Twinturbo или Biturbo? Ликбез. Часть 1.

Хотя публикаций, посвящённых данной теме, существует немало, мне ни одна из них не показалась достаточно полной, тогда как некоторые из них содержат очевидные заблуждения и только больше путают читателя. В этом материале попытаемся разобраться в различиях схем наддува с двумя турбокомпрессорами и ответить на самый простой и, как показывает практика, самый сложный вопрос: "В чём разница между Twinturbo и Biturbo?"
Давайте начнём именно с последнего вопроса, чтобы об этом узнали все читатели, а не только те, у кого хватило терпения дочитать до конца.
Итак, в чём разница между Twinturbo и Biturbo? — А разницы как раз нет! Точнее она есть, но ровно такая же, как между европейским Football и американским Soccer — в названии. Именно эта простая истина вызывает у некоторых "знатоков" волну негодования и становится началом очередного холивара. А между тем оба названия, что Twinturbo, что Biturbo — это общее название любой системы наддува с двумя турбокомпрессорами, вне зависимости от того, по какой схеме эти турбокомпрессоры работают. Просто разные автопроизводители склонны применять либо одно, либо другое название — на японских машинах чаще встречается название Twinturbo, тогда как на европейских — Biturbo. Запомните этот абзац, мы к нему ещё вернёмся попозже, если кому-то необходимы доказательства вышеописанного. Мы же далее рассмотрим различные схемы работы двух турбокомпрессоров, их преимущества и недостатки.

Параллельное подключение (parallel twinturbo/biturbo)

При параллельной схеме работы используются два одинаковых турбокомпрессора, работающих симметрично. На каждый из них подаётся половина выхлопных газов двигателя как правило по индивидуальному выпускному коллектору и от определённых для каждой из турбин цилиндров. На V-образных двигателях каждый турбокомпрессор питается одним из рядов цилиндров. Нагнетаемый воздух поступает зачастую в общий впускной коллектор, откуда распределяется по всем цилиндрам двигателя, но в некоторых случаях каждый из компрессоров может питать только часть цилиндров — "свою" половину или "чужую".
На картинке изображена схема работы двух турбокомпрессоров на двигателе V6 6G72 автомобиля Mitsubishi 3000GT. Два одинаковых турбокомпрессора, каждый работает от своего ряда из трёх цилиндров и нагнетает воздух в общий коллектор.


6G72 Twinturbo Mitsubishi 3000GT

Ниже на фото двигатель Renault Sport EF15 — полуторалитровый мотор V6 для Formula 1 с двумя параллельно работающими турбокомпрессорами и подачей нагнетаемого воздуха в раздельные впускные ресиверы на отдельный ряд цилиндров каждый.


Renault Sport EF15 Twinturbo

Первопроходцем среди производителей серийных автомобилей с двумя турбокомпрессорами оказалась Maserati, выпустившая в 1981 году модель Maserati Biturbo с 2-литровым V6, оснащённым двумя небольшими турбокомпрессорами, работающими параллельно, каждая от отдельного ряда цилиндров. Именно такая схема работы и компоновка до сих пор остаётся наиболее распространённой среди всех двигателей с двумя турбокомпрессорами, а среди V-образных двигателей с силу особенностей компоновки - практически доминантная. В то время в Италии на двигатели свыше 2-х литров объёма накладывались большие налоги и Алехандро де Томасо, купивший Maserati в 1976 году, таким образом нашёл решение, как сделать достаточно мощный двигатель малого объёма для недорогого спортивного автомобиля. Первая 2-литровая версия мотора выдавала 180 л.с., а более поздние и экспортные модификации объёмом до 2.8 литров — до 280 л.с. Так решения, применяемые на моторах Formula 1, попали на обычные автомобили.


Двигатель Maserati Biturbo

Основной причиной замены одного большого турбокомпрессора на два небольших является желание уменьшить турбояму (диапазон оборотов, в течении которого турбокомпрессор не создаёт достаточно высокого давления наддува) и турболаг (задержка отклика турбокомпрессора на открытие дросселя). Два небольших высокооборотистых турбокомпрессора обыкновенно быстрее реагируют реагируют на дроссель и раньше выходят на рабочее давление наддува, чем один большой аналогичной производительности — инерционность большой турбинной и компрессорной крыльчаток определяет эту разницу. Однако при параллельной работе турбин преимущество это не так сильно заметно, т.к. каждая из двух турбин раскручивается только половиной выхлопных газов двигателя, в отличии от одной большой турбины. Тем не менее параллельная схема работы турбокомпрессоров получила наиболее широкое распространение по сравнению со всем остальными, и чаще всего она встречается на V-образных двигателях. Причина такого распространения — удачное компоновочное решение для двигателей, где размещение одного турбокомпрессора затруднительно. Взять те же самые V-образные двигатели, у которых конструктивно удобно размещать общий впускной коллектор в развале цилиндров, а выпускные коллектора раздельно, в противоположных сторонах двигателя. Связать при такой компоновке оба выпускных коллектора в условиях ограниченного подкапотного пространства довольно непросто. Вот, например, современный турбомотор Renault для Formula 1 2014 года: 1.6 литровый V6 с одним турбокомпрессором — как думаете, легко такую конструкцию будет вписать под капот обычного автомобиля?


Renault F1 1600 V6 Turbo

Схожая ситуация и на рядных 6-цилиндровых двигателях — большая длина блока и недостаток свободного пространства накладывает ограничения на размер и форму выпускного коллектора для одного турбокомпрессора. Слева, для примера, заводской чугунный выпускной коллектор двигателя Nissan RB25DET с одной турбиной. Комментарии, думаю, излишни. А справа два коллектора с Nissan RB26ETT (Twinturbo). Чугунина, конечно, ограничивает полёт инженерной мысли, но с точки зрения равнодлинности и пропускной способности они явно выигрывают у коллектора слева.



При этом схема работы цилиндров рядной шестёрки (1-5-3-6-2-4) при таких простых и компактных 3-цилиндровых коллекторах обеспечивает каждому из двух турбокомпрессоров равномерную подачу отработавших газов, т.к. временные промежутки между последовательной работой первых трёх цилиндров одинаковы, как и между работой последних трёх (см. последовательность работы цилиндров)

И если на двигателе Nissan RB26ETT стояла задача увеличения мощности при сохранении низов, то на двигателе BMW N54 приоритетом были хорошие низы при достаточной высокой литровой мощности — два небольших турбокомпрессора низкого давления позволяют 3-литровой рядной шестёрке создавать ощущение езды на атмосферном двигателе большего объёма за счёт ровной моментной характеристики без заметной турбоямы и подхватов:


BMW N54

Вопреки общей практике, встречаются V-образные моторы и с двумя турбокомпрессорами в развале цилиндров, а не раздельно по бокам. Например, V-образная восьмёрка BMW S63TU. Здесь инженеры пошли дальше многих и, закрыв глаза на компоновочные сложности, добились максимально эффективной работы имеющихся турбокомпрессоров:


BMW S63TU

Сразу и не понятно, в чём выгода такого размещения, если не приглядеться к выпускному коллектору:



Видите, в отличии от подавляющего большинства других V-образных моторов, здесь каждый из двух твинскрольных турбокомпрессоров питается не одним рядом цилиндров, а отдельными цилиндрами обоих рядов. Давайте разберёмся, зачем это нужно. Для начала представим, что если скачки давления отработавших газов от всех восьми цилиндров наложить на одну временную ось, то получится примерно вот такой график:


Цилиндры, естественно работают не в прямой последовательности (1-2-3-4-…), а по несколько более запутанной схеме для обеспечения равномерности вращения коленвала и снижения вибраций. Для многих двигателей V8, в том числе и BMW, эта последовательность выглядит как 1-5-4-8-6-3-7-2. Если мы подключим турбокомпрессор только к одному ряду цилиндров (как это реализовано на предыдущей версии S63 и базовой модели двигателя — BMW N63), скачки давления выпускных газов в его коллекторе будут выглядеть вот так:


Отсутствие паузы между при переходе 2-1 и большая пауза при переходе 4-3 явно не способствуют равномерному вращению крыльчатки турбины. Согласно первому графику грамотнее питать один турбокомпрессор от цилиндров 1-4-6-7, а второй от цилиндров 5-8-3-2. Вот что получится для первого турбокомпрессора:


Как видите, равномерные промежутки между скачками давления выпускных газов. Не забываем, что на BMW S63TU стоят TwinScroll турбины (у которых улитка турбины на две разные по геометрии части, оптимизированные для разных режимов работы, для чего им требуется раздельное питание отработавшими газами), а значит два цилиндра будут питать одну из частей горячей улитки, а другие два цилиндра — вторую часть. Смотрим на коллектор BMW S63TU и видим, что и про это не забыли:


Импульсов стало меньше, но они так же равномерно поступают на каждую из половинок TwinScroll турбины. Вот так, путём нехитрых манипуляций можно увеличить отдачу имеющихся турбокомпрессоров как в плане раннего выхода на рабочее давление, так и в плане максимальной производительности. Эффект не сильно заметный, но именно из таких мелочей получают двигатели с наилучшими характеристиками.

Интересно, что BMW свои двигатели с двумя турбокомпрессорами называет "TwinPower Turbo", а ALPINA свои заряженные версии на тех же моторах — "Bi-turbo". Но самое забавное в том, что термин "TwinPower Turbo" BMW применяет и к двигателям с одним турбокомпрессором конструкции TwinScroll. Это лишний раз наглядно показывает, что выбор названия обусловлен только прихотью автопроизводителя, а совсем не конструктивной схемой.

Среди распространённых двигателей с двумя турбокомпрессорами, работающих по параллельной схеме, можно перечислить:

Maserati AM 4xx серия (V6 Biturbo, Biturbo/Ghibli II/Barchetta Stradale/Spyder/Quattroporte IV)
Mitsubishi 6A12TT и 6A13TT (V6 Twinturbo, Galant/Legnum VR-4);
Mitsubishi 6G72 (V6 Tvinturbo, GTO/3000GT);
Nissan VG30DETT (V6 Twinturbo, Fairlady Z/300ZX);
Nissan VR38DETT (V6 Twinturbo, GTR);
Nissan RB26DETT (R6 Twinturbo, Skyline GTR)
Audi 2.7 Biturbo (V6 Biturbo, A6/S4/RS4)
Audi 4.2 Biturbo (V8 Biturbo, RS6)
Audi 4.0 TFSI (V8 Twinturbo/Biturbo, S6/RS6/S7/RS7/A8/S8)
BMW N54 (R6 TwinPower Turbo, 135i/335i/535i/740i/Z4/X6/1M Coupe)
BMW N63/S63 (V8 TwinPower Turbo, 550i/650i/750i/X5/X5 M/X6/X6 M/M5/M6)
BMW N74 (V12 TwinPower Turbo, 760i)
Mercedes-Benz M278/M157/M158 (V8 Bi-turbo, S500/CL500/CLS500/E550/GL550/S63 AMG/CL53 AMG/CLS63 AMG/E63 AMG/SLK55 AMG)
Mercedes-Benz M275/M285/M158 (V12 Bi-turbo, S65 AMG/CL65 AMG/SL 65 AMG/ Maybach/Pagani)
Porsche 3.6/3.8 Turbo (H6 Twinturbo, 911 Turbo/Turbo S/GT2/GT2 RS)
Porsche 4.5/4.8 Turbo (V8 Twinturbo, Cayenne Turbo/Panamera Turbo)
Volvo B6284T/B6294T (R6 Twinturbo, S80/XC90)
Ford 3.5 EcoBoost (V6 Twinturbo, Explorer Sport/F-150)

Как видите, таких двигателей очень много, у них одинаковые по размерам и параллельно работающие турбины, однако называются эти системы и как Twinturbo, и как Biturbo. Если рассматривать и другие схемы подключения турбокомпрессоров, то можно увидеть аналогичную анархию в названиях, но об этом попозже. Это всё к вопросу, заданному в первом абзаце - сомнения ещё остались?

Ну, с серийными двигателями разобрались, - теперь время небольшого десерта. Одним из самых необычных двигателей с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, на мой взгляд, является двигатель прототипа Lancia ECV для ралли Group S. Посмотрите на фото и попробуйте определить, как устроен сам двигатель?


Двигатель Lancia ECV R4 1800 Twinturbo Triflux

Да, это рядный 4-цилиндровый двигатель объёмом 1.8 литра, у которого впускные каналы подходят к камере сгорания сверху, в развале между распредвалами. При этом впускные и впускные клапаны расположены в камере сгорания в шахматном порядке, что позволяет эффективнее использовать площадь поверхности КС для увеличения их размера (т.к. впускные клапаны должны быть крупнее выпускных, при стандартной схеме половина площади КС занята впускными клапанами полностью, а выпускными только частично). Кроме того, как видно на схеме ниже, каждый из четырёх цилиндров питает отработавшими газами оба турбокомпрессора — таким образом на каждый их них отработавшие газы поступают более равномерным потоком, с меньшей амплитудой пульсаций. Это положительно сказывается на времени отклика турбокомпрессора и его КПД. Кроме того, такое расположение впускных и выпускных каналов способствует равномерному распределению тепла по ГБЦ и более эффективному охлаждению. Инженеры Fiat запатентовали такую конструкцию ГБЦ и дали ей название "Triflux".


Двигатель Lancia ECV R4 1800 Twinturbo Triflux

Двигатели с параллельным двойным турбонаддувом встречаются и на многих суперкарах, например Ferrari F40, Jaguar XJ220, McLaren MP4-12C, Saleen S7, SSC Ultimate Aero TT, Vector M12 и других.

Преимущества систем с параллельной работой турбокомпрессоров:
— некоторое снижение турболага;
— более ранний выход турбокомпрессоров на рабочее давление наддува;
— простота конструкции и системы управления наддувом;
— удобная компоновка для V-образных и оппозитных двигателей.

Недостатки систем с параллельной работой турбокомпрессоров:
— недостаточно высокий выигрыш снижения турболага и спула турбины, что особенно заметно на высокофорсированных двигателях.

Из параллельной схемы родилась одна разновидной систем наддува с двумя турбокомпрессорами, которую часто называют последовательной или последовательно-параллельной. Речь идёт о системе, получившей наибольшую известность по двигателям 1JZ-GTE и 2JZ-GTE на Toyota Supra. Система тоже называется Twinturbo, но от рассмотренных ранее систем имеет одно важное отличие, благодаря чему подобную схему можно было бы назвать модным английским названием "Staged Single/Parallel Twinturbo system". Почему это так, можно понять по нижеприведённой схеме:


Toyota 2JZ-GTE Twinturbo, низкие обороты, буст до 0,5 бар

На низких оборотах двигателя (на Toyota Supra это до 3500 об/мин), как видно на схеме, один из двух параллельно подключённых турбокомпрессоров (No.2 Turbocharger) бездействует, т.к. выход его горячей улитки перекрыт основным клапаном контроля выпускных газов (Exhaust Gas Control Valve) и вспомогательным перепускным клапаном выпуска (Exhaust Bypass Valve). Не имеющие прохода через второй турбокомпрессор, выпускные газы полностью направляются на первый турбокомпрессор по общему для них обоих коллектору. В итоге немаленький 3-литровый 6-цилиндровый двигатель достаточно легко раскручивает одну небольшую турбину — намного быстрее, чем две небольших турбины или, тем более, одну крупную. Чтобы воздух, нагнетаемый первым турбокомпрессором, не вышел обратно в атмосферу через бездействующий второй турбокомпрессор, компрессорная часть последнего отрезана от впускной системы специальным клапаном (Intake Air Control Valve).


Toyota 2JZ-GTE Twinturbo, средние обороты, буст 0,5-0,7 бар

При достижении некоторого контрольного значения давления наддува первым турбокомпрессором открывается Exhaust Bypass Valve, пропускающего часть отработавших газов через вторую турбину в выпускную систему первой турбины. Второй турбокомпрессор начинает раскручиваться. Происходит это довольно быстро, в диапазоне между 3500 и 3800 об/мин. Затем, между 3800 и 4000 об/мин система управления наддувом полностью открывает основной Exhaust Gas Control Valve, благодаря чему отработавшие газы могут свободно проходить через вторую турбину — теперь на обе турбины поступает равное количество отработавших газов:


Toyota 2JZ-GTE Twinturbo, высокие обороты, буст от 0,7 бар

К 4000 об/мин второй турбокомпрессор успевает набрать обороты и сравнять давление на выходе из компрессорной части с первым турбокомпрессором — заслонка клапана Intake Air Control Valve полностью открывается и второй турбокомпрессор полноценно включается в работу наравне с первым. Теперь это обычная банальная параллельная схема работы двух турбокомпрессоров с общим выпускным и впускным коллектором. Последовательной эту схему даже на первом этапе работы называть ошибочно, т.к. ни турбины, ни компрессоры последовательно не работают (забегая немного вперёд, уточню, что последовательно — это когда выход одного соединён со входом другого). Такое, в принципе несложное, решение позволили инженерам Toyota ощутимо уменьшить турболаг и раньше выходить на заметное давление наддува по сравнению с классической параллельной схемой работы турбокомпрессоров, сохранив при этом мощностной потенциал системы. При этом, несмотря на кажущуюся сложность управления, получилась очень надёжная система. На приведённом ниже графике показан пример разницы скорости выхода на рабочее давление турбокомпрессоров при обычной параллельной схеме (TWIN TURBO) и параллельной схемой с поочерёдным включением турбокомпрессоров в работу (TWO WAY TWIN TURBO). Результат, как говорится, на лицо:


Сравнение выхода на буст обычной параллельной схемы и последовательно-параллельной

Очень похожая система используется на роторно-поршневых двигателях 13B-REW от Mazda RX-7:


Схема работы Twinturbo на 13B-REW

Здесь так же общий выпускной коллектор, два симметричных параллельно подключенных турбокомпрессора, общий впускной коллектор. На низкий оборотах полноценно работает только один турбокомпрессор (слева на схеме), т.к. вход в улитку второго перекрыт основным Turbo Control Valve (у Toyota этот клапан стоит не на входе, а на выходе турбины). Через небольшой перепускной канал (Turbo Pre-control Valve) на турбину бездействующего турбоколлектора подаётся немного отработавших газов для поддерживания некоторой начальной скорости вращения. Кое-как нагнетаемый этим турбокомпрессорм воздух через байпасный клапан гоняется по кругу, отрезанный от основной впускной системы воздушным клапаном (Charge Control Valve). Таки образом работает один турбокомпрессор от практически всех отработавших газов двигателя, а на втором лишь немного поддерживаются обороты. С повышением оборотов двигателя основной выпускной клапан на входе второй турбины (Turbo Control Valve) открывается и второй турбокомпрессор полноценно включается в параллельную работу с первым. Перепускной клапана на его компрессорной части закрывается, а путь для нагнетаемого им воздуха открывается при помощи Charge Control Valve. За счёт поддержания начальной скорости второго турбокомпрессора обеспечивается его более быстрое включение в общую работу.

Почти под копирку сделана система Twinturbo на двигателях Subaru EJ20TT c Subaru Legacy B4. Всё те же два параллельно подключенных турбокомпрессора, один из которых системой клапанов изолируется на низких оборотах, давая другому быстро раскрутиться и выйти на буст, а потом теми же клапанами включается в работу параллельно с уже работающим. На схемах ниже всё видно, пояснять уже не буду, т.к. аналогично вышеописанным системам:


Работа наддува на Subaru EJ20TT Twinturbo. Слева низкие обороты и буст - работает одна турбина. Справа высокие обороты - в работу включается вторая турбина, параллельно с первой.

Относительно того, как правильно классифицировать эти системы, ни у кого нет единого мнения. Производители гордо называют это "sequential twinturbo", т.е. "последовательное twin-turbo", хотя это чистой воды "parallel twinturbo" с поэтапным задействованием турбокомпрессоров. Наиболее близким здесь будет определение "последовательно-параллельное twinturbo", но и оно не абсолютно точно, ибо охватывает некоторые другие схемы работы турбокомпрессоров, кардинально отличающиеся от упомянутых выше. Определение "Sequential", которым сами производители нарекли эти системы, ещё сильнее путает обывателя, т.к. оно многократно шире, чем более конкретное "последовательно-параллельное". В итоге складывается ситуация, что как вы эти системы не назовёте — параллельными, последовательными или последовательно-параллельными — окажетесь и правы, и неправы одновременно.

А более подробно об "последовательной" схеме работы турбокомпрессоров и её разновидностях мы поговорим в следующей части, т.к. тут и так букофф уже немало накопилось.

А если у кого-то, пока я осиливаю вторую часть эпоса, мозги прогрелись и осталось желание ещё больше расширить границы познания, можно заглянуть сюда:
Доработка ГБЦ. Ликбез.