Последовательный наддув Bi-turbo
Последовательный наддув Bi-turbo — схема наддува двумя турбинами, включающимися в работу по очереди, друг за другом.
Двигатель
Турбонаддув – это тип наддува, использующий энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха в цилиндры мотора. Этот принцип был запатентован в 1911 году швейцарцем Альфредом Бюхи в патентном ведомстве США. Не смотря на то, что прообразы турбин были разработанны еще в конце XIX века, все же массовое использование этой схемы началось лишь 70-х годах прошлого века. И хотя все системы автомобиля постоянно совершенствуются, механические нагнетатели, разработанные более века назад, не отступают. Уменьшаются допуски при производстве, увеличивается точность изготовления, используются более технологичные материалы и сплавы (например на Ниссан Скайлайн GT-R 34 версии N1 лопасти нагнетателей делали керамическими), так что потенциал турбо нагнетателей еще далеко не исчерпан.
Различия между bi-turbo и twin-turbo и путаница в понятиях
Зачастую даже опытные и подкованные не только теоретически, но и практически люди, считают, что twin-turbo (твин-турбо) и bi-turbo (би-турбо) – лишь варианты названия одной и той же схемы наддувных двигателей с двумя турбинами.
Так сказать коммерческие названия, как с наименованиями систем полного привода разными производителями (у тех же немецких производителей: quattro – от Ауди, 4matic – Мерседеса, имеют одну суть – полный привод). В подтверждение же названий наддува приводят примеры Мицубиси 3000GT в версии VR-4 несет на двигателе надпись «твин-турбо», там V6 и две турбины, каждая питает свои 3 цилиндра и имеет выход в общий коллектор, такая же схема на Ауди моделей S4 или Allroad с 2,7 литра под капотом несет название би-турбо. Но название не всегда отображает схему работы турбин (параллельное или последовательное, оно же секвентальное. Так же в подтверждение приводят известный в кругах японоводов 2JZ-GTE, устанавливаемый в том числе и на Toyota Supra, ставшие известными после фильма «Форсаж», в котором главный герой управляя ярко-красной машиной, «сделал» Феррари. Рядный шестицилиндровый двигатель там то же несет надпись твин-турбо, а турбины там работают по своему алгоритму, включением и выключением которых заведуют специальные перепускные клапана (последовательно-параллельная схема).
Субару Легаси В4 — там две турбины, и работают они секвентально: на низких оборотах работает одна – маленькая турбина, на высоких к ней подключается вторая — большая. Можно еще поспорить с применением таких терминов как твинскрол, даунсазинг, но не будем уходить от основной темы.
Названиями этих систем породили популярное заблуждение, корни которого идут из словообразования. twin – с английского — двойня или близнец, т.е. одинаковые механизмы наддува, нагнетатели (или как говорят в среде гонщиков – «улитки», подразумевая похожесть этих агрегатов с одноименными слизняками), в то время как с немецкого би-турбо – это система с двумя турбинами. Получается что твин-турбо на автомобиле японского производства, в котором традиционно используются английские термины для названий, в то время как немецкие автопроизводели пользуются названиями на родном для них языке. Потому на какой-нибудь Тойоте Супра вы не встретите шильдика «би-турбо», а на Мерседес-Бенц – «твин»…
Последовательный наддув Bi-turbo и его преимущества
Би-турбо (bi-turbo) – она же секвентальный или последовательный наддув, т.
е. система наддува двигателя внутреннего сгорания, которая состоит из двух последовательно включаемых в работу турбин. В такой системе применяют две турбины, одну меньшего размера другую большого. Это сделано для того, чтобы маленькая турбина, которая раскручивается значительно быстрее, вступая в работу первой, обеспечивает хорошую тягу на более низких оборотах, затем, при достижении более высоких оборотов двигателя, раскручивается вторая , большая турбина, и нагнетает гораздо больший объем воздуха. Такая схема во-первых уменьшает так называемый турболаг (или турбояму – т.е. движение автомобиля с выключенными нагнетателями), образуя более ровную динамическую характеристику машины, без излишнего рывка, свойственного схемам с одной большой турбиной или системам с несколькими одновременно включающимися нагнетателями, во-вторых делается возможным применение больших нагнетателей на моторах, применяемых в машинах используемых не только для гонок по трекам, но и оставляя возможность езды по дорогам общественного пользования, когда отсутствует возможность, а зачастую и необходимость поддерживать высокие обороты двигателя.
Не стоит забывать и о том, что излишняя мощность в условиях города – крайне опасный фактор, так как при динамике подготовленного автомобиля возникает не только большая вероятность «догнать» соседнюю, как правило менее динамичную машину, находящуюся рядом в потоке, как и при торможении чаще смотреть назад, т.к. характеристики тормозов у гражданских автомобилей то же уступают спортивным.
Системы турбонаддува могут устанавливаются как на бензиновых, так и на дизельных агрегатах. На первых использование турбонаддува сопровождается появлением риска детонации вследствие резкого возрастания количества оборотов. Также, в результате более высокой температуры выхлопа сама система турбонаддува нагревается, что требует дополнительного ее охлаждения. На дизельных же агрегатах турбонаддув не имеет таких проблем. Там степень сжатия намного больше, а обороты коленвала ниже. В результате адиабатного расширения, температура выхлопа у бензиновых двигателей составляет 1000 градусов, а дизельных моторов гораздо меньше — 600.
Поэтому применение турбонаддува на дизельных агрегатах является более простым и эффективным.
Проблема в том, что ротор турбокомпрессора нельзя сделать большим- чем больше диаметр турбины, тем выше ее момент инерции. Стало быть, даже если водитель при разгоне более резко нажмет на педаль акселератора, быстрого ускорения как у атмосферного двигателя, он не получит, потому что придется подождать не только, пока коленвал двигателя, но затем и крыльчатка турбины наберут соответствующие обороты. Значит, турбину следует сделать меньше по диаметру. Но поступление воздуха так же зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: увеличение оборотов упирается в ограничение по предельным нагрузкам используемых материалов.
Интересные факты о последовательном наддуве Bi-turbo
Помимо последовательного наддува Bi-turbo в автомобилях применяются и более сложные схемы с большим количеством нагнетателей. К примеру, в нашумевшем Бугатти Вейрон, для получения мощности в 1001 лошадиную силу на двигателе стоит 4 турбонагнетателя.
Система турбонаддува — принцип работы турбины
Ноя 1 2014
Турбонаддув – способ увеличения мощности двигателя автомобиля за счет увеличения подачи воздуха в цилиндры, не изменяя при этом его (двигателя) объема.
Основной элемент системы – турбокомпрессор, состоящий из турбины и компрессора (нагнетателя). Причем турбина начинает работать как только происходит запуск двигателя, а компрессор только с определенного числа оборотов.
Роль обогащения топливо-воздушной смеси кислородом отведена компрессору (нагнетателю). Происходит этот процесс за счет использования энергии отработавших газов. Колеса («крыльчатки») турбины и компрессора закреплены на одном валу.
Выхлопные газы через выпускной коллектор попадают в корпус турбины, раскручивая ее колесо, которое в свою очередь раскручивает колесо компрессора, вследствие чего осуществляется всасывание воздуха из атмосферы в компрессор, и уже в нем его сжатие и нагнетение во впускное отверстие.
Так как сжатие воздуха сопровождается его нагревом, что приводит к уменьшению плотности, а как следствие к снижению и эффективности наддува в системах турбоннадува применяется интеркулер – своеобразный «промежуточный радиатор» (между компрессором и цилиндрами) для охлаждения воздуха, подаваемого в цилиндры.
Интеркулеры бывают двух видов: воздухо-воздушный и водо-воздушный.
В автомобилях преимущественно используются воздухо-воздушные интеркулеры, располагающиеся, как правило, либо фронтально (перепендикулярно продольной оси автомобиля) – обычно пространство перед/под радиатором двигателя, либо горизонтально над двигателем.
Твин-турбо (би-турбо) – система «сдвоенного» наддува, в которой применяется два турбокомпрессора, то есть две турбины и два компрессора.
Параллельная система «сдвоенного турбонаддува» (Parallel twin-turbo). Представляет собой конфигурацию турбонаддува, в которой два идентичных турбокомпрессора в равной степени разделяют между собой работу по нагнетанию воздуха в цилиндры.
Каждый из них действует на свой ряд цилиндров и функционирует за счет половины отработавших газов двигателя.
Секвентальная система «сдвоенного турбонаддува» (Sequential twin-turbo). В такой конфигурации также два турбокомпрессора – один меньшего размера, другой большего.
Работают они последовательно: на низких оборотах двигателя, когда энергии выхлопных газов не хватает для раскрутки колеса большой турбины, работает маленький, на высоких подключается большой.
В настоящее время наряду с системами «сдвоенного турбонаддува» все большее распространение получают системы наддува с изменяемой геометрией, то есть с изменением сечения на входе колеса турбины. Происходит это за счет поворота небольших лопастей вокруг «крыльчатки».
Движение воздуха при закрытых лопастях.
Движение воздуха при открытых лопастях.
Уменьшение сечения на низких оборотах (при недостаточном для раскрутки колеса турбины количестве выхлопных газов) способствует увеличению мощности потока отработавших газов.
Когда же двигатель работает на высоких оборотах, и мощность потока газов возрастает, сечение увеличивается так, чтобы обеспечить достаточный двигателю «наддув», избежав при этом перегрузки турбокомпрессора.
По сравнению с «традиционными» турбокомпрессорами, имеющими в своей конструкции перепускной клапан, регулирующий обороты турбины, а следовательно и производительность компрессора, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией более экономичны (естественно, относительно расхода топлива) и экологичны при более высокой мощности.
Разработка подобных систем наддува, помимо снижения затрат на топливо и выброса вредных веществ в атмосферу, направлена еще и на повышение производительности двигателей – исключения такого явления, как турбо-яма (турбо-лаг), когда на низких оборотах двигателя давления выхлопных газов недостаточно для раскрутки турбины, и только на высоких оборотах двигатель раскрывает свою истинную сущность, обозначенную «шильдиком» «turbo».
«На пальцах».
..чтобы понять, что такое турбо-яма нужно сесть за руль автомобиля, оснащенным простым турбо-двигателем, проехать какое-то растояние на низкой скорости, а потом «утопить» педаль акселератора (газа) в пол…после небольшой паузы автомобиль довольно резким рывком устремится вперед!
Упомянутая выше «небольшая пауза» и есть турбо-яма.
Насколько эффективна система последовательного отключения вашей паровой турбины?
- Новости контроля потерь
Насколько эффективна система последовательного отключения вашей паровой турбины?
Недавние оценки паротурбинных генераторов, проведенные AEGIS, выявили опасения по поводу эффективности защиты от последовательного отключения. В качестве предпочтительного метода нормального останова последовательное отключение имеет решающее значение для предотвращения центробежного взрыва паровой турбины.
Хотя этот тип разрушительного события случается нечасто, он представляет собой наихудший случай максимальной предсказуемой потери электростанции.
Для предотвращения превышения скорости генератора паровой турбины и связанного с этим побочного ущерба должны последовательно выполняться следующие действия:
- Инициирование останова или останова турбины
- Удаление всего рабочего пара, подтвержденное положением клапана или другими рабочими параметрами, такими как давление пара
- Обнаружение обратного (направленного) потока мощности (реле 32)
- Размыкание генераторного выключателя (GCB)
- Выбег агрегата без ускорения/перерегулирования ротора
Проверка последовательного отключения за 5 минут
Во время типичного останова турбогенератора обеспечение подачи пара на турбину и последующее размыкание выключателя генератора должно приводить к немедленному и постоянному снижению скорости турбины.
Создание графиков временных рядов скорости турбогенератора (об/мин) с интервалом в 1 секунду, начиная с 1 минуты до размыкания выключателя генератора и заканчивая через 1 минуту после размыкания выключателя генератора.
Ожидаемое наблюдение
Каждая точка данных скорости должна иметь значение, равное или меньше значения предыдущей точки данных.
Отклонение от ожидаемых критериев наблюдения должно привести к принятию технических мер до перезапуска турбогенератора, как показано на следующем рисунке.
Мониторинг скорости выбега турбины должен быть стандартной практикой при каждом останове.
Примечание. При большинстве отказов генератора происходит одновременное отключение паровой турбины и генератора. Отключение, вызванное неисправностью генератора, не должно предотвращаться или задерживаться последовательным отключением.
Хотите узнать больше?
AEGIS Loss Control проведет вебинар по последовательному отключению паровых турбин и защите от превышения скорости 14 сентября в 14:00 по восточноевропейскому времени.
Приглашаются к участию специалисты по эксплуатации электростанций и инженерно-технический персонал, отвечающий за безопасную и надежную работу паровых турбин, а также сотрудники по управлению рисками, которые хотели бы лучше понять эти основные схемы защиты. Нажмите здесь для получения дополнительной информации или для регистрации на этот важный веб-семинар по безопасности.
Для получения дополнительной информации по теме этого краткого совета обращайтесь:
Стефан Жакмонд
Senior Machinery Professional
AEGIS Insurance Services, Inc.
О кратких советах
Мы отправляем краткие советы менеджерам и операционным специалистам из нашего списка адресов электронной почты, но, пожалуйста, не стесняйтесь пересылать их другим сотрудникам вашей организации, которые, по вашему мнению, могут быть полезны. Мы будем рады добавить их имена в список рассылки. Просто сообщите нам об этом по адресу quicktips@aegislimited.
Последовательные турбонаддувы: как они работают и почему встречаются редко
Турбонаддув — это лучший способ получить от двигателя максимальную мощность. Но с этим приходит турбо-лаг, который может стать настоящим нарушителем условий сделки.
Хотя это касается только больших одинарных турбин. Если вам нужны все преимущества турбонаддува за вычетом запаздывания, вы можете рассмотреть последовательные турбонаддувы.
Есть причина, по которой и MK4 Supra, и FD RX-7 имели последовательно расположенные двойные турбины. Излишне говорить, что эти автомобили абсолютно правили улицами в 9-м веке.0 с.
В этой статье мы рассмотрим, что делают последовательные турбины, их достоинства и почему их популярность среди производителей автомобилей с годами снизилась, несмотря на ряд преимуществ.
Параллельный и последовательный турбонаддув
Прежде чем обсуждать, как работает этот тип турбонаддува, давайте вкратце обсудим разницу между параллельным и последовательным турбонаддувом.
Компоновки с двойным турбонаддувом или битурбо впервые были представлены в параллельной компоновке, чаще всего на двигателях с V-образной компоновкой. Это означало, что каждый ряд цилиндров мог иметь свою собственную турбину, а не объединять оба цилиндра в один.
Не путать с составными турбинами. В этой установке использовались две маленькие турбины, а не одна большая, потому что для раскрутки двух маленьких турбин требуется меньше времени, чем для одной большой турбины.
Другими словами, сила, необходимая для вращения большой турбины, намного больше силы, необходимой для вращения маленькой.
По сути, параллельные турбины намного быстрее достигают пикового наддува из-за меньших размеров колес турбины и компрессора, которые испытывают меньшую инерцию. Это означает сокращение времени задержки.
Несмотря на то, что параллельные турбонаддувы заметно улучшают реакцию, система по-прежнему демонстрирует отставание. Это потому, что способ, которым он направлен, требует, чтобы воздух проходил большее расстояние, прежде чем он сможет попасть в камеру сгорания.
Таким образом, несмотря на то, что отставание уменьшилось, диапазон мощности остается почти таким же на низких оборотах. Вот тут-то и появляются последовательные турбины, поскольку они работают немного по-другому.
Как работают последовательные турбины?
В отличие от параллельного турбонаддува, при котором две маленькие турбины постоянно работают вместе, последовательный турбонаддув предполагает использование двух турбин — малой и большой.
Маленькая турбина быстро раскручивается, чтобы вы могли без задержек работать в диапазоне низких оборотов, после чего вступает в действие более крупная турбина. Таким образом, вы получаете лучшее из обоих миров.
Вы получаете значительно меньшее время задержки и постоянное ускорение в более широком диапазоне оборотов, гарантируя, что автомобиль не чувствует себя недостаточно мощным на низких оборотах.
Просто знайте, что некоторое отставание все же будет присутствовать, хотя и не такое сильное, как при параллельном турбонаддуве.
Важное различие между параллельной и последовательной компоновкой заключается в том, что турбины в параллельной установке питаются отдельно, тогда как последовательные турбины используют одни и те же выхлопные газы.
Например, параллельная рядная шестерка с двойным турбонаддувом будет иметь выхлопные газы, направляемые таким образом, что цилиндры 1-3 будут питать один турбонаддув, а цилиндры 4-6 — другой.
Но в последовательной настройке, при низких оборотах двигателя, выхлопные газы (из всех цилиндров) направляются в первичную турбину, а затем в большую турбину через заслонку или клапан.
Стоит отметить, что в обеих конфигурациях используется турбо интеркулер, если только они не используются для быстрых соревнований, где отставание может быть разницей между победой или поражением.
Переключение зависит от производителя, но обычно происходит на отметке от 4000 об/мин до 5000 об/мин.
Почему в настоящее время не используются последовательные турбины?
Простой ответ — стоимость и сложность.
В отличие от параллельных турбин, которые очень распространены в наши дни, последовательные турбины требуют множества труб, чтобы обе турбины были подключены ко всем цилиндрам.
Это увеличивает стоимость и накладывает ограничения на упаковку — две вещи, которые не очень нравятся OEM-производителям.
Mazda определенно потратилась на свой 3-роторный последовательный двигатель 20B с турбонаддувом, как это видно на Eunos Cosmo 9.0006 Дополнительный вес и сложность также могут вызвать проблемы с надежностью.Последовательная установка может не обязательно иметь больше проблем, чем параллельная установка. Тем не менее, у него есть потенциал, чтобы иметь больше проблем. Чем сложнее становится система, тем больше шансов, что что-то пойдет не так.
Например, заслонка или клапан секвентальной системы (вакуумный или другой) можно легко считать уязвимым элементом. В случае сбоя вся установка становится бесполезной.
Другой причиной является использование турбин с двойной спиралью, которые используют отдельные каналы для сбора выхлопных газов.