twin turbo что это такое
Что такое BiTurbo и TwinTurbo. Устройство и принцип работы.
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.
Спасибо за внимание ставьте лайки и подписывайтесь у меня много интересного!Надеюсь вам будет полезно!
BI-TURBO И TWIN-TURBO – В ЧЕМ РАЗНИЦА?
В последние годы автомобильные компании все чаще начинают применять в своих моторах системы турбонаддува. Таким образом они компенсируют тенденцию к уменьшению рабочего объема и, как следствие, падения мощности. Но если раньше в двигателях использовали только одну турбину, то сейчас их может быть несколько. Давайте разберемся, что скрывается за загадочными терминами «bi-turbo» и «twin-turbo»?
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ТРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМЫ НАГНЕТАНИЯ ВОЗДУХА:
резонансный;
механический;
газодинамический.
Главным преимуществом подобной системы является отсутствие потерь мощности, связанных с отниманием части энергии от двигателя. Главным же её недостатком можно считать так называемый эффект «турбоямы».
Использование систем bi-turbo и Тwin-turbo позволяет практически полностью забыть о понятии турбоямы. С теоретической частью надувных систем мы разобрались, теперь нам нужно понять, для чего в таких системах используется второй турбокомпрессор.
Наиболее оправданно применение такой системы на V-образных двигателях, которые, как правило, имею большие рабочие объемы. На каждый блок такого мотора приходится по одному турбокомпрессору, и как следствие, каждая из турбин получает свой поток выхлопных газов. Параллельную установку турбин наиболее широко используют британские и немецкие производители автомобилей. Компания BMW, которая долгое время упорно отказывалась строить наддувные моторы, решила наверстать упущенное и устанавливает такую систему даже на свои рядные двигатели.
Система Twin Turbo Subaru
Долго искал более менее толковую литературу про работу данной системы турбонаддува. Кое что нашлось.
Принцип функционирования 2х ступенчатого наддува Twin turbo (Subaru Legacy)
(1999-2002 годов выпуска).
1. 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.
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.
2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА (описание).
2.1 Общие положения. 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.
2.2 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 Легаси оснащались вторичным т/компрессором, также оборудованным клапаном «Wastegate».
2.3. Расположение компонентов.
2.4. Сборка управляющих соленоидов.
1. Differential pressure sensor (Датчик разности давлений).
2. Supercharged pressure relief valve (Перепускной (разгрузочный) клапан давления наддува).
3. Intake air control valve actuator (Привод клапана управления входящим воздухом).
4. Exhaust gas supply control valve actuator (Привод клапана управления потоком выпускных газов).
5. Supercharged pressure relief valve solenoid №1 (Соленоид №1 перепускного (разгрузочного) клапана).
6. Supercharged pressure relief valve solenoid №2 (Соленоид №2 перепускного (разгрузочного) клапана).
7. Intake air control valve solenoid (Соленоид клапана управления входящим воздухом).
8. Exhaust gas control solenoid (possitive pressure) (Соленоид управления потоком выпускных газов)
9. Exhaust gas control solenoid (negative pressure) (Соленоид управления потоком выпускных газов).
10. Vacuum tank (Аккумулятор вакуума).
11. Check valve (Контрольный клапан — «вакуумный диод»).
12. Exhaust gas control duty solenoid (Дозирующий соленоид управления потоком выпускных газов).
13. Air bypass valve (Преддроссельный клапан перепуска воздуха).
14. Wastegate duty solenoid (Дозирующий соленоид управления клапаном «Вейстгейт»).
15. Wastegate valve (Клапан «Вейстгейт»).
3. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ (описание).
3.1. Клапан «Вейстгейт» (Wategate valve). Назначение клапана «Вейстгейт» — это защита двигателя путём принудительного уменьшения давления наддува в случаях, когда т\компрессор(ы) обеспечивает избыточный наддув, выше установленных норм. Скорость вращения турбины пропорциональна оборотам двигателя, следовательно, с ростом числа оборотов возникает риск избыточного наддува, способного повредить механизмы двигателя. Управление клапаном «Вейстгейт» позволяет контролировать количество выпускных газов, вращающих турбину путём их частичного перепуска в обход турбины в выхлопной тракт. Таким образом, предотвращается рост давления наддува по достижении расчётного максимального.
Клапан Wastegate соединён рычагом с актуатором. Внутри актуатор разделён диафрагмой на две камеры. Одна камера сообщается с атмосферой, а ко второй камере подводиться дозируемое ЭСУД (ECU) положительное давление наддува. Также в камеру с подводом атмосферного давления установлена пружина, осуществляющая дополнительное давление на диафрагму со стороны этой камеры (против положительного давления наддува, подводимого с противоположной стороны диафрагмы). Открытие и закрытие клапана Wastegate определяется балансом сил, действующих на диафрагму актуатора. С одной стороны диафрагмы сумма сил пружины и атмосферного давления, с другой стороны, дозируемое ЭСУД посредством управляющего соленоида (Wastegate duty solenoid), положительное давление наддува. Таким образом можно задать порог критического наддува, по достижении которого, за счёт перепуска \части\ выхлопных газов в обход турбины, произойдет остановка роста давления наддува и\или его спад.
В случае, когда положительное давление, подводимое к камере актуатора, превысит сумму атмосферного давления и давления пружины с противоположной стороны диафрагмы, диафрагма сдвинется и через рычаг приведёт в действие клапан Wastegate, начнётся перепуск газов в обход турбины. Разность подводимых давлений воздействующих на диафрагму может поддерживаеться постоянной (сжимая в той или иной степени пружину актуатора) столько, сколько нужно, путём дозирования подводимого к актуатору положительного давления, что удерживает клапан Wastegate в положении перепуска выхлопных газов. Система нормально работает для расчёта максимально допустимого давления наддува и в высокогорных районах с пониженным атмосферным давлением.
3.2. Клапан управления потоком выхлопных газов вторичного турбокомпрессора. Назначение клапана управления потоком выхлопных газов (Exhaust gas supply control valve) это управление подводимыми к турбине вторичного т\компрессора выхлопными газами двигателя. Количество подводимых газов (иными словами угол открытия клапана) меняется, как будет рассказано далее, в соответствие с условиями текущего режима двигателя. В режиме работы только первичного т\компрессора управляющий клапан закрыт, и вторичный т\компрессор обездвижен. Поступление воздуха обеспечивается только через тракт первичного т\компрессора.
3.3. Перепускной (разгрузочный) клапан давления наддува (Supercharged pressure relief valve).
3.4 Клапан управления впускным воздухом (Intake air control valve).
3.5. Преддроссельный клапан перепуска воздуха (Air bypass valve).
3.6. Датчик разности давлений (Differential pressure sensor).
3.7. Аккумулятор вакуума (Vacuum tank). Аккумулятор вакуума хранит разрежение (относительное отрицательное давление) для оперирования некоторыми исполнительными механизмами, участвующими в реализации алгоритмов наддува. Воздух в аккумуляторе откачивается через контрольный клапан (Check valve) в то время, когда во впускном тракте наличествует разрежение, соответственно, разрежение устанавливается в аккумуляторе. Когда давление во впускном коллекторе возрастает и превышает давление в аккумуляторе, контрольный клапан закрывается (можно говорить о нём как о «вакуумном диоде»), сохраняя необходимое разрежение в аккумуляторе. Разрежение в аккумуляторе используется для как управляющее давление для актуатора клапана управления выпускными газами 2го турбокомпрессора, перепускного (разгрузочного) клапана наддува и клапана управления впускным воздухом.
4. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ.
4.1. Общий упрощённый алгоритм работы Twin turbo. Двух ступенчатая система наддува, оборудованная двумя т\компрессорами, на низких оборотах двигателя использует только первичный т\компрессор, что уменьшает возможность провала (лага) в сравнении с режимом наддува двумя т\компрессорами в сравнении с системами наддува, оборудованными одним большим т\компрессором. По мере роста оборотов двигателя, алгоритм управления наддувом активирует вторичный т\компрессор, включая его в систему наддува, чем повышает его (наддува) эффективность. Контрольной точкой такой системы является переключение с режима обеспечения наддува одной турбиной к режиму обеспечения наддува двумя турбинами, и обратно.
Режим наддува первичным т\компрессором (Single range). В этом режиме наддув обеспечивается только первичным (Primary turbocharger) т\компрессором. Управление давлением наддува осуществляется посредством управляющего актуатором соленоида (Wastegate duty solenoid). Алгоритм работы управляющего соленоида заложен в ЭСУД. ЭСУД, руководствуясь полученными с различных датчиков показаниями, определяет состояние системы наддува и на основании этих показаний открывает и закрывает клапан «Вейстгейт», тем самым ограничивая давление наддува. Этому режиму соответствует на приведённом графике область, обозначенная «ЗОНА А» и «ЗОНА В».
Режим наддува двумя т\компрессорами (Twin range). В этом режиме наддув обеспечивается двумя т\компрессорами. Контроль за давлением наддува осуществляется посредством управления клапаном «Вейстгейт». Этому режиму соответствует на приведённом графике область, обозначенная «ЗОНА С».
Режим предварительного запуска вторичного т\компрессора (Preparatory rotation). Когда множество контрольных значений системы наддува (обороты двигателя, давление во впускном коллекторе, угол открытия дроссельной заслонки и пр.) удовлетворяют необходимым условиям, клапан управления выхлопными газами вторичного т\компрессора приоткрывается и вторичный т\компрессор начинает вращаться. В этом режиме контроль за давлением наддува осуществляется контролем клапана управления потоком выхлопных газов вторичного т\компрессора (Управление клапаном «Вейстгейт» для контроля давления наддува останавливается). Этому режиму соответствует на приведённом графике область, обозначенная «ЗОНА В» лежащая в границах переключения Single->Twin и Twin->Single.
Переход к режиму наддува обоими т\компрессорами.
Когда достигнуты все необходимые условия для переключения в режим обеспечения наддува двумя т\компрессорами, перепускной клапан давления наддува (Supercharging pressure relief valve), закрывается, а клапан управления потоком выпускных газов открывается — эти два события вызывают рост давления наддува, производимого вторичным турбокомпрессором. Датчик разности давлений, по мере достижения давлением наддува, генерируемым вторичным т\компрессором давления наддува от первичного т\компрессора, посылает сигнал ЭСУД. ЭСУД получив информацию о равенстве давлений наддува первичного и вторичного компрессоров, открывает клапан управления впускным воздухом (Intake air valve). Таким образом в промежуточный охладитель нагнетается воздух обоими турбокомпрессорами. Этому моменту (открытие Intake air valve) соответствует кривая переключения Single->Twin на приведённом графике.
4.2. Переключения между режимами. Режим наддува первичным т\компрессором — Single range (низкие обороты двигателя). На низких оборотах двигателя клапан управления выхлопными газами вторичного т\компрессора (Exhaust gas supply control valve) закрыт:
Выхлопные газы поступают только к первичному т\компрессору, приводя его во вращение. Нагнетание воздуха осуществляется только первичным т\компрессором.
Регулировка давления наддува осуществляется клапаном «Вейстгейт», который управляется определённой формой сигналами, подводимыми к соленоиду управления актуатора (Wastegate duty solenoid). Управляющий соленоид, дозируя давление наддува, подводимое к камере актуатора, управляет, по сигналам с ЭСУД, углом открытия клапана «Вейстгейт» перепуская часть выхлопных газов в обход турбины.
Режим предварительного запуска (preparatory rotation) вторичного т\компрессора (средние обороты двигателя). По мере роста оборотов двигателя и достижения необходимых условий, ЭСУД посредством управляющих соленоидов приоткрывает клапан управления потоком выпускных газов, подводя их к вторичному т\компрессору и заставляя его вращаться. Всё производимое на этой стадии давление наддува сбрасывается через перепускной клапан наддува (Supercharged pressure relief valve), который также открыт по команде ЭСУД.
Этот подготовительный режим предварительного запуска необходим для обеспечения более гладкого перехода к режиму обеспечения наддува двумя т\компрессорами, то есть, тем самым обеспечивается плавное включение вторичного т\компрессора в схему наддува. В описываемом режиме контроль давления наддува переходит от клапана «Вейстгейт» к клапану управления потоком выпускных газов (Exhaust gas supply control valve).
Выход в режим обеспечения наддува двумя т\компрессорами (завершения режима подготовительного вращения вторичного т\компрессора). Когда обороты и нагрузка двигателя достигают необходимых условий, ЭСУД полностью открывает клапан управления потоком выпускных газов (Exhaust gas supply control valve) и, одновременно, закрывает перепускной (разгрузочный) клапан наддува (Pressure relief valve), начинается рост, генерируемого вторичным т\компрессором давления наддува на участке компрессор-клапан управления входным воздухом (Intake air control valve).
Материал взят с система твин-турбо, там читайте продолжение.
Надеюсь нужная информация. Всем бобра!