Hệ thống Twin Turbo
nội dung
Nếu động cơ diesel được trang bị tuabin theo mặc định, thì động cơ xăng có thể dễ dàng thực hiện mà không cần bộ tăng áp. Tuy nhiên, trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, bộ tăng áp cho ô tô không còn được coi là kỳ lạ nữa (chi tiết về loại cơ chế và cách thức hoạt động của nó, nó được mô tả trong một bài báo khác).
Trong mô tả của một số mẫu xe hơi mới, một số thứ như biturbo hoặc tăng áp kép được đề cập đến. Chúng ta hãy xem xét nó là loại hệ thống nào, nó hoạt động như thế nào, làm thế nào các máy nén có thể được kết nối trong đó. Ở phần cuối của bài đánh giá, chúng ta sẽ thảo luận về những ưu và nhược điểm của động cơ tăng áp kép.
Twin Turbo là gì?
Hãy bắt đầu với thuật ngữ. Cụm từ biturbo sẽ luôn có nghĩa rằng, thứ nhất, đây là loại động cơ tăng áp và thứ hai, sơ đồ phun khí cưỡng bức vào các xi-lanh sẽ bao gồm hai tuabin. Sự khác biệt giữa biturbo và tăng áp kép là trong trường hợp đầu tiên sử dụng hai tuabin khác nhau và trong trường hợp thứ hai chúng giống nhau. Tại sao - chúng ta sẽ tìm ra nó sau một chút.
Mong muốn đạt được ưu thế vượt trội trong các cuộc đua đã buộc các nhà sản xuất ô tô phải tìm cách cải thiện hiệu suất của động cơ đốt trong tiêu chuẩn mà không có những can thiệp mạnh mẽ vào thiết kế của nó. Và giải pháp hiệu quả nhất là sự ra đời của một máy thổi khí bổ sung, nhờ đó thể tích lớn hơn đi vào các xi lanh, và hiệu suất của thiết bị tăng lên.
Những ai đã từng lái một chiếc ô tô có động cơ tuabin ít nhất một lần trong đời đều nhận thấy rằng cho đến khi động cơ quay đến một tốc độ nhất định, động lực của một chiếc ô tô như vậy sẽ chậm chạp, nói một cách nhẹ nhàng. Nhưng ngay sau khi turbo bắt đầu hoạt động, khả năng đáp ứng của động cơ tăng lên, như thể nitơ oxit đã đi vào các xi lanh.
Quán tính của việc lắp đặt như vậy đã khiến các kỹ sư nghĩ đến việc tạo ra một sửa đổi khác của tuabin. Ban đầu, mục đích của các cơ chế này chính xác là để loại bỏ tác động tiêu cực này, ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống nạp (đọc thêm về nó trong một bài đánh giá khác).
Theo thời gian, tăng áp bắt đầu được sử dụng nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu, nhưng đồng thời tăng hiệu suất của động cơ đốt trong. Việc cài đặt cho phép bạn mở rộng phạm vi mô-men xoắn. Tua bin cổ điển làm tăng tốc độ của dòng không khí. Do đó, một thể tích đi vào xi lanh lớn hơn thể tích hút khí và lượng nhiên liệu không thay đổi.
Do quá trình này, độ nén tăng lên, đây là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến công suất động cơ (để biết cách đo, hãy đọc đây). Theo thời gian, những người đam mê điều chỉnh xe hơi không còn hài lòng với các thiết bị của nhà máy, vì vậy các công ty hiện đại hóa xe thể thao bắt đầu sử dụng các cơ chế khác nhau bơm không khí vào xi-lanh. Nhờ sự ra đời của một hệ thống điều áp bổ sung, các chuyên gia đã quản lý để mở rộng tiềm năng của động cơ.
Như một sự phát triển tiếp theo của turbo cho động cơ, hệ thống Twin Turbo đã xuất hiện. So với tuabin cổ điển, việc lắp đặt này cho phép bạn loại bỏ nhiều năng lượng hơn từ động cơ đốt trong và đối với những người đam mê điều chỉnh tự động, nó cung cấp thêm tiềm năng để nâng cấp xe của họ.
Tăng áp kép hoạt động như thế nào?
Động cơ hút khí tự nhiên thông thường hoạt động dựa trên nguyên tắc hút không khí trong lành nhờ chân không tạo bởi các piston trong đường nạp. Khi dòng chảy di chuyển dọc theo đường dẫn, một lượng nhỏ xăng đi vào nó (trong trường hợp động cơ đốt trong chạy xăng), nếu đó là xe sử dụng bộ chế hòa khí hoặc nhiên liệu được bơm vào do hoạt động của kim phun (đọc thêm về những gì các loại cung cấp nhiên liệu cưỡng bức).
Nén trực tiếp trong động cơ như vậy phụ thuộc vào các thông số của thanh nối, thể tích xi lanh, v.v. Đối với tuabin thông thường, hoạt động dựa trên dòng khí thải, cánh quạt của nó làm tăng không khí đi vào xi lanh. Điều này làm tăng hiệu suất của động cơ, vì năng lượng được giải phóng nhiều hơn trong quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí và mô-men xoắn được tăng lên.
Tăng áp kép hoạt động theo cách tương tự. Chỉ trong hệ thống này mới loại bỏ ảnh hưởng của tính "chu đáo" của động cơ trong khi cánh quạt tuabin quay. Điều này đạt được bằng cách cài đặt một cơ chế bổ sung. Một máy nén nhỏ tăng tốc độ tăng tốc của tuabin. Khi người lái nhấn bàn đạp ga, chiếc xe như vậy sẽ tăng tốc nhanh hơn, vì động cơ gần như ngay lập tức phản ứng với hành động của người lái.
Điều đáng nói là cơ chế thứ hai trong hệ thống này có thể có thiết kế và nguyên lý hoạt động khác. Ở phiên bản cao cấp hơn, tuabin nhỏ hơn được quay với dòng khí xả ít mạnh hơn, giúp tăng lưu lượng tới ở tốc độ thấp hơn và động cơ đốt trong không cần quay đến giới hạn.
Hệ thống như vậy sẽ hoạt động theo cách sau. Khi khởi động động cơ, trong khi ô tô đứng yên, bộ phận hoạt động ở tốc độ không tải. Trong đường nạp, một luồng khí trong lành chuyển động tự nhiên được hình thành do chân không trong các xi lanh. Quá trình này được tạo điều kiện thuận lợi bởi một tuabin nhỏ bắt đầu quay ở vòng tua máy thấp. Yếu tố này cung cấp một sự gia tăng nhẹ về lực kéo.
Khi vòng tua trục khuỷu tăng lên, khí thải trở nên dữ dội hơn. Lúc này, bộ tăng áp nhỏ quay nhiều hơn và dòng khí xả dư bắt đầu ảnh hưởng đến dàn máy chính. Với sự gia tăng tốc độ của bánh công tác, một lượng không khí đi vào đường nạp tăng lên do lực đẩy lớn hơn.
Tăng tốc kép giúp loại bỏ sự thay đổi công suất khắc nghiệt hiện có trong các động cơ diesel cổ điển. Ở tốc độ trung bình của động cơ đốt trong, khi tuabin lớn mới bắt đầu quay thì bộ tăng áp nhỏ đạt tốc độ cực đại. Khi nhiều không khí đi vào xi lanh, áp suất khí thải sẽ tăng lên, dẫn động bộ tăng áp chính. Chế độ này giúp loại bỏ sự khác biệt đáng chú ý giữa mô-men xoắn của tốc độ động cơ tối đa và việc đưa vào tuabin.
Khi động cơ đốt trong đạt tốc độ tối đa thì máy nén cũng đạt mức giới hạn. Thiết kế tăng áp kép được thiết kế để việc bao gồm một bộ tăng áp lớn ngăn đối tác nhỏ hơn không bị quá tải do quá tải.
Máy nén ô tô kép cung cấp áp suất trong hệ thống nạp mà không thể đạt được bằng cách tăng áp thông thường. Trong các động cơ có tuabin cổ điển, luôn có độ trễ tuabin (một sự khác biệt đáng chú ý về công suất của bộ công suất giữa việc đạt tốc độ tối đa và bật tuabin). Kết nối một máy nén nhỏ hơn giúp loại bỏ hiệu ứng này, mang lại động cơ êm ái.
Trong tăng áp kép, mô-men xoắn và công suất (đọc về sự khác biệt giữa các khái niệm này trong một bài báo khác) của khối công suất phát triển trong phạm vi vòng / phút rộng hơn so với của động cơ tương tự có một bộ tăng áp.
Các loại sơ đồ tăng áp với hai bộ tăng áp
Vì vậy, lý thuyết hoạt động của bộ tăng áp đã chứng minh tính thực tiễn của chúng trong việc tăng công suất của khối công suất một cách an toàn mà không làm thay đổi thiết kế của chính động cơ. Vì lý do này, các kỹ sư từ các công ty khác nhau đã phát triển ba loại tăng áp kép hiệu quả. Mỗi loại hệ thống sẽ được sắp xếp theo cách riêng, và sẽ có nguyên lý hoạt động hơi khác nhau.
Ngày nay, các loại hệ thống tăng áp kép sau được lắp đặt trên ô tô:
- Song song, tương đông;
- Thích hợp;
- Bước.
Mỗi loại khác nhau về sơ đồ kết nối của các máy thổi, kích thước của chúng, thời điểm mỗi loại sẽ được đưa vào hoạt động, cũng như các đặc điểm của quá trình điều áp. Chúng ta hãy xem xét từng loại hệ thống riêng biệt.
Sơ đồ kết nối tuabin song song
Trong hầu hết các trường hợp, kiểu tăng áp song song được sử dụng trong động cơ có thiết kế khối xi-lanh hình chữ V. Thiết bị của một hệ thống như sau. Cần một tuabin cho mỗi phần xi lanh. Chúng có cùng kích thước và cũng chạy song song với nhau.
Các khí thải được phân phối đều trong ống xả và đi đến mỗi bộ tăng áp với số lượng như nhau. Các cơ cấu này hoạt động theo cách tương tự như trong trường hợp động cơ thẳng hàng với một tuabin. Điểm khác biệt duy nhất là loại biturbo này có hai ống thổi giống hệt nhau, nhưng không khí từ mỗi ống không được phân phối qua các bộ phận mà liên tục được bơm vào đường chung của hệ thống nạp.
Nếu chúng ta so sánh sơ đồ như vậy với một hệ thống tuabin đơn trong một tổ máy điện nội tuyến, thì trong trường hợp này, thiết kế tăng áp kép bao gồm hai tuabin nhỏ hơn. Điều này đòi hỏi ít năng lượng hơn để quay cánh quạt của chúng. Vì lý do này, các bộ tăng áp được kết nối với tốc độ thấp hơn một tuabin lớn (ít quán tính hơn).
Sự sắp xếp này giúp loại bỏ sự hình thành của độ trễ turbo mạnh như vậy, xảy ra trên động cơ đốt trong thông thường với một bộ siêu nạp.
Bao gồm tuần tự
Loại Biturbo sê-ri cũng cung cấp cho việc lắp đặt hai máy thổi giống nhau. Chỉ có công việc của họ là khác nhau. Cơ chế đầu tiên trong một hệ thống như vậy sẽ hoạt động thường xuyên. Thiết bị thứ hai chỉ được kết nối trong một chế độ vận hành nhất định của động cơ (khi tải của nó tăng lên hoặc tốc độ trục khuỷu tăng lên).
Điều khiển trong một hệ thống như vậy được cung cấp bởi thiết bị điện tử hoặc van phản ứng với áp suất của dòng đi qua. ECU, phù hợp với các thuật toán được lập trình, xác định thời điểm kết nối máy nén thứ hai. Hệ thống truyền động của nó được cung cấp mà không cần bật động cơ riêng lẻ (cơ chế vẫn hoạt động độc quyền dựa trên áp suất của dòng khí thải). Bộ điều khiển kích hoạt các cơ cấu chấp hành của hệ thống điều khiển chuyển động của khí thải. Đối với điều này, van điện được sử dụng (trong các hệ thống đơn giản hơn, đây là các van thông thường phản ứng với lực vật lý của dòng chảy), mở / đóng tiếp cận quạt gió thứ hai.
Khi bộ điều khiển mở hoàn toàn quyền truy cập vào bánh công tác của bánh răng thứ hai, cả hai thiết bị hoạt động song song. Vì lý do này, sửa đổi này còn được gọi là nối tiếp-song song. Hoạt động của hai máy thổi giúp có thể bố trí áp suất không khí vào lớn hơn, vì các cánh quạt cung cấp của chúng được kết nối với một đường dẫn vào.
Trong trường hợp này, các máy nén nhỏ hơn cũng được lắp đặt so với hệ thống thông thường. Điều này cũng làm giảm hiệu ứng trễ của turbo và tạo ra mô-men xoắn cực đại ở tốc độ động cơ thấp hơn.
Loại biturbo này được lắp đặt trên cả động cơ diesel và xăng. Thiết kế của hệ thống cho phép bạn lắp đặt không chỉ hai mà là ba máy nén kết nối nối tiếp với nhau. Một ví dụ về sự thay đổi đó là sự phát triển của BMW (Triple Turbo), được giới thiệu vào năm 2011.
Sơ đồ bước
Hệ thống cuộn kép theo giai đoạn được coi là loại tăng áp kép tiên tiến nhất. Mặc dù thực tế đã tồn tại từ năm 2004, nhưng loại tăng áp hai giai đoạn đã chứng minh được hiệu quả của nó về mặt kỹ thuật. Twin Turbo này được lắp đặt trên một số loại động cơ diesel do Opel phát triển. Borg Wagner Turbo Sistems 'đối trọng siêu tăng áp được trang bị cho một số động cơ đốt trong BMW và Cummins.
Sơ đồ tăng áp bao gồm hai bộ tăng áp có kích thước khác nhau. Chúng được cài đặt tuần tự. Dòng khí thải được điều khiển bởi van điện, hoạt động của van này được điều khiển bằng điện tử (cũng có những van cơ học được điều khiển bằng áp suất). Ngoài ra, hệ thống được trang bị các van thay đổi hướng của dòng xả. Điều này sẽ giúp nó có thể kích hoạt tuabin thứ hai và tắt tuabin thứ nhất, để nó không bị hỏng.
Hệ thống có nguyên lý hoạt động như sau. Một van rẽ nhánh được lắp trong ống xả, van này cắt dòng chảy từ ống đi đến tuabin chính. Khi động cơ chạy ở vòng tua thấp, nhánh này đóng. Kết quả là, khí thải đi qua một tuabin nhỏ. Do quán tính tối thiểu, cơ chế này cung cấp một lượng không khí bổ sung ngay cả ở tải ICE thấp.
Sau đó, dòng chảy chuyển động qua bánh công tác của tuabin chính. Kể từ khi các cánh của nó bắt đầu quay ở áp suất cao hơn cho đến khi động cơ đạt tốc độ trung bình, cơ cấu thứ hai vẫn bất động.
Ngoài ra còn có một van rẽ nhánh trong đường nạp. Ở tốc độ thấp, nó được đóng lại và luồng không khí đi thực tế mà không cần phun. Khi người lái tăng tốc động cơ, tuabin nhỏ quay mạnh hơn, làm tăng áp suất trong đường nạp. Điều này làm tăng áp suất của khí thải. Khi áp suất trong đường xả trở nên mạnh hơn, cửa xả hơi mở ra, để tuabin nhỏ tiếp tục quay, và một phần dòng chảy được dẫn đến quạt gió lớn.
Dần dần, quạt gió lớn bắt đầu quay. Khi tốc độ trục khuỷu tăng lên, quá trình này tăng cường, làm cho van mở nhiều hơn và máy nén quay ở mức độ lớn hơn.
Khi động cơ đốt trong đạt tốc độ trung bình, tuabin nhỏ đã hoạt động tối đa và bộ tăng áp chính mới bắt đầu quay, nhưng chưa đạt cực đại. Trong quá trình hoạt động của giai đoạn đầu, khí thải đi qua bánh công tác của cơ cấu nhỏ (trong khi các cánh của nó quay trong hệ thống nạp), và được đưa đến bộ xúc tác thông qua các cánh của máy nén chính. Ở giai đoạn này, không khí được hút vào qua bánh công tác của máy nén lớn và đi qua bánh răng nhỏ hơn đang quay.
Vào cuối giai đoạn đầu tiên, cửa xả được mở hoàn toàn và dòng khí thải đã được dẫn hoàn toàn đến cánh quạt đẩy chính. Cơ chế này quay mạnh hơn. Hệ thống đường vòng được điều chỉnh để quạt gió nhỏ hoàn toàn ngừng hoạt động ở giai đoạn này. Nguyên nhân là do khi đạt đến tốc độ trung bình và tốc độ tối đa của tua bin lớn, nó tạo ra một phần đầu mạnh đến mức giai đoạn đầu tiên chỉ đơn giản là ngăn nó đi vào các xi lanh đúng cách.
Trong giai đoạn thứ hai của điều áp, khí thải đi qua bánh công tác nhỏ, và dòng vào được dẫn xung quanh cơ cấu nhỏ - trực tiếp vào xi lanh. Nhờ hệ thống này, các nhà sản xuất ô tô đã loại bỏ được sự khác biệt lớn giữa mô-men xoắn cao ở vòng tua máy tối thiểu và công suất cực đại khi đạt tốc độ trục khuỷu tối đa. Hiệu ứng này đã là bạn đồng hành thường xuyên của bất kỳ động cơ diesel tăng áp thông thường nào.
Ưu và nhược điểm của tăng áp kép
Biturbo hiếm khi được cài đặt trên các động cơ công suất thấp. Về cơ bản, đây là trang bị được dựa trên những cỗ máy mạnh mẽ. Chỉ trong trường hợp này mới có thể lấy chỉ báo mô-men xoắn tối ưu đã có ở số vòng quay thấp hơn. Ngoài ra, kích thước nhỏ của động cơ đốt trong không phải là một trở ngại để tăng sức mạnh của bộ công suất. Nhờ động cơ tăng áp kép, khả năng tiết kiệm nhiên liệu khá tốt so với đối tác hút khí tự nhiên, vốn phát triển sức mạnh giống hệt nhau.
Một mặt, có một lợi ích từ thiết bị giúp ổn định các quá trình chính hoặc tăng hiệu quả của chúng. Nhưng mặt khác, những cơ chế như vậy không phải là không có thêm những nhược điểm. Và tăng áp kép cũng không phải là ngoại lệ. Một hệ thống như vậy không chỉ có những mặt tích cực, mà còn có một số nhược điểm nghiêm trọng, do đó một số người lái xe từ chối mua những chiếc xe như vậy.
Đầu tiên, hãy xem xét những ưu điểm của hệ thống:
- Ưu điểm chính của hệ thống là loại bỏ độ trễ tuabin, đặc trưng cho tất cả các động cơ đốt trong được trang bị tuabin thông thường;
- Động cơ chuyển sang chế độ công suất dễ dàng hơn;
- Sự khác biệt giữa mô-men xoắn cực đại và công suất giảm đáng kể, vì bằng cách tăng áp suất không khí trong hệ thống nạp, hầu hết các newton vẫn có sẵn trong phạm vi tốc độ động cơ rộng hơn;
- Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu cần thiết để đạt được công suất tối đa;
- Vì các động lực bổ sung của xe có sẵn ở tốc độ động cơ thấp hơn, người lái xe không cần phải quay nó quá nhiều;
- Bằng cách giảm tải cho động cơ đốt trong, sự mài mòn của dầu nhờn được giảm xuống, và hệ thống làm mát không hoạt động ở chế độ tăng lên;
- Khí thải không chỉ đơn giản được thải vào khí quyển, mà năng lượng của quá trình này được sử dụng một cách có lợi.
Bây giờ chúng ta hãy chú ý đến những nhược điểm chính của tăng áp kép:
- Nhược điểm chính là sự phức tạp trong thiết kế của hệ thống nạp và xả. Điều này đặc biệt đúng đối với các sửa đổi hệ thống mới;
- Yếu tố tương tự cũng ảnh hưởng đến chi phí và bảo trì hệ thống - cơ chế càng phức tạp thì việc sửa chữa và điều chỉnh càng tốn kém;
- Một nhược điểm khác cũng liên quan đến sự phức tạp của thiết kế hệ thống. Vì chúng bao gồm một số lượng lớn các bộ phận bổ sung, nên cũng có nhiều nút hơn trong đó có thể xảy ra vỡ.
Riêng biệt, cần đề cập đến khí hậu của khu vực mà máy tăng áp được vận hành. Vì bánh công tác của bộ siêu nạp đôi khi quay trên 10 nghìn vòng / phút, nên nó cần được bôi trơn chất lượng cao. Khi để xe qua đêm, dầu mỡ sẽ đi vào bể chứa, vì vậy hầu hết các bộ phận của thiết bị, bao gồm cả tuabin, trở nên khô.
Nếu bạn khởi động động cơ vào buổi sáng và vận hành với tải khá mà không khởi động sơ bộ, bạn có thể giết bộ tăng áp. Nguyên nhân là do ma sát khô làm tăng tốc độ mài mòn của các bộ phận cọ xát. Để loại bỏ vấn đề này, trước khi đưa động cơ lên số vòng quay cao, bạn cần đợi một chút trong khi dầu được bơm qua toàn bộ hệ thống và đến các nút ở xa nhất.
Vào mùa hè bạn không phải mất nhiều thời gian cho việc này. Trong trường hợp này, dầu trong bể chứa có đủ độ lưu động để máy bơm có thể nhanh chóng bơm đầy. Nhưng vào mùa đông, đặc biệt là những đợt sương giá khắc nghiệt thì không thể bỏ qua yếu tố này. Tốt hơn là dành vài phút để làm nóng hệ thống hơn là sau một khoảng thời gian ngắn, hãy bỏ ra một số tiền kha khá để mua một tuabin mới. Ngoài ra, cần nói thêm rằng do thường xuyên tiếp xúc với khí thải, cánh quạt của máy thổi có thể nóng lên đến một nghìn độ.
Nếu cơ cấu không nhận được dầu bôi trơn thích hợp, song song thực hiện chức năng làm mát thiết bị, các bộ phận của nó sẽ cọ xát vào nhau làm khô. Việc không có màng dầu sẽ khiến nhiệt độ của các bộ phận tăng mạnh, khiến chúng bị giãn nở vì nhiệt, và kết quả là chúng bị mài mòn nhanh hơn.
Để đảm bảo hoạt động tin cậy của bộ tăng áp kép, hãy làm theo các quy trình tương tự như đối với bộ tăng áp thông thường. Đầu tiên, cần thay dầu đúng hạn, loại dầu này không chỉ dùng để bôi trơn mà còn dùng để làm mát các tua-bin (về quy trình thay dầu nhớt, trang web của chúng tôi có bài báo riêng biệt).
Thứ hai, do cánh quạt của máy thổi tiếp xúc trực tiếp với khí thải nên chất lượng của nhiên liệu phải cao. Nhờ đó, cặn carbon sẽ không tích tụ trên các cánh quạt gây cản trở quá trình quay tự do của cánh quạt.
Tóm lại, chúng tôi cung cấp một video ngắn về các sửa đổi tuabin khác nhau và sự khác biệt của chúng:
Câu hỏi và trả lời:
Tăng áp kép hay tăng áp kép tốt hơn là gì? Đây là các hệ thống tăng áp động cơ. Trong các động cơ có biturbo, độ trễ turbo được làm mịn và động lực tăng tốc được cân bằng. Trong hệ thống tăng áp kép, các yếu tố này không thay đổi, nhưng hiệu suất của động cơ đốt trong tăng lên.
Sự khác biệt giữa bi-turbo và twin-turbo là gì? Biturbo là một hệ thống tuabin được kết nối theo chuỗi. Nhờ sự bao gồm tuần tự của chúng, lỗ turbo được loại bỏ trong quá trình tăng tốc. Một turbo kép chỉ là hai tuabin để tăng công suất.
Tại sao bạn cần một turbo kép? Hai tuabin cung cấp một lượng không khí lớn hơn vào xi lanh. Do đó, độ giật được tăng cường trong quá trình đốt cháy BTC - nhiều không khí được nén trong cùng một xi lanh.
