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.
Twin Turbo: описание,виды,преимущества и недостатки.
Twin Turbo — это коммерческое обозначение продвинутой системы турбонаддува двигателей внутреннего сгорания.
Используют так же наименование Biturbo, однако можно встретить и некорректное обозначение этим термином параллельной системы с двумя турбинами. Под этим термином понимают многозвенную систему нагнетания воздуха в цилиндры при помощи двух и более компрессоров с приводом от выхлопных газов, дающую прирост КПД, мощности и снижающую токсичность выбросов.
Twin Turbo проектировалась для разрешения ключевой проблемы наддувных двигателей — ликвидации турбоямы, проявляющейся как снижение эластичности и резкое падение мощности на низких оборотах двигателя, пока турбина еще не успела раскрутиться под давлением выхлопных газов до оптимальных оборотов. Связано это с тем, что крыльчатка нагнетателя изготавливается из особых жаропрочных материалов с немалым запасом прочности и потому имеет ощутимый вес и момент инерции.
Даже высокотехнологичные легкие керамические роторы раскручиваются до 200 тысяч оборотов в минуту за вполне заметное время. Турбояма, или turbo-lag, крайне отрицательно сказывается на динамических характеристиках двигателя, в конечном итоге влияя и на активную безопасность водителя и пассажиров.
Как оказалось впоследствии, сдвоенная турбина позволяет существенно расширить диапазон оборотов номинального крутящего момента, повысить максимальную мощность и сократить удельный расход топлива.
Как и любая другая система из более, чем одного элемента, Twin Turbo может быть параллельной, последовательной или ступенчатой. Каждая из этих схем отличается от другой геометрией, динамическими характеристиками и принципом работы. Управление наддувом берет на себя микроконтроллерный блок, получающий информацию от датчиков и управляющий клапанами и приводами на впускном и выпускном коллекторе.
Параллельный 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.
Но как же потери мощности, которые нужны для их раскрутки? Потери на их привод при малой нагрузке не так существенны. Но расплатой за улучшение характеристик турбин является усложнение впускной системы, приходится использовать много труб и дроссельные заслонки, переключающие потоки воздуха.
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:
- При малых оборотах двигателя клапаны находятся в закрытом положении. Отработавшие газы проходят через обе турбины. Поскольку давление газов низкое, крыльчатки большой турбины практически не вращаются. Воздух проходит через обе ступени компрессоров, получая минимальное избыточное давление.
- При увеличении оборотов двигателя клапан отработавших газов начинает открываться, что приводит в движение большую турбину. Больший компрессор сжимает воздух, после чего он направляется на малое колесо, где производится дополнительное сжатие.
- Когда двигатель работает на максимуме оборотов, оба клапана полностью открыты, что направляет поток отработавших газов напрямую на большую турбину, воздух проходит через больший компрессор и сразу отправляется к цилиндрам двигателя.
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.
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.
Параллельный Twin Turbo или Biturbo
Параллельная система Твин Турбо работает одновременно и параллельно друг другу, и включает в себя два одинаковых турбокомпрессора. Параллельная работа происходит из-за ровного деления потока сгоревших газов между турбокомпрессорами. Из каждого компрессора выходит сжатый воздух и поступает в общий впускной коллектор, и потом распределяется по цилиндрам. Параллельный Twin Turbo используется, как правило, на дизельных V-образных двигателях. Из-за параллельной схемы турбонаддува эффективность системы основывается на том, что две маленькие турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая турбина. Турбокомпрессоры работают на всех оборотах двигателях обеспечивая быстрое повышение наддува. И каждая турбина установлена на своём выпускном коллекторе.
Последовательный Twin Turbo
В системе последовательного Twin Turbo постоянно работает первый турбокомпрессор, а второй начинает работать в определённом порядке работы двигателя (повышенная частота оборотов, нагрузка). Последовательный турбокомпрессор включает два одинаковых по характеристикам турбокомпрессора.
Схема системы работы Твин Турбо на Subaru
Электронная система управления обеспечивает переход между режимами и регулирует поток сгоревших газов ко второму турбокомпрессору за счёт специального клапана. Правильно такую систему называть последовательно — параллельная, потому что при полном открытии клапана управления подачей сгоревших газов оба турбокомпрессора работают параллельно. Сжатый воздух подаётся в общий впускной коллектор от двух турбокомпрессоров и распределяется по цилиндрам.Чтобы достичь максимально высокого выхода мощности, система последовательности Twin Turbo минимизирует последствия турбозадержки. Применяются, как на дизельные двигатели, так и на бензиновые. В 2011 году была представлена система с тремя последовательными турбокомпрессорами компанией BMW и называется она Triple Turbo.
Конструкция из среднего корпуса, установленного в него турбинного вала и компрессорного колеса называется картриджем. После сборки этот узел тщательно балансируется, ведь работает он при очень высоких оборотах и малейший дисбаланс быстро выведет его из строя.
Тонкое управление вастегейтом
Wastegate – это, дословно, «ворота для сброса», то есть перепускной клапан. На первых турбинах вастегейт работает очень просто: когда давление на впуске преодолевало натяжение пружины, он открывался, стравливал газы и давление падало. Позже систему усложнили: теперь его открытием руководила не только разница давлений, но и электроника, учитывающая множество параметров — обогащение смеси, режим движения, температуру, детонацию и умеющую избегать нежелательных режимов работы самой турбины. Но управлялся он точно так же — пневматикой. Когда нужно было сбросить давление, клапан просто открывался.
Получить качественный скачок характеристик позволяла плавная регулировка степени открытия перепускного клапана. В этом случае турбина может чаще работать с максимальной отдачей, даже при малых оборотах, а на средних нагрузках уже вступает в действие регулирование и в опасные режимы турбина не переходит.
К сожалению, такой способ сложнее. Для его реализации потребовалось разместить электропривод регулировки рядом с турбиной, что понизило ее надежность: электронике приходится работать в очень жестких условиях, при высокой температуре и высокой вибрации. Но улучшение характеристик стоит того и почти все современные турбины высокофорсированных небольших моторов имеют такую конструкцию.
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.
Точность формул ировок
Стоит отметить, что время от времени twinturbo путают с twinscroll, которая предполагает использование только одной турбины. Разница в том,что в ней всего два канала и два участка крыльчатки, которые имеют различную форму лопастей. Благодаря этому клапан, который ведет к маленькой на низких оборотах открывается, тем самым разгоняя компрессор и способствуя автоматичесому увеличению мощности – без возможности попадания в турбояму. Однако стоит отметить, что при растущей скорости вращения коленного вала давление, исходящее от выхлопных газов, может стать избыточным, и только в таком случае открывается второй клапан с большой крыльчаткой, и, как следствие, производительность автомобиля растет.
Среди недостатков такой системы можно выявить меньшую эффективность, в отличие от классической системы biturbo, но в сравнении с одной турбиной возможности двигателя определенно возрастают. Безусловно, такая компоновка, как твинскролл немного сложнее в производстве, и в последнее время она числится в списке ненадежных, хотя ее по-прежнему продолжают применять как отдельно, так и в качестве составной части системы biturbo.
Черное и белое
Если вы опытный автолюбитель и знаете, в чем отличие компрессора и турбокомпрессора, то должны понимать, почему эти системы инженеры считают несовместимыми. В первую очередь, различие в том, что компрессор приводится в действие от коленвала, в то время как турбокомпрессор в основном работает на энергии выхлопных газов и, соответственно, понятно, почему совместить системы становится нереальным решением. Однако выход из этой ситуации нашли инженеры компании Volkswagen. Они предложили включить два узла в свой вариант системы твинтурбо, благодаря чему эта турбина начинает работать постоянно, в то время как компрессор является лишь помощником в устранении турбоям. Компрессор постепенно начнет отключаться, но если вы резко нажмете на газ, он начнет работу, параллельно улучшая работу двигателя на момент подачи топлива. Конечно, разница при езде для водителя не сильно очевидна, но на уровне производства система, которая была разработана инженерами Volkswagen оказалась не такой-то простой и не совсем надежной. Оттого на брендовых автомобилях используется всего один из двух предложенных вариантов.
