מערכת טורבו טווין
תוכן
אם מנוע דיזל מצויד בטורבינה כברירת מחדל, מנוע בנזין יכול להסתדר בקלות ללא מגדש טורבו. אף על פי כן, בתעשיית הרכב המודרנית, מגדש טורבו לרכב אינו נחשב עוד לאקזוטי (בפירוט לגבי סוג המנגנון וכיצד הוא פועל, הוא מתואר. במאמר אחר).
בתיאור של כמה דגמי מכוניות חדשים מוזכר דבר כזה ביטורבו או תאום טורבו. הבה נבחן איזו מערכת מדובר, כיצד היא עובדת, כיצד ניתן לחבר את המדחסים בה. בסוף הסקירה נדון ביתרונות ובחסרונות של טורבו תאום.
מה זה טווין טורבו?
נתחיל בטרמינולוגיה. הביטוי ביטורבו תמיד אומר כי ראשית, מדובר במנוע מסוג טורבו, ושנית, תכנית הזרקת האוויר הכפויה לצילינדרים תכלול שתי טורבינות. ההבדל בין ביטורבו לטווין-טורבו הוא שבמקרה הראשון משתמשים בשתי טורבינות שונות, ובמקרה השני הן זהות. למה - נבין את זה קצת אחר כך.
הרצון להשיג עליונות במירוצים אילץ את יצרניות הרכב לחפש דרכים לשפר את הביצועים של מנוע בעירה פנימית סטנדרטי ללא התערבות דרסטית בעיצובו. והפתרון היעיל ביותר היה הכנסת מפוח אוויר נוסף, שבגללו נכנס נפח גדול יותר לצילינדרים, ויעילות היחידה עולה.
מי שנהג לפחות פעם אחת בחייו במכונית עם מנוע טורבינה הבחין שעד שהמנוע מסתובב למהירות מסוימת, הדינמיקה של מכונית כזו היא איטית, בלשון המעטה. אבל ברגע שהטורבו מתחיל לעבוד, ההיענות של המנוע גוברת, כאילו תחמוצת החנקן נכנסה לצילינדרים.
האינרציה של מתקנים כאלה גרמה למהנדסים לחשוב על יצירת שינוי נוסף של הטורבינות. בתחילה, מטרתם של מנגנונים אלה הייתה בדיוק לחסל את ההשפעה השלילית הזו, שהשפיעה על יעילות מערכת הכניסה (קרא עוד עליה בביקורת אחרת).
עם הזמן החלו להשתמש בטעינת טורבו על מנת להפחית את צריכת הדלק, אך במקביל להגביר את ביצועי מנוע הבעירה הפנימית. ההתקנה מאפשרת לך להרחיב את טווח המומנט. הטורבינה הקלאסית מגבירה את מהירות זרימת האוויר. בשל כך, נכנס לצילינדר נפח גדול יותר מזה של הנשאף, וכמות הדלק אינה משתנה.
עקב תהליך זה, הדחיסה גוברת, וזה אחד הפרמטרים המרכזיים המשפיעים על כוח המנוע (לקרוא כיצד למדוד אותו. כאן). עם הזמן, חובבי כוונון מכוניות כבר לא היו מרוצים מציוד המפעל, ולכן חברות מודרניזציה של מכוניות ספורט החלו להשתמש במנגנונים שונים שמזריקים אוויר לצילינדרים. הודות להכנסת מערכת לחץ נוספת, המומחים הצליחו להרחיב את הפוטנציאל של המנועים.
כאבולוציה נוספת של הטורבו למנועים, הופיעה מערכת הטווין טורבו. בהשוואה לטורבינה קלאסית, יחידה זו מאפשרת לך להסיר עוד יותר כוח ממנוע הבעירה הפנימית, ולחובבי כוונון אוטומטי היא מספקת פוטנציאל נוסף לשדרוג הרכב שלהם.
איך עובד טווין טורבו?
מנוע שאוב באופן טבעי קונבנציונאלי פועל על פי העיקרון של שאיבת אוויר צח באמצעות ואקום שנוצר על ידי בוכנות במערכת הכניסה. כאשר הזרימה נעה לאורך השביל, נכנסת אליו כמות קטנה של בנזין (במקרה של מנוע בנזין), אם מדובר במכונית קרבורטור או מוזרק דלק עקב הפעלת המזרק (קרא עוד על מה סוגים של אספקת דלק מאולצת).
דחיסה במנוע כזה תלויה ישירות בפרמטרים של מוטות החיבור, נפח הצילינדר וכו'. באשר לטורבינה קונבנציונלית, הפועלת על זרימת גזי הפליטה, האימפלר שלה מגביר את האוויר הנכנס לצילינדרים. זה מגביר את היעילות של המנוע, שכן יותר אנרגיה משתחררת במהלך הבעירה של תערובת דלק האוויר והמומנט גדל.
טורבו כפול עובד בצורה דומה. רק במערכת זו מתבטלת השפעת "ההתחשבות" של המנוע בזמן שמאי הטורבינה מסתובב. זה מושג על ידי התקנת מנגנון נוסף. מדחס קטן מאיץ את האצת הטורבינה. כאשר הנהג לוחץ על דוושת הגז, מכונית כזו מאיצה מהר יותר, שכן המנוע מגיב כמעט מיד לפעולת הנהג.
ראוי להזכיר כי למנגנון השני במערכת זו יכול להיות עיקרון עיצוב והפעלה שונה. בגרסה מתקדמת יותר, טורבינה קטנה יותר מסובבת עם זרימת גז פליטה פחות חזקה, מה שמגביר את הזרימה הנכנסת במהירויות נמוכות יותר, ואין צורך לסובב את מנוע הבעירה הפנימית עד הקצה.
מערכת כזו תעבוד לפי התוכנית הבאה. כאשר המנוע מופעל, כאשר המכונית עומדת, היחידה פועלת במהירות סרק. בדרכי היניקה נוצרת תנועה טבעית של אוויר צח עקב הוואקום בגלילים. תהליך זה מבוצע על ידי טורבינה קטנה שמתחילה להסתובב בסל"ד נמוך. אלמנט זה מספק עלייה קלה במשיכה.
ככל שסל"ד גל הארכובה עולה, הפליטה נעשית אינטנסיבית יותר. בשלב זה, המגדש הקטן יותר מסתובב יותר וזרימת גז הפליטה העודפת מתחילה להשפיע על היחידה הראשית. עם עלייה במהירות האימפלר, נפח אוויר מוגבר נכנס למערכת היניקה בגלל הדחף הגדול יותר.
בוסט כפול מבטל את העברת הכוח הקשה שקיימת בדיזל קלאסי. במהירות בינונית של מנוע הבעירה הפנימית, כאשר הטורבינה הגדולה רק מתחילה להסתובב, המגדש הקטן מגיע למהירות המרבית שלו. כאשר יותר אוויר נכנס לצילינדר, לחץ הפליטה מצטבר, ומניע את המגדש הראשי. מצב זה מבטל את ההבדל המורגש בין המומנט של מהירות המנוע המקסימלית לבין הכללת הטורבינה.
כאשר מנוע הבעירה הפנימית מגיע למהירותו המרבית, המדחס מגיע גם לרמת הגבול. עיצוב הדחיפה הכפול מתוכנן כך שהכללת מגדש-על גדול מונעת מהעמית הקטן יותר להעמיס יתר.
המדחס הכפול לרכב מספק לחץ במערכת היניקה שלא ניתן להשיג עם טעינת-על קונבנציונלית. במנועים עם טורבינות קלאסיות תמיד יש השהיית טורבו (הבדל ניכר בעוצמת יחידת הכוח בין הגעה למהירות המרבית שלה לבין הפעלת הטורבינה). חיבור מדחס קטן יותר מבטל את האפקט הזה, ומספק דינמיקה מנוע חלקה.
בהטענת טורבו, מומנט ועוצמה (קראו על ההבדל בין מושגים אלה במאמר אחר) של יחידת הכוח מתפתח בתחום סל"ד רחב יותר מזה של מנוע דומה עם מגדש על אחד.
סוגי תוכניות טעינת העל עם שני מגדשי טורבו
אז, תורת הפעולה של מגדשי טורבו הוכיחה את המעשיות שלהם להגדלת הכוח של יחידת הכוח בבטחה מבלי לשנות את העיצוב של המנוע עצמו. מסיבה זו, מהנדסים מחברות שונות פיתחו שלושה סוגים יעילים של טורבו כפול. כל סוג של מערכת יהיה מסודר בדרכו שלו, ויהיה בעל עקרון פעולה מעט שונה.
כיום מותקנות במכוניות מערכות כפולות מגדשי טורבו:
- מַקְבִּיל;
- עִקבִי;
- מדורג.
כל סוג שונה בתרשים החיבור של המפוחים, בגודלם, ברגע בו יופעל כל אחד מהם, וכן במאפייני תהליך הלחץ. בואו ניקח בחשבון כל סוג של מערכת בנפרד.
תרשים חיבור טורבינות מקביליות
ברוב המקרים, נעשה שימוש בסוג מקביל של מגדשי טורבו במנועים בעלי עיצוב בלוק גלילי בצורת V. המכשיר של מערכת כזו הוא כדלקמן. טורבינת אחת נדרשת לכל קטע צילינדר. יש להם אותם ממדים וגם רצים במקביל זה לזה.
גזי הפליטה מפוזרים באופן שווה במערכת הפליטה ועוברים לכל מגדש טורבו באותן כמויות. מנגנונים אלו פועלים באותה צורה כמו במקרה של מנוע בשורה עם טורבינה אחת. ההבדל היחיד הוא שלביטורבו מסוג זה יש שני מפוחים זהים, אך האוויר מכל אחד מהם אינו מתפזר על פני הקטעים, אלא מוזרק כל הזמן למסלול המשותף של מערכת היניקה.
אם נשווה תכנית כזו למערכת טורבינה אחת ביחידת כוח בשורה, אז במקרה זה עיצוב הטורבו התאומים מורכב משתי טורבינות קטנות יותר. זה דורש פחות אנרגיה כדי לסובב את האימפלרים שלהם. מסיבה זו, המגדשים מחוברים במהירות נמוכה יותר מטורבינה אחת גדולה (פחות אינרציה).
הסדר זה מבטל את היווצרותו של פיגור טורבו כה חד, המתרחש במנועי בעירה פנימית קונבנציונאלית עם מגדש על אחד.
הכללה ברצף
הסוג Biturbo הסדרה מספק גם התקנה של שני מפוחים זהים. רק העבודה שלהם שונה. המנגנון הראשון במערכת כזו יפעל באופן קבוע. המכשיר השני מחובר רק במצב מסוים של פעולת המנוע (כאשר העומס שלו עולה או שמהירות גל הארכובה עולה).
השליטה במערכת כזו מסופקת על ידי אלקטרוניקה או שסתומים המגיבים ללחץ של הזרם העובר. ה-ECU, בהתאם לאלגוריתמים המתוכנתים, קובע באיזה רגע לחבר את המדחס השני. ההנעה שלו מסופקת ללא הפעלת המנוע הבודד (המנגנון עדיין פועל אך ורק על הלחץ של זרם גז הפליטה). יחידת הבקרה מפעילה את המפעילים של המערכת השולטת בתנועת גזי הפליטה. לשם כך משתמשים בשסתומים חשמליים (במערכות פשוטות יותר מדובר בשסתומים רגילים המגיבים לכוח הפיזי של הזרימה הזורמת), הפותחים/סוגרים את הגישה למפוח השני.
כאשר יחידת הבקרה פותחת גישה מלאה לאימפלר של ההילוך השני, שני המכשירים פועלים במקביל. מסיבה זו, שינוי זה נקרא גם סדרתי-מקביל. פעולתם של שני המפוחים מאפשרת לארגן לחץ גדול יותר של האוויר הנכנס, שכן אימפלרי האספקה שלהם מחוברים לצינור כניסה אחד.
במקרה זה, מותקנים גם מדחסים קטנים יותר מאשר במערכת קונבנציונאלית. זה גם מקטין את אפקט השהיית הטורבו והופך את המומנט המרבי לזמין במהירויות מנוע נמוכות יותר.
ביטורבו מסוג זה מותקן הן ביחידות הסולר והן בבנזין. עיצוב המערכת מאפשר להתקין אפילו לא שניים, אלא שלושה מדחסים המחוברים בסדרה זה לזה. דוגמה לשינוי כזה היא פיתוח BMW (טריפל טורבו), שהוצג בשנת 2011.
ערכת צעדים
מערכת ה-Twin-Scroll המשלבת נחשבת לסוג המתקדם ביותר של הטענה כפולה טורבו. למרות העובדה שהוא קיים מאז 2004, הסוג הדו-שלבי של הטענת-על הוכיח את יעילותו מבחינה טכנית ביותר. טווין טורבו זה מותקן על כמה סוגים של מנועי דיזל שפותחו על ידי אופל. מקבילו למגדש-על המדורג של Borg Wagner Turbo Sistems מצויד בכמה מנועי הבעירה הפנימית של BMW ו-Cummins.
תוכנית מגדשי הטורבו מורכבת משני מגדלי על בגדלים שונים. הם מותקנים ברצף. זרימת גזי הפליטה נשלטת על ידי שסתומי אלקטרו, שפעולתם נשלטת אלקטרונית (ישנם גם שסתומים מכניים המונעים על ידי לחץ). בנוסף, המערכת מצוידת בשסתומים המשנים את כיוון זרימת הפריקה. זה יאפשר להפעיל את הטורבינה השנייה, ולכבות את הראשונה, כדי שהיא לא תיכשל.
למערכת יש את עקרון הפעולה הבא. שסתום מעקף מותקן בסעפת הפליטה, אשר מנתק את הזרימה מהצינור העובר לטורבינה הראשית. כאשר המנוע פועל בסל"ד נמוך, ענף זה סגור. כתוצאה מכך, הפליטה עוברת דרך טורבינה קטנה. בשל האינרציה המינימלית, מנגנון זה מספק נפח אוויר נוסף גם בעומסי ICE נמוכים.
ואז הזרימה עוברת דרך מאיץ הטורבינה הראשי. מכיוון שהלהבים שלו מתחילים להסתובב בלחץ גבוה יותר עד שהמנוע מגיע למהירות בינונית, המנגנון השני נותר ללא תנועה.
יש גם שסתום עוקף במערכת הכניסה. במהירות נמוכה הוא סגור וזרימת האוויר עוברת כמעט ללא הזרקה. כשהנהג מעלה את המנוע, הטורבינה הקטנה מסתובבת חזק יותר ומגבירה את הלחץ במערכת הכניסה. זה בתורו מגביר את הלחץ של גזי הפליטה. ככל שהלחץ בקו הפליטה מתחזק, ווסטגייט נפתח מעט, כך שהטורבינה הקטנה ממשיכה להסתובב, וחלק מהזרם מופנה למפוח הגדול.
בהדרגה, המפוח הגדול מתחיל להסתובב. ככל שמהירות גל הארכובה עולה, תהליך זה מתחזק, מה שגורם לשסתום להיפתח יותר והמדחס מסתובב במידה רבה יותר.
כאשר מנוע הבעירה הפנימית מגיע למהירות בינונית, הטורבינה הקטנה כבר עובדת במקסימום, והמגדש הראשי רק התחיל להסתובב, אך לא הגיע למקסימום. במהלך פעולת השלב הראשון, גזי הפליטה עוברים דרך האימפלר של המנגנון הקטן (בזמן שהלהבים שלו מסתובבים במערכת היניקה), ומוסרים לזרז דרך להבי המדחס הראשי. בשלב זה, האוויר נשאב פנימה דרך האימפלר של המדחס הגדול ומועבר דרך גלגל השיניים הקטן המסתובב.
בסוף השלב הראשון, הוואסטגייט נפתח במלואו וזרימת הפליטה כבר מכוונת במלואה לאימפלר הבוסט הראשי. מנגנון זה מסתובב חזק יותר. מערכת המעקפים מוגדרת כך שהמפוח הקטן מושבת לחלוטין בשלב זה. הסיבה היא שכאשר מגיעים למהירות הבינונית והמקסימלית של טורבינה גדולה, היא יוצרת ראש כל כך חזק שהשלב הראשון פשוט מונע ממנה להיכנס כמו שצריך לצילינדרים.
בשלב השני של הלחץ, גזי הפליטה עוברים ליד האימפלר הקטן, והזרימה הנכנסת מופנית סביב המנגנון הקטן - ישירות לתוך הצילינדרים. הודות למערכת זו, הצליחו יצרניות הרכב לבטל את ההבדל הגדול בין מומנט גבוה בסל"ד מינימלי לבין הספק מקסימלי בהגיעם למהירות גל ארכובה מקסימלית. אפקט זה היה בן לוויה קבוע של כל מנוע דיזל מוגדש רגיל.
יתרונות וחסרונות של טעינת טורבו כפולה
Biturbo מותקן לעתים רחוקות על מנועים בעלי הספק נמוך. בעצם, זה הציוד שמסתמך עליו עבור מכונות חזקות. רק במקרה זה אפשר לקחת את מחוון המומנט האופטימלי כבר בסיבובים נמוכים יותר. כמו כן, הממדים הקטנים של מנוע הבעירה הפנימית אינם מהווים מכשול להגברת הספק של יחידת הכוח. הודות להגשת הטורבו הכפולה, מושגת צריכת דלק ראויה בהשוואה למקבילו הנשאבים באופן טבעי, המפתח כוח זהה.
מצד אחד ישנה תועלת מציוד המייצב את התהליכים העיקריים או מגביר את יעילותם. אבל מצד שני, מנגנונים כאלה אינם חפים מחסרונות נוספים. והגדשת טורבו כפולה אינה יוצאת דופן. למערכת כזו יש לא רק היבטים חיוביים, אלא גם כמה חסרונות רציניים, שבגללם חלק מהנהגים מסרבים לרכוש מכוניות כאלה.
ראשית, שקול את היתרונות של המערכת:
- היתרון העיקרי של המערכת הוא חיסול פיגור הטורבו, האופייני לכל מנועי הבעירה הפנימית המצוידים בטורבינה קונבנציונאלית;
- המנוע עובר למצב הפעלה ביתר קלות;
- ההבדל בין מומנט מרבי לעוצמה מצטמצם משמעותית, שכן על ידי הגברת לחץ האוויר במערכת הכניסה, רוב הניוטונים נותרים זמינים בטווח מהירות מנוע רחב יותר;
- מפחית את צריכת הדלק הנדרשת להשגת הספק מרבי;
- מכיוון שהדינמיקה הנוספת של המכונית זמינה במהירויות מנוע נמוכות יותר, הנהג לא צריך לסובב אותה כל כך הרבה;
- על ידי הפחתת העומס על מנוע הבעירה הפנימית, בלאי חומרי סיכה מצטמצם, ומערכת הקירור אינה עובדת במצב מוגבר;
- גזי פליטה לא פשוט מוזרמים לאטמוספירה, אלא משתמשים באנרגיה של תהליך זה בתועלת.
עכשיו בואו לשים לב לחסרונות העיקריים של טורבו תאום:
- החיסרון העיקרי הוא מורכבות העיצוב של מערכות הכניסה והפליטה. זה נכון במיוחד עבור שינויים במערכת חדשה;
- אותו גורם משפיע על עלות המערכת ותחזוקתה - ככל שהמנגנון מורכב יותר, כך תיקונו והתאמתו יקרים יותר;
- חסרון נוסף קשור גם למורכבות עיצוב המערכת. מכיוון שהם מורכבים ממספר רב של חלקים נוספים, ישנם גם צמתים נוספים בהם יכולה להתרחש שבירה.
בנפרד יש להזכיר את האקלים של האזור בו מופעלת מכונת הטורבו. מכיוון שהאימפלר של מגדש-העל מסתובב לפעמים מעל 10 סל"ד, הוא זקוק לשימון איכותי. כאשר המכונית נשארת למשך הלילה, השומן נכנס לשקע, כך שרוב חלקי היחידה, כולל הטורבינה, מתייבשים.
אם תתניע את המנוע בבוקר ותפעיל אותו בעומסים הגונים ללא חימום מקדים, אתה יכול להרוג את המגדש. הסיבה היא שחיכוך יבש מאיץ את השחיקה של חלקי השפשוף. כדי לבטל את הבעיה הזו, לפני שמביאים את המנוע לסיבובים גבוהים, צריך להמתין מעט בזמן שהשמן נשאב בכל המערכת ומגיע לצמתים הרחוקים ביותר.
בקיץ לא צריך להשקיע בזה הרבה זמן. במקרה זה, לשמן בבור יש נזילות מספקת כך שהמשאבה תוכל לשאוב אותו במהירות. אבל בחורף, במיוחד בכפור חמור, אי אפשר להתעלם מגורם זה. עדיף להקדיש כמה דקות לחימום המערכת מאשר, לאחר פרק זמן קצר, לזרוק סכום הגון כדי לקנות טורבינה חדשה. בנוסף, יש לציין כי עקב מגע מתמיד עם גזי פליטה, האימפלר של המפוחים יכול להתחמם עד לאלף מעלות.
אם המנגנון לא יקבל שימון תקין, שמבצע במקביל את פונקציית קירור המכשיר, החלקים שלו ישפשפו זה בזה יבש. היעדר סרט שמן יגרום לעלייה חדה בטמפרטורת החלקים, ולספק להם התרחבות תרמית, וכתוצאה מכך לבלאי מואץ שלהם.
כדי להבטיח תפעול אמין של מגדש הטורבו הכפול, יש לנקוט באותם נהלים כמו לשירות מגדשי טורבו קונבנציונליים. ראשית, יש צורך להחליף את השמן בזמן, המשמש לא רק לסיכה, אלא גם לקירור הטורבינות (לגבי הליך החלפת חומר הסיכה, באתרנו יש מאמר נפרד).
שנית, מכיוון שהמאגנים של המפוחים נמצאים במגע ישיר עם גזי הפליטה, איכות הדלק חייבת להיות גבוהה. הודות לכך לא יצטברו מרבצי פחמן על הלהבים, המפריעים לסיבוב החופשי של המדחף.
לסיכום, אנו מציעים סרטון קצר על שינויים שונים בטורבינות וההבדלים ביניהם:
שאלות ותשובות:
מה עדיף בי-טורבו או טווין-טורבו? אלו הן מערכות הטעינת טורבו למנוע. במנועים עם ביטורבו, השהיית הטורבו מוחלקת ודינמיקת התאוצה מפולסת. במערכת כפול-טורבו גורמים אלו אינם משתנים, אך ביצועי מנוע הבעירה הפנימית עולים.
מה ההבדל בין בי-טורבו לטווין-טורבו? ביטורבו היא מערכת טורבינות המחוברת בסדרה. הודות לשילובם הרציף, חור הטורבו מתבטל במהלך האצה. טורבו כפול הוא רק שתי טורבינות להגברת ההספק.
למה צריך טורבו כפול? שתי טורבינות מספקות נפח גדול יותר של אוויר לתוך הצילינדר. בשל כך, הרתיעה מוגברת במהלך הבעירה של BTC - יותר אוויר נדחס באותו צילינדר.
