Twin scroll turbo что это?

Twin-scroll turbochargers

Turbocharging is the most commonly used supercharging technology by internal combustion engines (ICE) for forced intake air induction. With turbocharging, the exhaust-gas energy is used to increase the inlet air destiny. Turbocharging is seen as the oldest heat recovery technology used in internal combustion engines.

The name “turbo” is given due to use of a turbine, which is using the thermal and kinetic energy of the exhaust gases to spin the intake air compressor. The exhaust gases will expand into the turbine, which will drive the compressor, which will compress the intake air, increasing its density.

For more details regarding turbocharging technology and turbocharger construction, read the articles:

• How turbocharging works
• How turbochargers work

Exhaust process

Most of the internal combustion engines used in road vehicles need 4 piston strokes for a complete engine cycle. During the exhaust process, the burnt gases are evacuated from the cylinder in order to make room for fresh intake air and fuel, for a new combustion cycle.

For a complete overview of the engine cycles, read the article How an internal combustion engine works.

Internal combustion engine exhaust stroke

The complete exhaust process of the burnt gases can be divided into 3 major phases:

• blowdown
• displacement (stroke)
• overlap (scavenging)

Blowdown phase

The exhaust valve is opened before the piston reaches the bottom dead center (BDC). Technically, the exhaust valve is going to be opened at the end of the power stroke, when the piston is pushed by the expanding gases (combustion).

When the exhaust valve opens (around 50° crankshaft angle, before BDC) the cylinder pressure is still high, around 4 bar and the temperature around 700 °C. Due to the massive pressure difference between the cylinder and exhaust manifold, when the exhaust valve opens, the burnt gases will start to flow rapidly into the manifold.

Image: Pressure-volume (pV) diagram for a typical 4 stroke ICE

S – piston stroke
Vc – clearance volume
Vd – displaced (swept) volume
p0 – atmospheric pressure W – work TDC – top dead center BDC – bottom dead center IV – inlet valve EV – exhaust valve IVO – inlet valve opening IVC – inlet valve closing EVO – exhaust valve opening EVC – exhaust valve closing

IGN (INJ) – ignition (injection)

Thus, the main advantage of opening the exhaust valve before BDC is that the exhaust gases will leave the cylinder due to the pressure difference and the piston will have to use less energy to push the remaining gases the cylinder (during the exhaust piston stroke).

The blowdown phase will cause a rapid increase of the gas pressure into the exhaust manifold, followed by a rapid decrease due to the equalizing pressures between cylinder and manifold.

Displacement (stroke)

The exhaust stroke takes place when the piston moves from BDC to top dead center (TDC). During this phase, the gas flow is controlled (displaced) by the movement of the piston. In this phase, the gas pressure in the manifold is slightly above atmospheric pressure (for natural aspirated engines) or turbine inlet pressure (for turbocharged engines).

The complete closing of the exhaust valve takes place at around 40° after TDC.

Overlap (scavenging)

Since the intake valve is opened before TDC and the exhaust valve is closed after TDC, there is a small period in which both valves are open (overlap). This phase can last between 20 to 50° of crankshaft rotation, depending on engine.

There is an optimal valve overlap period for which the volumetric efficiency and the mean effective pressure of the engine can be increased. Further, for turbocharged engines with direct injection, an extended overlap period contributes to scavenging. which means that the fresh intake air flows through the cylinder and into the exhaust manifold, expelling all remaining burnt gases from the cylinder. The scavenging effect has several advantages on the engine, the main ones being improved volumetric efficiency and cooling of the cylinder (which allows higher compression ratio, thus higher mean effective pressure).

Image: Exhaust-gas pressure wave

The exhaust gas pressure (peg) peaks during the blowdown phase. The gas pressure travels as a wave across the exhaust manifold. As the waves goes through, it’s causing a pressure drop after the peak, which can be lower than the pressure at the turbine inlet (pT) (assuming it’s constant).

Image: Exhaust stroke timing (4 cylinders)

For example, for a 4 cylinders engine, with the firing order 1-3-4-2, the exhaust-gas pulse for cylinder 1 and 3 overlap. The same happens for every exhaust-gas pulse of two consecutive fired cylinders.

When all the exhaust ports of the cylinders are connected to a common exhaust manifold, there will be pressure interference between cylinders, which will causes overall exhaust gas pressure drop and kinetic energy loss. By separating the overlapping cylinders into separated scrolls (pipes, ducts) the pressure interference can be avoided.

Ideally, in order to maximize the usage of the exhaust-gas pressure and thermal energy in the turbine, there should be no pressure interference in the exhaust manifold.

Impact of turbochargers on engines

The gas energy which is lost in the exhaust (without turbocharging) account for approximately 30 – 40 % of the total energy released through combustion. With turbocharging a part of this energy is recovered and used to compress the intake air.

During the power stroke, when the exhaust valve opens (before BDC), the combustion process will continue to take place also in the exhaust manifold. The burned gases will expand further in the turbine, making it spin and drive the compressor wheel through the turbocharger shaft.

Turbocharging makes use of two types of exhaust gas energy (which would have been wasted in a natural aspirated engine):

• kinetic energy (given by the pressure waves)
• thermal energy (given by the expansion of the gas in the turbine)

The introduction of a turbocharger will also act as a restriction for the flow of the exhaust gas, which will cause the generation of a backpressure in the exhaust manifold. The backpressure will force the piston to consume more energy to displace the burnt gases the cylinder.

If the backpressure is too high, there is a risk of a backflow, which meas that the exhaust gases will flow back into the cylinder and intake manifold, decreasing the volumetric efficiency and the overall performance of the engine.

The turbocharger has also a significant impact on the transient response of the engine (acceleration). The power output of an engine is directly dependent on the intake air mass. For a turbocharged engine, to quickly increase the air mass in the cylinders, the turbine needs to accelerate and drive the compressor. The bigger the mass moment of inertia of the turbine+shaft+compressor, the longer the time required for acceleration (turbo-lag).

On the other hand, using a small turbine, which can accelerate faster, will cause problems at higher engine speeds and loads, due to the fact that if will choke the exhaust, unable to absorb high exhaust gas flow. Therefore, the process of matching a turbocharger with an engine is very complex and needs to take into account a lot of factors.

Image: ECOTEC 2.8 V6 with twin-scroll turbocharger
Credit: Opel

Types of turbochargers

The architecture of the exhaust manifold has a very important role in the performance of the turbocharger, in terms of efficiency and response time (the time taken to spin faster). The exhaust manifold must be designed taking into account the following requirements:

• the interference between the exhaust process of the cylinders needs to be kept at a minimum, ideally without having any pressure interference between the connected cylinders (during the exhaust process)
• the energy of the exhaust gas should reach the turbine with minimum losses
• the deployment of the exhaust gas into the turbine must be done consistently over time, to insure maximum efficiency

From the exhaust gas energy point of view, there are two types of turbocharging systems:

• constant-pressure turbocharging
• pulse turbocharging

Constant-pressure turbochargers are mainly used in diesel engines for passenger vehicles. Having the exhaust ducts for all the cylinders integrated in the same component has the advantage of a compact design which can be easily integrated in any engine application.

Constant-pressure turbochargers are also called single-scroll, because all the exhaust gas flow goes into the turbine through a common (single) duct (scroll).

Image: Mazda MX-5 exhaust manifold (single-scroll turbocharger)
Credit: Black Cat Motorsport

A constant-pressure turbocharging system has a common pipe/exhaust manifold for all the cylinders. The exhaust ports of each cylinder are connected to a common volume, called a collector. Thus, before reaching the turbine, the exhaust-gas pressure waves from each cylinder interfere with each other and dampens out the pressure peaks. The exhaust gas pressure before the turbine will only have small fluctuations around a constant value.

Because of the integrated design, in a constant-pressure turbocharging system, the number of cylinders of the engine does not play a significant role. For example, from the turbocharging point of view, the behavior of a 4 cylinder turbocharged engine will be the same with the one of a 6 cylinder engine.

Constant-pressure turbochargers are also called single-scroll turbochargers because the use a single common pipe (scroll) to transport the exhaust gas from the cylinders to the turbine.

The advantages of single-scroll (constant-pressure) turbocharging systems are:

• high turbine efficiency, given by the steady flow of exhaust gas
• good performance at high load (high exhaust gas flow)
• simple, easy to manufacture and cost effective exhaust manifold and turbine casing

The disadvantages of single-scroll (constant-pressure) turbocharging systems are:

• lower exhaust gas energy at the turbine inlet
• poor performance at low – medium engine speed and load
• poor performance during transient engine operation (acceleration)

Image: Single-scroll turbocharger (RAAX)
Credit: Continental

1. compressor
2. compressor housing
3. bearing (central) housing
4. turbine housing (single-scroll)
5. turbine
6. wastegate

How twin-scroll turbochargers work

In a pulse-turbocharged system, depending on the number and firing order of the cylinders, different routing pipes connect the exhaust ports of the cylinders with the turbine. In this case, the pressure interference between cylinders is eliminated and the pressure waves (high peak pulse) travel up to the turbine inlet.

For a 4 cylinders engine, with the firing order 1-3-4-2, the cylinders 1 and 4 have a common exhaust pipe and cylinders 2 and 3 have a second exhaust pipe. Both pipes transport the exhaust gas up to the turbine inlet. Since it uses two pipes for the exhaust gas, the system is called twin-scroll turbocharging.

Image: Exhaust manifold for twin-scroll turbocharger
Credit: SPA Turbo

Twin-scroll turbocharging takes full advantage of pulse energy, which means that the exhaust gas energy available for conversion to useful work in the turbine is bigger.

Compared to a single-scroll (constant-pressure) turbocharger, a twin-scroll (pulse) turbocharger has the following advantages:

• higher turbine inlet energy due to exploitation of pressure waves (pulse energy)
• good performance at low – medium engine speed and load
• good performance during transient engine operation (acceleration)

The disadvantages of twin-scroll (pulse) turbocharging systems are:

• poor efficiency at high engine load and speed
• complex and expensive exhaust manifold and turbine casing

Image: Twin-scroll turbocharger explained
Credit: BMW

The exhaust streams from the two pairs of cylinders are routed to the turbine via separated spiral-shaped channels (scrolls) of different diameter.

The larger channel (A), which connects the exhaust of the cylinders 2 and 3, directs one exhaust stream to the outer edge of the turbine blades, helping the turbocharger to spin faster.

The smaller channel (B), which connects the exhaust of the cylinders 1 and 4, directs the other exhaust stream to the inner surfaces of the turbine blades, improving the response of the turbocharger during transient operations (engine acceleration).

Twin-scroll technology combines optimal low-end response with excellent top-end power increase.

Credit: BMW

Image: Twin-scrol turbocharger
Credit: Voith

Single-scroll turbochargers are only using the thermal energy of the exhaust gas in order to compress the intake air through the compressor.

Twin-scroll turbochargers are using both thermal and pulse (pressure wave) energy of the exhaust gas in order to obtain mechanical work to drive the intake air compressor.

Don’t forget to , Share and Subscribe!

Источник: https://x-engineer.org/automotive-engineering/internal-combustion-engines/ice-components-systems/twin-scroll-turbochargers/

Типы турбокомпрессоров: Turbo, Twin Turbo, Twin-Scroll, вы их всех знаете?

Источник : wikimedia.org

Turbo, Twin Turbo, Bi-Turbo, Twin-scroll или электрический турбонагнетатель? Какой из них является лучшим и каковы их преимущества или недостатки? Все эти типы турбокомпрессоров рассмотрим в этой статье и напишем что-нибудь об их дизайне. Но сначала мы напишем несколько слов о том, что такое турбокомпрессор и для чего он нужен.

Турбокомпрессор или разговорный турбо — это устройство, которое увеличивает мощность двигателя внутреннего сгорания путем нагнетания воздуха в камеру сгорания. Увеличение производительности заключается в том, что двигатель получает гораздо больше молекул кислорода из того же объема воздуха, потому что воздух сжимается, что делает смесь более взрывоопасной. Двигатель с турбонаддувом, следовательно, легче разгоняется, имеет большую мощность и не требует большего количества топлива, чем атмосферный двигатель.

Источник : wikimedia.org

Турбокомпрессор работает от выхлопных газов, что означает, что он использует энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую. Вращение турбонагнетателя с помощью выхлопа очень эффективно, потому что турбонагнетатель не получает мощности от двигателя, в отличие от компрессора, который механически приводится в действие от мощности двигателя.

Основная часть турбокомпрессора представляет собой турбину или пропеллер. Он может вращаться до 300 000 оборотов в минуту и оказывает наибольшее влияние на некоторые характеристики турбонагнетателя. Размер турбины определяет количество воздуха, которое будет поступать в двигатель. Как правило, чем больше турбина, тем больше пропускная способность.

Производительность турбокомпрессора тесно связана с его размерами. Большие турбонагнетатели нуждаются в большем давлении выхлопных газов, что вызывает турбо нагнетание на низкой скорости. Небольшие турбонагнетатели вращаются быстро, но могут не иметь одинаковую мощность при высоком ускорении. Различные вариации турбокомпрессоров используются для эффективного сочетания преимуществ больших и малых турбокомпрессоров.

Типы турбокомпрессоров:

Одиночный турбокомпрессор (самый простой тип турбокомпрессора)

Источник : wikimedia.org

Этот простой турбокомпрессор использовался в то время, когда нагнетание было, так сказать, в его подгузниках. Однако простой турбокомпрессор имеет определенные ограничения в плане настройки двигателя. Как я уже говорил, турбокомпрессор работает от выхлопных газов. Небольшой турбонагнетатель имеет низкую инерцию, поэтому для запуска турбины требуется лишь небольшое количество энергии отработавших газов.

Двигатель с таким турбонагнетателем обеспечивает высокий крутящий момент на очень низких оборотах, поэтому он превосходен на низких оборотах. Тем не менее, он не имеет мощности на высоких скоростях, потому что турбина хотела бы вращаться быстрее, но достигает максимальной проектной скорости. Таким образом, маленький турбонагнетатель достигает максимальной скорости на более низкой частоте вращения двигателя, чем турбонагнетатель большего размера.

И наоборот, большой турбокомпрессор работает на высоких оборотах двигателя. Это означает, что чем выше частота вращения двигателя, тем выше его мощность. Таким образом, двигатель с этим типом турбонагнетателя работает с определенной скоростью, как незаряженный двигатель. Однако, когда он превышает определенный диапазон скоростей, он проявляет очень быстрое и энергичное начало и движение.

преимущества:

— цена

— надежность

— Простая конструкция

недостатки:

— значительный турболаг

— Компромисс между мощностью двигателя и гибкостью

Турбо с изменяемой геометрией лопатки

Источник : wikimedia.org

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией используют подвижные лопасти для регулировки потока воздуха к турбине, имитируя турбокомпрессор оптимального размера по всей кривой мощности. В результате получается турбокомпрессор без заметного турбоагрегата.

Однако этот тип турбокомпрессора используется исключительно для двигателей с воспламенением от сжатия. Причиной является восприимчивость лопастного механизма к высоким температурам. Для тех, кто не знает, температура выхлопных газов бензиновых двигателей на несколько сотен градусов выше, чем у дизельных двигателей. Однако даже в этом случае есть исключения, и поэтому вы можете столкнуться с турбокомпрессором такого типа даже с бензиновым двигателем.

преимущества:

— Работает в широком диапазоне оборотов двигателя

— цена сопоставима с ценой простого турбокомпрессора

недостатки:

— Меньшая надежность, чем у одного турбонагнетателя

— Предназначен в основном для двигателей с воспламенением от сжатия. Для бензиновых двигателей это требует использования дорогих, более долговечных материалов

Би-турбо, Твин-турбо

Источник : wikimedia.org

Twin-Turbo или Bi-Turbo — это два турбонагнетателя, которые работают параллельно (вместе) или последовательно (отдельно). В параллельной конфигурации оба турбонагнетателя одинаково велики, причем одна турбина приводится в движение одной половиной, а другая — другой половиной выхлопа двигателя, и оба работают одновременно. Это особенно актуально для многоцилиндровых двигателей.

Небольшие турбонагнетатели имеют низкую инерцию, поэтому для вращения турбины обычно требуется лишь небольшое количество энергии выхлопа, поэтому часто вместо двух больших используются два небольших турбонагнетателя.

В последовательной конфигурации, которая используется чаще, турбонагнетатель меньшего размера работает на низкой скорости, оба работают на средней скорости, и только большой турбонагнетатель работает в одиночку на более высоких заданных оборотах двигателя.

Последовательные турбокомпрессоры отвечают требованиям как высокой производительности, так и низкоскоростного двигателя. Однако такая конструкция требует сложных комплектов трубопроводов для питания обоих турбонагнетателей.

преимущества:

— Они отвечают высоким эксплуатационным требованиям, а также гибкости при низких оборотах двигателя.

— они устраняют турболаг

недостатки:

— высокая цена

— Комплексное строительство

— Более высокие затраты на обслуживание

Турбонагнетатель с двойной спиралью

Источник : wikimedia.org

Этот тип турбокомпрессора имеет два выхлопных канала в секции турбины. Выпускные коллекторы из цилиндров ведут к одному и другим двухконтурным турбо каналам, так что вакуум не уменьшает энергию выхлопа одного цилиндра, пока выпускной клапан другого цилиндра еще не закрыт, но его впускной клапан уже начал открываться.

Если зажигание в цилиндрах имеет порядок 1-3-4-2, выводы из цилиндров 1 и 4 приведут к одному каналу, а выводы из цилиндров 2 и 3 — к другому каналу. В этом случае не будет потери энергии выхлопа, поскольку цилиндр 3, который будет получать энергию от выхлопного газа из цилиндра 1, не подключен к той же трубе.

Недостатком турбонагнетателя с двойной спиралью является его требовательная конструкция выпускных коллекторов, а также необходимость иметь четное количество цилиндров для подачи выхлопных газов из одинакового количества цилиндров в каждый канал.

преимущества:

— цена аналогична одному турбокомпрессору

— КПД похож на турбонагнетатель

— надежность

недостатки:

— Требовательная конструкция выпускного коллектора

— Сложный дизайн для двигателей с большим количеством цилиндров

Электрический турбокомпрессор

Источник : wikimedia.org

На самом деле это не турбо, а электрический компрессор. Этот тип турбонагнетателя не нуждается в энергии отработавших газов для его движения, потому что он использует электродвигатель и специальную батарею для его питания. В результате у электрического турбо есть несколько преимуществ.

Возможно, самым большим является полное устранение турбовлаг. Электрический турбо может регулировать скорость своей турбины, изменяя скорость электродвигателя.

Этот тип турбокомпрессора, следовательно, не нуждается в дополнительном оборудовании, таком как продувочный клапан, перепускная заслонка или регулируемые лопатки, чтобы регулировать турбоагрегат.

Однако электрический турбонаддув не используется отдельно для наддува двигателя. При высоких оборотах двигателя энергии от специальной батареи недостаточно для вращения турбины на достаточной скорости. Если используется более толстый аккумулятор или большее количество таких аккумуляторов, цена электрического турбо будет превышать цену всего автомобиля. Вот почему электрический турбонагнетатель работает только на низких и средних оборотах двигателя, а на высоких оборотах он отключается и выходит из функции наддува обычного турбонагнетателя.

преимущества:

— полное отсутствие турболага

— Не требует дополнительного устройства контроля давления наддува

— не подвержен высокой тепловой нагрузке

недостатки:

— высокая цена

— вопрос надежности

— Требуется специальная батарея для питания этого «турбо»

! Подписывайся)

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5d7f78a06d29c13cef8cce57/5d9b9a3b1e8e3f00aedd90b2

Twin scroll turbos

«The twin scroll is one of the latest turbocharger innovations.»

Twin scroll turbos are relatively new innovations on the performance car tuning scene.

People have used twin turbos in the past to address many of the problems you hit with a single turbo and the twin scroll turbo offers a neat drop in upgrade and provides many advantages.

So, what is a turbo? You can read our comprehensive guide if you want more information than this simple definition.

The turbo takes the exhaust flow and uses this to pull fresh air into the engine, using two turbines connected via a central shaft.

The faster the engine spins, the greater the flow of exhaust gases and the more air can be compressed and pulled into the engine.

What is a twin scroll turbo

Instead of taking the entire exhaust flow, a twin scroll turbo is fed by half of the engines cylinders.

Every other cylinder is fed into one half of the turbo intake. This means that the exhaust design should provide equal length runners, and be optimised for a matching flow rate.

Taking the common 4 cylinders 1-3-4-2 firing order, you'd pull 2 & 3 into one half of the scroll and 1 & 4 into the other. When you have more cylinders you continue with every other odd firing cylinder.

Our top tip on setting up a twin scroll turbo system is to make sure that the exhaust pipe lengths/flow rates are balanced. Equal length does not always equal flow.

In 5 cylinder engines or those with an odd number you'd hit a number of technical problems and negate many of the benefits of a twin scroll turbo.

Instead of the exhaust hitting the turbine in the same place, a twin scroll turbo divides the flow into each half* of the turbine, making it smoother and reducing the pulse effect you get with a typical exhaust design.

*One part, the smaller channel is angled directly towards the turbines inner surfaces at the leading edge, which helps it spool up more quickly. The other half is set at a more acute angle to the turbine pushing more force into the turbines rotation.

The two angles cause the turbine to spool up faster improving the low end response whilst also giving a boost to the top end power.

The narrow channels flow much faster than a single large channel and this adds to the overall efficiency and output of the turbocharger.

The advantages of twin scroll turbos

• The boost response is faster coming on much sooner
• Fuel consumption is better (upto 5%)
• Anecdotal evidence suggests they are more reliable
• Takes up less space than a comparable twin turbo system
• More bottom end torque and faster smoother spooling up
• Better power throughout the rev range
• More efficient, throughout the rev range (upto 8% more efficient)
• They overcome the unequal exhaust lengths typically from a single turbo setup

As each cylinders valves open and close you have a Scavenging effect, where the newly emptied cylinder creates a vacuum ready to pull in fresh air for the next cycle.

The twin scroll setup maximises the benefits of this effectively allowing more air to enter each cylinder causing more negative pressure between each intake phase.

In a twin scroll setup you minimise the losses you would get as the cylinders are separated into odd firing pairs.

Another way to achieve this would be by adding a second turbo, but this is costly and complex and requires that the power outputs of each turbo are matched if run in parallel or optimised in a series configuration.

Twin scroll turbos are a relatively new innovation, with modern machining and manufacturing methods it makes it possible to produce these cheaply and there are many drop in options where one is looking to upgrade a standard single turbo.

Please note that equal length exhaust headers may not flow at the same rate, you need to take into account the bends and hopefully avoid any seams or imperfections.

When adding a better turbo you could always fit a larger twin scroll turbo and maximise your performance gains.

Expect to replace your exhaust headers and rework the intake pipe routes even when you buy a «hybrid» drop in replacement twin scroll turbo.

To maximise your power gains you should get it mapped by a specialist, there is hidden power if you know how to get it out.

TorqueCars suggest that you join the friendly tuning forum and get some specific tips and advice for turbo charging your car model — we now have a dedicated turbo tuning forum.

PLEASE HELP: I NEED YOUR DONATIONS TO COVER THE COSTS OF RUNNING THIS SITE AND KEEP IT RUNNING. I do not charge you to access this website and it saves most TorqueCars readers $100's each year — but we are NON PROFIT and not even covering our costs. To keep us running PLEASE Donate here

If you d this page please share it with your friends, drop a link to it in your favourite forum or use the bookmarking options to save it to your social media profile.

Источник: https://www.torquecars.com/tuning/twin-scroll-turbos.php

Твин турбо на вашу машину

Очевидно, что турбокомпрессор (он же – турбина) устанавливают на двигатель автомобиля для увеличения его мощности. В настоящее время технический прогресс позволяет использовать для максимально полного достижения этой цели систему наддува BITURBO и  ТWIN-TURBO. Часто возникает вопрос, есть ли между ними разница? Что это: две разных системы наддува или два названия одной системы?

“BI” или “TWIN”

Когда автомобили с двумя турбинами только начали появляться, почти все они назывались БИТУРБО. С течением времени и развитием прогресса появилась система последовательного наддува с двумя  последовательно расположенными нагнетателями, а за ней – и еще более совершенная система двухступенчатого наддува. Во всех этих случаях в процессе участвуют две турбины. Какие из них как называть, решать вам – для этого дочитайте эту статью до конца.

Как уже говорилось, изначально все эти системы наддува назывались БИТУРБО. Отмечу, что ещё до появления последовательного наддува автомобили с параллельно установленными турбинами стали называть уже по-новому – ТВИН-ТУРБО, затем это название стали применять и к последовательному, и к двухступенчатому наддуву. Так же складывалась ситуация и у мировых производителей: кто-то при выпуске серийного а/м называл современный последовательный наддув БИТУРБО, а кто-то параллельный вид наддува  – ТВИН-ТУРБО. Решение автопроизводителя было в некотором роде непредсказуемо. Например, Volvo S80/XC90 (B6284T/B6294T) R6 Twinturbo , BMW 335/535 N74  (V 12 TwinPower Turbo).

Твин-турбо

И это еще не самое интересное. Выражение «TwinPower Turbo» компания BMW использует и для двигателей с одним турбокомпрессором механизма Twin Scroll. Этот факт в очередной раз доказывает, что выбор одного из двух этих названий обусловлен исключительно прихотью автопроизводителя и не имеет прямого отношения к конструктивной схеме.

Система BITURBO отличается от системы TWIN-TURBO только тем, что раньше говорили  BITURBO , а теперь стало модно ТВИН.

Конечно, чтобы быть абсолютно точным, надо помнить, что известные мировые автопроизводители называют  свои, зачастую индивидуально заряженные, версии на заводах – и стало быть, как они пишут, так надо и называть.

В подтверждение этого простого-сложного вопроса, прочтём, какие названия давал производитель двигателям, оснащенным двумя турбокомпрессорами, работающими по параллельной схеме наддува:

• Audi 2.7 Biturbo (V6 Biturbo, A6/S4/RS4)
• Audi 4.2 Biturbo (V8 Biturbo, RS6)
• Audi 4.0 TFSI (V8 Twinturbo/Biturbo, S6/RS6/S7/RS7/A8/S8)
• BMW N54 (R6 TwinPower Turbo, 135i/335i/535i/740i/Z4/X6/1M Coupe)
• BMW N63/S63 (V8 TwinPower Turbo, 550i/650i/750i/X5/X5 M/X6/X6 M/M5/M6)
• BMW N74 (V12 TwinPower Turbo, 760i)
• Mercedes-Benz M278/M157/M158 (V8 Bi-turbo, S500/CL500/CLS500/E550/GL550/S63 AMG/CL53 AMG/CLS63 AMG/E63 AMG/SLK55 AMG)
• Mercedes-Benz M275/M285/M158 (V12 Bi-turbo, S65 AMG/CL65 AMG/SL 65 AMG/ Maybach/Pagani)
• Porsche 3.6/3.8 Turbo (H6 Twinturbo, 911 Turbo/Turbo S/GT2/GT2 RS)
• Porsche 4.5/4.8 Turbo (V8 Twinturbo, Cayenne Turbo/Panamera Turbo)

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.

Источник: https://turbo-lider.com/twin-turbo/

Основы турбонаддува | Часть 2. Объяснение A/R, AFR, твинскролл, трим

Trim это общепринятый термин, используемый при описании турбинного или компрессорного колеса турбины. Например, вы часто могли слышать фразу «У меня стоит турбина GT2871R с 56 Trim». Так что же это такое? Trim это величина, показывающая соотношение между индюсером (inducer) и эксдюсером (exducer) турбинного или компрессорного колеса. Еще более точно, это соотношение их площадей.

Диаметр индюсера — это диаметр колеса крыльчатки в той ее части, где воздух входит в крыльчатку, а эксдюсер это диаметр колеса, где воздух из него выходит.

Конструкция турбины такова, что индюсер компрессорного колеса меньше чем его эксдюсер, а турбинного — наоборот:

Например:

Турбина GT2871R (Garrett part number 743347-2) имеет компрессорное колесо с:
Диаметр индюсера: 53.1мм
Диаметр эксдюсера: 71.0мм

Таким образом Trim для него будет:

Trim крыльчатки, как компрессора, так и турбины напрямую влияет на ее производительность. Чем больше величина trim тем, как правило, больший поток воздуха может пройти через крыльчатку.

Что значит A/R хаузинга(улитки)

A/R (Area/Radius) описывает геометрическую характеристику компрессорного или турбинного хаузинга. Технически A/R означает отношение сечения канала хаузинга, деленое на расстояние от центра вала до центра этого сечения:

Значение A/R имеет разное влияние на производительность турбинной части и компрессорной.

A/R компрессора практически не влияет на его производительность. Как правило, хаузинги с большим A/R применяются для оптимизации отдачи в приложениях с малым наддувом, а хаузинги с меньшим A/R компрессора используются для больших значений наддува.

A/R турбины, наоборот, значительно влияет на ее производительность, определяя ее способность пропустить тот или иной поток воздуха. Использование меньшего A/R увеличивает скорость потока в турбинном хаузинге, приходящего на турбинное колесо.

Это дает возможность увеличить отдачу турбины на низких нагрузках, приводит к более быстрому отклику на дроссель и снижает значение минимальных оборотов двигателя, требуемых для выхода турбины на рабочий наддув. Тем не менее, меньший A/R приводит к тому, что газ попадает на крыльчатку практически по касательной, что уменьшает максимальный поток газа который турбинное колесо способно пропустить.

Это также увеличивает подпор газа перед турбиной, ухудшает продувку мотора на высоких оборотах, повышает EGT и как результат всего этого снижает максимальную пиковую мощность.

При выборе конкретного хаузинга для вашего мотора, в любом случае приходится идти на компромисс балансируя между ранним наддувом и пиковой мощностью. Также надо учитывать внутреннюю конструкцию хаузинга. Далекая от оптимальной форма канала, неточности литья, возможные переходы с прямоугольного сечения на круглое — все это, в определенной, мере влияет на эффективность горячего хаузинга. Опытным путем установлено что, например, турбинные хаузинги TiAL с круглым входом имеют лучшую аэродинамику и при том же A/R обеспечивают лучшую продувку на верхах по сравнению с традиционными чугунными хаузингами с прямоугольным входом.

Также при выборе A/R следует принимать во внимание эффективность всего выпускного тракта после турбины. Использование прямоточных выхлопных систем большого сечения позволяет использовать чуть меньший А/Р турбины и при той же пиковой мощности получить более ранний выход на наддув.

Виды выпускных коллекторов и их влияние

В основном все турбоколлекторы делятся на два типа: литые log-style и трубные сварные:

Дизайн турбоколлектора довольно сложный процесс т.к. очень много факторов должно быть принянто во внимание. Ниже приведены общие советы для достижения максимальной производительности:

— Старайтесь использовать максимально возможный радиус поворотов, т.к. как каждый крутой изгиб ранера поглощает часть полезной энергии потоков газа.

— Добивайтесь равной длины ранеров для избежания перекрестного наложения выхлопных импульсов.
— Избегайте резких изменений сечения
— В сводах ранеров избегайте резких углов для сохранения направления и скорости потока
— Для лучшей отзывчивости турбины избегайте больших объемов коллектора, для большей пиковой мощности, наоборот, может быть использован больший объем коллектора
— Оптимально выбирайте длину ранеров и объем коллектора в зависимости от объема мотора и диапазона оборотов на которых необходимо получить наилучшую отдачу

Литые коллектора чаще всего применяются в заводских гражданских компоновках, в то время как сварные трубные коллекторы чаще применяются в спортивных вариантах моторов. Оба вида имеют свои достоинства и недостатки.

Литые коллекторы обычно весьма компактны и более дешевы при массовом производстве.

Трубные коллекторы могут быть изготовлены в малых сериях или единичных экземплярах для конкретного случая и не требуют такой сложной предварительной организации производства как литые. Правильно разработанный и изготовленный трубный коллектор обеспечивает длительный срок эксплуатации и значительное улучшение производительности по сравнению с литым log-style коллектором.

Твинскрольные коллекторы

Твинскольный коллектор может быть как литым, так и сварным трубным и используется в паре с соответствующим твинскольным турбинным хаузингом.

Назначение такой конструкции в разделении цилиндров, чьи рабочие циклы могут пересекаться между собой и для лучшего использования выхлопного импульса каждого цилиндра.

Наример, на 4-х цилиндровом моторе с порядком работы цилиндров 1-3-4-2, цилиндр #1 начинает свою фазу выпуска пока еще не закончена выпускная фаза в цилиндре #2, и его выпускной клапан открыт, а в зависимости от величины перекрытия, в этот момент может быть открыт и впускной клапан цилиндра #2. В нетвинскрольном коллекторе импульс высокого давления из цилиндра #1, попав в коллектор, сбивает течение потока цилиндра #2 не позволяя ему хорошо продуться в своей начальной стадии впуска. Также при этом, сам поток из цилиндра #1 теряет часть своей энергии.

Правильной компоновкой твинскрольного коллектора, в данном случае, будет сгруппировать цилиндры #1 и #4 в одной половине коллектора, а цилиндры #2 и #3 — в другой.

Пример твинскрольного турбинного хаузинга:

Более эффективное использование энергии выхлопных газов в твинскрольных системах ведет к улучшению отзывчивости турбины на малых оборотах и большей мощности на больших.

Степень сжатия турбомоторов

Прежде чем приступить к обсуждению степени сжатия и давлению наддува, важно понять, что такое кнок или детонация. Детонация — это опасный процесс, вызванный спонтанным быстротекущим сгоранием топливновоздушной смеси в цилиндрах. Этот процесс вызывает резкие и большие по величине всплески давления в камере сгорания ведущие со временем к механическому разрушению поршневой группы и износу вкладышей.

Основными факторами, вызывающими детонацию являются:

— Естественная склонность самого мотора к детонации. Поскольку все моторы имеют свои конструкционные особенности, нет простого и однозначного ответа как лучше. Форма камеры сгорания, расположение в ней свечи зажигания, диаметр цилиндра и степень сжатия, качество распыла топлива — все это влияет на склонность или, наоборот, устойчивость конкретного мотора к детонации.

— Внешние условия. В турбомоторах параметры всасываемого турбиной воздуха, его температура и влажность, а также параметры воздуха, который попадает в цилиндры после турбины, влияют на склонность к детонации. Чем выше наддув, тем больше температура воздуха, поступающего в цилиндры, и тем больше вероятность возникновения детонации. Интеркулер с хорошей эффективностью охлаждения сжатого воздуха значительно помогает в борьбе с детонацией.

— Октановое число топлива. Октан — это величина показывающая стойкость топлива к возникновению детонации. Октан типовых гражданских бензинов находится в диапазоне 92-98 единиц. Специальные спортивные виды топлива имеют октан 100-120 и выше единиц. Чем выше октан, тем более стойким является топливо к возникновению детонации.
— Настройки блока управления. Угол зажигания и соотношение воздух/топливо значительным образом влияет на склонность или устойчивость мотора к детонации в различных режимах.

Теперь, когда мы разобрались с общими факторами связанными с детонацией, поговорим о степени сжатия. Степень сжатия (СЖ) определена как:

Где: CR — степень сжатия

Vd — объем цилиндра
Vcv — объем камеры сгорания

СЖ заводских моторов будет разной для атмосферного и турбомотора. Например стоковый мотор Honda S2000 имеет СЖ равную 11.1:1, в то время как турбомотор Subaru WRX имеет СЖ 8.8:1.

Существует много факторов влияющих на максимально допустимую СЖ. Нет одного простого ответа какой она должна быть. В общем случае, СЖ должна быть выбрана максимально возможной для предотвращения детонации, с одной стороны, и обеспечения максимального КПД двигателя, с другой. Факторами влияющими на выбор СЖ в каждом конкретном случае являются: октановое число применяемого топлива, давление наддува, температура воздуха в предполагаемых режимах эксплуатации, форма камеры сгорания, фазы клапанного механизма и противодавление в коллекторе.

Многие современные атмосферные моторы имеют хороший дизайн камеры сгорания и большую стойкость к детонации, что при правильной настройке блока управления позволяет устанавливать на них турбонаддув не меняя заводскую степень сжатия.

Обычной практикой при турбировании атмосферных моторов является увеличение мощности на 60-100% относительно заводской. Тем не менее, для значительных значений наддува требуется уменьшение заводской СЖ.

Что такое AFR или соотношение воздух/топливо

При обсуждении вопроса настройки двигателя, выбраный AFR, наверное, наиболее часто встречающийся вопрос. Правильный AFR имеет крайне высокое влияние на общую производительность и надежность мотора и его компонентов.
AFR определен как соотношение количества воздуха зашедшего в цилиндр к количеству зашедшего в него топлива. Стехиометрическая смесь это смесь при которой происходит полное сгорание топлива.

Для бензиновых двигателей стехиометрией является соотношение 14.7:1. Это означает что на каждую часть топлива приходится 14.7 частей воздуха.

Что означают понятия «бедная» и «богатая» смесь? Более низкие значения AFR означают меньшее количество воздуха относительно топлива и такая смесь называется богатой. Аналогично, большие значения AFR означают больше воздуха относительно топлива и называются бедной смесью.

Например:

15.0:1 = бедная
14.7:1 = стехиометрическая
13.0:1 = богатая

Бедная смесь ведет к повышению температуры горения смеси. Богатая — наоборот. В основном атмосферные моторы достигают максимальной отдачи на смеси, несколько богаче стехиометрии. На практике ее держат в диапазоне 12:1…13:1 для дополнительного охлаждения. Это хороший AFR для атмосферного мотора, но он может в некоторых случаях быть крайне опасным в случае с турбомотором. Более богатая смесь снижает температуру в камере сгорания и повышает стойкость к детонации, а также снижает температуру выхлопных газов и увеличивает срок службы турбины и коллектора.

Реально при настройке существует три способа борьбы с детонацией:

— уменьшение давление наддува
— обогащение смеси
— использование более позднего зажигания.

Задачей настройщика является поиск наилучшего баланса этих трех параметров для получения максимальной отдачи и ресурса турбомотора.

Источник: https://turbo-garage.com.ua/turbotech102