Sistema Twin Turbo

Se un motore diesel è dotato di una turbina per impostazione predefinita, un motore a benzina può facilmente fare a meno di un turbocompressore. Tuttavia, nell'industria automobilistica moderna, un turbocompressore per un'auto non è più considerato esotico (in dettaglio su che tipo di meccanismo è e come funziona, viene descritto in un altro articolo).

Nella descrizione di alcuni nuovi modelli di auto, viene menzionata una cosa come biturbo o twin turbo. Consideriamo che tipo di sistema è, come funziona, come possono essere collegati i compressori. Alla fine della recensione, discuteremo i pro ei contro di un twin turbo.

Cos'è Twin Turbo?

Cominciamo con la terminologia. La frase biturbo significherà sempre che, in primo luogo, questo è un tipo di motore turbocompresso e, in secondo luogo, lo schema di iniezione di aria forzata nei cilindri includerà due turbine. La differenza tra biturbo e biturbo è che nel primo caso vengono utilizzate due turbine diverse, e nel secondo sono le stesse. Perché - lo scopriremo un po' più tardi.

Il desiderio di raggiungere la superiorità nelle corse ha portato le case automobilistiche a cercare modi per migliorare le prestazioni di un motore a combustione interna standard senza interventi drastici nel suo design. E la soluzione più efficace è stata l'introduzione di un soffiatore d'aria aggiuntivo, grazie al quale più volume entra nei cilindri e l'efficienza dell'unità aumenta.

Coloro che hanno guidato un'auto con un motore a turbina almeno una volta nella vita hanno notato che fino a quando il motore non gira fino a una certa velocità, la dinamica di un'auto del genere è lenta, per usare un eufemismo. Ma non appena il turbo inizia a funzionare, la reattività del motore aumenta, come se il protossido di azoto fosse entrato nei cilindri.

L'inerzia di tali installazioni ha spinto gli ingegneri a pensare di creare un'altra modifica delle turbine. Inizialmente, lo scopo di questi meccanismi era proprio quello di eliminare questo effetto negativo, che influiva sull'efficienza del sistema di aspirazione (approfondisci in un'altra recensione).

Nel tempo, si è iniziato a utilizzare il turbocompressore per ridurre il consumo di carburante, aumentando al contempo le prestazioni del motore a combustione interna. L'installazione consente di espandere il campo di coppia. La classica turbina aumenta la velocità del flusso d'aria. A causa di ciò, un volume maggiore entra nel cilindro di quello dell'aspirato e la quantità di carburante non cambia.

A causa di questo processo, aumenta la compressione, che è uno dei parametri chiave che influenzano la potenza del motore (per come misurarla, leggere qui). Nel corso del tempo, gli appassionati di tuning automobilistico non erano più soddisfatti delle attrezzature di fabbrica, quindi le aziende di modernizzazione delle auto sportive hanno iniziato a utilizzare diversi meccanismi che iniettano aria nei cilindri. Grazie all'introduzione di un ulteriore sistema di pressurizzazione, gli specialisti sono riusciti ad espandere il potenziale dei motori.

Come ulteriore evoluzione del turbo per motori, è apparso il sistema Twin Turbo. Rispetto a una turbina classica, questa unità consente di rimuovere ancora più potenza dal motore a combustione interna e fornisce un ulteriore potenziale per gli appassionati di auto-tuning per modernizzare il proprio veicolo.

Come funziona Twin Turbo?

Un motore convenzionale aspirato funziona secondo il principio di aspirare aria fresca per mezzo di una depressione creata dai pistoni nel tratto di aspirazione. Man mano che il flusso si sposta lungo il percorso, entra una piccola quantità di benzina (nel caso di un motore a benzina), se si tratta di un'auto a carburatore o il carburante viene iniettato a causa del funzionamento dell'iniettore (leggi di più su cosa tipi di alimentazione forzata di combustibile).

La compressione in un tale motore dipende direttamente dai parametri delle bielle, dal volume del cilindro, ecc. Come per una turbina convenzionale, lavorando sul flusso dei gas di scarico, la sua girante aumenta l'aria che entra nei cilindri. Ciò aumenta l'efficienza del motore, poiché più energia viene rilasciata durante la combustione della miscela aria-carburante e la coppia viene aumentata.

Twin turbo funziona in modo simile. Solo in questo sistema l'effetto della "premurosità" del motore viene eliminato mentre la girante della turbina gira. Ciò si ottiene installando un meccanismo aggiuntivo. Un piccolo compressore accelera l'accelerazione della turbina. Quando il guidatore preme il pedale dell'acceleratore, una macchina del genere accelera più velocemente, poiché il motore reagisce quasi istantaneamente all'azione del guidatore.

Vale la pena ricordare che il secondo meccanismo in questo sistema può avere un design e un principio di funzionamento diversi. In una versione più avanzata, una turbina più piccola viene fatta girare con un flusso di gas di scarico inferiore, aumentando così il flusso in entrata a velocità inferiori, e il motore a combustione interna non ha bisogno di essere fatto girare al limite.

Un tale sistema funzionerà secondo il seguente schema. Quando il motore viene avviato, mentre l'auto è ferma, l'unità funziona al minimo. Nel tratto di aspirazione si forma un movimento naturale di aria fresca dovuto al vuoto nei cilindri. Questo processo è facilitato da una piccola turbina che inizia a ruotare a basso numero di giri. Questo elemento fornisce un leggero aumento della trazione.

All'aumentare del numero di giri dell'albero motore, lo scarico diventa più intenso. A questo punto, il compressore più piccolo gira di più e il flusso di gas di scarico in eccesso inizia a influenzare l'unità principale. Con un aumento della velocità della girante, un maggiore volume d'aria entra nel tratto di aspirazione a causa della maggiore spinta.

Il doppio boost elimina il duro cambio di potenza che si trova nei diesel classici. A velocità media del motore a combustione interna, quando la turbina grande sta appena iniziando a girare, il piccolo compressore raggiunge la sua velocità massima. Quando più aria entra nel cilindro, la pressione di scarico si accumula, azionando il compressore principale. Questa modalità elimina la notevole differenza tra la coppia del regime massimo del motore e l'inclusione della turbina.

Quando il motore a combustione interna raggiunge la velocità massima, anche il compressore raggiunge il livello limite. Il design a doppia spinta è progettato in modo che l'inclusione di un compressore di grandi dimensioni prevenga il sovraccarico della controparte più piccola.

Il doppio compressore automobilistico fornisce una pressione nel sistema di aspirazione che non può essere raggiunta con la sovralimentazione convenzionale. Nei motori con turbine classiche, c'è sempre un turbo lag (una notevole differenza nella potenza del propulsore tra il raggiungimento della sua velocità massima e l'accensione della turbina). Il collegamento di un compressore più piccolo elimina questo effetto, fornendo una dinamica del motore fluida.

In doppia turbocompressione, coppia e potenza (leggi la differenza tra questi concetti in un altro articolo) del propulsore si sviluppa in un range di giri più ampio di quello di un motore simile con un compressore.

Tipi di schemi di sovralimentazione con due turbocompressori

Quindi, la teoria di funzionamento dei turbocompressori ha dimostrato la loro praticità per aumentare in sicurezza la potenza del propulsore senza modificare il design del motore stesso. Per questo motivo, ingegneri di diverse aziende hanno sviluppato tre efficaci tipi di twin turbo. Ogni tipo di sistema sarà organizzato a modo suo e avrà un principio di funzionamento leggermente diverso.

Oggi, nelle automobili sono installati i seguenti tipi di sistemi di doppio turbocompressore:

• Parallelo;
• Coerente;
• Facendo un passo.

Ogni tipo differisce nello schema di collegamento delle soffianti, nelle loro dimensioni, nel momento in cui ciascuna di esse verrà messa in funzione, nonché nelle caratteristiche del processo di pressurizzazione. Consideriamo separatamente ogni tipo di sistema.

Schema di collegamento turbina parallela

Nella maggior parte dei casi, un tipo parallelo di turbocompressore viene utilizzato nei motori con un blocco cilindri a forma di V. Il dispositivo di un tale sistema è il seguente. È necessaria una turbina per ogni sezione del cilindro. Hanno le stesse dimensioni e corrono anche parallele tra loro.

I gas di scarico sono distribuiti uniformemente nel tratto di scarico e vanno a ciascun turbocompressore in quantità uguali. Questi meccanismi funzionano come nel caso di un motore in linea con una turbina. L'unica differenza è che questo tipo di biturbo ha due soffianti identici, ma l'aria proveniente da ciascuno di essi non viene distribuita sulle sezioni, ma viene costantemente iniettata nel tratto comune del sistema di aspirazione.

Se confrontiamo un tale schema con un sistema a turbina singola in un'unità di potenza in linea, in questo caso il design a doppio turbo è costituito da due turbine più piccole. Ciò richiede meno energia per far girare le loro giranti. Per questo motivo, i compressori sono collegati a una velocità inferiore rispetto a una turbina di grandi dimensioni (minore inerzia).

Questa disposizione elimina la formazione di un ritardo del turbo così forte, che si verifica sui motori a combustione interna convenzionali con un compressore.

Inclusione sequenziale

La serie tipo Biturbo prevede anche l'installazione di due soffianti identici. Solo il loro lavoro è diverso. Il primo meccanismo in un tale sistema funzionerà su base permanente. Il secondo dispositivo è collegato solo in una determinata modalità di funzionamento del motore (quando il suo carico aumenta o la velocità dell'albero motore aumenta).

Il controllo in un tale sistema è fornito dall'elettronica o dalle valvole che reagiscono alla pressione del flusso che passa. La ECU, secondo gli algoritmi programmati, determina in quale momento collegare il secondo compressore. La sua trasmissione è fornita senza accendere il singolo motore (il meccanismo funziona ancora esclusivamente sulla pressione del flusso di gas di scarico). La centralina attiva gli attuatori del sistema che controlla il movimento dei gas di scarico. Per questo, vengono utilizzate valvole con azionamento elettrico (nei sistemi più semplici, queste sono normali valvole che reagiscono alla forza fisica del flusso che scorre), che aprono / chiudono l'accesso al secondo ventilatore.

A sinistra è mostrato il principio di funzionamento a bassi e medi regimi del motore; A destra: lo schema a velocità superiori alla media.

Quando la centralina apre completamente l'accesso alla girante della seconda marcia, entrambi i dispositivi lavorano in parallelo. Per questo motivo, questa modifica è anche chiamata seriale-parallela. Il funzionamento delle due soffianti consente di predisporre una maggiore pressione dell'aria in ingresso, poiché le loro giranti di alimentazione sono collegate ad un tratto di aspirazione.

In questo caso, vengono installati anche compressori più piccoli rispetto a un sistema convenzionale. Ciò riduce anche l'effetto del turbo lag e rende disponibile la coppia massima a regimi del motore inferiori.

Questo tipo di biturbo è installato su entrambi i motori diesel e benzina. Il design del sistema consente di installare nemmeno due, ma tre compressori collegati in serie tra loro. Un esempio di tale modifica è lo sviluppo di BMW (Triple Turbo), presentato nel 2011.

Schema dei passaggi

Il sistema a doppio scorrimento a stadi è considerato il tipo più avanzato di doppia turbocompressione. Nonostante esista dal 2004, il tipo di sovralimentazione a due stadi ha dimostrato la sua efficienza nel modo più tecnico. Questo Twin Turbo è installato su alcuni tipi di motori diesel sviluppati da Opel. La controparte di sovralimentazione a gradini di Borg Wagner Turbo Sistems è montata su alcuni motori a combustione interna BMW e Cummins.

Lo schema del turbocompressore è costituito da due compressori di dimensioni diverse. Vengono installati in sequenza. Il flusso dei gas di scarico è controllato da elettrovalvole, il cui funzionamento è controllato elettronicamente (esistono anche valvole meccaniche azionate dalla pressione). Inoltre, il sistema è dotato di valvole che cambiano la direzione del flusso di scarico. Ciò consentirà di attivare la seconda turbina e spegnere la prima, in modo che non si guasti.

Il sistema ha il seguente principio di funzionamento. Una valvola di bypass è installata nel collettore di scarico, che interrompe il flusso dal tubo che va alla turbina principale. Quando il motore gira a basso numero di giri, questo ramo è chiuso. Di conseguenza, lo scarico passa attraverso una piccola turbina. A causa della minima inerzia, questo meccanismo fornisce un volume d'aria aggiuntivo anche a bassi carichi di ICE.

1. Raffreddamento dell'aria in entrata; 2. Bypass (valvola di bypass della pressione); 3. Fase di alta pressione del turbocompressore; 4. Turbocompressore di fase a bassa pressione; 5. Valvola di bypass del sistema di scarico.

Quindi il flusso si sposta attraverso la girante della turbina principale. Poiché le sue lame iniziano a ruotare a una pressione maggiore fino a quando il motore non raggiunge la velocità media, il secondo meccanismo rimane immobile.

C'è anche una valvola di bypass nel tratto di aspirazione. A basse velocità, è chiuso e il flusso d'aria passa praticamente senza iniezione. Quando il guidatore aumenta la velocità del motore, la piccola turbina gira di più, aumentando la pressione nel tratto di aspirazione. Questo a sua volta aumenta la pressione dei gas di scarico. Man mano che la pressione nella linea di scarico diventa più forte, il wastegate viene leggermente aperto, in modo che la piccola turbina continui a ruotare e una parte del flusso viene diretta alla grande soffiante.

A poco a poco, il grande ventilatore inizia a ruotare. All'aumentare della velocità dell'albero motore, questo processo si intensifica, il che rende la valvola più aperta e il compressore gira in misura maggiore.

Quando il motore a combustione interna raggiunge la velocità media, la piccola turbina è già in funzione al massimo e il compressore principale ha appena iniziato a girare, ma non ha raggiunto il suo massimo. Durante il funzionamento del primo stadio, i gas di scarico passano attraverso la girante del piccolo meccanismo (mentre le sue pale ruotano nel sistema di aspirazione) e vengono rimossi al catalizzatore attraverso le pale del compressore principale. In questa fase, l'aria viene aspirata attraverso la girante del compressore grande e fatta passare attraverso l'ingranaggio più piccolo rotante.

Alla fine della prima fase, il wastegate è completamente aperto e il flusso di scarico è già completamente diretto alla girante principale di sovralimentazione. Questo meccanismo ruota più fortemente. Il sistema di bypass è impostato in modo che il ventilatore piccolo sia completamente disattivato in questa fase. Il motivo è che quando si raggiunge la velocità media e massima di una grande turbina, si crea una prevalenza così forte che il primo stadio impedisce semplicemente che entri correttamente nei cilindri.

Nella seconda fase di pressurizzazione, i gas di scarico passano dalla piccola girante e il flusso in ingresso viene diretto attorno al piccolo meccanismo, direttamente nei cilindri. Grazie a questo sistema, le case automobilistiche sono state in grado di eliminare la grande differenza tra una coppia elevata al minimo numero di giri e la massima potenza quando si raggiunge la velocità massima dell'albero motore. Questo effetto era un compagno costante di qualsiasi motore diesel sovralimentato convenzionale.

Pro e contro della doppia sovralimentazione

Biturbo è installato raramente su motori a bassa potenza. Fondamentalmente, questa è l'attrezzatura su cui si fa affidamento per macchine potenti. Solo in questo caso è possibile portare l'indicatore di coppia ottimale già ai bassi regimi. Inoltre, le piccole dimensioni del motore a combustione interna non sono un ostacolo all'aumento della potenza del propulsore. Grazie al doppio turbocompressore, si ottiene un discreto risparmio di carburante rispetto alla sua controparte aspirata, che sviluppa una potenza identica.

Da un lato, c'è un vantaggio dall'attrezzatura che stabilizza i processi principali o ne aumenta l'efficienza. D'altro canto, tali meccanismi non sono privi di ulteriori svantaggi. E il doppio turbocompressore non fa eccezione. Un tale sistema non ha solo aspetti positivi, ma anche alcuni gravi svantaggi, a causa dei quali alcuni automobilisti si rifiutano di acquistare tali auto.

Innanzitutto, considera i vantaggi del sistema:

1. Il principale vantaggio del sistema è l'eliminazione del turbo lag, tipico di tutti i motori a combustione interna dotati di turbina convenzionale;
2. Il motore passa alla modalità di alimentazione più facilmente;
3. La differenza tra coppia massima e potenza è notevolmente ridotta, poiché aumentando la pressione dell'aria nel sistema di aspirazione, la maggior parte dei newton rimane disponibile su un intervallo di velocità del motore più ampio;
4.  Riduce il consumo di carburante necessario per ottenere la massima potenza;
5. Poiché la dinamica aggiuntiva dell'auto è disponibile a regimi inferiori del motore, il guidatore non deve farla girare così tanto;
6. Riducendo il carico sul motore a combustione interna, l'usura dei lubrificanti viene ridotta e il sistema di raffreddamento non funziona in modalità aumentata;
7. I gas di scarico non vengono semplicemente scaricati nell'atmosfera, ma l'energia di questo processo viene utilizzata con beneficio.

Ora prestiamo attenzione ai principali svantaggi del twin turbo:

• Lo svantaggio principale è la complessità del design dei sistemi di aspirazione e scarico. Ciò è particolarmente vero per le nuove modifiche al sistema;
• Lo stesso fattore influisce sul costo e sulla manutenzione del sistema: più complesso è il meccanismo, più costosa è la sua riparazione e regolazione;
• Un altro svantaggio è anche associato alla complessità della progettazione del sistema. Poiché sono costituiti da un gran numero di parti aggiuntive, ci sono anche più nodi in cui possono verificarsi rotture.

A parte, va menzionato il clima della zona in cui viene azionata la macchina turbocompressa. Poiché la girante del compressore a volte gira oltre i 10mila giri / min, necessita di una lubrificazione di alta qualità. Quando l'auto viene lasciata durante la notte, il grasso entra nella coppa, quindi la maggior parte delle parti dell'unità, compresa la turbina, si asciugano.

Se avvii il motore al mattino e lo utilizzi con carichi decenti senza un riscaldamento preliminare, puoi uccidere il compressore. Il motivo è che l'attrito a secco accelera l'usura delle parti di sfregamento. Per eliminare questo problema, prima di portare il motore agli alti regimi, è necessario attendere un po 'che l'olio venga pompato attraverso l'intero sistema e raggiunga i nodi più distanti.

In estate non devi dedicare molto tempo a questo. In questo caso, l'olio nella coppa ha una fluidità sufficiente in modo che la pompa possa pomparlo rapidamente. Ma in inverno, specialmente in caso di forti gelate, questo fattore non può essere ignorato. È meglio dedicare un paio di minuti al riscaldamento del sistema piuttosto che, dopo un breve periodo di tempo, buttare via una quantità decente per acquistare una nuova turbina. Inoltre, va detto che a causa del costante contatto con i gas di scarico, la girante dei ventilatori può riscaldarsi fino a mille gradi.

Se il meccanismo non riceve una lubrificazione adeguata, che in parallelo svolge la funzione di raffreddamento del dispositivo, le sue parti sfregheranno l'una contro l'altra a secco. L'assenza di un film d'olio provocherà un forte aumento della temperatura delle parti, fornendo loro espansione termica e, di conseguenza, la loro usura accelerata.

Per garantire un funzionamento affidabile del doppio turbocompressore, è necessario seguire le stesse procedure della manutenzione dei turbocompressori convenzionali. In primo luogo, è necessario cambiare l'olio in tempo, che viene utilizzato non solo per la lubrificazione, ma anche per il raffreddamento delle turbine (sulla procedura per la sostituzione del lubrificante, il nostro sito Web ha articolo separato).

In secondo luogo, poiché le giranti delle soffianti sono a diretto contatto con i gas di scarico, la qualità del carburante deve essere elevata. Grazie a ciò, i depositi di carbonio non si accumulano sulle pale, che interferiscono con la libera rotazione della girante.

In conclusione, offriamo un breve video sulle diverse modifiche alla turbina e le loro differenze:

Semyon te lo dirà! Twin TURBO o grande SINGOLO? 4 turbine per motore? Nuova stagione tecnica!

Domande e risposte:

Cos'è meglio il biturbo o il biturbo? Questi sono i sistemi di sovralimentazione del motore. Nei motori con biturbo, il ritardo del turbo viene attenuato e la dinamica di accelerazione viene livellata. In un sistema biturbo questi fattori non cambiano, ma aumentano le prestazioni del motore a combustione interna.

Qual è la differenza tra biturbo e biturbo? Biturbo è un sistema a turbina collegato in serie. Grazie alla loro inclusione sequenziale, il foro del turbo viene eliminato durante l'accelerazione. Un biturbo sono solo due turbine per aumentare la potenza.

Perché hai bisogno di un biturbo? Due turbine forniscono un volume d'aria maggiore nel cilindro. A causa di ciò, il rinculo aumenta durante la combustione di BTC: viene compressa più aria nello stesso cilindro.