Принцип работы двойного наддува двигателя TSI
В зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя (нагрузки) различают следующие режимы работы системы двойного наддува:
· безнаддувный режим (до 1000 об/мин);
· работа механического нагнетателя (1000-2400 об/мин);
· совместная работа нагнетателя и турбокомпрессора (2400-3500 об/мин);
· работа турбокомпрессора (свыше 3500 об/мин).
На холостых оборотах двигатель работает в безнаддувном режиме. Механический нагнетатель выключен, регулирующая заслонка открыта. Энергия отработавших газов невелика, турбокомпрессор не создает давления наддува.
С ростом числа оборотов, включается механический нагнетатель и закрывается регулирующая заслонка. Давление наддува, в основном, создает механический нагнетатель (0,17 МПа). Турбокомпрессор обеспечивает небольшое дополнительное сжатие воздуха.
При частоте вращения коленчатого вала двигателя в пределе 2400-3500 об/мин давление наддува создает турбокомпрессор. Механический нагнетатель подключается при необходимости, например, при резком ускорении (резком открытии дроссельной заслонки). Давление наддува может достигать 0,25 МПа.
Далее работа системы осуществляется только за счет турбокомпрессора. Механический нагнетатель выключен. Регулирующая заслонка открыта. Для предотвращения детонации с ростом числа оборотов давление наддува несколько падает. При частоте вращения 5500 об/мин оно составляет порядка 0,18 МПа.
Турбонаддув двигателя TSI
В данных двигателях наддув осуществляется исключительно турбокомпрессором. Конструкция турбокомпрессора обеспечивает достижение номинального крутящего момента уже при низких оборотах двигателя и поддержание его в широком пределе (от 1500 до 4000 об/мин). Выдающиеся характеристики турбокомпрессора получены за счет максимального снижения инерции вращающихся частей: уменьшен наружный диаметр рабочего колеса турбины и компрессора.
Регулирование наддува в системе традиционно осуществляется с помощью перепускного клапана. Клапан может иметь пневматический или электрический привод. Работу пневматического привода обеспечивает электромагнитный клапан ограничения давления наддува. Электрический привод представлен электрическим направляющим устройством, состоящим из электродвигателя, зубчатой передачи, рычажного механизма и датчика положения устройства.
В двигателе с турбонаддувом, в отличие от двойного наддува, используется жидкостная система охлаждения наддувочного воздуха. Она имеет независимый от системы охлаждения двигателя контур и образует с ней двухконтурную систему охлаждения. Система охлаждения наддувочного воздуха включает: охладитель наддувочного воздуха, насос, радиатор и систему трубопроводов. Охладитель наддувочного воздуха размещен в впускном коллекторе. Охладитель состоит из алюминиевых пластин, через которые проходят трубы системы охлаждения.
Охлаждение наддувочного воздуха производится по сигналу блока управления двигателем включением насоса. Поток нагретого воздуха проходит через пластины, отдает им тепло, а те, в свою очередь, отдают его жидкости. Охлаждающая жидкость движется по контуру с помощью насоса, охлаждается в радиаторе и далее по кругу.
Система турбонаддува, в которой используется два турбокомпрессора, носит название Twin Turbo. Изначально два турбокомпрессора применялись для преодоления инерционности системы, т.н. турбозадержки (турбоямы). В дальнейшем область применения спаренных турбокомпрессоров расширилась и в настоящее время позволяет значительно повышать выходную мощность, поддерживать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов двигателя, снижать удельный расход топлива.
Различают три конструктивные схемы системы Twin Turbo: параллельную, последовательную и ступенчатую. Схемы различаются характеристиками, расположением и порядком работы турбокомпрессоров. Работу турбокомпрессоров регулирует электронная система управления, включающая входные датчики, блок управления и приводы клапанов управления потоком воздуха и отработавших газов.
Twin Turbo – торговое название системы турбонаддува, другое используемое название (синоним) Biturbo. В некоторых истониках информации под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.
Параллельный Twin Turbo
Система параллельного Twin Turbo включает два одинаковых турбокомпрессора, работающих одновременно и параллельно друг другу. Параллельная работа реализуется путем равномерного разделения потока отработавших газов между турбокомпрессорами. Сжатый воздух от каждого компрессора поступает в общий впускной коллектор и далее распределяется по цилиндрам.
Параллельный Twin Turbo применяется в основном на V-образных дизельных двигателях. Каждый турбокомпрессор закреплен на своем выпускном коллекторе. Эффективность параллельной схемы турбонаддува базируется на том, что две небольшие турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая. За счет этого сокращается «турбояма», турбокомпрессоры работают на всех оборотах двигателя, обеспечивая быстрое повышение давления наддува.
Последовательный Twin Turbo
Система последовательного Twin Turbo включает два соизмеримых по характеристикам турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор работает постоянно, второй включается в работу при определенных режимах работы двигателя (частота оборотов, нагрузка).
Переход между режимами обеспечивает электронная система управления, которая регулирует поток отработавших газов ко второму турокомпрессору с помощью специального клапана. При полном открытии клапана управления подачей отработавших газов оба турбокомпрессора работают параллельно, поэтому правильно систему называть последовательно-параллельная. Сжатый воздух от двух турбокомпрессоров подается в общий впускной коллектор и распределяется по цилиндрам.
Система последовательного Twin Turbo минимизирует последствия турбозадержки и позволяет достичь максимальной выходной мощности. Применяется на бензиновых и дизельных двигателях. В 2011 году компания BMW представила систему с тремя последовательными турбокомпрессорами – Triple Turbo.
Двухступенчатый турбонаддув
Самой совершенной в техническом плане является система двухступенчатого турбонаддува. С 2004 года система двухступенчатого турбонаддува применяется на ряде дизельных двигателей от Opel. Другой производитель - компания BorgWarner Turbo Systems внедряет систему на дизельные двигатели BMW и Cummins.
Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров разного размера, установленных последовательно в выпускном и впускном (воздушном) трактах. В системе используется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха.
При низких оборотах двигателя перепускной клапан отработавших газов закрыт. Отработавшие газы проходят через малый турбокомпрессор (имеет минимальную инерцию и максимальную отдачу) и далее через большой турбокомпрессор. Давление отработавших газов невелико. Поэтому большая турбина почти не вращается. На впуске перепускной клапан наддува закрыт. Воздух проходит последовательно черезбольшой (первая ступень) и малый (вторая ступень) компрессоры.
С ростом оборотов осуществляется совместная работа турбокомпрессоров. Перепускной клапан отработавших газов постепенно открывается. Часть отработавших газов идет непосредственно через большую турбину, которая раскручивается все более интенсивно. На впуске большой компрессор сжимает воздух с определенным давлением, но оно недостаточно большое. Поэтому далее сжатый воздух поступает в малый компрессор, где происходит дальнейшее повышение давления. Перепускной клапан наддува при этом по прежнему закрыт.
При полной нагрузке перепускной клапан отработавших газов открыт полностью. Газы практически полностью проходят через большую турбину, раскручивая ее до максимальной частоты. Малая турбина останавливается. На впуске большой компрессор обеспечивает максимальное давление наддува. Малый компрессор, наоборот, создает препятствие для воздуха, поэтому в определенный момент открывается перепускной клапан наддува и сжатый воздух поступает напрямую к двигателю.
Таким образом, система двухступенчатого турбонаддува обеспечивает эффективную работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя. Система разрешает известное противоречие дизельных двигателей между высоким крутящим моментом на низких оборотах и максимальной мощностью на высоких оборотах. С помощью двухступенчатых турбокомпрессоров номинальный крутящий момент достигается быстро и поддерживается в широком диапазоне оборотов двигателя, обеспечивается максимальное повышение мощности.
Двигатель TDI (Turbocharged Direct Injection, дословно - турбонагнетатель и непосредственный впрыск) является современным дизельным двигателем с турбонаддувом. Двигатель разработан концерном Volkswagen, а название TDI является зарегистрированным товарным знаком.
Турбоанддув двигателя TDI обеспечивает высокую динамику автомобиля, экономичность и экологическую безопасность. Для создания оптимального давления наддува в широком диапазоне скоростных режимов в конструкции двигателя используется турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины. Турбокомпрессор имеет два общепринятых названия, которые используются разными производителями:
- VGT, Variable Geometry Turbocharger (дословно – турбокомпрессор с изменяемой геометрией) применяет BorgWarner;
- VNT, Variable Nozzle Turbine (дословно – турбина с переменным соплом) применяет Garrett.
В отличие от обычноготурбокомпрессора турбонагнетатель с изменяемой геометрией может регулировать направление и величину потока отработавших газов, чем достигается оптимальная частота вращения турбины и соответственно производительность компрессора.
VNT-турбина объединяет направляющие лопатки, механизм управления и вакуумный привод. Направляющие лопатки предназначены для изменения скорости и направления потока отработавших газов за счет изменения величины сечения канала. Они поворачиваются на определенный угол вокруг свой оси.
Поворот лопаток производится с помощью механизма управления. Механизм состоит из кольца и рычага. Срабатывание механизма управления обеспечивает вакуумный привод, воздействующий через тягу на рычаг управления. Работа вакуумного привода регулируется клапаном ограничения давления наддува, подключенным к системе управления двигателем. Клапан ограничения давления наддува срабатывает в зависимости от величины давления наддува, измеряемой двумя датчиками: датчиком давления наддува и датчиком температуры воздуха на впуске.