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 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 турбокомпрессорами, работающими параллельно. Именно такая схема работы и компоновка до сих пор остаётся наиболее распространённой среди всех двигателей с двумя турбокомпрессорами. 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.


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 Twinturbo

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 Twinturbo

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. Обычно для двигателей V8 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)

Одним из самых необычный 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 обычной параллельной схемы родилась одна разновидной систем наддува с двумя турбокомпрессорами, которую часто ошибочно называют последовательной или последовательно-параллельной, хотя она не является ни той, ни другой. Речь идёт о системе, получившей наибольшую известность по двигателям 2JZ-GTE на Toyota Supra. Система тоже называется «Twinturbo», но от рассмотренных ранее систем имеет одно важное отличие, благодаря чему подобная схема в английском варианте правильно называется «Sequential Parallel Twinturbo". Путаница возникает в том, что с английского языка и слово «serial», и «sequential» переводятся на русский одинаково – «последовательная». Однако из них только «serial» означает «последовательная» в том же смысле, что и «parallel» - «параллельная», т.е. по аналогии с электрикой. Понятие «sequential» в описании схем наддува означает «поочерёдная», «поэтапная» и имеется ввиду, что турбокомпрессоры или отдельные их части могут работать не одновременно, а вводиться в работу или выводиться из неё поочерёдно, согласно определённому алгоритму. Именно из-за этой тонкости перевода 99% людей путает названия система наддува, называя откровенно «параллельные» системы «последовательными» и наоборот. В итоге, стоящая на двигателе 2JZ-GTE система по-русски наиболее правильно называется «поэтапная параллельная система». Как она работает, можно посмотреть на схеме ниже.


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 приведёт 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 двухступенчатой параллельной

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


Схема работы Twinturbo на Mazda 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.

Преимущества систем с "поэтапной параллельной" работой турбокомпрессоров:
- заметное снижение турболага в сравнении с обычной "параллельной" схемой;
- более ранний выход турбокомпрессоров на рабочее давление наддува;

Недостатки систем с "поэтапной параллельной" работой турбокомпрессоров:
- некоторая сложность конструкции и системы управления наддувом.

Прошу запомнить, что описанные чуть выше системы называются «sequential parallel» или «поэтапная параллельная» система Twinturbo/Biturbo и никогда их не путать с «serial» (последовательная), «sequential serial" (поэтапная последовательная) или «serial-parallel» (последовательно-параллельная).

blue
Последовательное подключение (serial twinturbo/biturbo)



Само название «последовательная» или «serial», предполагает, что какие либо части турбокомпрессоров, турбинные или компрессорные, подключаются друг за другом. При этом последовательно могут быть подключены только турбины, только компрессоры, или и те, и другие одновременно, до кучи с возможностью отключения или переключения в параллельную работу на разных этапах. Сами турбокомпрессоры при этом могут быть одинаковыми или, что чаще, совершенно разными по размерам и производительности. Представляете себе, какое разнообразие итоговых вариаций возможно в рамках этого семейства? Однако, несмотря на такую свободу полёта инженерной мысли, распространение получили только несколько схем, наиболее эффективных и востребованных по своим характеристикам. Но, прежде чем продолжить, отмечу несколько основных моментов, имеющих место быть при последовательном соединении турбин и компрессоров, чтобы потом не возвращаться к этому:
1) при последовательном расположении турбин эффективность первой турбины несколько снижается, т.к. сопротивление отработавшим газам, создаваемое следующей за ней турбиной, влияет на перепад давлений на входе и выходе первой турбины, что напрямую отражается на интенсивности её разгона;
2) отработавшие газы, прошедшие через одну турбину, теряют значительную часть энергии, а значит даже точно такую же по размерам вторую турбину уже не будут раскручивать столь же эффективно, как и первую – однако степень использования энергии отработавших газов будет выше, чем на одной турбине и в целом КПД системы должно повышаться;
3) необходимо понимать, что компрессор не создаёт прибавку давления, он повышает давление на входе компрессора в K раз, где K – степень повышения давления (отношение абсолютного давления на выходе компрессора к давлению на его входе – Pвых./Pвх.), указанная по оси «Y» на турбокарте. Таким образом, если для заданного режима K=1.7, а на входе компрессора атмосферное давление, значит на выходе будет 1.7 бар абсолютного давления или 0,7 бар избытка. Если на входе компрессора уже 1.7 бара (например, перед ним стоял другой компрессор, предварительно поднявший давление воздуха до указанного), то при K=1.7 абсолютное давление на выходе достигнет 2,89 бар или 1,89 бар избыточного давления. Таким нехитрым способом можно создавать высокие давления наддува при помощи турбин, которые сами по себе в отдельности такого избыточного давления развить просто не способны. Фактически, последовательно работающие компрессоры помогают друг другу, до кучи выполняя роль мультипликаторов давления наддува.

Начнём с самой простой и, наверное, самой первой последовательной схемы подключения. Наиболее широкое применение она нашла на дизельных двигателях, при том далеко не с легковых автомобилей.


Последовательное подключение (serial twinturbo/biturbo).



Обычно используются два турбокомпрессора разных размеров, один большой и один маленький/средний (хотя можно и одинаковые, но это не так эффективно). Турбины и компрессоры соединяются последовательно, при том, как видно на схеме, из турбин первой идёт маленькая, а за ней большая, тогда как у компрессоров порядок обратный. Как это работает?

1) Низкие обороты. Поток отработавших газов сперва проходит через маленькую турбину, эффективно разгоняя её на низких оборотах двигателя. Затем поступает в большую турбину, сообщая ей на низких оборотах некоторый предварительный разгон. Большой компрессор ввиду невысоких рабочих оборотов начинает неторопливо прогонять через себя воздух, в какой-то момент даже создавая небольшое избыточное давление. Этот воздух подаётся на вход маленького компрессора, который имеет уже заметно более высокие обороты, чем на большом компрессоре, за счёт чего обеспечивается определённое избыточное давление во впускной системе. При том, чем выше давление на входе второго (маленького) компрессора, тем выше оно и на выходе. Таким образом, даже еле работающий большой компрессор, создавая небольшой избыток на входе маленького компрессора, помогает быстрее достичь рабочего давления наддува и, тем самым, увеличить и развиваемый двигателем крутящий момент, и так необходимый турбинам объём отработавших газов.
2) Средние обороты. Маленький турбокомпрессор достигает рабочих оборотов, его турбина упирается в предел своей пропускной способности. Следующая за ней большая турбина так же заметно повышает скорость вращения, но потенциал ещё есть. Большой компрессор создаёт уже заметное избыточное давление воздуха, поступающего на вход маленького компрессора, а он, в свою очередь, ещё больше сжимает смесь.
3) Высокие обороты. Т.к. первая, маленькая турбина, достигает потолка своей производительности и пропускной способности, в то время как вторая, большая - ещё имеет запас, а поток отработавших газов продолжает увеличиваться, на первой турбине приоткрывается перепускной клапан, отводящий часть потока напрямую на большую турбину. Он может начать открываться ещё на средних оборотах и постепенно увеличивать проходящий через него поток в широком диапазоне оборотов. Алгоритм работы этого клапана определяется характеристиками турбокомпрессоров, их рабочими диапазонами, а так же требуемыми параметрами наддува. Таким образом, маленькая турбина предохраняется от перекрута, а большая полностью загружается. Важно отметить, что оба турбокомпрессора продолжают полноценно работать, как турбинные, так и компрессорные их части.

За счёт такой схема работы компрессоров возможно создавать очень высокие давления наддува, трудно достижимые при работе одного компрессора, например до 5-6 бар избыточного давления, если есть такая необходимость. А такая необходимость возникает на высокофорсированных дизелях, от гражданских (тракторные, судовые, тепловозные и т.п.) до спортивных дрэговых. Так же эта схема позволяет поршневым авиационным моторам на большой высоте в разряженной атмосфере обеспечивать приемлемое давление наддува. Само собой, маленький турбокомпрессор в этой паре так же прекрасно служит делу снижения турбоямы, при том эффективнее, чем это происходит на параллельной схеме с поэтапно подключаемыми одинаковыми турбокомпрессорами (как на Toyota Supra, Mazda RX-7 или Subaru B4). При равной производительности обоих систем, в последовательной схеме первый работающий компрессор будет меньше по размерам , чем в параллельной, при том ему будет немного помогать и крупный компрессор. Есть ещё один немаловажный нюанс в этой схеме – очень тесная связь работы двух турбокомпрессоров друг с другом накладывает некоторые ограничения на свободу выбора подобных пар, т.к. в погоне за ранним спулом турбины уменьшение размеров одного из турбокомпрессоров неизбежно приведёт к ограничению производительности второго, крупного турбокомпрессора. Как это проявляется в реальных условиях, можно посмотреть на примере дизельных двигателей Mazda Skyactiv-D для серийных и гоночных автомобилей.

Итак, имеем рядный 4-цилиндровый турбодизель Mazda Skyactiv-D рабочим объёмом 2.2 литра.


Mazda Skyactiv-D

Два турбокомпрессора, один средних размеров, другой – маленький. Схема работы ровно такая, как описана выше. Применение последовательной схемы позволило увеличить производительность системы, не только не потеряв низы, но и заметно улучшив их. Посмотрите на график внизу, где новый дизель Skyactiv-D сравнивается по развиваемому крутящему моменту с более ранним дизелем Mazda такого же объёма, но с одним турбокомпрессором. Результат, как говорится, на лицо! На выходе 173 л.с. при 4500 об/мин и 420 Нм при 2000 об/мин:


Mazda Skyactiv-D

Точно так же выглядит и гоночная модификация этого дизеля, только турбокомпрессоры заметно покрупнели, а максимальная мощность выросла примерно до 400 л.с. (с 2.2 литров объёма дизельного двигателя!), в значительной степени за счёт постоянной последовательной работы компрессоров, обеспечивающих очень высокое давление наддува не только ни низких, но и на высоких оборотах.


Mazda Skyactiv-D Race Engine

Неудивительно, что в США такая схема наддува нашла широкое применение на дизельных двигателях для дрэгрейсинга.


Поэтапное последовательное подключение (sequential serial twinturbo/biturbo). Вариант 1.

Но прогресс не стоит на месте и на основе вышеописанной схемы наддува родилась новая, активно распространяющаяся на современных турбодизельных моторах легковых автомобилей. Давайте изучим её на примере одного современного дизеля BMW.

Дизель BMW N57D30T0, рядный, 6 цилиндров, рабочий объём 3.0л.


Турбодизель BMW N57D30T0 Twinturbo

На данном двигателе используются два турбокомпрессора, один большой (K26) и один маленький (KP39). Турбины подключены последовательно, маленькая первой, а большая - второй. Компрессоры подключены так же последовательно, но в обратном порядке. Всё, вроде, как на рассмотренной ранее схеме, но на этом сходство и кончается. Самая главная фишка в том, что турбинная и компрессорные части маленького турбокомпрессора на определённых этапах выводятся из работы, что можно посмотреть на схеме ниже.


Поэтапное последовательное подключение (sequential serial twinturbo/biturbo)

Поясним происходящее:
1) на малых оборотах, до 1500 об/мин, весь поток отработавших газов проходит через маленькую турбину, которую очень быстро разгоняет, и затем поступает на большую турбину, которой задаёт начальное вращение. Компрессор большой турбины осуществляет небольшой предварительный наддув воздуха, подавая его на вход маленького компрессора. Маленький компрессор, уже ощутимо разогнанный, ещё больше сжимает этот воздух и подаёт его далее во впускную систему. В пике избыточное давление воздуха на выходе маленького турбокомпрессора уже на 1500 об/мин достигает 2 бар.
2) с 1500 об/мин начинает открываться заслонка в выпускном коллекторе, открывающая канал для отработавших газов напрямую из коллектора на большую турбину, в обход маленькой. А к 3200 об/мин эта заслонка открывается полностью. В этом диапазоне поток отработавших газов плавно перераспределяется с последовательного пути «коллектор -] маленькая турбина -] большая турбина» на прямой путь «коллектор -] большая турбина». Обороты большой турбины растут, а с ними и вклад её компрессора в общий наддув двигателя. Давление на входе маленького компрессора повышается, а степень повышения давления самим маленьким компрессором падает (т.к. уменьшается поток отработавших газов, поступающих на её турбину), в результате чего на выходе маленького компрессора удерживается стабильное максимальное значение наддува, чем и обеспечивается широкая полка максимального крутящего момента двигателя.
3) С 3200 об/мин весь поток отработавших газов поступает сразу на большую турбину, компрессор которой уже самостоятельно развивает достаточно высокое давление наддува. Маленький компрессор, достигший своего предела производительности, становится помехой на пути подаваемого в двигатель воздуха, поэтому уже во впускной системе открывается обводной канал от большого компрессора, минуя маленький. Маленький турбокомпрессор окончательно выводится из работы системы наддува (он, конечно, продолжает вращаться, но как бы «на нейтралке»). Система фактически превращается в «single turbo».

В итоге, такая схема подключения турбокомпрессоров, особенно в сочетании с изменяемой геометрией маленькой турбины, обеспечивает очень ранний и высокий буст на низких оборотах при сохранении достаточно высокой максимальной производительности и плавной кривой крутящего момента. Данный дизель развивает 306 л.с. на 4400 об/мин и впечатляющий момент 600 Нм в диапазоне 1500-2500 об/мин. Более поздняя версия этого мотора (N57D30T1) развивает уже 313 л.с. и 630 Нм на тех же оборотах.


Borg Warner R2S Serial Twin Turbo

На приведённой ниже схеме можно сравнить, насколько характеристики двигателей с «поэтапной последовательной» схемой работы турбокомпрессоров отличаются от «поэтапной параллельной» схемы и от двигателей с одним турбокомпрессором. Поэтапная последовательная схема наддува с выводимым из работы маленьким турбокомпрессором позволяет значительно улучшить низы на моторе с изначально более крупным и производительным турбокомпрессором. Тот факт, что маленький турбокомпрессор на высоких оборотах при такой схеме не становится помехой для работы более крупного, позволяет сильнее дифференцировать их по размерам – больше, чем в первой описанной схеме наддува, - а значит ещё шире раздвинуть полку крутящего момента в обе стороны.



Стоит ли удивляться, что другой турбодизель BMW - 4-цилиндровый 2-литровый N47D20 с такой системой наддува при своих 204 л.с. на 4400 об/мин и 400 Нм при 2000 об/мин стал первым серийным дизелем, литровая мощность которого перешагнула планку в 100 л.с./литра, и заслуженно выигрывал награды International Engine of the Year Award в 2008, 2010 и 2011 годах. Кстати, называется такой наддув у баварцев «Variable Twin Turbo».

Целое семейство турбодизелей различных производителей с последовательной двухступенчатой схемой работы двух турбокомпрессоров, таких как Fiat 1.9 JTD Twin Stage Turbo, Opel 2.0 CDTI BiTurbo, Volvo D5, Mercedes-Benz OM651 и Audi 3.0 V6 TDi Biturbo, позволили вывести динамические характеристики дизельных автомобилей на новый уровень. Кстати, двигатель Audi 3.0 V6 TDi Biturbo в этом списке единственный V-образный, и инженерам из Ингольштадта пришлось изрядно потрудиться, чтобы компактно разместить такую геометрически сложную конструкцию на V-образном двигателе – позади самого мотора. В итоге имеем с 3.0 литров 313 л.с. в диапазоне 3900-4500 об/мин и 650 Нм в диапазоне 1450-2800 об/мин. Впечатляет, не правда ли?


Audi 3.0 V6 TDi Biturbo

На его примере можно детально разглядеть работу такой схемы наддува в динамике:

Audi 3.0 V6 TDi Biturbo (видео)

Почему только дизели? Ну, хотя бы потому, что давление наддува при данной схеме достигает 1,5-2,0 бар избытка, что для бензинового мотора, в частности серийного повседневного, слегка чересчур. Хотя, при современных технологиях с непосредственным впрыском топлива, регулируемыми подъёмом клапанов и фазами распредвалов, изменяемой степенью сжатия и прочими фишками, я совсем не удивлюсь, если эта схема наддува перекочует и на бензиновые моторы, особенно небольшого объёма – по аналогии с Фольксвагеноским 1.4 TFSI с последовательно соединёнными приводным компрессором и турбокомпрессором.


Поэтапное последовательное подключение (sequential serial twinturbo/biturbo). Вариант 2.

А что получится, если взять, и на предыдущей схеме поменять местами турбокомпрессоры, т.е. подключить их так, чтобы первой шла большая турбина, за ней маленькая, а маленький компрессор подавал воздух в большой. Что при этом поменяется и есть ли в этом смысл? Это мы рассмотрим на примере высокофорсированного мотора Mitsubishi 4G63 от парней из известной конторы «AMS Performance»:


AMS Performance 4G63 Twinturbo


AMS Performance 4G63 Twinturbo

Задача стояла получить порядка 1000 л.с. и при этом сохранить приемлемые низы и средние обороты, а с Garrett GT42R в роли основного турбонагнетателя достигнуть обоих условий одновременно было утопией, поэтому ему в пару добавили относительно небольшой последовательно подключённый GT28RS. Работает система следующим образом:


Поэтапное последовательное подключение (sequential serial twinturbo/biturbo)

1) на низких оборотах поток отработавших газов проходит через большую турбину (GT42R), слегка раскручивая её, а затем поступает на маленькую (GT28RS), которая побыстрее набирает обороты. Её компрессор подаёт воздух под небольшим избыточным давлением на более крупный компрессор (GT42R), который практически без изменений давления прогоняет его дальше. Фактически наддув на этом режиме обеспечивается только маленьким компрессором.
2) на средних оборотах маленький турбокомпрессор выходит на полную производительность, подавая воздух под давлением на уже слегка разогнанный большой компрессор, который дополнительно повышает давление.
3) на высоких оборотах, когда маленький турбокомпрессор достигает предела своей производительности, открывается заслонка в выпуске, преграждавшая ранее путь отработавшим газам из первой, более крупной, турбины напрямую в выпускную систему, минуя вторую, маленькую турбину. Часть газов поступает и на маленькую турбину, но их объём уже не так велик, тогда как основная их часть после первой турбины беспрепятственно уходит через открытую заслонку. На впуске открывается клапан основного впускного тракта большого компрессора, и по мере роста оборотов доля воздуха, поступающего на большой компрессор с маленького, падает, тогда как объём воздуха, поступающий через открытый клапан впускной системы, вырастает. К этому моменту большой турбокомпрессор успевает выйти на рабочее давление наддува и система работает в монотурбокомпрессорном режиме.

В чём отличительные особенности этой системы по сравнению с предыдущей? Ну, во-первых, эффективность работы маленького турбокомпрессора здесь очевидно ниже, т.к. он питается отработавшими газами только после основного крупного турбокомпрессора и, значит, медленнее выходит на рабочие обороты на низких оборотах. Во-вторых, отдача основного крупного турбокомпрессора получается максимальной, т.к. он питается первым, без каких либо помех в виде сложного коллектора или системы перепускных клапанов, имеет такой же свободный выход для отработавших газов на высоких оборотах, а так же свободный канал для подачи воздуха в двигатель без каких-либо мешающих клапанов. В итоге эта система может быть актуальна только на высокофорсированных двигателях, когда требуется от большого турбокомпрессора получать максимальную отдачу, а низкими оборотами в некоторой степени можно пожертвовать. Кстати, в «AMS Performance» из-за ограниченного времени на постройку мотора эту систему наддува банально не успели настроить и были вынуждены в последний момент переделать всё на один турбокомпрессор, предельно простой в управлении.


Последовательно-параллельное подключение (serial-parallel twinturbo/biturbo).

Что можно сделать ещё? Может, совместить последовательную схему работы с параллельной? Давайте и такой вариант представим:


Последовательно-параллельное подключение (serial-parallel twinturbo/biturbo)

Имеем два одинаковых турбокомпрессора. Сложную систему трубопроводов между ними разделяют два блока заслонок. Каждый блок включает три заслонки, установленные на одной общей оси, при этом на оси они расположены так, что в крайних положениях либо открыта центральная заслонка, а крайние закрыты (закрытые обозначаются на схеме крестиком), либо наоборот – центральная закрыта, а крайние открыты. Один блок заслонок контролирует распределение отработавших газов в выпускном коллекторе, а второй – распределение воздуха во впускном коллекторе. Как это всё функционирует:

1) на низких оборотах все отработавшие газы поступают сначала на левую турбину, а затем, после неё – на правую. Левая турбина при этом довольно быстро раскручивалась, фактически с той же эффективностью, что и на параллельной схеме с поэтапно подключаемыми турбокомпрессорами (Toyota Supra), но, в отличие от последней схемы, в это же время разгоняется и вторая, правая турбина. Компрессор левой турбины быстро набирает рабочее давление, подавая его на вход правого компрессора, который, в свою очередь, ещё немного уплотняет смесь, обеспечивая довольно высокое давление наддува на низких и средних оборотах.
2) на средних оборотах, когда левая турбина уже разогнана до предела, заслонки выпускного коллектора меняют положение, в результате чего поток отработавших газов разделяется параллельно на обе турбины. Нагрузка на левую турбину падает, а на правую возрастает, в результате чего их скорости выравниваются. Чуть позже блок заслонок во впускном коллекторе так же переводится в аналогичное положение, изменяя последовательное подключение компрессоров на параллельное. Одновременно двигать заслонки на впуске и выпуске нежелательно, чтобы на работе наддува не было заметно переходного режима.
3) на высоких оборотах оба турбокомпрессора работают полностью в параллельном режиме, чем обеспечивается максимальная суммарная производительность системы наддува.

Преимущества такой схемы подключения в сравнении с ранее описанными оценить довольно сложно, т.к. реальных живых примеров я не встречал, но, скорее всего, она будет близка поэтапной последовательной схеме по производительности и давлению наддува, только:
1) с более плавным ростом давления наддува (из-за более крупной первой на пути отработавших газов турбины);
2) с более высоким максимальным давлением наддува на средних оборотах (у поэтапной последовательной схемы пик наступает раньше из-за маленькой первой турбины);
3) возможно, несколько большим запасом производительности (благодаря тому, что обе турбины среднего размера полноценно работают на высоких оборотах и их производительность суммируется).


Спасибо за внимание!
С уважением, Сергей “Samael” Сабитов

Samael, очень полезная информация. спасибо.

Пускай пока повисит незакрепленной, чтобы народ увидел

Пуг, давно я тут не был... Тут как-то тихо стало, даже странно =(

А че, у кого времени нет. У кого просто машина.
Я вот в гараже полгода не был... Таз стоит брошенный, уж год не заводил даже.
Только мечтаю. Вот щас только с работы пришел. 2 часа на пожрать/помыться и что-то поделать. Я хз как другие...
На выходных выспаться бы, да туда-сюда...
Вспоминаю былие времена с тоской, мониторю auto.ru и всё

Pugnator, +1, я вот с работы не всегда домой ухожу. во вторник в пять утра подняли и все. к родителям пришел поесть и помыться на пару часов. времени чтоб кузовню у машинки сделать вообще нет

Как молоды мы были, как молоды мы были, как искренне любили, как верили в себя... =)

мы последовательную схему собирали, опробовали и сейчас собираем с большей турбой, только в качестве маленькой турбы у нас чарджер.

На каком моторе и почему решили на чарджер сменить? Чарджер, кстати, постоянно работать будет, или только в каких-то отдельных режимах?

Samael, Спасибо за статью, с удовольствием прочел в один заход. Все очень толково разжевано, и доведено на очень интересных примерах!

Samael, золотой ты человек! Отдохнуть тебе надо!

Витя, когда в бэху дунем?)))

Bosyak, это лишнее ИМХО

Расскажи это создателям мотора BMW N57S Triturbo =))))))))

Серег, Витька видимо хотел сказать, что он слишком стар для этого))) что для его древних чресел теперь только плавность и комфорт )))

Неубедительная отмаза =)

Зато какой убедительный повод в процессе установки жирануть водочки как следует)))

Тогда уж в Волгу воткнуть готовое решение - компрессорный кит от TRD

волгу купил?