Не Twinturbo единым. Ликбез. Часть 3.

В предыдущих двух статьях мы рассмотрели большинство схем работы наддува, состоящих из двух турбокомпрессоров, и ответили на извечный вопрос, в чём разница между «twinturbo» и «biturbo» (кто ещё не в курсе, ознакомьтесь: Twinturbo или Biturbo? Ликбез. Часть 1. и Twinturbo или Biturbo? Ликбез. Часть 2. ). Но раз уж мы начали копать, почему бы не ознакомиться и с теми схемами наддува, которые не попадают под определение «twinturbo» и «biturbo», однако имеют более одного агрегата наддува, как минимум один из которых является турбокомпрессором. Системы из четырёх параллельно работающих турбокомпрессоров, как на Bugatti Veyron, рассматривать не будем, т.к. они решительно ничем не отличаются от двух так же параллельно работающих. У нас припасено кое-что поинтереснее!

Tri-Turbo (три турбокомпрессора)


Tri-turbo дизель BMW N57S
Мы уже помним про последовательные схемы наддува, получившие широкое распространение на дизельных двигателях. Различные комбинации из большого и маленького турбокомпрессоров позволили дизелям перешагнуть планку в 100 л.с. с литра рабочего объёма при впечатляющем крутящем моменте с самых низов. Однако аппетит приходит во время еды и перед инженерами BMW встала ещё более амбициозная задача, которую они с успехом воплотили в турбодизеле BMW N57S. Это всё та же трёхлитровая рядная шестёрка, что и на N57D30T0/T1 с Twin Turbo, о котором мы говорили во второй части статьи, однако система наддува уже совершенно иная:


Tri-turbo дизель BMW N57S

Это хитрая система параллельной, последовательной и поэтапной работы трёх турбокомпрессоров – двух небольших с изменяемой геометрией (VTG), подключенных параллельно, и одного большого, подключенного последовательно с двумя маленькими. Работает это дело следующим образом:

1) на низких оборотах, примерно до 1500 об/мин, весь поток отработавших газов направляется на одну из маленьких турбин (на схеме правая). Благодаря своему размеру она очень быстро набирает обороты и обеспечивает стартовый наддув двигателя. Вторая маленькая турбина (слева) в этот момент специальной заслонкой отрезана от выпускного коллектора и бездействует. После маленькой турбины отработавшие газы поступают на колесо большой турбины, компрессор которой подаёт воздух на маленькие компрессоры. Но на данный момент её обороты столько незначительны, что она практически не участвует в работе наддува. Крутящий момент уже на 1500 об/мин достигает впечатляющих 650 Нм.
2) с 1500 об/мин большой турбокомпрессор, немного разогнавшись, начинает вносить свой вклад, обеспечивая предварительное сжатие воздуха, поступающего на вход пока ещё в одиночку работающего маленького турбокомпрессора. Давление наддува продолжает расти, а вместе с ним и развиваемый двигателем крутящий момент, который в 2000 об/мин достигает ошеломляющих 740 Нм!
3) примерно к 2500 об/мин поток отработавших газов становится слишком большим для одной маленькой турбины, а её компрессор приближается к пределу своей производительности. В этот момент в игру вступает второй маленький турбокомпрессор (на схеме левый) за счёт открытия специальной заслонки в выпускном коллекторе. Во впускной системе так же открывается заслонка, освобождающая ход нагнетаемому большим компрессором воздуху к обоим маленьким компрессорам. Ввод второго маленького турбокомпрессора в работу позволяет разгрузить турбину первого и удвоить производительность второй ступени наддува (первой ступенью является большой турбокомпрессор). Ровная полка крутящего момента, ограниченного системой контроля давления наддува, тянется до 3000 об/мин, а затем начинает постепенно спадать по мере того, как большой турбокомпрессор приближается к точке своей максимальной производительности. С 4000 до 4400 об/мин двигатель выдаёт ровную полку мощности в 376 л.с., после чего давление наддува начинает снижаться быстрее, чем растут обороты двигателя, и кривая мощности загибается вниз.


Tri-turbo дизель BMW N57S

Стоит обратить внимание, что в отличие от схемы наддува с двумя турбокомпрессорами, применяемой на N57D30T0/T1, здесь основной большой турбокомпрессор всё время работает в последовательной (serial) схеме, питаясь отработавшими газами только после турбин второй ступени наддува и подавая воздух только на вход компрессоров второй ступени наддува. В этом плане он скорее напоминает дизель Mazda Skyactiv-D (про который мы тоже говорили ранее), чем собственно сам BMW N57D30T0/T1, на базе которого он создан. Добавление ещё одного турбокомпрессора второй ступени, подключаемого только на средних оборотах, позволило увеличить производительность второй ступени, нисколько не затронув великолепный момент на низах, обеспечиваемых одной маленькой турбиной. А увеличение производительности второй ступени позволило применить более производительный турбокомпрессор первой ступени без необходимости на высоких оборотах нагнетать воздух в двигатель напрямую (как это сделано на N57D30T0/T1, где один маленький турбокомпрессор второй ступени в определённый момент превращается с «затычку» на впуске и выпуске, из-за чего требует вывода из работы). Постоянный двухступенчатый наддув позволяет сохранить высокое давление наддува нВ широком диапазоне оборотов, благодаря максимальная мощность двигателя по сравнению с BMW N57D30T1 Twinturbo выросла почти на 22% (376 л.с. против 309 л.с.), при этом достигается она на 10% меньших оборотах (в диапазон 4000-4400 об/мин против 4400 об/мин). И не говорите, что это не круто!

Для наглядности вот небольшое видео:



Twincharger (турбокомпрессор в паре с приводным нагнетателем)

Идея совместить приводной нагнетатель и турбокомпрессор в головах инженеров-мотористов витала с того момента, как сами турбокомпрессоры начали внедряться в двигателестроении, т.е. ещё в первой половине прошлого века. Турбокомпрессоры тогда были ещё совсем новы и несовершенны, но имели важное преимущество над уже хорошо распространёнными приводными нагнетателями – значительно меньшие потери мощности двигателя на их привод и их исключительное преимущество в эффективности наддува в разряженной атмосфере на больших высотах (за счёт нелинейной связи оборотов компрессора и двигателя, которая в разряженной атмосфере ещё больше дифференцировалась) – ведь именно боевая авиация Второй Мировой Войны являлась локомотивом развития поршневого двигателестроения того времени. Такие известные минусы турбокомпрессоров, как большая турбояма и задержка реакции на дроссель, мало смущали разработчиков авиационных двигателей, которые, как известно, работают в довольно узких и стабильных режимах и не страдают от упомянутых недостатков. Однако несовершенство технологий и применяемых материалов не могли не сказаться на надёжности и ресурсе систем наддува с турбонагнетателями, поэтому некоторые производители пошли на совмещение турбокомпрессора с уже привычным, надёжным и хорошо изученным приводным нагнетателем. На тот момент это было просто переходное решение призванное повысить надёжность системы наддува в боевых условиях, когда отказ капризного турбонагнетателя не привёл бы к колоссальной потери мощности. Такую гибридную систему наддува, для примера, использовали немцы на двигателе Daimler-Benz DB 621:


Daimler-Benz DB 621

На фото 12-цилиндровый V-образный двигатель объёмом 35.7 литра с 4-клапанами на цилиндр и непосредственным впрыском топлива, «перевёрнутый» картером вверх. Уже впечатляет, верно? В качестве первой ступени наддува служили два турбонагнетателя DBT 306 (разработки того же Daimler-Benz), которые располагались в передней части двигателя, справа и слева от редуктора. Каждый их них приводился движение одним из рядом двигателя, при том горячая улитка имела два раздельных входа для выхлопных газов – по три цилиндра на каждый канал (примерно так же сделано на турбине новейшего турбомотора Renault 1.6 V6 для F1 2014). Турбокомпрессоры работают параллельно и через общий патрубок нагнетают воздух на вход приводного центробежного компрессора, расположенного слева позади двигателя. Этот компрессор обеспечивает окончательное сжатие воздуха перед подачей его в цилиндры. В итоге двигатель развивал на взлёте 1620 л.с. при 2800 об/мин (45,4 л.с. с литра рабочего объёма) и 1050 л.с. на высоте 15000 метров, где плотность воздуха составляет всего 16% от плотности на уровне моря. Последующие разработки Daimler-Benz с комбинированными системами наддува, например за счёт замены двух турбокомпрессоров одним большим, а одного приводного нагнетателя двумя, последовательно соединёнными, т.е. получения трёхступенчатой системы наддува, дополненное промежуточными охладителями нагнетаемого воздуха, позволило увеличить литровую мощность двигателя на той же пятнадцатикилометровой высоте примерно на 60%. Двигатели только с приводными компрессорами, даже трёхступенчатыми с несколькими скоростями, на таких высотах даже не летали. Уникальность турбокомпрессора на больших высотах заключается в принципе его работы – с уменьшением давления окружающей атмосферы снижается нагрузка на компрессор, тогда как эффективность работы турбины вырастает за счёт увеличения перепада давлений на входе турбины и на её выходе. В итоге обороты вала турбокомпрессора значительно возрастают и обеспечивают достаточную подачу воздуха в двигатель, в то время как приводные компрессоры жёстко привязаны по оборотам к двигателю и способны частично адаптироваться к снижению плотности забортного воздуха только за счёт коробки передач на своём приводе при возрастающих затратах энергии на их работу.

Однако на авиационных двигателях не использовались все преимущества подобного гибридного наддува в силу особенностей их эксплуатации, поэтому закончим это небольшой экскурс в историю и перенесёмся на 40 лет вперёд, в эпоху раллийных монстров группы «B», когда наддув по схеме “Twincharger” получил новую яркую жизнь.

Twincharger (турбокомпрессор - приводной компрессор, постоянное последовательное соединение)

Речь идёт о знаменитой Lancia Delta S4, оснащённой 1.8-литровым двигателем с турбокомпрессором и приводным нагнетателем типа “Roots”.


Lancia Delta S4 Twincharger

Как видно на схеме, оба агрегата наддува соединены последовательно, притом первой ступенью наддува является турбокомпрессор, подающий воздух под давлением на вход второй ступени наддува – приводной нагнетатель объёмного типа, который выполняет окончательное сжатие смеси. Регулировка давления наддува осуществляется как на турбокомпрессоре за счёт внешнего вестгейта, так и на приводном компрессоре посредством встроенного перепускного клапана. Важно отметить, что оба агрегата наддува работают в такой связке всё время, не отключаясь и не используя обводные каналы – об этом мы его упомянем чуть позже.

Эволюция системы наддува на раллийных двигателях Lancia происходила от чисто компрессорного мотора, установленного на Lancia 037, мощность которого в последних версиях достигала 350 л.с. при 2111 куб.см. рабочего объёма. Новую Delta S4 необходимо было сделать заметно мощнее, при этом на меньшем рабочем объёме – всего 1759 куб.с., чтобы попасть в класс до 2500 куб.с. с учётом повышающего коэффициента за наддув. Так в системе наддува появился турбокомпрессор. Приводной нагнетатель притом никуда не исчез потому, что на него теперь возлагались две важнейшие задачи:

1) обеспечение наддува на низких и средних оборотах, когда турбокомпрессор ещё не вышел на рабочие обороты
2) обеспечение экстремального давления наддува на высоких оборотах в качестве второй ступени сжатия смеси для получения требуемой мощностной отдачи двигателя.
Благодаря добавлению производительного турбокомпрессора, работающего в первой ступени наддува, стало возможным существенно увеличить количество подаваемого в двигатель воздуха, не применяя гораздо более габаритного приводного нагнетателя (увеличение плотности воздуха на входе нагнетателя примерно пропорционально увеличивает его производительность) и увеличив давление наддува практически во всём диапазоне оборотов, особенно на средних и высоких оборотах. Результатом этой работы стало увеличение максимальной мощности до 480 л.с., хотя по некоторым данным она достигала 560 л.с. Впрочем 2 секунды разгона до 100 км/ч по гравию говорят гораздо больше, чем сухой пересчёт табуна под капотом. В том же 1985 году инженеры Lancia подтвердили жизнеспособность и потенциал такой системы, испытав 1000-сильную версию двигателя с 5 барами давления наддува.

Чуть выше мы упомянули, что турбокомпрессор с приводным нагнетателем работают последовательно всё время. Такая схема, разумеется, обладает как своими плюсами, так и минусами.

+ достаточное давление наддува на низких оборотах за счёт приводного нагнетателя;
+ очень высокое давление наддува на высоких оборотах, за счёт двухступенчатого последовательного сжатия воздуха;
+ хорошая отзывчивость мотора на работу дросселем на низких и средних оборотах, свойственная всем компрессорным моторам;
+ возможность использования приводного компрессора средних размеров, самостоятельная производительность которого меньше, чем необходимо искомому двигателю (его производительность увеличивается предварительным наддувом от турбокомпрессора);
+ простота конструктивного исполнения и системы управления;
- относительно высокие потери мощности на привод компрессора, растущие вместе с оборотами двигателя, т.к. компрессор работает постоянно;
- меньшая эффективность приводного компрессора объёмного типа по сравнению с турбокомпрессором, имеющая место быть во всём диапазоне оборотов двигателя, а значит и повышенные требования к системе охлаждения наддувочного воздуха.

Такая схема наддува пользуется популярностью и в настоящее время, в основном при форсировке серийных турбомоторов небольшого рабочего объёма, т.к. достаточна проста в реализации и позволяет значительно увеличить мощность двигателя, не потеряв низы, которые при аналогичной форсировке только за счёт увеличения турбокомпрессора пропадают напрочь.


Twincharger (приводной компрессор - турбокомпрессор, постоянное последовательное соединение).



А что, если в предыдущей схеме заменить турбокомпрессор и приводной нагнетатель местами? Т.е. приводной компрессор станет в качестве первой ступени наддува подавать воздух под давлением на вход компрессора турбины, на плечи которого ляжет его окончательное сжатие. Вот как это выглядит на схеме:


Twincharger, постоянное последовательное соединение

Первое, что придётся такой схеме подключения – это производительность агрегатов наддува. Для турбокомпрессора её можно будет уменьшить, а для приводного нагнетателя – заметно увеличить. Причины тому очевидные – первая ступень наддува должна иметь нормальную производительность (при атмосферном давлении на входе компрессора), равную потреблению воздуха двигателем в режиме максимальной мощности. Вторая ступень должна прокачивать столько же воздуха, но в силу того, что на её вход воздух подаётся уже предварительно сжатый, её нормальная производительность может быть меньше, чем у первой ступени, о чём мы уже говорили ранее. А раз мы меняем ступени наддува местами, значит необходимо изменить и их нормальную производительность. Может показаться, что в работе изменения будут незначительными в сравнении с вышеописанной системой, как на Lancia Delta S4, однако это не так. Уменьшение размеров турбокомпрессора ускорит его выход на рабочие обороты и позволит повысить момент на низких и средних оборотах. Однако на высоких оборотах мощность двигателя будет ограничена производительностью приводного компрессора из-за меньшего КПД и больших затратах энергии на его привод. Такие системы чаще встречаются на дизельных двигателях, где запредельная производительность не так важна, как хороший подхват с низов.

Так же перечислим основные плюсы и минусы подобной схемы соединения приводного нагнетателя и турбокомпрессора:

+ достаточное давление наддува на низких оборотах за счёт приводного нагнетателя;
+ быстрый выход на высокое давление наддува за счёт уменьшения размера турбокомпрессора;
+ очень высокое давление наддува на средних и высоких оборотах, за счёт двухступенчатого последовательного сжатия воздуха;
+ хорошая отзывчивость мотора на работу дросселем во всём диапазоне оборотов, свойственная всем компрессорным моторам;
- очень высокие потери мощности на привод компрессора, растущие вместе с оборотами двигателя, т.к. компрессор большой и работает постоянно;
- меньшая эффективность приводного компрессора объёмного типа по сравнению с турбокомпрессором, имеющая место быть во всём диапазоне оборотов двигателя, а значит и повышенные требования к системе охлаждения наддувочного воздуха.

Напомню хронологию материала для тех, кто начал читать с третьей части этого материала:

Twinturbo или Biturbo? Ликбез. Часть 1.
Twinturbo или Biturbo? Ликбез. Часть 2.

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