Twinturbo или Biturbo? Ликбез. Часть 2.

Итак, дорогие читатели, продолжим наш рассказ о системах наддува с двумя турбокомпрессорами. Кто не читал первую часть, советую ознакомиться, чтобы сохранить целостный образ повествования: Twinturbo или Biturbo? Ликбез. Часть 1. Там мы уже выяснили, что между понятием «Twinturbo» и «Biturbo» нет никакой разницы, подробно рассмотрели классическую параллельную работу турбокомпрессоров и разновидности этой схемы с поэтапным задействованием турбин. А теперь очередь за наименее известными широкой публике и наиболее запутанными схемами с последовательным подключением турбокомпрессоров.



Само название «последовательная» или «serial», предполагает, что какие либо части турбокомпрессоров, турбинные или компрессорные, подключаются друг за другом. При этом последовательно могут быть подключены только турбины, только компрессоры, или и те, и другие одновременно, до кучи с возможностью отключения или переключения в параллельную работу на разных этапах. Сами турбокомпрессоры при этом могут быть одинаковыми или, что чаще, совершенно разными по размерам и производительности. Представляете себе, какое разнообразие итоговых вариаций возможно в рамках этого семейства? Однако, несмотря на такую свободу полёта инженерной мысли, распространение получили только несколько схем, наиболее эффективных и востребованных по своим характеристикам. Но, прежде чем продолжить, отмечу несколько основных моментов, имеющих место быть при последовательном соединении турбин и компрессоров, чтобы потом не возвращаться к этому:
1) при последовательном расположении турбин эффективность первой турбины несколько снижается, т.к. сопротивление отработавшим газам, создаваемое следующей за ней турбиной, влияет на перепад давлений на входе и выходе первой турбины, что напрямую отражается на интенсивности её разгона;
2) отработавшие газы, прошедшие через одну турбину, теряют значительную часть энергии, а значит даже точно такую же по размерам вторую турбину уже не будут раскручивать столь же эффективно, как и первую – однако степень использования энергии отработавших газов будет выше, чем на одной турбине и в целом КПД системы должно повышаться;
3) необходимо понимать, что компрессор не создаёт прибавку давления, он повышает давление на входе компрессора в K раз, где K – степень повышения давления (отношение абсолютного давления на выходе компрессора к давлению на его входе – Pвых./Pвх.), указанная по оси «Y» на турбокарте. Таким образом, если для заданного режима K=1.7, а на входе компрессора атмосферное давление, значит на выходе будет 1.7 бар абсолютного давления или 0,7 бар избытка. Если на входе компрессора уже 1.7 бара (например, перед ним стоял другой компрессор, предварительно поднявший давление воздуха до указанного), то при K=1.7 абсолютное давление на выходе достигнет 2,89 бар или 1,89 бар избыточного давления. Таким нехитрым способом можно создавать высокие давления наддува при помощи турбин, которые сами по себе в отдельности такого избыточного давления развить просто не способны. Фактически, последовательно работающие компрессоры помогают друг другу, до кучи выполняя роль мультипликаторов давления наддува.

Начнём с самой простой и, наверное, самой первой последовательной схемы подключения. Наиболее широкое применение она нашла на дизельных двигателях, при том далеко не с легковых автомобилей.

Последовательное подключение (serial twinturbo/biturbo).



Обычно используются два турбокомпрессора разных размеров, один большой и один маленький/средний (хотя можно и одинаковые, но это не так эффективно). Турбины и компрессоры соединяются последовательно, при том, как видно на схеме, из турбин первой идёт маленькая, а за ней большая, тогда как у компрессоров порядок обратный. Как это работает?

1) Низкие обороты. Поток отработавших газов сперва проходит через маленькую турбину, эффективно разгоняя её на низких оборотах двигателя. Затем поступает в большую турбину, сообщая ей на низких оборотах некоторый предварительный разгон. Большой компрессор ввиду невысоких рабочих оборотов начинает неторопливо прогонять через себя воздух, в какой-то момент даже создавая небольшое избыточное давление. Этот воздух подаётся на вход маленького компрессора, который имеет уже заметно более высокие обороты, чем на большом компрессоре, за счёт чего обеспечивается определённое избыточное давление во впускной системе. При том, чем выше давление на входе второго (маленького) компрессора, тем выше оно и на выходе. Таким образом, даже еле работающий большой компрессор, создавая небольшой избыток на входе маленького компрессора, помогает быстрее достичь рабочего давления наддува и, тем самым, увеличить и развиваемый двигателем крутящий момент, и так необходимый турбинам объём отработавших газов.
2) Средние обороты. Маленький турбокомпрессор достигает рабочих оборотов, его турбина упирается в предел своей пропускной способности. Следующая за ней большая турбина так же заметно повышает скорость вращения, но потенциал ещё есть. Большой компрессор создаёт уже заметное избыточное давление воздуха, поступающего на вход маленького компрессора, а он, в свою очередь, ещё больше сжимает смесь.
3) Высокие обороты. Т.к. первая, маленькая турбина, достигает потолка своей производительности и пропускной способности, в то время как вторая, большая - ещё имеет запас, а поток отработавших газов продолжает увеличиваться, на первой турбине приоткрывается перепускной клапан, отводящий часть потока напрямую на большую турбину. Он может начать открываться ещё на средних оборотах и постепенно увеличивать проходящий через него поток в широком диапазоне оборотов. Алгоритм работы этого клапана определяется характеристиками турбокомпрессоров, их рабочими диапазонами, а так же требуемыми параметрами наддува. Таким образом, маленькая турбина предохраняется от перекрута, а большая полностью загружается. Важно отметить, что оба турбокомпрессора продолжают полноценно работать, как турбинные, так и компрессорные их части.

За счёт такой схема работы компрессоров возможно создавать очень высокие давления наддува, трудно достижимые при работе одного компрессора, например до 5-6 бар избыточного давления, если есть такая необходимость. А такая необходимость возникает на высокофорсированных дизелях, от гражданских (тракторные, судовые, тепловозные и т.п.) до спортивных дрэговых. Так же эта схема позволяет поршневым авиационным моторам на большой высоте в разряженной атмосфере обеспечивать приемлемое давление наддува. Само собой, маленький турбокомпрессор в этой паре так же прекрасно служит делу снижения турбоямы, при том эффективнее, чем это происходит на параллельной схеме с поэтапно подключаемыми одинаковыми турбокомпрессорами (как на Toyota Supra, Mazda RX-7 или Subaru B4). При равной производительности обоих систем, в последовательной схеме первый работающий компрессор будет меньше по размерам , чем в параллельной, при том ему будет немного помогать и крупный компрессор. Есть ещё один немаловажный нюанс в этой схеме – очень тесная связь работы двух турбокомпрессоров друг с другом накладывает некоторые ограничения на свободу выбора подобных пар, т.к. в погоне за ранним спулом турбины уменьшение размеров одного из турбокомпрессоров неизбежно приведёт к ограничению производительности второго, крупного турбокомпрессора. Как это проявляется в реальных условиях, можно посмотреть на примере дизельных двигателей Mazda Skyactiv-D для серийных и гоночных автомобилей.

Итак, имеем рядный 4-цилиндровый турбодизель Mazda Skyactiv-D рабочим объёмом 2.2 литра.

Mazda Skyactiv-D

Два турбокомпрессора, один средних размеров, другой – маленький. Схема работы ровно такая, как описана выше. Применение последовательной схемы позволило увеличить производительность системы, не только не потеряв низы, но и заметно улучшив их. Посмотрите на график внизу, где новый дизель Skyactiv-D сравнивается по развиваемому крутящему моменту с более ранним дизелем Mazda такого же объёма, но с одним турбокомпрессором. Результат, как говорится, на лицо! На выходе 173 л.с. при 4500 об/мин и 420 Нм при 2000 об/мин:

Mazda Skyactiv-D

Точно так же выглядит и гоночная модификация этого дизеля, только турбокомпрессоры заметно покрупнели, а максимальная мощность выросла примерно до 400 л.с. (с 2.2 литров объёма дизельного двигателя!), в значительной степени за счёт постоянной последовательной работы компрессоров, обеспечивающих очень высокое давление наддува не только ни низких, но и на высоких оборотах.

Mazda Skyactiv-D Race Engine

Неудивительно, что в США такая схема наддува нашла широкое применение на дизельных двигателях для дрэгрейсинга.

Поэтапное последовательное подключение (sequential serial twinturbo/biturbo). Вариант 1.

Но прогресс не стоит на месте и на основе вышеописанной схемы наддува родилась новая, активно распространяющаяся на современных турбодизельных моторах легковых автомобилей. Давайте изучим её на примере одного современного дизеля BMW.

Дизель BMW N57D30T0, рядный, 6 цилиндров, рабочий объём 3.0л.

Турбодизель BMW N57D30T0

На данном двигателе используются два турбокомпрессора, один большой (K26) и один маленький (KP39). Турбины подключены последовательно, маленькая первой, а большая - второй. Компрессоры подключены так же последовательно, но в обратном порядке. Всё, вроде, как на рассмотренной ранее схеме, но на этом сходство и кончается. Самая главная фишка в том, что турбинная и компрессорные части маленького турбокомпрессора на определённых этапах выводятся из работы, что можно посмотреть на схеме ниже.



Поясним происходящее:
1) на малых оборотах, до 1500 об/мин, весь поток отработавших газов проходит через маленькую турбину, которую очень быстро разгоняет, и затем поступает на большую турбину, которой задаёт начальное вращение. Компрессор большой турбины осуществляет небольшой предварительный наддув воздуха, подавая его на вход маленького компрессора. Маленький компрессор, уже ощутимо разогнанный, ещё больше сжимает этот воздух и подаёт его далее во впускную систему. В пике избыточное давление воздуха на выходе маленького турбокомпрессора уже на 1500 об/мин достигает 2 бар.
2) с 1500 об/мин начинает открываться заслонка в выпускном коллекторе, открывающая канал для отработавших газов напрямую из коллектора на большую турбину, в обход маленькой. А к 3200 об/мин эта заслонка открывается полностью. В этом диапазоне поток отработавших газов плавно перераспределяется с последовательного пути «коллектор - маленькая турбина - большая турбина» на прямой путь «коллектор - большая турбина». Обороты большой турбины растут, а с ними и вклад её компрессора в общий наддув двигателя. Давление на входе маленького компрессора повышается, а степень повышения давления самим маленьким компрессором падает (т.к. уменьшается поток отработавших газов, поступающих на её турбину), в результате чего на выходе маленького компрессора удерживается стабильное максимальное значение наддува, чем и обеспечивается широкая полка максимального крутящего момента двигателя.
3) С 3200 об/мин весь поток отработавших газов поступает сразу на большую турбину, компрессор которой уже самостоятельно развивает достаточно высокое давление наддува. Маленький компрессор, достигший своего предела производительности, становится помехой на пути подаваемого в двигатель воздуха, поэтому уже во впускной системе открывается обводной канал от большого компрессора, минуя маленький. Маленький турбокомпрессор окончательно выводится из работы системы наддува (он, конечно, продолжает вращаться, но как бы «на нейтралке»). Система фактически превращается в «single turbo».

В итоге, такая схема подключения турбокомпрессоров, особенно в сочетании с изменяемой геометрией маленькой турбины, обеспечивает очень ранний и высокий буст на низких оборотах при сохранении достаточно высокой максимальной производительности и плавной кривой крутящего момента. Данный дизель развивает 306 л.с. на 4400 об/мин и впечатляющий момент 600 Нм в диапазоне 1500-2500 об/мин. Более поздняя версия этого мотора (N57D30T1) развивает уже 313 л.с. и 630 Нм на тех же оборотах.

Borg Warner R2S Serial Twin Turbo

На приведённой ниже схеме можно сравнить, насколько характеристики двигателей с «поэтапной последовательной» схемой работы турбокомпрессоров отличаются от «поэтапной параллельной» схемы и от двигателей с одним турбокомпрессором. Поэтапная последовательная схема наддува с выводимым из работы маленьким турбокомпрессором позволяет значительно улучшить низы на моторе с изначально более крупным и производительным турбокомпрессором. Тот факт, что маленький турбокомпрессор на высоких оборотах при такой схеме не становится помехой для работы более крупного, позволяет сильнее дифференцировать их по размерам – больше, чем в первой описанной схеме наддува, - а значит ещё шире раздвинуть полку крутящего момента в обе стороны.



Стоит ли удивляться, что другой турбодизель BMW - 4-цилиндровый 2-литровый N47D20 с такой системой наддува при своих 204 л.с. на 4400 об/мин и 400 Нм при 2000 об/мин стал первым серийным дизелем, литровая мощность которого перешагнула планку в 100 л.с./литра, и заслуженно выигрывал награды International Engine of the Year Award в 2008, 2010 и 2011 годах. Кстати, называется такой наддув у баварцев «Variable Twin Turbo».

Целое семейство турбодизелей различных производителей с последовательной двухступенчатой схемой работы двух турбокомпрессоров, таких как Fiat 1.9 JTD Twin Stage Turbo, Opel 2.0 CDTI BiTurbo, Volvo D5, Mercedes-Benz OM651 и Audi 3.0 V6 TDi Biturbo, позволили вывести динамические характеристики дизельных автомобилей на новый уровень. Кстати, двигатель Audi 3.0 V6 TDi Biturbo в этом списке единственный V-образный, и инженерам из Ингольштадта пришлось изрядно потрудиться, чтобы компактно разместить такую геометрически сложную конструкцию на V-образном двигателе – позади самого мотора. В итоге имеем с 3.0 литров 313 л.с. в диапазоне 3900-4500 об/мин и 650 Нм в диапазоне 1450-2800 об/мин. Впечатляет, не правда ли?

Audi 3.0 V6 TDi Biturbo

На его примере можно детально разглядеть работу такой схемы наддува в динамике:



Почему только дизели? Ну, хотя бы потому, что давление наддува при данной схеме достигает 1,5-2,0 бар избытка, что для бензинового мотора, в частности серийного повседневного, слегка чересчур. Хотя, при современных технологиях с непосредственным впрыском топлива, регулируемыми подъёмом клапанов и фазами распредвалов, изменяемой степенью сжатия и прочими фишками, я совсем не удивлюсь, если эта схема наддува перекочует и на бензиновые моторы, особенно небольшого объёма – по аналогии с Фольксвагеноским 1.4 TFSI с последовательно соединёнными приводным компрессором и турбокомпрессором.


Поэтапное последовательное подключение (sequential serial twinturbo/biturbo). Вариант 2.

А что получится, если взять, и на предыдущей схеме поменять местами турбокомпрессоры, т.е. подключить их так, чтобы первой шла большая турбина, за ней маленькая, а маленький компрессор подавал воздух в большой. Что при этом поменяется и есть ли в этом смысл? Это мы рассмотрим на примере высокофорсированного мотора Mitsubishi 4G63 от парней из известной конторы «AMS Performance»:


AMS Performance 4G63 Twinturbo


AMS Performance 4G63 Twinturbo

Задача стояла получить порядка 1000 л.с. и при этом сохранить приемлемые низы и средние обороты, а с Garrett GT42R в роли основного турбонагнетателя достигнуть обоих условий одновременно было утопией, поэтому ему в пару добавили относительно небольшой последовательно подключённый GT28RS. Работает система следующим образом:



1) на низких оборотах поток отработавших газов проходит через большую турбину (GT42R), слегка раскручивая её, а затем поступает на маленькую (GT28RS), которая побыстрее набирает обороты. Её компрессор подаёт воздух под небольшим избыточным давлением на более крупный компрессор (GT42R), который практически без изменений давления прогоняет его дальше. Фактически наддув на этом режиме обеспечивается только маленьким компрессором.
2) на средних оборотах маленький турбокомпрессор выходит на полную производительность, подавая воздух под давлением на уже слегка разогнанный большой компрессор, который дополнительно повышает давление.
3) на высоких оборотах, когда маленький турбокомпрессор достигает предела своей производительности, открывается заслонка в выпуске, преграждавшая ранее путь отработавшим газам из первой, более крупной, турбины напрямую в выпускную систему, минуя вторую, маленькую турбину. Часть газов поступает и на маленькую турбину, но их объём уже не так велик, тогда как основная их часть после первой турбины беспрепятственно уходит через открытую заслонку. На впуске открывается клапан основного впускного тракта большого компрессора, и по мере роста оборотов доля воздуха, поступающего на большой компрессор с маленького, падает, тогда как объём воздуха, поступающий через открытый клапан впускной системы, вырастает. К этому моменту большой турбокомпрессор успевает выйти на рабочее давление наддува и система работает в монотурбокомпрессорном режиме.

В чём отличительные особенности этой системы по сравнению с предыдущей? Ну, во-первых, эффективность работы маленького турбокомпрессора здесь очевидно ниже, т.к. он питается отработавшими газами только после основного крупного турбокомпрессора и, значит, медленнее выходит на рабочие обороты на низких оборотах. Во-вторых, отдача основного крупного турбокомпрессора получается максимальной, т.к. он питается первым, без каких либо помех в виде сложного коллектора или системы перепускных клапанов, имеет такой же свободный выход для отработавших газов на высоких оборотах, а так же свободный канал для подачи воздуха в двигатель без каких-либо мешающих клапанов. В итоге эта система может быть актуальна только на высокофорсированных двигателях, когда требуется от большого турбокомпрессора получать максимальную отдачу, а низкими оборотами в некоторой степени можно пожертвовать. Кстати, в «AMS Performance» из-за ограниченного времени на постройку мотора эту систему наддува банально не успели настроить и были вынуждены в последний момент переделать всё на один турбокомпрессор, предельно простой в управлении.


Последовательно-параллельное подключение (serial-parallel twinturbo/biturbo).

Что можно сделать ещё? Может, совместить последовательную схему работы с параллельной? Давайте и такой вариант представим:



Имеем два одинаковых турбокомпрессора. Сложную систему трубопроводов между ними разделяют два блока заслонок. Каждый блок включает три заслонки, установленные на одной общей оси, при этом на оси они расположены так, что в крайних положениях либо открыта центральная заслонка, а крайние закрыты (закрытые обозначаются на схеме крестиком), либо наоборот – центральная закрыта, а крайние открыты. Один блок заслонок контролирует распределение отработавших газов в выпускном коллекторе, а второй – распределение воздуха во впускном коллекторе. Как это всё функционирует:

1) на низких оборотах все отработавшие газы поступают сначала на левую турбину, а затем, после неё – на правую. Левая турбина при этом довольно быстро раскручивалась, фактически с той же эффективностью, что и на параллельной схеме с поэтапно подключаемыми турбокомпрессорами (Toyota Supra), но, в отличие от последней схемы, в это же время разгоняется и вторая, правая турбина. Компрессор левой турбины быстро набирает рабочее давление, подавая его на вход правого компрессора, который, в свою очередь, ещё немного уплотняет смесь, обеспечивая довольно высокое давление наддува на низких и средних оборотах.
2) на средних оборотах, когда левая турбина уже разогнана до предела, заслонки выпускного коллектора меняют положение, в результате чего поток отработавших газов разделяется параллельно на обе турбины. Нагрузка на левую турбину падает, а на правую возрастает, в результате чего их скорости выравниваются. Чуть позже блок заслонок во впускном коллекторе так же переводится в аналогичное положение, изменяя последовательное подключение компрессоров на параллельное. Одновременно двигать заслонки на впуске и выпуске нежелательно, чтобы на работе наддува не было заметно переходного режима.
3) на высоких оборотах оба турбокомпрессора работают полностью в параллельном режиме, чем обеспечивается максимальная суммарная производительность системы наддува.

Преимущества такой схемы подключения в сравнении с ранее описанными оценить довольно сложно, т.к. реальных живых примеров я не встречал, но, скорее всего, она будет близка поэтапной последовательной схеме по производительности и давлению наддува, только:
1) с более плавным ростом давления наддува (из-за более крупной первой на пути отработавших газов турбины);
2) с более высоким максимальным давлением наддува на средних оборотах (у поэтапной последовательной схемы пик наступает раньше из-за маленькой первой турбины);
3) возможно, несколько большим запасом производительности (благодаря тому, что обе турбины среднего размера полноценно работают на высоких оборотах и их производительность суммируется).


Итак, с «последовательным» турбонаддувом мы разобрались в общих чертах, но раз уж начали копать, было бы неплохо вспомнить и другие схемы наддува, где трудится не только один турбокомпрессор. Так что если никто не против, то ждите третью часть!

Спасибо за внимание!
С уважением, Сергей “Samael” Сабитов