Турбокомпресорна система Twin Turbo
Съдържание
Ако дизеловият двигател по подразбиране е оборудван с турбина, тогава бензиновият двигател може лесно да се справи без турбокомпресор. Въпреки това в съвременната автомобилна индустрия турбокомпресорът за автомобил вече не се счита за екзотика (подробно за какъв механизъм става въпрос и как работи, той е описан в друга статия).
В описанието на някои нови модели автомобили се споменава понятие като битурбо или двойно турбо. Нека разгледаме какъв вид система е, как работи, как компресорите могат да бъдат свързани в нея. В края на ревюто ще обсъдим плюсовете и минусите на двойно турбо.
Какво е Twin Turbo?
Да започнем с терминологията. Фразата biturbo винаги ще означава, че, първо, това е тип двигател с турбо, и второ, схемата за принудително впръскване на въздух в цилиндрите ще включва две турбини. Разликата между biturbo и twin-turbo е, че в първия случай се използват две различни турбини, а във втория те са еднакви. Защо - ще разберем малко по-късно.
Желанието да се постигне превъзходство в състезанията е накарало автомобилните производители да търсят начини за подобряване на работата на стандартен двигател с вътрешно горене без драстични намеси в неговия дизайн. И най-ефективното решение беше въвеждането на допълнителен въздушен вентилатор, поради което по-голям обем влиза в цилиндрите и ефективността на агрегата се увеличава.
Тези, които поне веднъж в живота са карали кола с турбинен двигател, забелязват, че докато двигателят не се завърти до определена скорост, динамиката на такава кола е меко казано мека. Но веднага щом турбото започне да работи, отзивчивостта на двигателя се увеличава, сякаш азотен оксид е влязъл в цилиндрите.
Инерцията на такива инсталации накара инженерите да помислят за създаването на друга модификация на турбините. Първоначално целта на тези механизми беше именно да премахнат този негативен ефект, който повлия на ефективността на всмукателната система (прочетете повече за това в друго ревю).
С течение на времето турбокомпресорът започва да се използва, за да се намали разхода на гориво, но в същото време да се увеличи производителността на двигателя с вътрешно горене. Инсталацията ви позволява да разширите обхвата на въртящия момент. Класическата турбина увеличава скоростта на въздушния поток. Поради това в цилиндъра постъпва по-голям обем от този на аспирирания и количеството гориво не се променя едновременно.
Поради този процес компресията се увеличава, което е един от ключовите параметри, влияещи върху мощността на двигателя (за това как да го измерите, прочетете тук). С течение на времето любителите на тунинга на автомобили вече не бяха доволни от фабричното оборудване, така че компаниите за модернизация на спортни автомобили започнаха да използват различни механизми, които впръскват въздух в цилиндрите. Благодарение на въвеждането на допълнителна система за налягане, специалистите успяха да разширят потенциала на двигателите.
Като по-нататъшно развитие на турбото за мотори се появи системата Twin Turbo. В сравнение с класическата турбина, този агрегат ви позволява да премахнете още повече мощност от двигателя с вътрешно горене, а за любителите на автоматичната настройка предоставя допълнителен потенциал за надграждане на автомобила.
Как работи Twin Turbo?
Конвенционалният атмосферен двигател работи на принципа на изтегляне на чист въздух посредством вакуум, създаден от бутала във всмукателния канал. Докато потокът се движи по пътя, малко количество бензин навлиза в него (в случай на бензинов двигател), ако това е карбуратор, или се впръсква гориво поради работата на инжектора (прочетете повече за това какво видове принудително подаване на гориво).
Компресията в такъв двигател директно зависи от параметрите на свързващите пръти, обема на цилиндъра и т.н. Що се отнася до конвенционалната турбина, работеща върху потока отработени газове, нейното работно колело увеличава въздуха, влизащ в цилиндрите. Това увеличава ефективността на двигателя, тъй като по време на изгарянето на въздушно-горивната смес се отделя повече енергия и въртящият момент се увеличава.
Twin turbo работи по подобен начин. Само в тази система ефектът от „внимателността“ на двигателя се елиминира, докато турбината на турбината се върти. Това се постига чрез инсталиране на допълнителен механизъм. Малък компресор ускорява ускорението на турбината. Когато водачът натисне педала за газ, такава кола ускорява по-бързо, тъй като двигателят почти незабавно реагира на действието на водача.
Струва си да се спомене, че вторият механизъм в тази система може да има различен дизайн и принцип на работа. В по-усъвършенствана версия, по-малка турбина се завърта с по-малко силен поток на отработените газове, което увеличава входящия поток при по-ниски скорости и двигателят с вътрешно горене не трябва да се върти до краен предел.
Такава система ще работи съгласно следната схема. Когато двигателят е стартиран, докато колата е неподвижна, агрегатът работи на празен ход. Във всмукателния тракт се образува естествено движение на чист въздух поради вакуума в цилиндрите. Този процес се улеснява от малка турбина, която започва да се върти при ниски обороти. Този елемент осигурява леко увеличение на сцеплението.
С увеличаване на оборотите на коляновия вал, отработените газове стават по-интензивни. По това време по-малкият компресор се върти по-силно и излишният поток на отработените газове започва да влияе на основното устройство. С увеличаване на скоростта на работното колело, увеличен обем въздух навлиза в смукателния канал поради по-голямата тяга.
Двойното усилване елиминира тежката смяна на мощността, която присъства при класическите дизели. При средна скорост на двигателя с вътрешно горене, когато голямата турбина тепърва започва да се върти, малкият компресор достига максималната си скорост. Когато в цилиндъра попадне повече въздух, налягането в отработените газове се натрупва, задвижвайки основния компресор. Този режим елиминира забележимата разлика между въртящия момент на максималната скорост на двигателя и включването на турбината.
Когато двигателят с вътрешно горене достигне максималната си скорост, компресорът също достига граничното ниво. Дизайнът с двойно усилване е проектиран така, че включването на голям компресор предотвратява претоварването на по-малкия аналог от претоварване.
Двойният автомобилен компресор доставя налягане във всмукателната система, което не може да се постигне с конвенционално наддуване. При двигателите с класически турбини винаги има турбо изоставане (забележима разлика в мощността на силовия агрегат между достигане на максималната му скорост и включване на турбината). Свързването на по-малък компресор елиминира този ефект, осигурявайки плавна динамика на двигателя.
При двойно турбо, въртящ момент и мощност (прочетете за разликата между тези концепции в друга статия) на силовия агрегат се развива в по-широк диапазон от обороти в минута от този на подобен двигател с един компресор.
Видове схеми за наддуване с два турбокомпресора
И така, теорията за работа на турбокомпресорите доказа тяхната практичност за безопасно увеличаване на мощността на силовия агрегат, без да се променя конструкцията на самия двигател. Поради тази причина инженерите от различни компании са разработили три ефективни типа двойни турбо. Всеки тип система ще бъде подредена по свой начин и ще има малко по-различен принцип на работа.
Днес в автомобилите са инсталирани следните видове двойни турбокомпресорни системи:
- Паралелно;
- Последователен;
- Стъпка.
Всеки тип се различава в схемата на свързване на вентилаторите, техните размери, момента, в който всеки от тях ще бъде пуснат в експлоатация, както и характеристиките на процеса на поставяне на налягане. Нека разгледаме всеки тип система поотделно.
Схема на паралелно свързване на турбина
В повечето случаи се използва паралелен тип турбокомпресор в двигатели с V-образен дизайн на цилиндров блок. Устройството на такава система е както следва. За всяка секция на цилиндъра е необходима една турбина. Те имат еднакви размери и също вървят успоредно един на друг.
Отработените газове се разпределят равномерно в изпускателния тракт и отиват към всеки турбокомпресор в същите количества. Тези механизми работят по същия начин, както в случай на редови двигател с една турбина. Единствената разлика е, че този тип битурбо има два еднакви вентилатора, но въздухът от всеки от тях не се разпределя по секциите, а непрекъснато се инжектира в общия тракт на всмукателната система.
Ако сравним такава схема с единична турбинна система в редови силов агрегат, тогава в този случай двойната турбо конструкция се състои от две по-малки турбини. Това изисква по-малко енергия за въртене на работните им колела. Поради тази причина компресорите са свързани с по-ниска скорост от една голяма турбина (по-малка инерция).
Това разположение елиминира образуването на такова рязко турбо изоставане, което се случва при конвенционалните двигатели с вътрешно горене с един компресор.
Последователно включване
Серийният тип Biturbo също предвижда инсталирането на две еднакви вентилатори. Само работата им е различна. Първият механизъм в такава система ще работи постоянно. Второто устройство е свързано само в определен режим на работа на двигателя (когато натоварването му се увеличи или скоростта на коляновия вал се повиши).
Управлението в такава система се осигурява от електроника или клапани, които реагират на налягането на преминаващия поток. ECU, в съответствие с програмираните алгоритми, определя в кой момент да се свърже вторият компресор. Задвижването му се осигурява без включване на отделния двигател (механизмът все още работи изключително под налягането на потока отработени газове). Блокът за управление задейства задвижванията на системата, която контролира движението на отработените газове. За това се използват електрически клапани (при по-опростените системи това са обикновени клапани, които реагират на физическата сила на протичащия поток), които отварят / затварят достъпа до втория вентилатор.
Когато управляващият блок напълно отвори достъп до работното колело на втората предавка, и двете устройства работят паралелно. Поради тази причина тази модификация се нарича още последователно-паралелна. Работата на двата вентилатора позволява да се организира по-голямо налягане на входящия въздух, тъй като техните захранващи колела са свързани към един входящ канал.
В този случай се инсталират и по-малки компресори, отколкото в конвенционалната система. Това също намалява ефекта на турбо забавяне и прави максимален въртящ момент на разположение при по-ниски обороти на двигателя.
Този вид битурбо се инсталира както на дизелови, така и на бензинови агрегати. Дизайнът на системата ви позволява да инсталирате дори два, а три компресора, свързани последователно един с друг. Пример за такава модификация е разработката на BMW (Triple Turbo), която беше представена през 2011 г.
Стъпкова схема
Поетапната система с двойно превъртане се счита за най-модерния тип двойно турбокомпресор. Въпреки факта, че съществува от 2004 г., двустепенният тип наддуване доказа своята ефективност най-технически. Това Twin Turbo е инсталирано на някои видове дизелови двигатели, разработени от Opel. Стъпаловидният компресор на Borg Wagner Turbo Sistems е монтиран на някои двигатели с вътрешно горене на BMW и Cummins.
Схемата на турбокомпресора се състои от две различни по размер компресори. Те се инсталират последователно. Потокът на отработените газове се контролира от електроклапани, чиято работа се контролира по електронен път (има и механични клапани, които се задвижват от налягане). Освен това системата е снабдена с клапани, които променят посоката на изходящия поток. Това ще направи възможно задействането на втората турбина и изключването на първата, за да не се повреди.
Системата има следния принцип на работа. В изпускателния колектор е монтиран байпасен клапан, който прекъсва потока от маркуча, насочен към основната турбина. Когато двигателят работи при ниски обороти, този клон е затворен. В резултат отработените газове преминават през малка турбина. Поради минималната инерция, този механизъм осигурява допълнителен обем въздух дори при ниски ICE натоварвания.
След това потокът се движи през главното работно колело на турбината. Тъй като лопатките му започват да се въртят при по-високо налягане, докато двигателят достигне средна скорост, вторият механизъм остава неподвижен.
В смукателния канал има и байпасен клапан. При ниски скорости той е затворен и въздушният поток преминава практически без впръскване. Докато шофьорът увеличава двигателя, малката турбина се върти по-силно, увеличавайки налягането във всмукателния тракт. Това от своя страна увеличава налягането на отработените газове. Тъй като налягането в изпускателната тръба става по-силно, отвора за отпадъци се отваря леко, така че малката турбина продължава да се върти и част от потока се насочва към голямата вентилаторна тръба.
Постепенно големият вентилатор започва да се върти. С увеличаване на скоростта на коляновия вал този процес се засилва, което кара клапата да се отваря повече и компресорът се върти в по-голяма степен.
Когато двигателят с вътрешно горене достигне средна скорост, малката турбина вече работи на максимум, а основният компресор току-що е започнал да се върти, но не е достигнал своя максимум. По време на работата на първия етап отработените газове преминават през работното колело на малкия механизъм (докато лопатките му се въртят във всмукателната система) и се отвеждат към катализатора през лопатките на основния компресор. На този етап въздухът се засмуква през работното колело на големия компресор и преминава през въртящата се по-малка предавка.
В края на първия етап отворът за отпадъци е напълно отворен и изпускателният поток вече е напълно насочен към главното работно колело. Този механизъм се върти по-силно. Байпасната система се настройва така, че малкият вентилатор да бъде напълно деактивиран на този етап. Причината е, че когато се достигне средната и максимална скорост на голяма турбина, тя създава толкова силна глава, че първият етап просто й пречи да навлезе правилно в цилиндрите.
Във втория етап на налягане отработените газове преминават покрай малкото работно колело, а входящият поток се насочва около малкия механизъм - директно в цилиндрите. Благодарение на тази система автомобилните производители са успели да премахнат голямата разлика между високия въртящ момент при минимални обороти и максималната мощност при достигане на максимална скорост на коляновия вал. Този ефект беше постоянен спътник на всеки конвенционален дизелов двигател с компресор.
Плюсове и минуси на двойното турбокомпресори
Biturbo рядко се инсталира на двигатели с ниска мощност. По принцип това е оборудването, на което се разчита при мощни машини. Само в този случай е възможно да се вземе показателят за оптимален въртящ момент вече при по-ниски обороти. Също така малките размери на двигателя с вътрешно горене не са пречка за увеличаване на мощността на силовия агрегат. Благодарение на двойния турбокомпресор се постига прилична икономия на гориво в сравнение с естествения атмосферен колега, който развива идентична мощност.
От една страна, има полза от оборудването, което стабилизира основните процеси или повишава тяхната ефективност. Но от друга страна, подобни механизми не са без допълнителни недостатъци. И двойното турбокомпресиране не прави изключение. Такава система има не само положителни аспекти, но и някои сериозни недостатъци, поради които някои шофьори отказват да закупят такива автомобили.
Първо, помислете за предимствата на системата:
- Основното предимство на системата е премахването на турбо изоставането, което е характерно за всички двигатели с вътрешно горене, оборудвани с конвенционална турбина;
- Двигателят преминава по-лесно в режим на захранване;
- Разликата между максималния въртящ момент и мощността е значително намалена, тъй като чрез увеличаване на въздушното налягане във всмукателната система повечето нютони остават достъпни в по-широк диапазон на оборотите на двигателя;
- Намалява разхода на гориво, необходим за постигане на максимална мощност;
- Тъй като допълнителната динамика на колата се предлага при по-ниски обороти на двигателя, водачът не трябва да я върти толкова много;
- Чрез намаляване на натоварването на двигателя с вътрешно горене намалява износването на смазочни материали и охлаждащата система не работи в увеличен режим;
- Отработените газове не просто се изхвърлят в атмосферата, но енергията от този процес се използва с полза.
Сега нека обърнем внимание на основните недостатъци на двойното турбо:
- Основният недостатък е сложността на конструкцията на всмукателните и изпускателните системи. Това важи особено за новите системни модификации;
- Същият фактор влияе върху цената и поддръжката на системата - колкото по-сложен е механизмът, толкова по-скъп е неговият ремонт и настройка;
- Друг недостатък също е свързан със сложността на дизайна на системата. Тъй като те се състоят от голям брой допълнителни части, има и повече възли, в които може да възникне счупване.
Отделно трябва да се спомене климатът на района, в който се използва турбокомпресорната машина. Тъй като работното колело на компресора понякога се върти над 10 хиляди оборота в минута, то се нуждае от висококачествено смазване. Когато автомобилът остане за една нощ, мазнината отива в картера, така че повечето части на агрегата, включително турбината, стават сухи.
Ако стартирате двигателя сутрин и работите с прилични товари без предварително загряване, можете да убиете компресора. Причината е, че сухото триене ускорява износването на триещите се части. За да премахнете този проблем, преди да доведете двигателя до високи обороти, трябва да изчакате малко, докато маслото се изпомпва през цялата система и стигне до най-отдалечените възли.
През лятото не е нужно да отделяте много време за това. В този случай маслото в картера има достатъчно течливост, за да може помпата бързо да го изпомпа. Но през зимата, особено при силни студове, този фактор не може да бъде пренебрегнат. По-добре е да отделите няколко минути за загряване на системата, отколкото след кратък период от време да изхвърлите прилична сума за закупуване на нова турбина. Освен това трябва да се спомене, че поради постоянен контакт с отработените газове, работното колело на вентилаторите може да се нагрее до хиляда градуса.
Ако механизмът не получи правилно смазване, което паралелно изпълнява функцията за охлаждане на устройството, частите му ще се търкат една в друга сухи. Липсата на маслен филм ще доведе до рязко повишаване на температурата на частите, осигурявайки им термично разширение и, като следствие, ускореното им износване.
За да осигурите надеждна работа на двойния турбокомпресор, следвайте същите процедури, както при конвенционалните турбокомпресори. Първо, необходимо е да смените маслото навреме, което се използва не само за смазване, но и за охлаждане на турбините (относно процедурата за подмяна на смазката, нашият уебсайт има отделна статия).
На второ място, тъй като работните колела на вентилаторите са в пряк контакт с отработените газове, качеството на горивото трябва да бъде високо. Благодарение на това въглеродните отлагания няма да се натрупват върху лопатките, което пречи на свободното въртене на работното колело.
В заключение предлагаме кратко видео за различните модификации на турбините и техните разлики:
Въпроси и отговори:
Какво е по-добре би турбо или двойно турбо? Това са системи за турбокомпресор на двигателя. При двигателите с битурбо забавянето на турбото се изглажда и динамиката на ускорението се изравнява. При двойна турбо система тези фактори не се променят, но производителността на двигателя с вътрешно горене се увеличава.
Каква е разликата между би-турбо и двойно турбо? Biturbo е серийно свързана турбинна система. Благодарение на тяхното последователно включване, турбо дупката се елиминира по време на ускорение. Двойно турбо е само две турбини за увеличаване на мощността.
Защо имате нужда от двойно турбо? Две турбини осигуряват по-голям обем въздух в цилиндъра. Благодарение на това откатът се засилва по време на изгарянето на BTC - повече въздух се компресира в същия цилиндър.
