Twin Turbo sistem s turbopolnilnikom
Vsebina
Če je dizelski motor privzeto opremljen s turbino, lahko bencinski motor brez turbopuhala enostavno. Kljub temu v sodobni avtomobilski industriji turbopolnilnik za avto ne velja več za eksotiko (podrobno je opisano, za kakšen mehanizem gre in kako deluje, je opisano v drugem članku).
V opisu nekaterih novih modelov avtomobilov je omenjena stvar, kot sta biturbo ali twin turbo. Poglejmo, za kakšen sistem gre, kako deluje, kako je kompresorje v njem mogoče priključiti. Na koncu pregleda bomo razpravljali o prednostih in slabostih twin turbo.
Kaj je Twin Turbo?
Začnimo s terminologijo. Besedna zveza biturbo bo vedno pomenila, da je, prvič, to tip motorja s turbopolnilnikom, in drugič, shema prisilnega vbrizgavanja zraka v valje bo vključevala dve turbini. Razlika med biturbo in twin-turbo je v tem, da se v prvem primeru uporabljata dve različni turbini, v drugem pa sta enaki. Zakaj - to bomo ugotovili malo kasneje.
Želja po vrhunski dirkalni konkurenci je proizvajalce avtomobilov poiskala, kako izboljšati delovanje standardnega motorja z notranjim zgorevanjem brez drastičnih posegov v njegovo zasnovo. In najučinkovitejša rešitev je bila uvedba dodatnega ventilatorja za zrak, zaradi česar večja prostornina vstopi v jeklenke, učinkovitost enote pa se poveča.
Tisti, ki so vsaj enkrat v življenju vozili avtomobil s turbinskim motorjem, so opazili, da dokler se motor ne zavrti do določene hitrosti, je dinamika takšnega avtomobila, milo rečeno, počasna. Toda takoj, ko začne turbo delovati, se odzivnost motorja poveča, kot da bi dušikov oksid vstopil v jeklenke.
Vztrajnost takšnih naprav je inženirje spodbudila k razmišljanju o ustvarjanju nove modifikacije turbin. Sprva je bil namen teh mehanizmov ravno odprava tega negativnega učinka, ki je vplival na učinkovitost sesalnega sistema (preberite več o tem v drugem pregledu).
Sčasoma se je začelo uporabljati turbo polnjenje, da bi zmanjšali porabo goriva, a hkrati povečali zmogljivost motorja z notranjim zgorevanjem. Namestitev vam omogoča razširitev območja navora. Klasična turbina poveča hitrost pretoka zraka. Zaradi tega v valj vstopi večja prostornina kot pri sesalnem in količina goriva se hkrati ne spremeni.
Zaradi tega postopka se kompresija poveča, kar je eden ključnih parametrov, ki vpliva na moč motorja (kako ga izmeriti, preberite tukaj). Ljubitelji tuninga avtomobilov sčasoma niso bili več zadovoljni s tovarniško opremo, zato so podjetja za modernizacijo športnih avtomobilov začela uporabljati različne mehanizme, ki vbrizgavajo zrak v jeklenke. Zahvaljujoč uvedbi dodatnega tlačnega sistema so strokovnjaki uspeli razširiti potencial motorjev.
Kot nadaljnji razvoj turbo motorjev se je pojavil sistem Twin Turbo. V primerjavi s klasično turbino vam ta namestitev omogoča, da iz motorja z notranjim zgorevanjem odvzamete še več moči, za navdušence nad samodejnim uglaševanjem pa nudi dodaten potencial za nadgradnjo svojega vozila.
Kako deluje twin turbo?
Konvencionalni atmosferski motor deluje po principu vlečenja svežega zraka s pomočjo vakuuma, ki ga tvorijo bati v sesalnem kanalu. Ko se pretok premika po poti, vanj vstopi majhna količina bencina (pri bencinskem motorju z notranjim zgorevanjem), če gre za uplinjač ali se zaradi vbrizgavanja vbrizga gorivo (preberite več o tem, kaj vrste prisilne oskrbe z gorivom).
Stiskanje v takem motorju je neposredno odvisno od parametrov ojnic, prostornine valja itd. Kot pri običajni turbini, ki deluje na pretok izpušnih plinov, njen rotor poveča zrak, ki vstopa v jeklenke. To poveča učinkovitost motorja, saj se med zgorevanjem mešanice zrak-gorivo sprosti več energije in poveča navor.
Twin turbo deluje na podoben način. Le v tem sistemu se med vrtenjem turbinskega rotorja odpravi učinek "premišljenosti" motorja. To dosežemo z namestitvijo dodatnega mehanizma. Majhen kompresor pospeši pospeševanje turbine. Ko voznik pritisne na stopalko za plin, tak avto pospeši hitreje, saj se motor skoraj v trenutku odzove na voznikovo dejanje.
Omeniti velja, da ima lahko drugi mehanizem v tem sistemu drugačen načrt in delovanje. V naprednejši različici se manjša turbina zavrti z nižjim pretokom izpušnih plinov, s čimer se poveča dotok pri nižjih hitrostih, motorja z notranjim zgorevanjem pa ni treba vrteti do konca.
Tak sistem bo deloval po naslednji shemi. Ko motor zažene, medtem ko avto miruje, naprava deluje v prostem teku. V sesalnem kanalu se zaradi vakuuma v jeklenkah tvori naravno gibanje svežega zraka. Ta postopek olajša majhna turbina, ki se začne vrteti pri nizkih vrtljajih. Ta element zagotavlja rahlo povečanje oprijema.
Ko se vrtljaji motorne gredi dvignejo, izpušni plini postanejo intenzivnejši. Takrat se manjši polnilnik močneje zavrti in odvečni pretok izpušnih plinov začne vplivati na glavno enoto. S povečanjem hitrosti tekača zaradi večjega potiska povečana količina zraka vstopi v sesalni kanal.
Dvojno pospeševanje odpravlja močan premik moči, ki je prisoten pri klasičnih dizlih. Pri srednji hitrosti motorja z notranjim zgorevanjem, ko se velika turbina šele začne vrteti, mali polnilnik doseže največjo hitrost. Ko v valj vstopi več zraka, se izpušni tlak poveča, kar poganja glavni polnilnik. Ta način odpravlja opazno razliko med navorom največje vrtilne frekvence motorja in vključitvijo turbine.
Ko motor z notranjim zgorevanjem doseže največjo hitrost, kompresor doseže tudi mejno vrednost. Zasnova z dvojnim ojačevalnikom je zasnovana tako, da vključitev velikega polnilnika preprečuje, da bi manjši kolega preobremenil preobremenitev.
Dvojni avtomobilski kompresor zagotavlja tlak v sesalnem sistemu, ki ga ni mogoče doseči z običajnim polnjenjem. Pri motorjih s klasičnimi turbinami vedno pride do turbo zaostanka (opazna razlika v moči pogonske enote med doseganjem največje hitrosti in vklopom turbine). Priključitev manjšega kompresorja odpravi ta učinek in zagotavlja nemoteno dinamiko motorja.
Pri dvojnem turbopolnilniku, navoru in moči (preberite o razliki med temi koncepti v drugem članku) pogonske enote se razvije v širšem območju vrtljajev kot pri podobnem motorju z enim polnilnikom.
Vrste shem polnjenja z dvema turbopuhaloma
Torej, teorija delovanja turbopolnilnikov je dokazala svojo praktičnost za varno povečanje moči pogonske enote brez spreminjanja zasnove samega motorja. Iz tega razloga so inženirji iz različnih podjetij razvili tri učinkovite vrste twin turbo. Vsak tip sistema bo urejen po svoje in bo imel nekoliko drugačen princip delovanja.
Danes so v avtomobile nameščeni naslednji tipi sistemov z dvojnim turbopolnilnikom:
- Vzporedno;
- Dosleden;
- Stopničasto.
Vsak tip se razlikuje po diagramu priključitve puhal, njihovih velikostih, trenutku, ko bo vsak od njih obratoval, pa tudi značilnostih postopka tlačenja. Razmislimo o vsaki vrsti sistema posebej.
Diagram vzporedne povezave turbine
V večini primerov se pri motorjih z zasnovo valjastega bloka v obliki črke V uporablja vzporedna vrsta turbopolnilnika. Naprava takega sistema je naslednja. Za vsak odsek valja je potrebna ena turbina. Imajo enake dimenzije in potekajo tudi vzporedno drug z drugim.
Izpušni plini se enakomerno porazdelijo v izpušni trakt in v enakih količinah potujejo do vsakega turbopuhala. Ti mehanizmi delujejo na enak način kot pri vrstnem motorju z eno turbino. Razlika je le v tem, da ima ta tip biturba dva enaka polnilnika, vendar se zrak iz vsakega od njih ne porazdeli po odsekih, temveč se nenehno vbrizga v skupni kanal sesalnega sistema.
Če primerjamo takšno shemo z enim turbinskim sistemom v linijski pogonski enoti, potem je v tem primeru dvojna turbo zasnova sestavljena iz dveh manjših turbin. To zahteva manj energije za vrtenje rotorjev. Iz tega razloga so polnilniki povezani z nižjo hitrostjo kot ena velika turbina (manjša vztrajnost).
Ta ureditev odpravlja nastanek tako ostrega turbo zamika, ki se pojavlja pri običajnih motorjih z notranjim zgorevanjem z enim polnilnikom.
Zaporedna vključitev
Serija Biturbo ponuja tudi namestitev dveh enakih puhal. Le njihovo delo je drugačno. Prvi mehanizem v takšnem sistemu bo deloval trajno. Druga naprava je priključena le v določenem načinu delovanja motorja (ko se poveča njegova obremenitev ali poveča hitrost ročične gredi).
Nadzor v takem sistemu zagotavlja elektronika ali ventili, ki reagirajo na tlak tekočega toka. ECU v skladu s programiranimi algoritmi določi, kdaj priključiti drugi kompresor. Njegov pogon je zagotovljen brez vklopa posameznega motorja (mehanizem še vedno deluje izključno na tlak toka izpušnih plinov). Krmilna enota aktivira pogone sistema, ki nadzoruje gibanje izpušnih plinov. Za to se uporabljajo električni ventili (v enostavnejših sistemih so to navadni ventili, ki reagirajo na fizično silo tekočega toka), ki odpirajo / zapirajo dostop do drugega puhala.
Ko krmilna enota popolnoma odpre dostop do tekača druge prestave, obe napravi delujeta vzporedno. Zaradi tega se ta sprememba imenuje tudi zaporedno vzporedna. Delovanje obeh puhalnikov omogoča ureditev večjega tlaka vhodnega zraka, saj sta njuna dovodna rotorja povezana z enim dovodnim traktom.
V tem primeru so nameščeni tudi manjši kompresorji kot v običajnem sistemu. S tem se tudi zmanjša učinek turbo-zaostanka in omogoči največji navor pri nižjih vrtljajih motorja.
Ta vrsta biturba je nameščena tako na dizelske kot na bencinske pogone. Zasnova sistema vam omogoča, da namestite ne dva, ampak tri zaporedno povezane kompresorje. Primer takšne spremembe je razvoj BMW (Triple Turbo), ki je bil predstavljen leta 2011.
Koračna shema
Postopen sistem dvojnega pomikanja velja za najnaprednejšo vrsto dvojnega turbopolnilnika. Kljub temu, da obstaja od leta 2004, je dvostopenjski tip polnjenja najbolj tehnično dokazal svojo učinkovitost. Ta Twin Turbo je nameščen na nekaterih vrstah dizelskih motorjev, ki jih je razvil Opel. Stopničasti polnilnik Borg Wagner Turbo Sistems je nameščen na nekatere motorje z notranjim zgorevanjem BMW in Cummins.
Shema turbopuhala je sestavljena iz dveh različno velikih kompresorjev. Nameščeni so zaporedno. Pretok izpušnih plinov nadzorujejo elektroventili, katerih delovanje je elektronsko krmiljeno (obstajajo tudi mehanski ventili, ki jih poganja tlak). Poleg tega je sistem opremljen z ventili, ki spreminjajo smer iztočnega toka. Tako boste lahko aktivirali drugo turbino in izklopili prvo, da ne bo odpovedala.
Sistem ima naslednje načelo delovanja. V izpušnem kolektorju je nameščen obvodni ventil, ki prekine pretok iz cevi, ki gre v glavno turbino. Ko motor deluje pri nizkih vrtljajih, je ta veja zaprta. Posledično izpuh prehaja skozi majhno turbino. Zaradi minimalne vztrajnosti ta mehanizem zagotavlja dodatno količino zraka tudi pri majhnih obremenitvah z ledom.
Nato se tok premakne skozi glavno rotorje turbine. Ker se njegova rezila začnejo vrteti pri višjem tlaku, dokler motor ne doseže srednje hitrosti, ostane drugi mehanizem negiben.
V sesalnem kanalu je tudi obvodni ventil. Pri nizkih hitrostih je zaprt in pretok zraka gre praktično brez vbrizgavanja. Ko voznik stopnjuje motor, se majhna turbina močneje vrti in poveča tlak v sesalnem kanalu. To pa poveča tlak v izpušnih plinih. Ko tlak v izpušni cevi postane močnejši, se zapornica nekoliko odpre, tako da se majhna turbina še naprej vrti in del pretoka usmeri v veliko puhalo.
Postopoma se začne velika puhala vrteti. Ko se hitrost motorne gredi poveča, se ta proces stopnjuje, zaradi česar se ventil bolj odpre in kompresor v večji meri zavrti.
Ko motor z notranjim zgorevanjem doseže srednjo hitrost, majhna turbina deluje že največ, glavni polnilnik pa se je ravno začel vrteti, vendar ni dosegel svojega maksimuma. Med delovanjem prve stopnje izpušni plini gredo skozi rotor majhnega mehanizma (medtem ko se njegovi noži vrtijo v sesalnem sistemu) in se skozi lopatice glavnega kompresorja odstranijo v katalizator. Na tej stopnji se zrak vsesa skozi rotor velikega kompresorja in preide skozi vrtečo se manjšo prestavo.
Na koncu prve stopnje se zaporni pokrov popolnoma odpre in pretok izpušnih plinov je že v celoti usmerjen na glavno pogonsko kolo. Ta mehanizem se močneje zavrti. Obvodni sistem je nastavljen tako, da je majhna puhala v tej fazi popolnoma izključena. Razlog je v tem, da ko doseže srednjo in največjo hitrost velike turbine, ustvari tako močno glavo, da ji prva stopnja preprosto prepreči pravilen vstop v valje.
V drugi fazi tlaka izpušni plini prehajajo mimo majhnega rotorja, dovodni tok pa je usmerjen okoli majhnega mehanizma - neposredno v cilindre. Zahvaljujoč temu sistemu so proizvajalci avtomobilov uspeli odpraviti veliko razliko med visokim navorom pri minimalnih vrtljajih in največjo močjo pri doseganju največje hitrosti motorne gredi. Ta učinek je stalni spremljevalec katerega koli običajnega dizelskega motorja s polnjenjem.
Prednosti in slabosti dvojnega turbo polnjenja
Biturbo je redko nameščen na motorjih z majhno močjo. V bistvu je to oprema, na katero se zanašajo močni stroji. Le v tem primeru je možno vzeti indikator optimalnega navora že pri nižjih vrtljajih. Tudi majhne dimenzije motorja z notranjim zgorevanjem niso ovira za povečanje moči agregata. Zahvaljujoč dvojnemu turbopolnilniku je dosežena spodobna poraba goriva v primerjavi z naravnim zrakom, ki razvija enako moč.
Po eni strani je koristna oprema, ki stabilizira glavne procese ali poveča njihovo učinkovitost. Toda po drugi strani takšni mehanizmi niso brez dodatnih slabosti. In dvojno turbo polnjenje ni nobena izjema. Takšen sistem nima le pozitivnih vidikov, ampak ima tudi nekaj resnih pomanjkljivosti, zaradi katerih nekateri vozniki nočejo kupiti takšnih avtomobilov.
Najprej razmislite o prednostih sistema:
- Glavna prednost sistema je odprava zaostajanja turbo, kar je značilno za vse motorje z notranjim zgorevanjem, opremljene s konvencionalno turbino;
- Motor lažje preklopi v način moči;
- Razlika med največjim navorom in močjo se bistveno zmanjša, saj s povečanjem zračnega tlaka v sesalnem sistemu ostane večina newtonov na voljo v širšem območju vrtljajev motorja;
- Zmanjša porabo goriva, potrebno za doseganje največje moči;
- Ker je dodatna dinamika avtomobila na voljo pri nižjih vrtljajih motorja, ga vozniku ni treba toliko zavrteti;
- Z zmanjšanjem obremenitve motorja z notranjim zgorevanjem se zmanjša obraba maziv in hladilni sistem ne deluje v povečanem načinu;
- Izpušni plini se ne odvajajo preprosto v ozračje, ampak energijo tega postopka koristno porabimo.
Zdaj pa bodimo pozorni na ključne slabosti twin turbo:
- Glavna pomanjkljivost je zapletenost zasnove sesalnega in izpušnega sistema. To še posebej velja za nove sistemske spremembe;
- Isti dejavnik vpliva na stroške in vzdrževanje sistema - bolj kot je mehanizem bolj zapleten, dražja so njegova popravila in prilagoditve;
- Druga pomanjkljivost je prav tako povezana s kompleksnostjo zasnove sistema. Ker so sestavljeni iz velikega števila dodatnih delov, je tudi več vozlišč, v katerih lahko pride do zloma.
Ločeno je treba omeniti podnebje območja, v katerem deluje turbinski stroj. Ker se rotor polnilnika včasih vrti nad 10 tisoč vrtljajev na minuto, potrebuje visokokakovostno mazanje. Ko avto ostane čez noč, gre maščoba v zbiralnik, zato večina delov agregata, vključno s turbino, postane suha.
Če motor zaženete zjutraj in ga upravljate z dostojnimi obremenitvami brez predhodnega ogrevanja, lahko uničite polnilnik. Razlog je v tem, da suho trenje pospeši obrabo drgnjenih delov. Da bi odpravili to težavo, preden motor pripeljete do visokih vrtljajev, morate malo počakati, da se olje prečrpa skozi celoten sistem in doseže najbolj oddaljena vozlišča.
Poleti vam za to ni treba porabiti veliko časa. V tem primeru ima olje v zbiralniku dovolj tekočine, da ga lahko črpalka hitro prečrpa. Toda pozimi, zlasti ob hudi zmrzali, tega dejavnika ni mogoče prezreti. Bolje je, da nekaj minut ogrejete sistem, kot da po kratkem času vržete spodoben znesek za nakup nove turbine. Poleg tega je treba omeniti, da se zaradi stalnega stika z izpušnimi plini rotor puhal lahko segreje do tisoč stopinj.
Če mehanizem ni deležen ustreznega mazanja, ki vzporedno opravlja funkcijo hlajenja naprave, se njegovi deli med seboj posušijo. Odsotnost oljnega filma bo povzročila močno povečanje temperature delov, kar jim bo omogočilo termično raztezanje in posledično pospešeno obrabo.
Za zagotovitev zanesljivega delovanja dvojnega turbopuhala sledite istim postopkom kot pri običajnih turbopuhalih. Najprej je treba pravočasno zamenjati olje, ki se uporablja ne samo za mazanje, temveč tudi za hlajenje turbin (o postopku zamenjave maziva je naša spletna stran ločen članek).
Drugič, ker so rotorji puhal v neposrednem stiku z izpušnimi plini, mora biti kakovost goriva visoka. Zahvaljujoč temu se na lopaticah ne bodo kopičile usedline ogljika, kar ovira prosto vrtenje rotorja.
Za zaključek vam ponujamo kratek video o različnih modifikacijah turbin in njihovih razlikah:
Vprašanja in odgovori:
Kaj je boljše bi turbo ali twin turbo? To so sistemi za turbopolnilnik motorja. Pri motorjih z biturbo je turbo zamik zglajen in dinamika pospeševanja izravnana. V sistemu twin-turbo se ti dejavniki ne spremenijo, poveča pa se zmogljivost motorja z notranjim zgorevanjem.
Kakšna je razlika med bi-turbo in twin-turbo? Biturbo je serijsko povezan turbinski sistem. Zahvaljujoč njihovemu zaporednemu vključevanju se turbo luknja med pospeševanjem odstrani. Dvojni turbo sta samo dve turbini za povečanje moči.
Zakaj potrebujete dvojni turbo? Dve turbini zagotavljata večjo količino zraka v valj. Zaradi tega se med zgorevanjem BTC poveča odboj – v istem cilindru se stisne več zraka.
