Twin-Turbo и Bi-Turbo. В чем разница?
Всем приходилось слышать о двигателях, форсированных турбинами, а иногда и двумя. Такие моторы доступны далеко не всем из-за их высокой стоимости, однако они представляют большой интерес для каждого автолюбителя. Говоря об агрегате с двумя турбинами, вспоминаются такие словосочетания, как «Би-турбо» и «Твин-турбо». «А разве это не одно и то же?», — спросите вы. Будем разбираться вместе!
Существует такое мнение, что «Bi-Turbo» и «Twin-Turbo» — это просто названия одной и той же системы наддува, используемые разными коммерческими организациями. Да, с одной стороны так и есть, но это не единственное отличие этих систем.
Twin-Turbo
Основное принцип работы турбины – она создает давление воздуха, который поступает в цилиндры. Чем выше обороты двигателя, тем ниже эффективность турбины и как следствие – ниже мощность двигателя. Для того чтобы решить эту проблему, устанавливают вторую турбину. Она исключает падение мощности и обеспечивает эффективность работы на высоких оборотах. Турбины можно настроить по-разному:
1. Чтобы они работали параллельно.
2. Чтобы, когда одной турбины не хватает, раскручивалась вторая, восполняя потерю мощности.
Bi-Turbo
Эта система так же работает при наличии двух турбин, но в отличие от Твин-турбо, используются турбины разных размеров. Принцип работы схож с предыдущей системой: первая турбина «дует» на средних и малых оборотах, а та, которая побольше – на высоких. Это обеспечивает равномерный разгон автомобиля без потери мощности.
— Обе системы устанавливаются как на рядные, так и на V-образные двигатели.
— Система Би-турбо, за счет использования двух разных по размеру и мощности турбин, гарантирует ровный разгон, без резких перепадов мощности.
— Системы Твин-турбо позволяет снять максимальную мощность с двигателя. Но есть и весомый недостаток – так называемая «турбо-яма». Это короткая задержка, которая происходит в момент раскручивания второй более мощной турбины – резкий пинок при разгоне.
— В то же время, Би-турбо разгоняет автомобиль плавно и может использоваться не только на гоночных треках, но и при повседневной езде. Автомобили, оснащенные Твин-турбо, не могут себе это позволить.
К недостаткам обеих систем можно отнести их дороговизну и нелегкое техническое обслуживание.
Наша страница на DRIVE2:
Система Твин-Турбо
Система турбонаддува, в которой используется два турбокомпрессора, носит название 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 истониках информации под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.
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.
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.
Самой совершенной в техническом плане является система двухступенчатого турбонаддува. С 2004 года система двухступенчатого турбонаддува применяется на ряде дизельных двигателей от Opel. Другой производитель — компания BorgWarner Turbo Systems внедряет систему на дизельные двигатели BMW и Cummins.
Схема двухступенчатого турбонаддува
1.охладитель наддувочного воздуха;
2.перепускной клапан наддува (bypass);
3.турбокомпрессор ступени высокого давления;
4.турбокомпрессор ступени низкого давления;
5.перепускной клапан отработавших газов (wastegate)
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.
Принцип функционирования Твин турбо в Subaru
Статья рассказывает о том как работает Twin turbo в автомобилях Субару, на примере Subaru Legacy, на которой данная система устанавливалась с 1999 по 2002 года.
[править] ВВЕДЕНИЕ
Собственно, нельзя не упомянуть, в такого рода описательной работе, имени Herr Gottlieb Wilhelm Daimler, именно ему приписывается инженерная разработка устройства повышающая мощность двигателя, именуемого механическим компрессором — приводимым в действие путём передачи крутящего момента от коленчатого вала. Также нельзя не упомянуть Herr Alfred Büchi, которому жутко не нравилось отбирать на вращение компрессора (механического нагнетателя) энергию двигателя, и он построил нагнетатель, приводимый во вращение от энергии выхлопных газов — турбокомпрессор (турбонагнетатель). Особо следует отметить, что все эти новаторства осуществлялись на рубеже 19-20 веков.
Турбокомпрессор по сути прост, часть энергии выхлопных газов тратится на раскрутку рабочего колеса компрессора, что позволяет закачать в цилиндр больше воздуха (окислителя), чем это происходит в процессе всасывания воздуха в обычном атмосферном двигателе (где засасывание осуществляется из-за разности атмосферного давления и давления в цилиндре на такте всасывания). Мощность двигателя прямо зависит от количества сжигаемой топливно-воздушной смеси, преобразуемой в рабочее тело, при помощи турбонагнетателя мы получили очень весомую прибавку к мощности двигателя, не изменяя объёма его цилиндров. Схематически турбонагнетатель можно представить на нижеприведённой схеме:
Дополнительно хочется в настоящем эссе внести ясность в далее используемые определения и описание, так как в связи с некомпетентностью автомобильной прессы, распространение информации в Интернете с использованием жаргона, существует небольшая неразбериха с терминами.
Собственно устройство, использующее энергию выхлопных газов для сжатия воздуха и подачи его во впускной тракт, называется турбокомпрессор, турбонагнетатель, turbocharger. Турбина, компрессор — это составляющие узлы турбонагнетателя — турбиной называется та часть турбокомпрессора, которая получая на вход энергию выхлопных газов, воздействующих на турбинное колесо и преобразует эту энергию в энергию вращения, компрессор — та часть турбонагнетателя, которая получая через вал турбины энергию вращения, при помощи колеса компрессора преобразует полученную энергию в сжатие нагнетаемого воздуха. Таким образом, функционально турбокомпрессор разделён на три части: турбина, компрессор и корпус подшипников (в корпусе подшипников размещена подшипниковая система вала, обеспечивается подвод смазывающей и охлаждающей жидкости). Корпус подшипников часто называют картриджем турбины.
(1-Компрессор, 2-Корпус подшипников, 3-Турбина)
Далее, в настоящей статье, эти термины будут употребляться в значении, каком они изложены выше. Для увеличения эффективности наддува, в схему наддува в посткомпрессорный тракт включён промежуточный охладитель, представляющий собой радиатор. Так как плотность воздуха повышается с его охлаждением, то на единицу объёма наддуваемого в цилиндр воздуха, получаем большее количество кислорода, окисляющего топливо, то есть увеличиваем количество поступаемой топливовоздушной смеси без увеличения давления. Произведённые теоретиками и проверенные практиками расчёты показывают, что охлаждение сжатого воздуха на 30 градусов Цельсия даёт прибавку к мощности около 10 лошадиных сил.
[править] ОБЩАЯ СТРУКТУРА
2х ступенчатая система Twin turbo состоит из первичного и вторичного турбокомпрессоров, промежуточного охладителя воздуха (Intercooler), клапана управления потоком выпускных(отработанных) газов (Exhaust gas supply control valve), преддроссельного клапана перепуска (Air bypass valve), разгрузочным клапаном давления наддува (Supercharged pressure relief valve), датчика разности давлений (Differential pressure sensor), блока э/магнитных клапанов (Solenoid box) и т.д.
Появление двух ступенчатой системы Twin turbo было обусловлено тем, что эффективный наддув на малых оборотах получить затруднительно, если мы используем большой турбокомпрессор, с большими размерами лопастей турбинного и компрессорного колёс. На эффективную раскрутку такого турбокомпрессора энергии выхлопных газов на малых оборотах не хватает. Появляются явления, называемые турбоямой, турболагом, когда машина «не тянет» на низких оборотах. «Стрелять» такие системы будут от 3500-4000 оборотов в минуту, ниже увы. А при использовании маленьких колёс компрессора и турбины, можно практически избавиться от «турбоямы», но и прибавка к мощности не значительна.
Система Twin turbo использует два небольших турбокомпрессора, пока обороты двигателя невелики, наддув обеспечивается только небольшим первичным турбокомпрессором. С ростом оборотов двигателя, наддув обеспечивается обоими компрессорами — первичным и вторичным (что можно, условно, приравнять к наддуву, одним «большим» турбокомпрессором на высоких оборотах). Таким образом, достаточно эффективный наддув начинается уже с малых оборотов, и крутящий момент нарастает с меньшим провалом (турболагом) при переходе к высоким оборотам двигателя, в сравнении с системами наддува одним турбокомпрессором.
Используя эффективное управление переключением между режимами наддува одним компрессором и двумя, 2х ступенчатый наддув Twin turbo обеспечивает более гладкую переходную характеристику значения крутящего момента по оборотам.
[править] Турбокомпрессоры
Турбина (колесо турбины, «горячая часть») заключена в легкосплавный, тонкостенный, жаропрочный литой корпус. Корпус компрессора(«холодная часть») изготовляется из тонкостенного алюминиевого сплава. Вал турбокомпрессора расположен в плавающей подшипниковой системе (втулка с масляным клином со стороны вала).
Следует отметить в качестве справки, что предыдущие выпуски автомобилей Legacy оснащались вторичным т\компрессором, также оборудованным клапаном «Wastegate».
| Первичный турбокомпрессор (Primary turbocharger) | Вторичный турбокомпрессор (Secondary turbocharger) | |
| Производитель | IHI | IHI |
| Тип | VF33 | VF32 |
| Число лопастей колеса компрессора | 6 больших + 6 маленьких | 10 |
| Число лопастей колеса турбины | 9 | 9 |
| Диаметр ротора компрессора | 47мм /35.4мм | 52.5 мм / 36.6 мм |
| Диаметр ротора турбины | 46.5мм / 35.4мм | 46.5мм / 35.4мм |
| Максимальная скорость | 190 000 об/мин | 180 000 об/мин |
| Диафрагма «Вейстгейт» | 17 мм | — |
| Давление срабатывания «Вейстгейт» | 78 кПа | — |
| Точка эффективности | 1900 об/мин при 760 мм рт. ст.(101,3 кПа) | |
| Коэффициент A/R | 11 | 18 |
Турбокомпрессоры расположены следующим образом:
Как изменились двигатели с появлением турбин
История двигателей с турбонаддувом. Автопроизводители старались создавать такие двигатели, чтобы машины ехали быстрее. С течением времени инженеры разрабатывали различные методы достижения этой цели. Пытались увеличить объём силовых агрегатов, увеличивать механические части, применять грубые формы тюнинга для получения максимальной мощности двигателя. Двигатели становились всё больше, тяжелее и менее эффективными. Турбонаддув показался наилучшим способом повышения мощности. Однако этот метод развивался в течение многих лет, прежде чем достиг своей нынешней стадии, и на этом пути возникло множество проблем. С момента получения первого патента прошло почти пять десятилетий, прежде чем турбины стали доступны для серийных автомобилей.
Первые разработки
Сегодня существует два распространённых способа принудительного впрыска: турбонаддув и обычный наддув. Однако на первых порах такого не было, поскольку наддув был единственным способом принудительной индукции. Первый прототип турбодвигателя был создан в 1915 г., но проблемы с надёжностью не позволяли продолжать его разработку ещё почти 10 лет. Впервые турбодвигатель был использован в 1925 году Альфредом Бучи, именно он запатентовал разработку в начале 20-го века. Технология приводила в действие 10-цилиндровый дизельный двигатель, использовавшийся на двух больших пассажирских судах, принадлежавших Министерству транспорта Германии. Компания Daimler-Benz тоже начала производить турбодизельные двигатели для питания крупной техники. В дальнейшем турбонаддув стал применяться в самолётах времён Второй мировой войны. Авиационные двигатели с турбонаддувом позволили устранить потерю мощности на больших высотах из-за недостатка кислорода. Полноценные исследования для использования турбин в автомобильной промышленности начались лишь в 1950-х годах, а первый серийный автомобиль с турбонаддувом появился в 1960-х годах. Первым прототипом турбодизельного грузовика стал MAN MK26, но в производство он пошёл только в 1954 г. под названием MAN 750 TL1. К 1960-м годам спрос на дизельные грузовики возрос, и серийные двигатели стали создаваться известными производителями дизельных двигателей Cummins, Detroit Diesel, Scania и Caterpillar.
© Oldsmobile
Oldsmobile Turbo Jetfire: первый автомобиль с турбонаддувом
Первый серийный бензиновый двигатель с турбонаддувом был выпущен в 1962 г. под названием Oldsmobile Turbo Jetfire. Он представлял собой V-образную восьмёрку с одной турбиной. Автомобиль развивал мощность 215 л.с. Это была турбированная версия двигателя Oldsmobile rocket V8, который выпускался с 1949 года. Но внутри компании этот двигатель получил название «турбо-ракета».
Неизвестно, кто первым создал турбированный двигатель для серийных машин, но спустя всего лишь месяц Chevrolet выпустил свой автомобиль с турбонаддувом. Это был Flat-6, известный, который использовался в Chevrolet Corvair Monza spyder. Chevrolet выпускал свой автомобиль до 1966 г., а Oldsmobile снял Jetfire с производства в 1963 г. из-за проблем с надёжностью.
Распространение технологии в 70-х гг.
Вплоть до 70-х гг. существовало всего два серийных автомобиля с турбонаддувом. А затем появились спортивные модели и даже машины люкс-класса. В 1973 году BMW выпустил 2002 Turbo, а в 1974 году появился Porsche 911 Turbo. К названию каждого автомобиля прилагалось слово, означающее, что автомобиль оснащён турбиной, поскольку в то время такие автомобили не были распространены и стоили дорого. В 1978 г. впервые турбина появилась на серийном дизельном автомобиле. Им стал седан W116 Mercedes Benz 300SD. Он оснащался рядным пятицилиндровым турбодизельным двигателем. Первоначально этот силовой агрегат был прототипом экспериментального автомобиля Mercedes C111 1976 года. Машина продавалась только в Америке и Японии. Через год французская компания Peugeot выпустила модель 604 D Turbo, которая стала первым автомобилем с турбодизелем, который продавался на территории Европы.
Первые проблемы
Ранние турбины полагались на выхлопные газы для подачи воздуха. Поэтому одной из первых проблем стала задержка, с которой подавалась мощность. Чем крупнее была турбина, тем дольше приходилось ждать между нажатием на педаль газа и ощущением ускорения. В этом вопросе безнаддувные двигатели и моторы с обычным наддувом выигрывали у турбин, так как они реагировали мгновенно, соответственно, машина получала большую динамику. Но современные технологии прошли долгий путь и практически устранили любую форму задержки мощности.
Кроме того, турбодвигатели были намного сложнее обычных силовых агрегатов. Нужны дополнительные детали, лучшая система охлаждения, маслопроводы, настройка и многое другое. Поскольку в то время турбины использовались редко, то и их ремонт могли осуществить не все мастера. Вышеупомянутые сложности привели к снижению надёжности самих автомобилей. В двигатель подавалось больше воздуха, что приводило к повышению температуры, и как результат — больший износ компонентов мотора. Стоимость турбированных автомобилей была выше, чем у обычных моделей. И это означало, что за владение ими приходилось платить больше. Автомобили с турбонаддувом были дорогими как в производстве, так и в обслуживании. Детали изнашивались быстрее, а интервалы технического обслуживания стали короче. С годами технология претерпела различные изменения и стала более эффективной и надёжной.
Как технология стала популярной
В 1980-х годах появилось много новых автомобилей с турбонаддувом, особенно японских спортивных моделей различных конфигураций. Эти автомобили были построены по самым высоким стандартам, и добавление турбонаддува — это всё, что им требовалось, чтобы стать быстрее конкурентов. Это привело к созданию одних из самых надёжных двигателей современной эпохи. Другие производители взяли на заметку и изучили компоновку силовых агрегатов, что повлияло на будущее массовое применение технологии. Сегодня практически каждый автомобиль с ДВС оснащён турбиной — от трёхцилиндровых однотурбинных экономичных машин до многоцилиндровых экзотических гиперкаров.