Systém přeplňování Twin Turbo
Obsah
Pokud je dieselový motor standardně vybaven turbínou, pak se benzínový motor snadno obejde bez turbodmychadla. Nicméně v moderním automobilovém průmyslu již není turbodmychadlo pro automobil považováno za exotické (podrobně o tom, o jaký mechanismus jde a jak funguje, je popsáno v jiném článku).
V popisu některých nových modelů automobilů je zmíněna například biturbo nebo twin turbo. Zvažme, o jaký systém jde, jak funguje, jak do něj lze připojit kompresory. Na konci recenze probereme klady a zápory dvojitého turba.
Co je Twin Turbo?
Začněme terminologií. Slovní spojení biturbo bude vždy znamenat, že za prvé se jedná o přeplňovaný typ motoru a za druhé schéma nuceného vstřikování vzduchu do válců bude zahrnovat dvě turbíny. Rozdíl mezi biturbo a twin-turbo je ten, že v prvním případě jsou použity dvě různé turbíny a ve druhém jsou stejné. Proč - to zjistíme o něco později.
Touha dosáhnout převahy v závodech přinutila výrobce automobilů hledat způsoby, jak zlepšit výkon standardního spalovacího motoru bez drastických zásahů do jeho konstrukce. A nejúčinnějším řešením bylo zavedení dalšího vzduchového dmychadla, díky kterému do válců vstupuje větší objem a zvyšuje se účinnost jednotky.
Ti, kteří alespoň jednou v životě řídili auto s turbínovým motorem, si všimli, že dokud se motor neroztočí na určitou rychlost, dynamika takového vozu je mírně řečeno pomalá. Jakmile však turbo začne pracovat, zvyšuje se odezva motoru, jako by se do válců dostal oxid dusný.
Setrvačnost takových zařízení přiměla inženýry přemýšlet o vytvoření další úpravy turbín. Účelem těchto mechanismů bylo původně přesně eliminovat tento negativní účinek, který ovlivnil účinnost sacího systému (přečtěte si o tom více v jiné recenzi).
Postupem času se začalo používat přeplňování, aby se snížila spotřeba paliva a zároveň se zvýšil výkon spalovacího motoru. Instalace umožňuje rozšířit rozsah točivého momentu. Klasická turbína zvyšuje rychlost proudění vzduchu. Z tohoto důvodu vstupuje do válce větší objem než nasávaný a množství paliva se nemění.
Díky tomuto procesu se zvyšuje komprese, což je jeden z klíčových parametrů ovlivňujících výkon motoru (jak jej měřit, číst zde). Postupem času už nebyli nadšenci tuningu automobilů spokojeni s továrním vybavením, takže společnosti zabývající se modernizací sportovních automobilů začaly používat různé mechanismy, které vstřikují vzduch do válců. Díky zavedení dalšího systému natlakování se specialistům podařilo rozšířit potenciál motorů.
Jako další vývoj turba pro motory se objevil systém Twin Turbo. Ve srovnání s klasickou turbínou vám tato jednotka umožňuje odebrat ze spalovacího motoru ještě více energie a pro nadšence automatického ladění poskytuje další potenciál pro modernizaci jejich vozidla.
Jak Twin Turbo funguje?
Konvenční atmosférický motor pracuje na principu nasávání čerstvého vzduchu pomocí vakua vytvářeného písty v sacím traktu. Když se tok pohybuje po dráze, vstupuje do něj malé množství benzínu (v případě benzínového motoru), pokud se jedná o karburátorový automobil nebo je vstřikováno palivo v důsledku činnosti vstřikovače (přečtěte si více o tom, co typy nuceného zásobování palivem).
Komprese v takovém motoru přímo závisí na parametrech ojnic, objemu válce atd. Pokud jde o konvenční turbínu, která pracuje na toku výfukových plynů, její oběžné kolo zvyšuje vzduch vstupující do válců. To zvyšuje účinnost motoru, protože během spalování směsi vzduch-palivo se uvolňuje více energie a zvyšuje se točivý moment.
Twin turbo funguje podobným způsobem. Pouze v tomto systému je eliminován účinek „promyšlenosti“ motoru, když se otáčí oběžné kolo turbíny. Toho je dosaženo instalací dalšího mechanismu. Malý kompresor zrychluje zrychlení turbíny. Když řidič sešlápne plynový pedál, takové auto zrychlí rychleji, protože motor téměř okamžitě reaguje na akci řidiče.
Za zmínku stojí, že druhý mechanismus v tomto systému může mít odlišný design a princip fungování. V pokročilejší verzi je menší turbína roztočena s méně silným průtokem výfukových plynů, což zvyšuje přívodní tok při nižších rychlostech a spalovací motor není nutné točit na maximum.
Takový systém bude fungovat následujícím způsobem. Při nastartování motoru a stojícím vozidle pracuje jednotka při volnoběžných otáčkách. V sacím traktu se vytváří přirozený pohyb čerstvého vzduchu díky podtlaku ve válcích. Tento proces usnadňuje malá turbína, která se začne otáčet při nízkých otáčkách. Tento prvek poskytuje mírné zvýšení trakce.
Se stoupajícími otáčkami klikového hřídele se výfuk stává intenzivnějším. V této době se menší kompresor více točí a nadměrný tok výfukových plynů začíná ovlivňovat hlavní jednotku. Se zvýšením rychlosti oběžného kola vstupuje do sacího traktu větší objem vzduchu v důsledku většího tahu.
Dvojitá podpora eliminuje prudký posun výkonu, který je přítomen u klasických dieselových motorů. Při středních otáčkách spalovacího motoru, když se velká turbína právě začíná točit, dosahuje malý kompresor maximálních otáček. Když do válce vstoupí více vzduchu, tlak výfukových plynů se zvýší a bude pohánět hlavní kompresor. Tento režim eliminuje znatelný rozdíl mezi točivým momentem maximálních otáček motoru a začleněním turbíny.
Když spalovací motor dosáhne svých maximálních otáček, dosáhne kompresor také mezní úrovně. Konstrukce s dvojitým zesílením je navržena tak, aby začlenění velkého kompresoru zabránilo přetížení menšího protějšku z přetížení.
Duální automobilový kompresor dodává tlak v sacím systému, kterého nelze dosáhnout konvenčním přeplňováním. U motorů s klasickými turbínami je vždy turbo zpoždění (znatelný rozdíl ve výkonu pohonné jednotky mezi dosažením maximální rychlosti a zapnutím turbíny). Připojení menšího kompresoru tento efekt eliminuje a zajišťuje hladkou dynamiku motoru.
U dvojitého přeplňování, točivého momentu a výkonu (přečtěte si o rozdílech mezi těmito koncepcemi v jiném článku) pohonné jednotky se vyvíjí v širším rozsahu otáček než u podobného motoru s jedním kompresorem.
Typy schémat přeplňování dvěma turbodmychadly
Teorie provozu turbodmychadel tedy prokázala svou praktičnost pro bezpečné zvýšení výkonu pohonné jednotky beze změny konstrukce samotného motoru. Z tohoto důvodu vyvinuli inženýři z různých společností tři efektivní typy twin turba. Každý typ systému bude uspořádán svým vlastním způsobem a bude mít mírně odlišný princip fungování.
Dnes je do automobilů instalován následující typ systémů s dvojitým přeplňováním:
- Paralelní;
- Důsledné;
- Ustoupil.
Každý typ se liší v připojovacím schématu dmychadel, jejich velikostech, okamžiku, kdy bude každý z nich uveden do provozu, a charakteristikách procesu natlakování. Zvažme každý typ systému zvlášť.
Schéma připojení paralelní turbíny
Ve většině případů se u motorů s blokovým blokem válců ve tvaru písmene V používá paralelní typ přeplňování. Zařízení takového systému je následující. Pro každou část válce je zapotřebí jedna turbína. Mají stejné rozměry a také běží navzájem paralelně.
Výfukové plyny jsou rovnoměrně rozloženy ve výfukovém traktu a do každého turbodmychadla jdou ve stejném množství. Tyto mechanismy fungují stejným způsobem jako v případě řadového motoru s jednou turbínou. Jediný rozdíl je v tom, že tento typ biturba má dva identické dmychadla, ale vzduch z každého z nich není distribuován po sekcích, ale je neustále vstřikován do společného traktu sacího systému.
Porovnáme-li takové schéma s jediným turbínovým systémem v řadové energetické jednotce, pak v tomto případě sestava twin turbo sestává ze dvou menších turbín. To vyžaduje méně energie k otáčení oběžných kol. Z tohoto důvodu jsou kompresory připojeny při nižší rychlosti než jedna velká turbína (menší setrvačnost).
Toto uspořádání eliminuje vznik tak ostrého zpoždění turba, ke kterému dochází u konvenčních spalovacích motorů s jedním kompresorem.
Sekvenční zařazení
Série Biturbo také umožňuje instalaci dvou identických dmychadel. Pouze jejich práce je jiná. První mechanismus v takovém systému bude fungovat trvale. Druhé zařízení je připojeno pouze v určitém režimu provozu motoru (při zvýšení jeho zatížení nebo zvýšení otáček klikového hřídele).
Ovládání v takovém systému zajišťuje elektronika nebo ventily, které reagují na tlak procházejícího proudu. ECU v souladu s naprogramovanými algoritmy určuje, v jakém okamžiku připojit druhý kompresor. Jeho pohon je zajištěn bez zapnutí samostatného motoru (mechanismus stále pracuje výhradně na tlaku proudu výfukových plynů). Řídicí jednotka aktivuje akční členy systému, který řídí pohyb výfukových plynů. K tomu se používají elektrické ventily (v jednodušších systémech jsou to běžné ventily, které reagují na fyzickou sílu proudícího proudu), které otevírají / zavírají přístup k druhému dmychadlu.
Když řídicí jednotka plně otevře přístup k oběžnému kolu druhého rychlostního stupně, obě zařízení pracují paralelně. Z tohoto důvodu se tato modifikace také nazývá sériově paralelní. Provoz dvou dmychadel umožňuje zajistit větší tlak přiváděného vzduchu, protože jejich přívodní oběžná kola jsou připojena k jednomu sacímu traktu.
V tomto případě jsou také instalovány menší kompresory než v konvenčním systému. To také snižuje účinek turbo lag a poskytuje maximální točivý moment při nižších otáčkách motoru.
Tento druh biturba je instalován na naftových i benzínových pohonných jednotkách. Konstrukce systému umožňuje instalovat dokonce ne dva, ale tři kompresory zapojené do série k sobě. Příkladem takové úpravy je vývoj BMW (Triple Turbo), který byl představen v roce 2011.
Krokové schéma
Stupňovaný systém twin-scroll je považován za nejpokročilejší typ přeplňování dvěma turbodmychadly. Navzdory skutečnosti, že existuje od roku 2004, dvoustupňový typ přeplňování prokázal svou účinnost nejvíce technicky. Tento Twin Turbo je instalován na některých typech vznětových motorů vyvinutých společností Opel. Stupňovitý protikus kompresoru Borg Wagner Turbo Sistems je součástí některých spalovacích motorů BMW a Cummins.
Schéma turbodmychadla se skládá ze dvou různě velkých kompresorů. Jsou instalovány postupně. Tok výfukových plynů je řízen elektro-ventily, jejichž provoz je řízen elektronicky (existují také mechanické ventily, které jsou poháněny tlakem). Systém je navíc vybaven ventily, které mění směr výtlačného toku. To umožní aktivovat druhou turbínu a vypnout první, aby nezlyhala.
Systém má následující princip fungování. Ve sběrném výfukovém potrubí je nainstalován obtokový ventil, který uzavírá tok z hadice vedoucí k hlavní turbíně. Pokud motor běží při nízkých otáčkách, je tato větev zavřená. Výsledkem je, že výfuk prochází malou turbínou. Vzhledem k minimální setrvačnosti poskytuje tento mechanismus další objem vzduchu i při nízkém zatížení ICE.
Poté se tok pohybuje hlavním oběžným kolem turbíny. Jelikož se jeho lopatky začínají otáčet při vyšším tlaku, dokud motor nedosáhne střední rychlosti, zůstává druhý mechanismus nehybný.
V sacím traktu je také obtokový ventil. Při nízkých rychlostech je zavřený a proudění vzduchu probíhá prakticky bez vstřikování. Když řidič rozběhne motor, malá turbína se silněji točí a zvyšuje tlak v sacím traktu. To zase zvyšuje tlak výfukových plynů. Jak je tlak ve výfukovém potrubí silnější, odpadní klapka se mírně otevře, takže se malá turbína nadále otáčí a část proudu je směrována do velkého dmychadla.
Velké dmychadlo se postupně začne otáčet. Se zvyšující se rychlostí klikového hřídele se tento proces zesiluje, což způsobí, že se ventil více otevře a kompresor se roztočí ve větší míře.
Když spalovací motor dosáhne středních otáček, malá turbína již pracuje na maximum a hlavní kompresor se právě začal točit, ale nedosáhl svého maxima. Během provozu prvního stupně procházejí výfukové plyny oběžným kolem malého mechanismu (zatímco jeho lopatky se otáčejí v sacím systému) a jsou odváděny ke katalyzátoru prostřednictvím lopatek hlavního kompresoru. V této fázi je vzduch nasáván oběžným kolem velkého kompresoru a prochází rotujícím menším kolem.
Na konci první etapy je wastegate plně otevřen a tok výfukových plynů je již plně nasměrován na hlavní oběžné kolo. Tento mechanismus se otáčí silněji. Obtokový systém je nastaven tak, aby byl malý ventilátor v této fázi zcela deaktivován. Důvodem je to, že když je dosaženo střední a maximální rychlosti velké turbíny, vytváří tak silnou hlavu, že první stupeň jednoduše brání správnému vstupu do válců.
Ve druhé fázi natlakování procházejí výfukové plyny malým oběžným kolem a příchozí tok je směrován kolem malého mechanismu - přímo do válců. Díky tomuto systému se automobilkám podařilo eliminovat velký rozdíl mezi vysokým točivým momentem při minimálních otáčkách a maximálním výkonem při dosažení maximálních otáček klikového hřídele. Tento efekt byl stálým společníkem jakéhokoli konvenčního přeplňovaného vznětového motoru.
Výhody a nevýhody dvojitého přeplňování
Biturbo je zřídka instalován na nízkoenergetických motorech. V zásadě se jedná o zařízení, na které se spoléhají výkonné stroje. Pouze v tomto případě je možné vzít optimální indikátor točivého momentu již při nižších otáčkách. Také malé rozměry spalovacího motoru nejsou překážkou pro zvýšení výkonu pohonné jednotky. Díky dvojímu turbodmychadlu je dosažena slušná spotřeba paliva ve srovnání s protějškem s atmosférickým sáním, který vyvíjí stejnou sílu.
Na jedné straně je výhodou zařízení, které stabilizuje hlavní procesy nebo zvyšuje jejich účinnost. Ale na druhou stranu takové mechanismy nejsou bez dalších nevýhod. A dvojité přeplňování není výjimkou. Takový systém má nejen pozitivní aspekty, ale také některé vážné nevýhody, kvůli kterým někteří motoristé odmítají kupovat taková auta.
Nejprve zvažte výhody systému:
- Hlavní výhodou systému je eliminace zpoždění turba, které je typické pro všechny spalovací motory vybavené konvenční turbínou;
- Motor se snadněji přepne do režimu napájení;
- Rozdíl mezi maximálním točivým momentem a výkonem je výrazně snížen, protože zvýšením tlaku vzduchu v sacím systému zůstává většina newtonů k dispozici v širším rozsahu otáček motoru;
- Snižuje spotřebu paliva potřebnou k dosažení maximálního výkonu;
- Protože další dynamika vozu je k dispozici při nižších otáčkách motoru, nemusí jej řidič tolik roztočit;
- Snížením zatížení spalovacího motoru se sníží opotřebení maziv a chladicí systém nepracuje ve zvýšeném režimu;
- Výfukové plyny nejsou jednoduše vypouštěny do atmosféry, ale energie tohoto procesu je využívána s výhodou.
Nyní věnujme pozornost hlavním nevýhodám twin turba:
- Hlavní nevýhodou je složitost konstrukce sacího a výfukového systému. To platí zejména pro nové úpravy systému;
- Stejný faktor ovlivňuje náklady a údržbu systému - čím složitější je mechanismus, tím dražší je jeho oprava a přizpůsobení;
- Další nevýhoda je také spojena se složitostí návrhu systému. Jelikož se skládají z velkého počtu dalších částí, existuje také více uzlů, ve kterých může dojít k rozbití.
Samostatně je třeba zmínit klima v oblasti, kde je přeplňovaný stroj provozován. Jelikož se oběžné kolo kompresoru někdy točí nad 10 tisíc otáček za minutu, vyžaduje vysoce kvalitní mazání. Když je vůz ponechán přes noc, tuk se dostane do jímky, takže většina částí jednotky, včetně turbíny, vyschne.
Pokud ráno nastartujete motor a provozujete jej se slušným zatížením bez předběžného zahřátí, můžete kompresor zabít. Důvodem je, že suché tření urychluje opotřebení třecích částí. Abychom tento problém odstranili, je třeba počkat, než motor přečerpá celý systém a dosáhne nejvzdálenějších uzlů, než motor nastaví na vysoké otáčky.
V létě tomu nemusíte věnovat spoustu času. V tomto případě má olej v jímce dostatečnou tekutost, aby jej čerpadlo mohlo rychle přečerpat. Ale v zimě, zejména při silných mrazech, nelze tento faktor ignorovat. Je lepší strávit pár minut zahřátím systému, než po krátké době vyhodit slušné množství na nákup nové turbíny. Dále je třeba zmínit, že díky neustálému kontaktu s výfukovými plyny se oběžné kolo dmychadel může zahřát až na tisíc stupňů.
Pokud mechanismus neobdrží správné mazání, které paralelně vykonává funkci chlazení zařízení, jeho části se o sebe budou suchě třít. Absence olejového filmu způsobí prudké zvýšení teploty dílů, které jim zajistí tepelnou roztažnost a v důsledku toho jejich zrychlené opotřebení.
Pro zajištění spolehlivého provozu dvojitého turbodmychadla je třeba dodržovat stejné postupy jako při servisu konvenčních turbodmychadel. Nejprve je nutné včas vyměnit olej, který se používá nejen k mazání, ale také k chlazení turbín (o postupu při výměně maziva má náš web samostatný článek).
Zadruhé, protože oběžná kola dmychadel jsou v přímém kontaktu s výfukovými plyny, musí být kvalita paliva vysoká. Díky tomu se na lopatkách nebudou hromadit uhlíkové usazeniny, které narušují volnou rotaci oběžného kola.
Na závěr nabízíme krátké video o různých úpravách turbín a jejich rozdílech:
Otázky a odpovědi:
Co je lepší bi-turbo nebo twin-turbo? Jedná se o systémy přeplňování motorů. U motorů s biturbo se zpoždění turba vyhladí a dynamika zrychlení se vyrovná. V systému twin-turbo se tyto faktory nemění, ale zvyšuje se výkon spalovacího motoru.
Jaký je rozdíl mezi bi-turbo a twin-turbo? Biturbo je sériově zapojený turbínový systém. Díky jejich sekvenčnímu zařazení je při akceleraci eliminována turbodíra. Twin turbo jsou jen dvě turbíny pro zvýšení výkonu.
Proč potřebujete dvojité turbo? Dvě turbíny poskytují větší objem vzduchu do válce. Díky tomu je při spalování BTC zesílen zpětný ráz - ve stejném válci je stlačeno více vzduchu.
