System Twin Turbo
Zawartość
Jeśli silnik wysokoprężny jest domyślnie wyposażony w turbinę, silnik benzynowy może z łatwością obejść się bez turbosprężarki. Niemniej jednak we współczesnym przemyśle motoryzacyjnym turbosprężarka do samochodu nie jest już uważana za egzotyczną (szczegółowo o tym, jaki to mechanizm i jak działa, opisano w innym artykule).
W opisach niektórych nowych modeli samochodów wspomina się o czymś takim jak biturbo czy twin turbo. Zastanówmy się, jaki to system, jak działa, jak można do niego podłączyć sprężarki. Pod koniec recenzji omówimy zalety i wady podwójnej turbosprężarki.
Co to jest Twin Turbo?
Zacznijmy od terminologii. Sformułowanie biturbo zawsze będzie oznaczać, że po pierwsze jest to silnik z turbodoładowaniem, a po drugie schemat wymuszonego wtrysku powietrza do cylindrów będzie obejmował dwie turbiny. Różnica między biturbo a twin-turbo polega na tym, że w pierwszym przypadku zastosowano dwie różne turbiny, a w drugim są one takie same. Dlaczego - dowiemy się trochę później.
Chęć osiągnięcia wyższości w wyścigach zmusiła producentów samochodów do poszukiwania sposobów na poprawę osiągów standardowego silnika spalinowego bez drastycznych ingerencji w jego konstrukcję. A najskuteczniejszym rozwiązaniem było wprowadzenie dodatkowej dmuchawy powietrza, dzięki której do cylindrów wchodzi większa objętość, a wydajność jednostki wzrasta.
Ci, którzy przynajmniej raz w życiu prowadzili samochód z silnikiem turbinowym, zauważyli, że dopóki silnik nie rozpędzi się do określonej prędkości, dynamika takiego samochodu jest powolna, delikatnie mówiąc. Ale gdy tylko turbo zacznie działać, szybkość reakcji silnika wzrasta, jakby podtlenek azotu dostał się do cylindrów.
Bezwładność takich instalacji skłoniła inżynierów do zastanowienia się nad stworzeniem kolejnej modyfikacji turbin. Początkowo celem tych mechanizmów było właśnie wyeliminowanie tego negatywnego efektu, który wpłynął na sprawność układu dolotowego (czytaj więcej o tym w innej recenzji).
Z biegiem czasu zaczęto stosować turbodoładowanie w celu zmniejszenia zużycia paliwa przy jednoczesnym zwiększeniu osiągów silnika spalinowego. Instalacja pozwala na rozszerzenie zakresu momentu obrotowego. Klasyczna turbina zwiększa prędkość przepływu powietrza. Dzięki temu do cylindra dostaje się większa objętość niż objętość zasysanego, a ilość paliwa się nie zmienia.
W wyniku tego procesu wzrasta kompresja, która jest jednym z kluczowych parametrów wpływających na moc silnika (jak ją mierzyć poczytaj tutaj). Z biegiem czasu entuzjaści tuningu samochodów nie byli już zadowoleni z wyposażenia fabrycznego, dlatego firmy zajmujące się modernizacją samochodów sportowych zaczęły stosować różne mechanizmy wtrysku powietrza do cylindrów. Dzięki wprowadzeniu dodatkowego układu zwiększania ciśnienia specjalistom udało się rozszerzyć potencjał silników.
Jako kolejna ewolucja turbosprężarki do silników pojawił się system Twin Turbo. W porównaniu z klasyczną turbiną jednostka ta pozwala na jeszcze większe usunięcie mocy z silnika spalinowego, a dla entuzjastów auto-tuningu daje dodatkowy potencjał do unowocześnienia ich pojazdu.
Jak działa Twin Turbo?
Konwencjonalny silnik wolnossący działa na zasadzie zasysania świeżego powietrza za pomocą podciśnienia wytwarzanego przez tłoki w przewodzie dolotowym. Gdy strumień porusza się po ścieżce, wpada do niego niewielka ilość benzyny (w przypadku silnika benzynowego), jeśli jest to samochód gaźnikowy lub paliwo jest wtryskiwane na skutek pracy wtryskiwacza (czytaj więcej o czym rodzaje wymuszonego podawania paliwa).
Kompresja w takim silniku zależy bezpośrednio od parametrów korbowodów, objętości cylindra itp. Jeśli chodzi o konwencjonalną turbinę, pracującą na przepływie spalin, jej wirnik zwiększa ilość powietrza wpływającego do cylindrów. Zwiększa to sprawność silnika, ponieważ więcej energii jest uwalniane podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej i zwiększa się moment obrotowy.
Podobnie działa Twin Turbo. Tylko w tym układzie eliminowany jest efekt „zamyślenia” silnika podczas obracania się wirnika turbiny. Osiąga się to poprzez zainstalowanie dodatkowego mechanizmu. Mała sprężarka przyspiesza przyspieszanie turbiny. Kiedy kierowca wciska pedał gazu, taki samochód przyspiesza szybciej, ponieważ silnik niemal natychmiast reaguje na działanie kierowcy.
Warto wspomnieć, że drugi mechanizm w tym systemie może mieć inną konstrukcję i zasadę działania. W bardziej zaawansowanej wersji mniejsza turbina jest obracana przy mniejszym przepływie spalin, co zwiększa dopływ przy niższych prędkościach, a silnik spalinowy nie musi być podkręcany do granic możliwości.
Taki system będzie działał według następującego schematu. Po uruchomieniu silnika, gdy samochód jest nieruchomy, jednostka pracuje na biegu jałowym. W przewodzie dolotowym naturalny ruch świeżego powietrza jest spowodowany podciśnieniem w cylindrach. Proces ten ułatwia mała turbina, która zaczyna obracać się z niewielkimi prędkościami. Ten element zapewnia niewielki wzrost przyczepności.
Wraz ze wzrostem obrotów wału korbowego wydech staje się bardziej intensywny. W tym czasie mniejsza turbosprężarka obraca się bardziej, a nadmiar przepływu spalin zaczyna wpływać na jednostkę główną. Wraz ze wzrostem prędkości wirnika, zwiększona objętość powietrza wpływa do przewodu dolotowego z powodu większego ciągu.
Podwójne doładowanie eliminuje gwałtowne przesunięcie mocy, które występuje w klasycznych dieslach. Przy średniej prędkości silnika spalinowego, gdy duża turbina dopiero zaczyna się obracać, mała sprężarka doładowująca osiąga maksymalną prędkość. Kiedy do cylindra dostaje się więcej powietrza, wzrasta ciśnienie spalin, napędzając główną sprężarkę. Ten tryb eliminuje zauważalną różnicę między momentem obrotowym maksymalnej prędkości silnika a włączeniem turbiny.
Gdy silnik spalinowy osiąga maksymalną prędkość, sprężarka również osiąga poziom graniczny. Konstrukcja z podwójnym doładowaniem została zaprojektowana w taki sposób, że włączenie dużej doładowania zapobiega przeciążeniu mniejszego odpowiednika przed przeciążeniem.
Podwójna sprężarka samochodowa zapewnia ciśnienie w układzie dolotowym, którego nie można osiągnąć przy konwencjonalnym doładowaniu. W silnikach z klasycznymi turbinami zawsze występuje opóźnienie turbo (zauważalna różnica w mocy jednostki napędowej między osiągnięciem maksymalnej prędkości a włączeniem turbiny). Podłączenie mniejszej sprężarki eliminuje ten efekt, zapewniając płynną dynamikę silnika.
W przypadku podwójnego turbodoładowania, momentu obrotowego i mocy (przeczytaj o różnicy między tymi koncepcjami w innym artykule) jednostki napędowej rozwija się w szerszym zakresie obrotów niż w przypadku podobnego silnika z jedną doładowaniem.
Rodzaje schematów doładowania z dwoma turbosprężarkami
Tak więc teoria działania turbosprężarek dowiodła ich praktyczności w zakresie bezpiecznego zwiększania mocy jednostki napędowej bez zmiany konstrukcji samego silnika. Z tego powodu inżynierowie z różnych firm opracowali trzy efektywne typy podwójnej turbosprężarki. Każdy typ systemu będzie zaaranżowany na swój sposób i będzie miał nieco inną zasadę działania.
Obecnie w samochodach instalowane są następujące typy układów podwójnego turbodoładowania:
- Równolegle;
- Zgodny;
- Wystąpił.
Każdy typ różni się schematem połączeń dmuchaw, ich rozmiarami, momentem uruchomienia każdej z nich, a także charakterystyką procesu zwiększania ciśnienia. Rozważmy każdy typ systemu osobno.
Schemat równoległego podłączenia turbiny
W większości przypadków równoległy typ turbodoładowania jest stosowany w silnikach z blokiem cylindrów w kształcie litery V. Urządzenie takiego systemu jest następujące. Na każdą sekcję cylindra wymagana jest jedna turbina. Mają te same wymiary, a także biegną równolegle do siebie.
Spaliny są równomiernie rozprowadzane w układzie wydechowym i trafiają do każdej turbosprężarki w takich samych ilościach. Mechanizmy te działają analogicznie jak w przypadku silnika rzędowego z jedną turbiną. Jedyna różnica polega na tym, że ten typ biturbo ma dwie identyczne dmuchawy, ale powietrze z każdej z nich nie jest rozprowadzane na sekcje, ale jest stale wtryskiwane do wspólnego przewodu układu dolotowego.
Jeśli porównamy taki schemat z pojedynczym układem turbiny w rzędowym bloku energetycznym, to w tym przypadku konstrukcja z podwójną turbosprężarką składa się z dwóch mniejszych turbin. Wymaga to mniej energii do obracania wirników. Z tego powodu doładowania są połączone z mniejszą prędkością niż jedna duża turbina (mniejsza bezwładność).
Taki układ eliminuje powstawanie tak ostrego opóźnienia turbodoładowania, które występuje w konwencjonalnych silnikach spalinowych z jednym doładowaniem.
Włączanie sekwencyjne
Seria typu Biturbo umożliwia również montaż dwóch identycznych dmuchaw. Tylko ich praca jest inna. Pierwszy mechanizm w takim systemie będzie działał na stałe. Drugie urządzenie podłącza się tylko w określonym trybie pracy silnika (gdy wzrasta jego obciążenie lub wzrasta prędkość obrotowa wału korbowego).
Sterowanie w takim układzie zapewnia elektronika lub zawory reagujące na ciśnienie przepływającego strumienia. ECU zgodnie z zaprogramowanymi algorytmami ustala w jakim momencie podłączyć drugą sprężarkę. Jego napęd zapewniony jest bez włączania pojedynczego silnika (mechanizm nadal działa wyłącznie pod wpływem ciśnienia strumienia spalin). Jednostka sterująca uruchamia siłowniki układu sterującego ruchem spalin. W tym celu stosuje się zawory elektryczne (w prostszych układach są to zwykłe zawory reagujące na siłę fizyczną przepływającego przepływu), które otwierają / zamykają dostęp do drugiej dmuchawy.
Gdy centrala całkowicie otworzy dostęp do wirnika drugiego biegu, oba urządzenia pracują równolegle. Z tego powodu ta modyfikacja jest również nazywana szeregowo-równoległą. Działanie dwóch dmuchaw umożliwia ustawienie większego ciśnienia napływającego powietrza, ponieważ ich wirniki zasilające są połączone z jednym kanałem wlotowym.
W takim przypadku instalowane są również mniejsze sprężarki niż w konwencjonalnym systemie. Zmniejsza to również efekt opóźnienia turbodoładowania i udostępnia maksymalny moment obrotowy przy niższych prędkościach obrotowych silnika.
Ten rodzaj biturbo jest instalowany zarówno w jednostkach napędowych diesla, jak i benzynowych. Konstrukcja systemu pozwala na zainstalowanie nawet nie dwóch, a trzech sprężarek połączonych szeregowo ze sobą. Przykładem takiej modyfikacji jest rozwój BMW (Triple Turbo), który został zaprezentowany w 2011 roku.
Schemat krokowy
Stopniowy system podwójnego przewijania jest uważany za najbardziej zaawansowany rodzaj podwójnego turbodoładowania. Pomimo tego, że istnieje od 2004 roku, dwustopniowy rodzaj doładowania udowodnił swoją skuteczność najbardziej technicznie. To Twin Turbo jest instalowane w niektórych typach silników wysokoprężnych opracowanych przez firmę Opel. Stopniowy odpowiednik turbodoładowania Borg Wagner Turbo Sistems jest montowany w niektórych silnikach spalinowych BMW i Cummins.
Schemat turbosprężarki składa się z dwóch turbosprężarek o różnej wielkości. Są instalowane sekwencyjnie. Przepływ spalin jest kontrolowany przez elektrozawory, których działanie jest sterowane elektronicznie (istnieją również zawory mechaniczne, które są napędzane ciśnieniem). Dodatkowo system wyposażony jest w zawory zmieniające kierunek przepływu tłoczenia. Umożliwi to uruchomienie drugiej turbiny i wyłączenie pierwszej, aby nie zawiodła.
System ma następującą zasadę działania. W kolektorze wydechowym zamontowany jest zawór obejściowy, który odcina przepływ z węża prowadzącego do turbiny głównej. Gdy silnik pracuje na niskich obrotach, gałąź ta jest zamknięta. W rezultacie wydech przechodzi przez małą turbinę. Ze względu na minimalną bezwładność mechanizm ten zapewnia dodatkową objętość powietrza nawet przy niskich obciążeniach ICE.
Następnie przepływ przepływa przez główny wirnik turbiny. Ponieważ jego ostrza zaczynają się obracać przy wyższym ciśnieniu, aż silnik osiągnie średnią prędkość, drugi mechanizm pozostaje nieruchomy.
W przewodzie dolotowym znajduje się również zawór obejściowy. Przy małych prędkościach jest zamknięty, a przepływ powietrza przebiega praktycznie bez wtrysku. Gdy kierowca zwiększa obroty silnika, mała turbina obraca się mocniej, zwiększając ciśnienie w przewodzie dolotowym. To z kolei zwiększa ciśnienie spalin. Wraz ze wzrostem ciśnienia w przewodzie wydechowym przepustnica zostaje lekko otwarta, tak że mała turbina nadal się obraca, a część przepływu jest kierowana do dużej dmuchawy.
Stopniowo duża dmuchawa zaczyna się obracać. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wału korbowego proces ten nasila się, co powoduje większe otwarcie zaworu i większe obroty sprężarki.
Kiedy silnik spalinowy osiąga średnią prędkość, mała turbina pracuje już na maksimum, a główna doładowanie właśnie zaczęła się obracać, ale nie osiągnęła maksimum. Podczas pracy pierwszego stopnia spaliny przechodzą przez wirnik małego mechanizmu (podczas gdy jego łopatki obracają się w układzie dolotowym) i są odprowadzane do katalizatora poprzez łopatki sprężarki głównej. Na tym etapie powietrze jest zasysane przez wirnik dużej sprężarki i przepuszczane przez obracającą się mniejszą przekładnię.
Pod koniec pierwszego stopnia przepustnica jest całkowicie otwarta, a strumień spalin jest już w pełni skierowany do głównego wirnika wspomagającego. Ten mechanizm obraca się silniej. System obejściowy jest ustawiony tak, że mała dmuchawa jest na tym etapie całkowicie wyłączona. Powodem jest to, że po osiągnięciu średniej i maksymalnej prędkości dużej turbiny tworzy ona tak mocną głowicę, że pierwszy stopień po prostu uniemożliwia jej prawidłowe wejście do cylindrów.
W drugim etapie zwiększania ciśnienia spaliny przechodzą przez mały wirnik, a wchodzący strumień jest kierowany wokół małego mechanizmu - bezpośrednio do cylindrów. Dzięki temu systemowi producentom samochodów udało się wyeliminować dużą różnicę między wysokim momentem obrotowym przy minimalnych obrotach a maksymalną mocą przy maksymalnej prędkości wału korbowego. Efekt ten towarzyszył każdemu konwencjonalnemu silnikowi wysokoprężnemu z doładowaniem.
Plusy i minusy podwójnego turbodoładowania
Biturbo jest rzadko instalowane w silnikach o małej mocy. Zasadniczo jest to sprzęt, na którym polegają potężne maszyny. Tylko w tym przypadku możliwe jest przyjęcie optymalnego wskaźnika momentu obrotowego już przy niższych obrotach. Również małe wymiary silnika spalinowego nie są przeszkodą w zwiększeniu mocy jednostki napędowej. Dzięki podwójnemu turbodoładowaniu uzyskuje się przyzwoitą oszczędność paliwa w porównaniu z jego wolnossącym odpowiednikiem, który rozwija identyczną moc.
Z jednej strony istnieje korzyść związana z wyposażeniem, które stabilizuje główne procesy lub zwiększa ich wydajność. Ale z drugiej strony takie mechanizmy nie są pozbawione dodatkowych wad. Podwójne turbodoładowanie nie jest wyjątkiem. Taki system ma nie tylko pozytywne aspekty, ale także poważne wady, przez które niektórzy kierowcy odmawiają zakupu takich samochodów.
Najpierw rozważ zalety systemu:
- Główną zaletą systemu jest eliminacja opóźnienia turbodoładowania, które jest typowe dla wszystkich silników spalinowych wyposażonych w konwencjonalną turbinę;
- Silnik łatwiej przełącza się w tryb mocy;
- Różnica między maksymalnym momentem obrotowym a mocą jest znacznie zmniejszona, ponieważ zwiększając ciśnienie powietrza w układzie dolotowym, większość niutonów pozostaje dostępna w szerszym zakresie prędkości obrotowych silnika;
- Zmniejsza zużycie paliwa wymagane do osiągnięcia maksymalnej mocy;
- Ponieważ dodatkowa dynamika samochodu jest dostępna przy niższych prędkościach obrotowych silnika, kierowca nie musi go tak mocno podkręcać;
- Zmniejszając obciążenie silnika spalinowego, zmniejsza się zużycie smarów, a układ chłodzenia nie działa w trybie zwiększonym;
- Spaliny nie są po prostu odprowadzane do atmosfery, ale energia tego procesu jest wykorzystywana z korzyścią.
Zwróćmy teraz uwagę na kluczowe wady podwójnej turbosprężarki:
- Główną wadą jest złożoność konstrukcji układu dolotowego i wydechowego. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku nowych modyfikacji systemu;
- Ten sam czynnik wpływa na koszt i utrzymanie systemu - im bardziej złożony mechanizm, tym droższa jest jego naprawa i regulacja;
- Inna wada jest również związana ze złożonością projektu systemu. Ponieważ składają się z dużej liczby dodatkowych części, istnieje również więcej węzłów, w których może wystąpić pęknięcie.
Osobno należy wspomnieć o klimacie obszaru, w którym pracuje turbodoładowana maszyna. Ponieważ wirnik turbosprężarki czasami obraca się powyżej 10 tysięcy obrotów na minutę, wymaga wysokiej jakości smarowania. Gdy samochód zostanie pozostawiony na noc, smar trafia do miski olejowej, przez co większość części urządzenia, w tym turbina, wysycha.
Jeśli rano uruchomisz silnik i pracujesz z przyzwoitymi obciążeniami bez wstępnego rozgrzewania, możesz zabić doładowanie. Powodem jest to, że tarcie suche przyspiesza zużycie części trących. Aby wyeliminować ten problem, przed doprowadzeniem silnika do wysokich obrotów należy chwilę poczekać aż olej przepompuje się przez cały układ i dotrze do najdalszych węzłów.
Latem nie musisz poświęcać na to dużo czasu. W takim przypadku olej w misce ma wystarczającą płynność, aby pompa mogła go szybko przepompować. Ale zimą, zwłaszcza przy silnych mrozach, tego czynnika nie można zignorować. Lepiej poświęcić kilka minut na rozgrzanie układu, niż po krótkim czasie wyrzucić przyzwoitą kwotę na zakup nowej turbiny. Dodatkowo należy wspomnieć, że ze względu na stały kontakt ze spalinami wirnik dmuchaw może nagrzewać się nawet do tysiąca stopni.
Jeśli mechanizm nie otrzyma odpowiedniego smarowania, które równolegle pełni funkcję chłodzenia urządzenia, jego części będą się o siebie ocierać na sucho. Brak filmu olejowego spowoduje gwałtowny wzrost temperatury części, zapewniając im rozszerzalność cieplną, aw rezultacie ich przyspieszone zużycie.
Aby zapewnić niezawodne działanie podwójnej turbosprężarki, należy postępować zgodnie z tymi samymi procedurami, co w przypadku konwencjonalnych turbosprężarek. W pierwszej kolejności należy na czas wymienić olej, który służy nie tylko do smarowania, ale także do chłodzenia turbin (nasza strona internetowa osobny artykuł).
Po drugie, ponieważ wirniki dmuchaw stykają się bezpośrednio ze spalinami, jakość paliwa musi być wysoka. Dzięki temu na łopatkach nie będą się gromadzić osady węglowe, które zakłócają swobodny obrót wirnika.
Podsumowując, oferujemy krótki film o różnych modyfikacjach turbin i ich różnicach:
Pytania i odpowiedzi:
Co jest lepsze bi-turbo lub twin-turbo? Są to systemy turbodoładowania silnika. W silnikach z biturbo turbo lag jest wygładzony, a dynamika przyspieszenia wyrównana. W systemie twin-turbo te czynniki się nie zmieniają, ale osiągi silnika spalinowego wzrastają.
Jaka jest różnica między bi-turbo a twin-turbo? Biturbo to system turbinowy połączony szeregowo. Dzięki ich sekwencyjnemu włączaniu dziura turbo jest eliminowana podczas przyspieszania. Twin turbo to tylko dwie turbiny zwiększające moc.
Dlaczego potrzebujesz podwójnego turbosprężarki? Dwie turbiny dostarczają większą ilość powietrza do cylindra. Dzięki temu podczas spalania BTC zwiększa się odrzut – więcej powietrza jest sprężane w tym samym cylindrze.
