Твинчарджеры: Комбинированные системы наддува двигателей.

Введение

Нагнетатель и турбонагнетатель

Двойной нагнетатель – это система комбинированного наддува, используемая в некоторых двигателях внутреннего сгорания. Она представляет собой сочетание турбокомпрессора, приводимого в действие выхлопными газами, и механического нагнетателя, каждый из которых компенсирует недостатки другого. Двойной нагнетатель отличается от двойной турбонаддувной схемы и подразумевает использование двух различных типов компрессоров (вместо использования только турбокомпрессоров или нагнетателей).

Обзор и преимущества

Механически приводимый нагнетатель обеспечивает превосходную отзывчивость и производительность на низких оборотах, поскольку не зависит от наддува выхлопного коллектора (при условии, что это нагнетатель с рабочим объемом, например, типа Roots или винтовой, в отличие от центробежного нагнетателя, который не обеспечивает значительного наддува в нижнем диапазоне оборотов), но менее эффективен, чем турбокомпрессор из-за возросшей паразитной нагрузки. Турбокомпрессор, рассчитанный на прокачку большого объема воздуха, как правило, медленно реагирует на нажатие педали газа, в то время как более компактный и отзывчивый турбокомпрессор может не обеспечивать достаточного давления наддува в верхнем диапазоне оборотов двигателя. Недопустимая задержка отклика, свойственная большому турбокомпрессору, эффективно устраняется при его сочетании с нагнетателем, который способен быстро создавать значительное давление наддува в ответ на нажатие педали газа, что в итоге обеспечивает эластичную кривую мощности с высоким крутящим моментом на низких оборотах и увеличенной мощностью на высоких. Поэтому двойной наддув (twincharging) особенно полезен для двигателей небольшого объема (таких как 1.4TSI от VW), особенно с широким рабочим диапазоном оборотов, поскольку позволяет получить искусственно расширенную полосу крутящего момента в широком диапазоне скоростей.

Типы

Система двойного наддува объединяет механический нагнетатель и турбокомпрессор в сочетании, дополняющем друг друга, чтобы преимущества одного компенсировали недостатки другого. Существуют два основных типа систем двойного наддува: последовательный и параллельный.

Серия

Серийная схема, наиболее распространенная для двухзарядных компрессоров, устроена таким образом, что выход одного компрессора подается на вход другого. Нагнетатель подключается к турбокомпрессору среднего или большого размера. Нагнетатель обеспечивает практически мгновенное создание давления во впускном коллекторе (устраняя турбояму, которая в противном случае возникла бы, пока турбокомпрессор не достигнет рабочей скорости). После того, как турбокомпрессор достигнет рабочей скорости, нагнетатель может либо продолжать уплотнять воздух, подаваемый на вход турбокомпрессора (увеличивая давление наддува), либо его можно обойти и/или механически отсоединить от привода с помощью электромагнитного сцепления и обходного клапана, повышая эффективность наддува. Существуют и другие серийные конфигурации, в которых система обхода отсутствует, и оба компрессора работают непрерывно. В результате, суммарное наддув создается всегда, поскольку коэффициенты давления двух компрессоров перемножаются, а не складываются. Другими словами, если турбокомпрессор, создающий сам по себе давление, подает воздух в нагнетатель, создающий 10 psi, результирующее давление во впускном коллекторе составит , а не . Такая серийная схема двухзарядных компрессоров позволяет достичь давлений наддува, которые в противном случае были бы неэффективными или недостижимыми при использовании других схем компоновки компрессоров. Однако эффективность турбокомпрессора и нагнетателя не перемножается. Например, если турбокомпрессор с эффективностью 70% подает воздух в нагнетатель Roots с эффективностью 60%, общая эффективность сжатия будет находиться где-то между этими значениями. Для расчета этой эффективности необходимо рассчитать эффективность каждой из двух ступеней, сначала определив условия давления и температуры на выходе из первой ступени, а затем, исходя из этих данных, рассчитать параметры для второй ступени. Следуя предыдущему примеру, для первой ступени турбокомпрессора с эффективностью 70%, температура достигнет после первой ступени, после чего воздух поступит в нагнетатель с эффективностью 60% и выйдет при температуре , что приведет к общей эффективности 62%. Большой турбокомпрессор, создающий сам по себе давление, с тепловой эффективностью около 70%, будет нагревать воздух лишь до . Кроме того, стоимость энергии, затрачиваемой на сжатие воздуха нагнетателем, выше, чем у турбокомпрессора; если нагнетатель не сжимает воздух, остается лишь небольшая паразитная потеря на вращение его рабочих частей. Эти остаточные потери можно устранить, дополнительно отключив нагнетатель с помощью электромагнитного сцепления (как, например, в VW 1.4TSI или Toyota 4A GZE для обхода нагнетателя при низкой нагрузке). При серийной схеме двухзарядных компрессоров турбокомпрессор может быть более дешевым и надежным, с использованием подшипников скольжения, а потеря в отзывчивости компенсируется мгновенной реакцией нагнетателей с рабочим объемом. Хотя вес и стоимость сборки нагнетателя всегда являются факторами, неэффективность нагнетателя минимизируется, как только турбокомпрессор достигает рабочей скорости и нагнетатель эффективно отключается обходным клапаном.

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.

Параллельно

Параллельные схемы обычно требуют использования обходного или перепускного клапана, чтобы один или оба компрессора могли оптимально обеспечивать двигатель наддувом. Если клапан не используется, и оба компрессора подключены непосредственно к впускному коллектору, нагнетатель будет продуваться в обратном направлении через компрессор турбокомпрессора, а не создавать давление во впускном коллекторе, поскольку это будет путь наименьшего сопротивления. Следовательно, необходимо использовать перепускной клапан для сброса воздуха из турбокомпрессора до достижения необходимого давления во впускном коллекторе.

Недостатки

Основным недостатком двойного наддува является сложность и высокая стоимость компонентов. Как правило, для обеспечения адекватной реакции, плавности нарастания мощности и существенного прироста мощности по сравнению с системой с одним компрессором, необходимо использовать дорогостоящие электронные и/или механические системы управления. В двигателях с искровым зажиганием также требуется использовать низкую степень сжатия, если механический нагнетатель создает высокое давление наддува, что нивелирует некоторые преимущества эффективности, достигаемые за счет уменьшенного рабочего объема двигателя.

Система противоотставания

Системы антилаг работают одним из двух способов: либо за счет создания очень богатой топливной смеси и подачи воздуха в выхлопную систему для воспламенения несгоревшего топлива во впускном коллекторе, либо за счет сильного запаздывания угла опережения зажигания, чтобы поддерживать горение даже после открытия выпускного клапана. Оба метода подразумевают сгорание во впускном коллекторе для поддержания вращения турбокомпрессора, и тепло, выделяемое при этом, значительно сокращает срок службы турбины. Поэтому, несмотря на сложность систем двойной наддува, их главное преимущество перед системами антилаг в гоночных автомобилях – надежность.

Турбокомпрессор с переменной геометрией

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией обеспечивает улучшенную реакцию на разных оборотах двигателя. Благодаря электронному управлению изменяемым углом установки лопаток, турбина может быстро достигать оптимальной рабочей скорости или на более низких оборотах двигателя, не снижая существенно свою эффективность на высоких оборотах.

Двухкамерный турбокомпрессор

Турбокомпрессор с двумя улитками использует две отдельные камеры для более эффективного использования энергии чередующихся импульсов выхлопных газов. Сопла этих камер могут быть разного размера для лучшего баланса между отзывчивостью на низких оборотах и производительностью на высоких оборотах.

Турбокомпрессоры с двойным поперечным приводом

Системы последовательного турбонаддува используют турбокомпрессоры разных размеров для снижения турбоямы без снижения максимальной наддувки и мощности двигателя.

Окись азота

Окись азота (N2O) смешивается с поступающим воздухом и выступает в роли окислителя, обеспечивая сгорание большего количества топлива для увеличения мощности, когда турбокомпрессор еще не набрал достаточную скорость. Это также приводит к увеличению объема выхлопных газов, что позволяет турбокомпрессору быстрее достичь рабочей скорости и обеспечить больше кислорода для сгорания, после чего подача N2O соответствующим образом снижается. Затраты на саму систему и на расходный N2O могут быть существенными.

Впрыск воды

Для повышения мощности двигателя и усиления других преимуществ наддува, система впрыска воды от сторонних производителей может быть добавлена в систему впуска как бензиновых, так и дизельных двигателей внутреннего сгорания.