Как работает система турбонаддува twinturbo

Что такое система Twin-Turbo?

Работа турбины осуществляется определенным образом. Воздух снаружи автомобиля нагнетается и закачивается в цилиндры двигателя. Но, после того как рост оборотов двигателя увеличивается, работа турбины утрачивает свою эффективность. Для устранения подобной особенности функционирования турбины, разработчики спроектировали систему состоящую из двух турбин.

Twin-Turbo

Работа турбин может осуществляться в режиме индивидуально подобранном владельцем автомобиля. Они могут работать как параллельно, так и последовательно. Во втором случае одна турбина подключается в момент запуска двигателя и набора оборотов, а вторая-подключается в момент падения эффективной работы первой. Обоюдная работа, в свою очередь, обеспечивает огромный прирост в производительности и работе двигателя.

Система Twin-Turbo может работать и устанавливаться на двигателях V-образного типа, также подойдут и рядные моторы, особого отличия в этом факте нет. Основной целью работы подобной установки-увеличение производительности автомобиля и быстрый набор скорости.

Система обладает определенным перечнем недостатков:

1. Длительная ответная реакция на педаль акселератора.
2. Усиленная эксплуатация второй,более мощной турбины и ее преждевременный износ.
3. Присутствие турбоямы, состояния в котором, турбины не имеют эффективности.

На модели автомобилей,которые участвуют в гонках или драг-рейсинге нередко устанавливается и 3-5 турбин согласно вышеуказанной схеме. На серийные автомобили таких»излишеств» автомобильная промышленность не предусматривает.

Две турбины на двигатель – как и зачем?

Сейчас может возникнуть вопрос, а вообще зачем? Все просто есть всего два вопроса, которые они призваны решать:

• Устранение турбоямы, можно сказать, что это первоочередная проблема.
• Увеличение мощности.
• Строение двигателя.

Начну, пожалуй, с самого простого пункта – это строение двигателя. Конечно, легко ставить одну турбину, когда у вас есть рядный двигатель на 4 или 6 цилиндров. Глушитель то один. Но вот что делать, когда у вас скажем V образный мотор? И по три – четыре цилиндра на каждую строну, тогда и глушителя два! Вот и ставят на каждый по турбине, средней или малой мощности.

Устранение турбоямы – как я уже писал сверху, это задача номер «1». Все дело в том что у турбированного мотора, есть провал — когда вы нажимаете на газ, отработанным газам нужно пройти и раскрутить крыльчатку турбины, именно это время и «проседает» мощность, это может быть от 2 до 3 секунд! А если вам на скорости нужно сделать обгонный маневр – это не безопасно! Вот и устанавливают различные турбины, а зачастую компрессор + турбина. Один работает на низких оборотах, то есть на старте, чтобы избежать «турбоямы», вторая – на скорости когда нужно оставить тягу.

Увеличение мощности – это самый банальный случай. То есть для увеличения мощности мотора, к маломощной турбине устанавливают еще одну мощную, таким образом — дуют они две, что значительно повышает производительность. Кстати на некоторых гоночных машинах, есть и три и даже четыре турбины, но это очень сложно и в серию, как правило не идет!

Вот собственно и решения, для которых применяют «ТВИНТУРБО» или «БИТУРБО» и знаете это реально выход, от избавления от турбоямы и увеличения мощности.

Это интересно: Как устроена трансмиссия автомобиля?

Основы

Если дословно перевести twin turbo английского языка, то выйдет или «двойное турбо» или «удвоение турбо». В принципе, правильными являются оба варианта. То есть, из названия можно понять, что имеют место быть не одна, а две турбины. Существует несколько разновидностей способов применения двух нагнетателей одновременно:

• Ступенчатая.
• Параллельное.
• Последовательное.

Любая из систем, так или иначе, управляется электронным блоком управления, без него создать эффективную работу твин турбо будет невозможно. ЭБУ управляет входными датчиками турбокомпрессоров, электрическими системами приводов клапанов управления воздуха, за счет чего происходит очень тонка настройка работы твин турбо.

Параллельный принцип работы

Параллельное твин турбо представляет собой одновременную работу двух турбокомпрессоров, который работают параллельно друг другу. Одинаковая работа двух турбин получается за счет того, что каждая турбина выхватывает одинаковую порцию выхлопных газов. Из каждого компрессора выходит также равное количество воздуха и под равным давлением. Сжатый воздух поступает в общий для них впускной коллектор, где потом уже происходит распределение по цилиндрам. Параллельное twin turbo характерно для V-образных двигателей, особенно для дизельных, где очень важна степень инерционности. Две небольших турбины обеспечивают более меньшую инерционность, нежели одна большая.

Последовательная работа

Смысл работы последовательного twin turbo заключается в том, что турбокомпрессоры работают не одновременно, а последовательно сменяют друг друга. То есть запустив двигатель работает один компрессор, а по степени увеличения количества оборотов коленчатого вала включается второй. Такое решение позволяет экономить топливо и не использовать постоянно одну из турбин. К слову, такая система твин турбо включает два одинаковых по характеристикам компрессора. Переход между турбинами также обеспечивает электронный блок управления. В такой системе основной его задачей является регулирование и распределение потока сгоревших газов между турбинами. Регулирование потока газов ко второму компрессору осуществляется за счет специального электромагнитного клапана. Также нередко в ЭБУ заносят такие характеристики для турбин, чтобы минимизировать побочный эффект турбозадержки. Применение twin turbo было замечено как на бензиновом, так и на дизельном двигателе.

Двойная турбина

Ступенчатая работа турбин

Рассматривая ступенчатую систему твин турбо важно отметить, что именно она является самой технически грамотной и совершенной, обуславливает самый большой подъем КПД. В такой системе присутствует электронное управление как сгоревшими газами, так и выходящим потоком сжатого воздуха

Здесь, в отличие от предыдущих вариантов, есть возможность применять два разных по размеру турбонаддува. Когда обороты двигателя низкие перепускной клапан сгоревших газов закрыт. Газы следуют по системе твин турбо сначала посещая малый компрессор, где получают максимальную отдачу на давление при минимальной инерции. Далее, они попадают в большую турбину. Когда обороты увеличиваются начинается совместная работа турбин. Перепускной клапан постепенно открывается, то начинает постепенно раскручивать вторую турбину, пуская газы прямо через нее. Когда обороты растут до максимальных, то клапан открывается полностью, и большая турбина начинает работать на полную свою мощность и воздух поступает из нее в двигатель.

БИ-ТУРБО (BI-TURBO)

Как правило, это два последовательно включаемых турбины в работу. На ярком примере СУБАРУ – одна малая и затем другая большая.

Малая раскручивается намного быстрее, потому как не обладает большой инерционной энергией – логично она включается в работу на низах, то есть первой. Для малых скоростей и до невысоких оборотов этого вполне достаточно. Но при больших скоростях и оборотах этот «малыш» практически бесполезен, тут нужна подача, куда большего объема сжатого воздуха – включается вторая более тяжелая и мощная турбина. Которая дает нужную мощность и производительность. Что дает такое последовательное размещение в BI-TURBO? Это почти исключение турбоямы (комфортное ускорение) и высокая производительность на высоких скоростях, когда тяга остается даже на скоростях за 200 км/ч.

Нужно отметить, что могут быть установлены как на V6 агрегат (с каждой стороны по своей турбине), так и на рядную версию (здесь могут разделить выпускной коллектор, например с двух цилиндров дует одна, с других двух другая).

Минусами можно назвать высокую стоимость и работы по настройки такой системы. Ведь здесь применяются тонкие настройки перепускных клапанов. Поэтому установка обусловлена на дорогих спортивных машинах, таких как ТОЙОТА СУПРА, либо на авто элитного класса – МАЗЕРАТТИ, АСТОН МАРТИН и т.д.

Это интересно: Видеорегистратор, плюсы установки видеорегистратора

Недостатки Biturbo

1. Дороговизна конструкции, сложность;
2. Снижение надежности;
3. Высокая стоимость обслуживания и ремонта.

Из минусов битурбированных двигателей можно выделить сложность и дороговизну конструкции. Нелегко соединить в параллельную работу две турбины разного размера, синхронизировать их.

Кроме этого в подобных конструкциях применяются дополнительные клапаны управления – это заслонки, сервоприводы. Все это повышает стоимость битурбо двигателей.

Наличие дополнительных систем управления, оборудования, увеличивает цену обслуживания и ремонта. Снижается надежность, так как перепускные клапана, например, могут заклинивать и т.д.

Twin-турбо этих проблем частично лишено, если оно применяется в классической компоновке – параллельно. В таком случае нет дополнительного оборудования, просто две одинаковые турбины работают совместно. Да, есть определенные сложности, но их меньше, чем в битурбо.

Точность формулировок

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.

Про строение

Сейчас на многих авто применяются всего два основных строения — расположения двух турбин. Это параллельное и последовательное (известное еще как секвентальное).

Например, некоторые Мицубиши имеют именно «ТВИНТУРБО», но параллельную работу, как я уже отмечал сверху, это две турбины на агрегате V6, по одной на каждую сторону. Дуют они в общий коллектор. А вот например на некоторых АУДИ, также есть параллельная работа на двигателе V6, но название «БИТУРБО».

На автомобилях Тойота в частности на «СУПРА», стоит рядная шестерка, однако тут также есть два наддува – работают они в хитром порядке, могут работать сразу два, могут один работает, другой нет, могут включаться попеременно. Все зависит от вашей манеры езды – добиваются такой работы «хитрыми» перепускными клапанами. Вот вам последовательно-параллельная работа.

Как и на некоторых автомобилях СУБАРУ – первая (малая) нагнетает воздух на низких оборотах, вторая (большая) подключается только тогда, когда обороты значительно выросли, вот вам и параллельное включение.

Так разница все же есть или отличий вообще нет? Знаете негласно, производители все же отличают эти два строения, давайте подробнее.

Что такое система Twin-Turbo?

Работа турбины осуществляется определенным образом. Воздух снаружи автомобиля нагнетается и закачивается в цилиндры двигателя. Но, после того как рост оборотов двигателя увеличивается, работа турбины утрачивает свою эффективность. Для устранения подобной особенности функционирования турбины, разработчики спроектировали систему состоящую из двух турбин.

Twin-Turbo

Работа турбин может осуществляться в режиме индивидуально подобранном владельцем автомобиля. Они могут работать как параллельно, так и последовательно. Во втором случае одна турбина подключается в момент запуска двигателя и набора оборотов, а вторая-подключается в момент падения эффективной работы первой. Обоюдная работа, в свою очередь, обеспечивает огромный прирост в производительности и работе двигателя.

Система Twin-Turbo может работать и устанавливаться на двигателях V-образного типа, также подойдут и рядные моторы, особого отличия в этом факте нет. Основной целью работы подобной установки-увеличение производительности автомобиля и быстрый набор скорости.

Система обладает определенным перечнем недостатков:

1. Длительная ответная реакция на педаль акселератора.
2. Усиленная эксплуатация второй,более мощной турбины и ее преждевременный износ.
3. Присутствие турбоямы, состояния в котором, турбины не имеют эффективности.

На модели автомобилей,которые участвуют в гонках или драг-рейсинге нередко устанавливается и 3-5 турбин согласно вышеуказанной схеме. На серийные автомобили таких»излишеств» автомобильная промышленность не предусматривает.

ТВИН-ТУРБО (TWIN-TURBO)

Здесь в основном стоит задача не избавиться от «турбоямы», а максимально повысить производительность (нагнетание сжатого воздуха). Как правило работает такая система на высоких оборотах, когда один нагнетатель не может справиться с возросшей на него нагрузкой, поэтому устанавливается (параллельно) еще один такой же. Вместе они нагнетают воздуха в два раза больше, что даете почти такой же прирост производительности!

Но как же «турбояма», что она здесь свирепствует? А вот и нет, ее тоже эффективно побеждают только немного другим способом. Как я уже говорил, малые турбины гораздо быстрее раскручиваются, так вот представьте – меняют 1 большую, на 2 малых – производительность практически не падает (работают параллельно), а вот «ЯМА» уходит потому как реакция быстрее. Поэтому, получается, создать нормальную тягу, с самого низа.

Установка может быть как на рядные модели силовых агрегатов, так и на V-образные.

Производство и настройка намного дешевле, поэтому это строение применяется у многих производителей.

Последовательный Twin Turbo

Система последовательного Twin Turbo включает два соизмеримых по характеристикам турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор работает постоянно, второй включается в работу при определенных режимах работы двигателя (частота оборотов, нагрузка).

Схема системы Twin Turbo
1.перепускной клапан наддува (bypass);
2.клапан управления подачей воздуха;
3.датчик разности давлений;
4.клапан управления подачей отработавших газов;
5.вторичный турбокомпрессор;
6.интеркулер;
7.первичный турбокомпрессор;
8.перепускной клапан отработавших газов (wastegate)

Переход между режимами обеспечивает электронная система управления, которая регулирует поток отработавших газов ко второму турокомпрессору с помощью специального клапана. При полном открытии клапана управления подачей отработавших газов оба турбокомпрессора работают параллельно, поэтому правильно систему называть последовательно-параллельная. Сжатый воздух от двух турбокомпрессоров подается в общий впускной коллектор и распределяется по цилиндрам.

Система последовательного Twin Turbo минимизирует последствия турбозадержки и позволяет достичь максимальной выходной мощности. Применяется на бензиновых и дизельных двигателях. В 2011 году компания BMW представила систему с тремя последовательными турбокомпрессорами – Triple Turbo.

Турбина + компрессор

Это тоже можно назвать «БИ-ТУРБО» или «ТВИН-ТУРБО» — как хотите. По сути, и компрессор и турбо вариант, делают одну работу, только один (механический) намного эффективнее в низах, другой (от отработанных газов) — в верхах! Про различия наддувов читаем здесь.

Как правило, компрессор устанавливается на ременную передачу от коленчатого вала двигателя, поэтому максимально быстро раскручивается с ним. Тем самым позволяя избегать «ЯМЫ», а вот на высоких оборотах он бесполезен – тут уже вступает турбо вариант.

Этот симбиоз применяется на некоторых немецких машинах, большой плюс компрессора, что у него намного выше ресурс, чем у оппонента!

Сейчас небольшое видео, смотрим

ГОЛОСОВАНИЕ

Читайте наш АВТОБЛОГ, подписывайтесь на обновления.

Комментарии

11.04.2016

Bi-Turbo

Спасибо за интересную статью. Хотелось бы почитать еще про сложные варианты с 3 и 4 турбинами. Расскажите?

Разновидности BITURBO/TWIN-TURBO

Разобравшись с тем, что два эти названия взаимозаменяемы, можно поговорить о разных системах из двух турбин. Различают несколько видов системы  BITURBO/TWIN-TURBO:

• Параллельный;
• Последовательный;
• Ступенчатый.

Поговорим о них подробнее.

Параллельная система наддува – система двух турбин, относящихся к одному виду и размещенных параллельно. При этом турбины  работают одновременно. Преимущества параллельной системы в том, что в ее случае две небольшие или средние турбины обладают меньшей инерционностью по сравнению с одной мощной, но большой турбиной.

Такая система соединения позволяет турбокомпрессорам равномерно распределять между собой потоки газов во время работы. Сначала сжатый воздух подается компрессорами в общий для них впускной коллектор. Затем этот воздух может распределяться по цилиндрам, или, реже, подаваться раздельно для каждого ряда цилиндров. Параллельная система наддува чаще всего используется в работе дизельных V-образных двигателях, где каждый турбонагнетатель зафиксирован на собственном выпускном коллекторе.  

Таким образом, при параллельной системе турбонаддува турбины работают на всех оборотах двигателя, а так называемая «турбояма» становится существенно меньше.

Последовательная система турбонаддува представляет собой систему из двух полностью одинаковых турбин. При этом существенное отличие работы такой системы в том, что одна турбина функционирует постоянно, а вторая подключается к работе только при возрастании числа оборотов мотора. Чтобы второй турбокомпрессор запускался вовремя, в систему введена схема электронной регулировки его работы с помощью специального клапана, что и делает эту систему более сложной.

Ступенчатая система турбонаддува является самой сложной, эффективной и современной реализацией принципа BI/TWIN-TURBO. В двухступенчатую систему объединяются две турбины – малая и большая. Они установлены во впускном и выпускном тракте. При работе турбокомпрессоров происходит клапанная регулировка отработанных газов и сжатого воздуха. При увеличении оборотов двигателя начинается одновременная слаженная работа обеих турбин. При этом происходит раскрытие перепускного клапана отработанных газов, вследствие чего некоторая их часть проходит через большую турбину, и она раскручивается сильнее.  По достижении некоторого определенного уровня давления на впуске турбонагнетатель большой турбины сжимает воздух (при этом давление еще не достаточное). Затем сжатый воздух поступает в компрессор малой турбины,  и там давление продолжает расти. Пи этом перепускной клапан наддува остается все еще закрытым. Когда, наконец, двигатель достигает максимальной нагрузки, происходит полное открытие перепускного клапана. Отработанные газы проходят через большую турбину, из-за чего она раскручивается до самой высокой частоты, а вот малый турбокомпрессор в это время прекращает движение. На впуске большой компрессор создает наибольшее давление наддува, а малый, в свою очередь, напротив, обеспечивает сопротивление воздушным потокам. В результате в некоторый момент перепускной клапан наддува раскрывается, и происходит поступление сжатого воздуха непосредственно в двигатель.

Как видно из всего вышесказанного, двухступенчатая система BI/TWIN-TURBO создана специально для того, чтобы поддерживать максимально возможную эффективную  работу турбонагнетателя при всех без исключения режимах работы двигателя автомобиля.

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.

В чем отличия битурбо от твинтурбо

Не только в названии. Кстати, из названия появляются первые различия. Они в конструкции этих систем. Приставка «Би» на английском означает «двойной», набор из двух элементов. В нашем случае – турбокомпрессоров.

Twin – близнец, перевод с английского языка. В нашем случае используются абсолютно одинаковые турбины. Их геометрические размеры, производительность идентичны. Что в первом случае, что во втором это двойной турбонаддув.

По принципу работу

Только двигатели битурбо используют две разные по производительности и размерам турбины. Одна предназначена для работы на низких оборотах мотора, а вторая на средних и высоких. При малых нагрузках силового агрегата, скорость отработанных газов низкая. Её будет достаточно, чтобы раскрутить крыльчатку маленького турбонагнетателя. Он выходит на номинальную производительность, нагнетая воздух в цилиндры. Силовой агрегат получает динамику и «не тупит» при разгоне.

С повышением оборотов двигателя, скорость выхлопных газов увеличивается. Маленькая турбинка не может обеспечить достаточным количеством воздуха цилиндры. В работу включается вторая. Через систему перепускных клапанов, отработанные газы начинают раскручивать большой турбонагнетатель, маленький отключается. Его производительности достаточно, чтобы дать необходимую мощность мотору в таком режиме.

Система твин-турбо использует две одинаковые турбины. Их применяют как для увеличения мощности, так и разделения потоков сжатого воздуха в разные цилиндры. Часто можно ее встретить в V-образных двигателях, на каждую головку свой турбонагнетатель.

Кроме этого, применяют для сглаживания турбоямы два турбонагнетателя меньшего размера. Их меньшая инерционность позволяет «раскручиваться» с самых «низов» ДВС. Их холодные части соединены в единый коллектор. По отдельности они имеют небольшую производительность, а параллельно – удвоенную. Такие твин-турбо системы называются параллельные.

Следующая разновидность – последовательный twin turbo. Это когда два одинаковых турбоагрегаты соединены последовательно, как по ходу движения выхлопных газов, так и по холодному воздуху. Этот вариант еще называют секвентальной турбосистемой.

Отличия компоновки

По словам производителей, между этими системами ощущается большая разница. На самом деле значительных отличий в технологии не наблюдается. Это успешный маркетинговый ход, который положительно влияет на продажи изделий. Biturbo и twin-turbo способны использовать разные технологические вариации в виде разного размера турбин, поэтому являются универсальными системами.

Например, турбонаддув во многих автомобилях носит название Twin-turbo (Mitsubishi 3000 VR-4). При этом в машине установлен двигатель V6, обладающий двумя турбинами для трёх цилиндров, использующих поток выхлопных газов. В немецком производстве также есть подобные системы, но они имеют название Biturbo.

Как показывает практика, японцы в большей степени используют twin-turbo, когда в Европе более популярным является biturbo. В нашей стране можно приобрести обе вариации с различными технологическими особенностями.

Классический вариант

Технология двойного турбонаддува значит, что используются два компрессора. Возникает достаточно большая сложность с установкой двух выхлопных труб на одну магистраль, так как между ними должно находиться пространство. Частой проблемой является неодинаковое распределение энергии между двумя компрессорами. Этот недостаток был решён оригинальной формой турбины twin-turbo в виде крыльчатки, что синхронизировало работу всего устройства.

Особенностями компоновки системы twin-turbo являются некоторые недостатки:

• присутствие так называемой «турбоямы», при которой турбины не работают;
• ближняя турбина получает ускоренный износ;
• подача газа происходит с замедлением;
• сложная установка для моторов V-типа.

Компания Toyota предложила своё решение этих проблем — она сделала собственный вариант для турбокомпрессоров biturbo. При малых оборотах клапаны изделия закрыты, поэтому выхлопные газы выходят через первую турбину. Она, в свою очередь, быстро раскручивается и позволяет обойти «турбояму» на раннем этапе. Когда движение достигает 3500 оборотов в минуту, двигатель открывает специальные клапаны для излишков газа, отчего весь горячий воздух перенаправляется к турбокомпрессору, существенно увеличивая мощность мотора.

Современный взгляд

Система biturbo стала применяться меньше, ведь V-моторы получили большое распространение. Она оказалась неудобной из-за своих конструктивных особенностей. В 80-х годах была внедрена система с креплением турбины за цилиндрами. Это позволило установить турбокомпрессоры ближе до коллекторов, чтобы снизить аэродинамические потери и повысить общую скорость. Это также улучшило общую устойчивость системы.