрыска обеспечивает точную дозировку топлива, благодаря чему достигается беспрецедентная эффективность и экологичность его сгорания.
Благодаря пьезоинжекторам топливо впрыскивается всего за 0,27 миллисекунды, что позволяет производить впрыск несколько раз за один рабочий такт. Высокоэффективная гибкая электронная система управления корректирует фазу и дозировку впрыскиваемого топлива в соответствии с требуемой мощностью, рабочей температурой и давлением в цилиндре. Это позволяет полностью контролировать процесс сгорания, повысить его эффективность и уменьшить токсичность практически во всех режимах.
Кроме того, улучшенное внутреннее охлаждение камеры сгорания в процессе прямого впрыска топлива позволяет применять сверхвысокую степень сжатия, благодаря чему дополнительно увеличивается экономичность двигателей.
Зачем это все нужно:
Каким парадоксальным это ни покажется, но и поджечь топливно-воздушную смесь в цилиндре отнюдь не просто. Она может потухнуть. По этой причине в зоне свечи зажигания стараются уменьшить турбулентность смеси. Возможно и обратное — смесь самостоятельно детонирует, хлестнув по стенкам камеры сгорания, клапанам и поршню волной давления с разрушающей силой. На скорость сгорания влияет целый ряд параметров: температура, напряжение зажигания, качественный состав смеси и прочее. Конструкторы всегда мечтали приспособить двигатель к работе на обедненной смеси. В некоторых моторах весовое соотношение воздуха и бензина достигает 20:1 и даже 25:1. Это стало возможным с появлением системы впрыска, в которой форсунки распыляют порцию бензина непосредственно в камеру сгорания. Технология подсмотрена у дизельного двигателя. Запатентовавшая ее первой компания Mitsubishi (так называемый процесс GDI) предлагает пользоваться режимом сверхбедной (до 40:1) смеси для экономичной и экологичной езды в городском режиме. Впрыск топлива происходит после того, как поршень уже начал движение к верхней мертвой точке, попутно закручивая сжимаемый в полости цилиндра воздух. Благодаря особому гребню на рабочей поверхности (называемой днищем) поршня центр этого маленького смерча фокусируется возле свечи зажигания. Туда впрыскивается порция топлива и производится электрический разряд. Еще своеобразнее процесс протекает, когда в цилиндр на такте впуска распыляют предварительную, «пилотную» порцию топлива(у нас). Она смешивается с воздухом в ничтожной пропорции 60:1, попутно снижая температуру в цилиндре. Это уменьшает вероятность детонации. Затем происходят впрыскивание основной порции топлива и его воспламенение.
Принципы работы системы Valvetronic
Компания BMW разработала новую систему газораспределения, отказавшись от применения дроссельной заслонки, которая создает дополнительное сопротивление продвижению воздуха в цилиндры двигателя. Применение в конструкции дроссельной заслонки приводило к увеличению расхода топлива и увеличивало токсичность выхлопа. Но до появления системы Valvetronic альтернативы дроссельной заслонки не было. Повышение экономичности мотора без потери его мощности было достигнуто путём изменения высоты подъёма впускных клапанов. Это позволило дозировать рабочую смесь поступающую в цилиндры двигателя.
Турбонаддув N20 представлен системой twin-scroll — это одна турбина оснащенная двумя улитками (бытует иная интерпретация — что с двумя турбинами, но это не верно) разного диаметра за счет чего есть возможность получать максимальный крутящий момент как на больших, так и на малых оборотах двигателя.
По мере попадания ко мне интересной информации буду добавлять ее сюда.
Как работает система турбонаддува TwinTurbo
Основной проблемой использования турбонаддува является инерционность системы или возникновение так называемой “турбоямы” (временная задержка между увеличением оборотов двигателя и фактическим увеличением мощности). Для ее устранения была разработана схема с использованием двух турбокомпрессоров, получившая наименование TwinTurbo. У некоторых производителей эта технология также известна как BiTurbo, но отличия конструкций заключается только в коммерческом названии.
Особенности работы Твин Турбо
Системы с двумя компрессорами применяются и на дизельных, и на бензиновых двигателях. Однако для последних требуется использование более качественного топлива с высоким октановым числом, что позволяет снизить вероятность детонации (негативное явление возникающее в цилиндрах двигателя, разрушающее цилиндро-поршневую группу).
Помимо основной функции уменьшения времени турбозадержки, схема Твин Турбо позволяет получить более высокую мощность двигателя автомобиля, снижает расход топлива и сохраняет максимальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов. Это достигается использованием различных схем подключения компрессоров.
Виды схем наддува с двумя турбокомпрессорами
В зависимости от способа подключения пары турбокомпрессоров различают три основных схемы системы TwinTurbo:
Параллельная схема подключения турбин
Предусматривает подключение двух одинаковых турбокомпрессоров, работающих параллельно (одновременно). Сущность применения конструкции заключается в том, что две меньших по объему турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая.
Перед подачей в цилиндры воздух, нагнетаемый обоими турбокомпрессорами, поступает в один впускной коллектор, где смешивается с топливом и распределяется в камеры сгорания. Эта схема чаще используется на дизельных двигателях.
Последовательное включение
Последовательно-параллельная схема предполагает установку двух одинаковых турбин. Одна работает постоянно, а вторая подключается при повышении оборотов двигателя, увеличении нагрузки или других особых режимах. Переключение режимов работы осуществляется с помощью клапана, приводимого в действие ЭБУ двигателя автомобиля.
Эта система прежде всего ориентирована на устранение турбоямы и получение более плавной динамики разгона автомобиля. По аналогичной схеме работают системы с тройным турбонаддувом TripleTurbo.
Ступенчатая схема
Двухступенчатый турбонаддув представляет собой два турбокомпрессора разного размера, которые установлены последовательно и подключены к впускному и выпускному каналам. Последние оснащены перепускными клапанами, регулирующими потоки воздуха и отработавших газов. Ступенчатая схема имеет три режима работы:
Ступенчатая схема наиболее часто применяется для автомобилей с дизельными двигателями.
Преимущества и недостатки двойного турбонаддува
В настоящее время TwinTurbo в основном устанавливается на мощных автомобилях. Применение этой системы позволяет добиться такого преимущества как обеспечение максимального крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя. Также благодаря двойному турбонаддуву достигается увеличение мощности при относительно небольших габаритах двигателя, что делает его более экономичным по сравнению с атмосферным двигателем.
К основным недостаткам БиТурбо можно отнести высокую стоимость, что обусловлено сложностью конструкции. Так же, как и с классической турбиной, системы с двумя турбокомпрессорами нуждаются в более бережном отношении, качественном топливе и своевременной замене масла.
Twinturbo или Biturbo? Ликбез. Часть 2.
Итак, дорогие читатели, продолжим наш рассказ о системах наддува с двумя турбокомпрессорами. Кто не читал первую часть, советую ознакомиться, чтобы сохранить целостный образ повествования: Twinturbo или Biturbo? Ликбез. Часть 1. Там мы уже выяснили, что между понятием «Twinturbo» и «Biturbo» нет никакой разницы, подробно рассмотрели классическую параллельную работу турбокомпрессоров и разновидности этой схемы с поэтапным задействованием турбин. А теперь очередь за наименее известными широкой публике и наиболее запутанными схемами с последовательным подключением турбокомпрессоров.
Само название «последовательная» или «serial», предполагает, что какие либо части турбокомпрессоров, турбинные или компрессорные, подключаются друг за другом. При этом последовательно могут быть подключены только турбины, только компрессоры, или и те, и другие одновременно, до кучи с возможностью отключения или переключения в параллельную работу на разных этапах. Сами турбокомпрессоры при этом могут быть одинаковыми или, что чаще, совершенно разными по размерам и производительности. Представляете себе, какое разнообразие итоговых вариаций возможно в рамках этого семейства? Однако, несмотря на такую свободу полёта инженерной мысли, распространение получили только несколько схем, наиболее эффективных и востребованных по своим характеристикам. Но, прежде чем продолжить, отмечу несколько основных моментов, имеющих место быть при последовательном соединении турбин и компрессоров, чтобы потом не возвращаться к этому:
1) при последовательном расположении турбин эффективность первой турбины несколько снижается, т.к. сопротивление отработавшим газам, создаваемое следующей за ней турбиной, влияет на перепад давлений на входе и выходе первой турбины, что напрямую отражается на интенсивности её разгона;
2) отработавшие газы, прошедшие через одну турбину, теряют значительную часть энергии, а значит даже точно такую же по размерам вторую турбину уже не будут раскручивать столь же эффективно, как и первую – однако степень использования энергии отработавших газов будет выше, чем на одной турбине и в целом КПД системы должно повышаться;
3) необходимо понимать, что компрессор не создаёт прибавку давления, он повышает давление на входе компрессора в K раз, где K – степень повышения давления (отношение абсолютного давления на выходе компрессора к давлению на его входе – Pвых./Pвх.), указанная по оси «Y» на турбокарте. Таким образом, если для заданного режима K=1.7, а на входе компрессора атмосферное давление, значит на выходе будет 1.7 бар абсолютного давления или 0,7 бар избытка. Если на входе компрессора уже 1.7 бара (например, перед ним стоял другой компрессор, предварительно поднявший давление воздуха до указанного), то при K=1.7 абсолютное давление на выходе достигнет 2,89 бар или 1,89 бар избыточного давления. Таким нехитрым способом можно создавать высокие давления наддува при помощи турбин, которые сами по себе в отдельности такого избыточного давления развить просто не способны. Фактически, последовательно работающие компрессоры помогают друг другу, до кучи выполняя роль мультипликаторов давления наддува.
Начнём с самой простой и, наверное, самой первой последовательной схемы подключения. Наиболее широкое применение она нашла на дизельных двигателях, при том далеко не с легковых автомобилей.
Последовательное подключение (serial twinturbo/biturbo).
Обычно используются два турбокомпрессора разных размеров, один большой и один маленький/средний (хотя можно и одинаковые, но это не так эффективно). Турбины и компрессоры соединяются последовательно, при том, как видно на схеме, из турбин первой идёт маленькая, а за ней большая, тогда как у компрессоров порядок обратный. Как это работает?
1) Низкие обороты. Поток отработавших газов сперва проходит через маленькую турбину, эффективно разгоняя её на низких оборотах двигателя. Затем поступает в большую турбину, сообщая ей на низких оборотах некоторый предварительный разгон. Большой компрессор ввиду невысоких рабочих оборотов начинает неторопливо прогонять через себя воздух, в какой-то момент даже создавая небольшое избыточное давление. Этот воздух подаётся на вход маленького компрессора, который имеет уже заметно более высокие обороты, чем на большом компрессоре, за счёт чего обеспечивается определённое избыточное давление во впускной системе. При том, чем выше давление на входе второго (маленького) компрессора, тем выше оно и на выходе. Таким образом, даже еле работающий большой компрессор, создавая небольшой избыток на входе маленького компрессора, помогает быстрее достичь рабочего давления наддува и, тем самым, увеличить и развиваемый двигателем крутящий момент, и так необходимый турбинам объём отработавших газов.
2) Средние обороты. Маленький турбокомпрессор достигает рабочих оборотов, его турбина упирается в предел своей пропускной способности. Следующая за ней большая турбина так же заметно повышает скорость вращения, но потенциал ещё есть. Большой компрессор создаёт уже заметное избыточное давление воздуха, поступающего на вход маленького компрессора, а он, в свою очередь, ещё больше сжимает смесь.
3) Высокие обороты. Т.к. первая, маленькая турбина, достигает потолка своей производительности и пропускной способности, в то время как вторая, большая — ещё имеет запас, а поток отработавших газов продолжает увеличиваться, на первой турбине приоткрывается перепускной клапан, отводящий часть потока напрямую на большую турбину. Он может начать открываться ещё на средних оборотах и постепенно увеличивать проходящий через него поток в широком диапазоне оборотов. Алгоритм работы этого клапана определяется характеристиками турбокомпрессоров, их рабочими диапазонами, а так же требуемыми параметрами наддува. Таким образом, маленькая турбина предохраняется от перекрута, а большая полностью загружается. Важно отметить, что оба турбокомпрессора продолжают полноценно работать, как турбинные, так и компрессорные их части.
За счёт такой схема работы компрессоров возможно создавать очень высокие давления наддува, трудно достижимые при работе одного компрессора, например до 5-6 бар избыточного давления, если есть такая необходимость. А такая необходимость возникает на высокофорсированных дизелях, от гражданских (тракторные, судовые, тепловозные и т.п.) до спортивных дрэговых. Так же эта схема позволяет поршневым авиационным моторам на большой высоте в разряженной атмосфере обеспечивать приемлемое давление наддува. Само собой, маленький турбокомпрессор в этой паре так же прекрасно служит делу снижения турбоямы, при том эффективнее, чем это происходит на параллельной схеме с поэтапно подключаемыми одинаковыми турбокомпрессорами (как на Toyota Supra, Mazda RX-7 или Subaru B4). При равной производительности обоих систем, в последовательной схеме первый работающий компрессор будет меньше по размерам, чем в параллельной, при том ему будет немного помогать и крупный компрессор. Есть ещё один немаловажный нюанс в этой схеме – очень тесная связь работы двух турбокомпрессоров друг с другом накладывает некоторые ограничения на свободу выбора подобных пар, т.к. в погоне за ранним спулом турбины уменьшение размеров одного из турбокомпрессоров неизбежно приведёт к ограничению производительности второго, крупного турбокомпрессора. Как это проявляется в реальных условиях, можно посмотреть на примере дизельных двигателей Mazda Skyactiv-D для серийных и гоночных автомобилей.
Итак, имеем рядный 4-цилиндровый турбодизель Mazda Skyactiv-D рабочим объёмом 2.2 литра.
Два турбокомпрессора, один средних размеров, другой – маленький. Схема работы ровно такая, как описана выше. Применение последовательной схемы позволило увеличить производительность системы, не только не потеряв низы, но и заметно улучшив их. Посмотрите на график внизу, где новый дизель Skyactiv-D сравнивается по развиваемому крутящему моменту с более ранним дизелем Mazda такого же объёма, но с одним турбокомпрессором. Результат, как говорится, на лицо! На выходе 173 л.с. при 4500 об/мин и 420 Нм при 2000 об/мин:
Точно так же выглядит и гоночная модификация этого дизеля, только турбокомпрессоры заметно покрупнели, а максимальная мощность выросла примерно до 400 л.с. (с 2.2 литров объёма дизельного двигателя!), в значительной степени за счёт постоянной последовательной работы компрессоров, обеспечивающих очень высокое давление наддува не только ни низких, но и на высоких оборотах.
Неудивительно, что в США такая схема наддува нашла широкое применение на дизельных двигателях для дрэгрейсинга.
Поэтапное последовательное подключение (sequential serial twinturbo/biturbo). Вариант 1.
Но прогресс не стоит на месте и на основе вышеописанной схемы наддува родилась новая, активно распространяющаяся на современных турбодизельных моторах легковых автомобилей. Давайте изучим её на примере одного современного дизеля BMW.
Дизель BMW N57D30T0, рядный, 6 цилиндров, рабочий объём 3.0л.
На данном двигателе используются два турбокомпрессора, один большой (K26) и один маленький (KP39). Турбины подключены последовательно, маленькая первой, а большая — второй. Компрессоры подключены так же последовательно, но в обратном порядке. Всё, вроде, как на рассмотренной ранее схеме, но на этом сходство и кончается. Самая главная фишка в том, что турбинная и компрессорные части маленького турбокомпрессора на определённых этапах выводятся из работы, что можно посмотреть на схеме ниже.
В итоге, такая схема подключения турбокомпрессоров, особенно в сочетании с изменяемой геометрией маленькой турбины, обеспечивает очень ранний и высокий буст на низких оборотах при сохранении достаточно высокой максимальной производительности и плавной кривой крутящего момента. Данный дизель развивает 306 л.с. на 4400 об/мин и впечатляющий момент 600 Нм в диапазоне 1500-2500 об/мин. Более поздняя версия этого мотора (N57D30T1) развивает уже 313 л.с. и 630 Нм на тех же оборотах.
На приведённой ниже схеме можно сравнить, насколько характеристики двигателей с «поэтапной последовательной» схемой работы турбокомпрессоров отличаются от «поэтапной параллельной» схемы и от двигателей с одним турбокомпрессором. Поэтапная последовательная схема наддува с выводимым из работы маленьким турбокомпрессором позволяет значительно улучшить низы на моторе с изначально более крупным и производительным турбокомпрессором. Тот факт, что маленький турбокомпрессор на высоких оборотах при такой схеме не становится помехой для работы более крупного, позволяет сильнее дифференцировать их по размерам – больше, чем в первой описанной схеме наддува, — а значит ещё шире раздвинуть полку крутящего момента в обе стороны.
Стоит ли удивляться, что другой турбодизель BMW — 4-цилиндровый 2-литровый N47D20 с такой системой наддува при своих 204 л.с. на 4400 об/мин и 400 Нм при 2000 об/мин стал первым серийным дизелем, литровая мощность которого перешагнула планку в 100 л.с./литра, и заслуженно выигрывал награды International Engine of the Year Award в 2008, 2010 и 2011 годах. Кстати, называется такой наддув у баварцев «Variable Twin Turbo».
Целое семейство турбодизелей различных производителей с последовательной двухступенчатой схемой работы двух турбокомпрессоров, таких как Fiat 1.9 JTD Twin Stage Turbo, Opel 2.0 CDTI BiTurbo, Volvo D5, Mercedes-Benz OM651 и Audi 3.0 V6 TDi Biturbo, позволили вывести динамические характеристики дизельных автомобилей на новый уровень. Кстати, двигатель Audi 3.0 V6 TDi Biturbo в этом списке единственный V-образный, и инженерам из Ингольштадта пришлось изрядно потрудиться, чтобы компактно разместить такую геометрически сложную конструкцию на V-образном двигателе – позади самого мотора. В итоге имеем с 3.0 литров 313 л.с. в диапазоне 3900-4500 об/мин и 650 Нм в диапазоне 1450-2800 об/мин. Впечатляет, не правда ли?
На его примере можно детально разглядеть работу такой схемы наддува в динамике:
Почему только дизели? Ну, хотя бы потому, что давление наддува при данной схеме достигает 1,5-2,0 бар избытка, что для бензинового мотора, в частности серийного повседневного, слегка чересчур. Хотя, при современных технологиях с непосредственным впрыском топлива, регулируемыми подъёмом клапанов и фазами распредвалов, изменяемой степенью сжатия и прочими фишками, я совсем не удивлюсь, если эта схема наддува перекочует и на бензиновые моторы, особенно небольшого объёма – по аналогии с Фольксвагеноским 1.4 TFSI с последовательно соединёнными приводным компрессором и турбокомпрессором.
Поэтапное последовательное подключение (sequential serial twinturbo/biturbo). Вариант 2.
А что получится, если взять, и на предыдущей схеме поменять местами турбокомпрессоры, т.е. подключить их так, чтобы первой шла большая турбина, за ней маленькая, а маленький компрессор подавал воздух в большой. Что при этом поменяется и есть ли в этом смысл? Это мы рассмотрим на примере высокофорсированного мотора Mitsubishi 4G63 от парней из известной конторы «AMS Performance»:
Задача стояла получить порядка 1000 л.с. и при этом сохранить приемлемые низы и средние обороты, а с Garrett GT42R в роли основного турбонагнетателя достигнуть обоих условий одновременно было утопией, поэтому ему в пару добавили относительно небольшой последовательно подключённый GT28RS. Работает система следующим образом:
1) на низких оборотах поток отработавших газов проходит через большую турбину (GT42R), слегка раскручивая её, а затем поступает на маленькую (GT28RS), которая побыстрее набирает обороты. Её компрессор подаёт воздух под небольшим избыточным давлением на более крупный компрессор (GT42R), который практически без изменений давления прогоняет его дальше. Фактически наддув на этом режиме обеспечивается только маленьким компрессором.
2) на средних оборотах маленький турбокомпрессор выходит на полную производительность, подавая воздух под давлением на уже слегка разогнанный большой компрессор, который дополнительно повышает давление.
3) на высоких оборотах, когда маленький турбокомпрессор достигает предела своей производительности, открывается заслонка в выпуске, преграждавшая ранее путь отработавшим газам из первой, более крупной, турбины напрямую в выпускную систему, минуя вторую, маленькую турбину. Часть газов поступает и на маленькую турбину, но их объём уже не так велик, тогда как основная их часть после первой турбины беспрепятственно уходит через открытую заслонку. На впуске открывается клапан основного впускного тракта большого компрессора, и по мере роста оборотов доля воздуха, поступающего на большой компрессор с маленького, падает, тогда как объём воздуха, поступающий через открытый клапан впускной системы, вырастает. К этому моменту большой турбокомпрессор успевает выйти на рабочее давление наддува и система работает в монотурбокомпрессорном режиме.
В чём отличительные особенности этой системы по сравнению с предыдущей? Ну, во-первых, эффективность работы маленького турбокомпрессора здесь очевидно ниже, т.к. он питается отработавшими газами только после основного крупного турбокомпрессора и, значит, медленнее выходит на рабочие обороты на низких оборотах. Во-вторых, отдача основного крупного турбокомпрессора получается максимальной, т.к. он питается первым, без каких либо помех в виде сложного коллектора или системы перепускных клапанов, имеет такой же свободный выход для отработавших газов на высоких оборотах, а так же свободный канал для подачи воздуха в двигатель без каких-либо мешающих клапанов. В итоге эта система может быть актуальна только на высокофорсированных двигателях, когда требуется от большого турбокомпрессора получать максимальную отдачу, а низкими оборотами в некоторой степени можно пожертвовать. Кстати, в «AMS Performance» из-за ограниченного времени на постройку мотора эту систему наддува банально не успели настроить и были вынуждены в последний момент переделать всё на один турбокомпрессор, предельно простой в управлении.
Последовательно-параллельное подключение (serial-parallel twinturbo/biturbo).
Что можно сделать ещё? Может, совместить последовательную схему работы с параллельной? Давайте и такой вариант представим:
Имеем два одинаковых турбокомпрессора. Сложную систему трубопроводов между ними разделяют два блока заслонок. Каждый блок включает три заслонки, установленные на одной общей оси, при этом на оси они расположены так, что в крайних положениях либо открыта центральная заслонка, а крайние закрыты (закрытые обозначаются на схеме крестиком), либо наоборот – центральная закрыта, а крайние открыты. Один блок заслонок контролирует распределение отработавших газов в выпускном коллекторе, а второй – распределение воздуха во впускном коллекторе. Как это всё функционирует:
1) на низких оборотах все отработавшие газы поступают сначала на левую турбину, а затем, после неё – на правую. Левая турбина при этом довольно быстро раскручивалась, фактически с той же эффективностью, что и на параллельной схеме с поэтапно подключаемыми турбокомпрессорами (Toyota Supra), но, в отличие от последней схемы, в это же время разгоняется и вторая, правая турбина. Компрессор левой турбины быстро набирает рабочее давление, подавая его на вход правого компрессора, который, в свою очередь, ещё немного уплотняет смесь, обеспечивая довольно высокое давление наддува на низких и средних оборотах.
2) на средних оборотах, когда левая турбина уже разогнана до предела, заслонки выпускного коллектора меняют положение, в результате чего поток отработавших газов разделяется параллельно на обе турбины. Нагрузка на левую турбину падает, а на правую возрастает, в результате чего их скорости выравниваются. Чуть позже блок заслонок во впускном коллекторе так же переводится в аналогичное положение, изменяя последовательное подключение компрессоров на параллельное. Одновременно двигать заслонки на впуске и выпуске нежелательно, чтобы на работе наддува не было заметно переходного режима.
3) на высоких оборотах оба турбокомпрессора работают полностью в параллельном режиме, чем обеспечивается максимальная суммарная производительность системы наддува.
Преимущества такой схемы подключения в сравнении с ранее описанными оценить довольно сложно, т.к. реальных живых примеров я не встречал, но, скорее всего, она будет близка поэтапной последовательной схеме по производительности и давлению наддува, только:
1) с более плавным ростом давления наддува (из-за более крупной первой на пути отработавших газов турбины);
2) с более высоким максимальным давлением наддува на средних оборотах (у поэтапной последовательной схемы пик наступает раньше из-за маленькой первой турбины);
3) возможно, несколько большим запасом производительности (благодаря тому, что обе турбины среднего размера полноценно работают на высоких оборотах и их производительность суммируется).
Итак, с «последовательным» турбонаддувом мы разобрались в общих чертах, но раз уж начали копать, было бы неплохо вспомнить и другие схемы наддува, где трудится не только один турбокомпрессор. Так что если никто не против, то ждите третью часть!
Спасибо за внимание!
С уважением, Сергей “Samael” Сабитов