Твинчарджер: турбина мен компрессордың біріктірілген жүйесі. Жылдам жауап беру үшін компрессор, тиімділік үшін турбина қолданылады. Қозғалтқыш қуатын арттыру!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Суперкомпрессор және турбокомпрессор
Supercharger and Turbocharger
Твинчарджер – кейбір ішкі жану қозғалтқыштарында қолданылатын күшпен индукцияланған күрделі жүйе. Ол қақпақтан қуат алатын турбокомпрессор мен механикалық түрде қуат алатын суперкомпрессордың үйлесімі болып табылады, олардың әрқайсысы екіншісінің кемшіліктерін жояды. Твинчарджер екі турбокомпрессорлық жүйеге емес, екі түрлі компрессордың (тек турбокомпрессорлар немесе суперкомпрессорлар емес) бірге қолданылуына жатады.
A twincharger refers to a compound forced induction system used on some internal combustion engines. It is a combination of an exhaust driven turbocharger and a mechanically driven supercharger, each mitigating the weaknesses of the other. Twincharging does not refer to a twin turbo arrangement, but to a setup where two different types of compressors are used (instead of only turbochargers or superchargers).
Жалпы түсінік және артықшылықтар
Механикалық түрде басқарылатын суперкомпрессор өте жақсы жауап береді және төмен айналымдарда жоғары өнімділік көрсетеді, себебі ол түтін коллекторын қысыммен толтыруға тәуелді емес (егер ол оң көлемдік конструкция болса, мысалы, Roots немесе екі бұрандалы типтегідей, центрифугалық суперкомпрессордан айырмашылығы, ол төмен айналымдарда жеткілікті күшейтуді қамтамасыз етпейді), бірақ паразиттік жүктеме жоғары болғандықтан турбокомпрессордан тиімділігі төмен. Үлкен көлемдегі ауаны жылжытуға арналған турбокомпрессор газ педаліне баяу жауап береді, ал кішкентай, жауапкершілігі жоғары турбокомпрессор қозғалтқыштың жоғарғы айналымдарында жеткілікті қысымды жеткізе алмайды. Үлкен турбокомпрессорға тән жағымсыз кешігу, суперкомпрессормен біріктірілгенде тиімді түрде жойылады, ол газ педаліне жауап ретінде қысымды өте жылдам арттыруға бейімделген, нәтижесінде төменгі айналымдарда жоғары серпіліс күшіне және жоғарғы айналымдарда қуаттың артуына ие, кешігусіз қуат диапазоны пайда болады. Сондықтан, екі турбиналық зарядтау кішкентай көлемді қозғалтқыштар үшін (мысалы, VW 1.4TSI), әсіресе кең айналымдық диапазоны бар қозғалтқыштар үшін пайдалы, себебі олар кең айналым диапазонында жасанды түрде кең серпіліс диапазонынан пайдалана алады.
A mechanically driven supercharger offers exceptional response and low rpm performance, as it does not rely on pressurization of the exhaust manifold (assuming that it is a positive displacement design, such as a Roots type or twin screw, as opposed to a centrifugal supercharger, which does not provide substantial boost in the lower rpm range), but is less efficient than a turbocharger due to increased parasitic load. A turbocharger sized to move a large volume of air tends to respond slowly to throttle input, while a smaller, more responsive turbocharger may fail to deliver sufficient boost pressure through an engine's upper rpm range. The unacceptable lag time endemic to a large turbocharger is effectively neutralized when combined with a supercharger, which tends to generate substantial boost pressure much faster in response to throttle input, the end result being a lag free power band with high torque at lower engine speeds and increased power at the upper end. Twincharging is therefore desirable for small displacement motors (such as VW's 1.4TSI), especially those with a large operating rpm range, since they can take advantage of an artificially broad torque band over a large speed range.
Түрлері
Екі зарядтағыш жүйе суперкомпрессор мен турбокомпрессорды бір-бірін толықтыратын схемада біріктіреді, мақсаты – бір компрессордың артықшылығы екіншісінің кемшілігін жою. Екі зарядтағыш жүйенің екі негізгі түрі бар: тізбекті және параллель.
A twincharging system combines a supercharger and turbocharger in a complementary arrangement, with the intent of one compressor's advantage compensating for the other's disadvantage. There are two common types of twincharger systems: series and parallel.
Сериялар
Бір қатарлы орналастыру, екі турбокомпрессордың ең көп таралған түрі, бір компрессордың шығысы екінші компрессордың кірісіне беріледі. Суперкомпрессор орташа немесе үлкен өлшемді турбокомпрессорға қосылады. Суперкомпрессор дереу көп қысымды қамтамасыз етеді (әйтпесе турбокомпрессор жұмыс режиміне келмегенде пайда болатын турбо-кешігуді жояды). Турбокомпрессор жұмыс режиміне жеткеннен кейін, суперкомпрессор қысымды ауаны турбокомпрессордың кірісіне одан әрі жіберуді жалғастыра алады (мұның нәтижесінде қабылдау қысымы артады) немесе электромагниттік муфта және байпас клапаны арқылы айналып өтуге және/немесе қозғалтқыштан механикалық түрде ажыратылуға болады, бұл индукция тиімділігін арттырады. Айналма жүйесі жоқ және екі компрессор да үздіксіз жұмыс істейтін басқа сериялық конфигурациялар да бар. Нәтижесінде, екі компрессордың қысым коэффициенттері қосылмай, көбейтіледі. Яғни, егер өздігінен қысым тудыратын турбокомпрессор өздігінен 10 фунт/дюйм² қысым тудыратын суперкомпрессорға қосылса, түзілетін коллектор қысымы 10 фунт/дюйм²-ден жоғары болады. Дегенмен, турбокомпрессор мен суперкомпрессордың тиімділігі көбейтілмейді. Мысалы, егер 70% тиімділігі бар турбокомпрессор 60% тиімділігі бар Roots суперкомпрессорына қосылса, жалпы сығылу тиімділігі осы аралықта болады. Бұл тиімділікті есептеу үшін екі сатының тиімділігін есептеу қажет, алдымен бірінші сатының шығысындағы қысым мен температураны есептеу және осыдан бастап екінші саты үшін есептеу керек. Жоғарыдағы мысалға сәйкес, 70% тиімділігі бар турбокомпрессордың бірінші сатысы үшін температура бірінші сатыдан кейін жетеді, содан кейін 60% тиімділігі бар суперкомпрессорға кіріп, температурада шығады, нәтижесінде жалпы тиімділік 62% болады. Өздігінен 70% жылу тиімділігі бар үлкен турбокомпрессор ауаны тек температурада шығарады. Сонымен қатар, суперкомпрессормен ауаны сығу үшін жұмсалатын энергия турбокомпрессорға қарағанда жоғары; егер суперкомпрессор ауаны сықпаса, суперкомпрессордың жұмыс бөліктерін айналдырудан туындайтын паразиттік шығын ғана қалады. Бұл қалған шығынды электромагниттік муфтаны пайдалану арқылы (мысалы, VW 1.4TSI немесе Toyota 4A GZE-де аз жүктеме кезінде суперкомпрессорды айналып өту үшін қолданылатын) суперкомпрессорды ажырату арқылы жоюға болады. Сериялық екі турбокомпрессорлы жүйеде турбокомпрессор арзан және берік журналдық подшипниктермен жабдықталуы мүмкін, ал суперкомпрессордың жылдам реакциясының жоғалтылуы оң ығысуды суперкомпрессорлардың сипаттамасымен толығымен өтемеленеді. Суперкомпрессор жинағының салмағы мен құны әрқашан ескерілетін фактор болғанымен, турбокомпрессор жұмыс режиміне жеткеннен кейін суперкомпрессордың тиімсіздігі азайтылады және байпас клапаны арқылы суперкомпрессор тиімді түрде ажыратылады.
The series arrangement, the more common arrangement of twinchargers, is set up such that one compressor's output feeds the inlet of another. A supercharger is connected to a medium to large sized turbocharger. The supercharger provides near instant manifold pressure (eliminating turbo lag, which would otherwise result when the turbocharger is not up to its operating speed). Once the turbocharger has reached operating speed, the supercharger can either continue compounding the pressurized air to the turbocharger inlet (yielding elevated intake pressures), or it can be bypassed and/or mechanically decoupled from the drivetrain via an electromagnetic clutch and bypass valve, increasing induction efficiency. Other series configurations exist where no bypass system is employed and both compressors are in continuous use. As a result, compounded boost is always produced as the pressure ratios of the two compressors are multiplied, not added. In other words, if a turbocharger which produces on its own feeds into a supercharger which produces 10 psi on its own, the resultant manifold pressure would be rather than This form of series twincharging allows for the production of boost pressures that would otherwise be inefficient or unachievable with other compressor arrangements. However, turbo and supercharger efficiencies do not multiply. For example, if a turbocharger with an efficiency of 70% feeds into a Roots supercharger with an efficiency of 60%, the total compression efficiency would be somewhere in between. To calculate this efficiency, it is necessary to calculate the efficiencies of the 2 stages, first calculating the conditions of pressure and temperature at the exit of the first stage and starting from these to calculate for the second stage. Following the previous example, for a first stage of the turbocharger with an efficiency of 70%, the temperature would reach after the first stage, to then enter the supercharger with an efficiency of 60% and leave at a temperature of , resulting in a total efficiency of 62%. A large turbocharger that produces by itself, with a thermal efficiency of around 70%, would produce air only in temperature. In addition, the cost of energy to compress air with a supercharger is higher than that of a turbocharger; if the supercharger is not compressing air, there remains only a small parasitic loss of rotating the working parts of the supercharger. This remaining loss can be eliminated by disconnecting the supercharger further using an electromagnetic clutch (such as those used in the VW 1.4TSI or Toyota 4A GZE to bypass the supercharger in low load conditions). With series twincharging, the turbocharger can be of a less expensive and more durable journal bearing variety, and the sacrifice in boost response is more than made up for by the instant on nature of positive displacement superchargers. While the weight and cost of the supercharger assembly are always a factor, the inefficiency of the supercharger is minimized once the turbocharger reaches operating speed and the supercharger is effectively disconnected by the bypass valve.
Параллель
Параллельді жүйелер әдетте қозғалтқышты ең тиімді түрде қуатпен қамтамасыз ету үшін айналма немесе бағыттау клапанын қолдануды қажет етеді. Егер клапан қолданылмаса және екі компрессор тікелей сорғыға қосылса, суперчарджер сорғыға қысым жасаудың орнына турбокомпрессор арқылы кері соққы береді, себебі бұл – ең оңай кедергісіз жол. Сондықтан, турбокомпрессордың ауасын сорғы қысымы қажетті деңгейге жеткенше бағыттау клапаны арқылы шығару қажет.
Parallel arrangements typically require the use of a bypass or diverter valve to allow one or both compressors to feed the engine optimally. If no valve was used and both compressors were merely routed directly to the intake manifold, the supercharger would blow backwards through the turbocharger compressor rather than pressurize the intake manifold, as that would be the path of least resistance. Thus, a diverter valve must be employed to vent turbocharger air until the appropriate intake manifold pressure has been reached.
Кемшіліктер
Екілік зарядтаудың басты кемшілігі – құраушы бөлшектердің күрделілігі мен қымбаттығы. Көбінесе, қанағаттанарлық жауап беру үшін, қуат берудің тегіс болуы және бір компрессорлық жүйеге қарағанда жеткілікті қуатты арттыру үшін қымбат электрондық және/немесе механикалық басқару жүйелерін қолдану қажет. Отынмен жанатын қозғалтқышта, егер суперкомпрессор жоғары қысым тудырса, кішкентай көлемді қозғалтқыштың тиімділігін арттыру мүмкіндігінен айырылуы мүмкін, сондықтан төмен сығылу қатынасын пайдалану керек.
The main disadvantage of twincharging is the complexity and expense of components. Usually, to provide acceptable response, smoothness of power delivery, and adequate power gain over a single compressor system, expensive electronic and/or mechanical controls must be used. In a spark ignition engine, a low compression ratio must also be used if the supercharger produces high boost levels, negating some of the efficiency benefits of a lower displacement engine.
Келесіге сәйкес
Анти-лаг жүйелері екі жолдың бірімен жұмыс істейді: өте бай отын-ауа қоспасын пайдаланып, түтін құбырына жанылмаған отынды жақпаға арқылы соққы беру, немесе шығару клапаны ашылғаннан кейін де жануды жалғастыру үшін тұтандыру уақытын күрт кешіктіру. Екі әдіс те турбокомпрессордың айналуын сақтау үшін түтін коллекторында жануды қамтиды, ал ондағы жылу турбинаның қызмет ету мерзімін қысқартады. Сондықтан, қос зарядтаудың күрделілігіне қарамастан, жарыс машиналарын үшін анти-лаг жүйелерімен салыстырғанда оның ең үлкен артықшылығы сенімділік болып табылады.
Anti lag systems work in one of two ways: by running a very rich air–fuel ratio and pumping air into the exhaust to ignite unburnt fuel in the exhaust manifold, or by severely retarding ignition timing to cause combustion to continue well after the exhaust valve has opened. Both methods involve combustion in the exhaust manifold to keep the turbocharger spinning, and the heat from this will shorten the life of the turbine greatly. Therefore, in spite of twincharging's complexity, its largest benefit over anti lag systems in race cars is reliability.
Түрлі геометриялық турбокомпрессор
Айнымалы геометриялы турбокомпрессор қозғалтқыштың әртүрлі айналымдарында жауап беру жылдамдығын жақсартады. Электрондық басқару арқылы өзгертілетін шағылыс бұрышының көмегімен турбина жоғары айналымдарда тиімділігін күрт төмендетпестен, жылдам немесе төменгі айналымдарда қажетті жұмыс жылдамдығына тез жете алады.
A variable geometry turbocharger provides an improved response at varying engine speeds. With an electronically controlled variable angle of incidence, it is possible to have the turbine reach a good operating speed quickly or at lower engine speeds without severely diminishing its utility at higher engine speeds.
Екі бұрамалы турбоқамқыш
Қос спиральді турбокомпрессордың дизайны екі жеке камераны пайдаланып, кезектесетін газ шығару импульстарынан энергияны жақсырақ пайдалануға мүмкіндік береді. Камералардың соплолары төмен айналымдағы реакцияны және жоғары айналымдағы қуатты жақсырақ теңгерлеу үшін әртүрлі өлшемде болуы мүмкін.
A twin scroll turbocharger design uses two separate chambers to better harness energy from alternating exhaust gas pulses. The chambers' nozzles may also be of different sizes, to better balance low rpm response and high rpm output.
Бірін-бірі жалғастыратын екі турбокомпрессор
Тізбекті турбокомпрессор жүйелері турбожаудың кешігуін азайту үшін әртүрлі өлшемдегі турбокомпрессорларды пайдаланады, соның салдарынан максималды күш беру және қозғалтқыштың қуаты төмендемейді.
Sequential turbocharger systems use differently sized turbochargers to decrease turbo lag without compromising ultimate boost output and engine power.
Азот оксиді
Азот оксиді (N2O) келіп тұратын ауамен араластырылады, турбокомпрессор жеткілікті жылдамдықпен айналмағанда, қосымша қуат алу үшін отынды жаққанда тотықтырғыш зат ретінде қолданылады. Бұл турбокомпрессордың жұмыс жылдамдығына тезірек жетуіне мүмкіндік береді, соның арқасында жану үшін көбірек оттегі пайда болады, ал N2O ағыны тиісінше азаяды. Мұндай жүйенің өзінің құны да, тұтынылатын N2O-ның бағасы да жоғары болуы мүмкін.
Nitrous oxide (N2O) is mixed with incoming air, serving as an oxidizing agent to burn more fuel for supplemental power when a turbocharger is not spinning quickly. This also produces more exhaust gases so that the turbocharger reaches operating speed faster, providing more oxygen for combustion, and the N2O flow is reduced accordingly. The expense of both the system itself and the consumable N2O can be significant.
Суды инъекциялау
Қозғалтқыштың қуатын арттыру және күшпен жұмыс істейтін индукцияның басқа да пайдаларын күшейту үшін бензин және дизельді ішкі жану қозғалтқыштарының индукция жүйесіне кейін орнатылатын су шашырату жүйесін қосуға болады.
For increased engine power, and to augment other benefits of forced induction, an aftermarket water injection system can be added to the induction system of both gasoline and diesel internal combustion engines.