6 różnych typów turbosprężarek i zalety każdego z nich

Jaka jest różnica między turbosprężarkami pojedynczymi, podwójnymi, twin-scroll, o zmiennej geometrii, a nawet elektrycznymi? Jakie są zalety każdego z tych rozwiązań?

Świat turbodoładowania ma taką samą różnorodność jak układy silników. Przyjrzyjmy się różnym stylom:

Elektryczne turbosprężarkiPojedyncza turbosprężarka

Pojedyncze turbosprężarki same w sobie mają nieograniczoną zmienność. Zmiana rozmiaru koła kompresora i turbiny prowadzi do zupełnie innych charakterystyk momentu obrotowego. Duże turbosprężarki zapewnią dużą moc na wysokich obrotach, ale mniejsze turbosprężarki zapewnią lepszy moment obrotowy na niskich obrotach, ponieważ szybciej się rozkręcają. Istnieją również pojedyncze turbosprężarki z łożyskami kulkowymi i ślizgowymi. Łożyska kulkowe zapewniają mniejsze tarcie dla kompresora i turbiny, dzięki czemu szybciej się rozkręcają (choć zwiększają koszty).

• Zalety:

• Ekonomiczny sposób na zwiększenie mocy i wydajności silnika.

• Proste, generalnie najłatwiejsze z opcji turbodoładowania do zainstalowania.

• Umożliwia stosowanie mniejszych silników do wytwarzania takiej samej mocy jak większe silniki wolnossące, co często pozwala na zmniejszenie masy.

• Koszty i złożoność, ponieważ teraz musisz uwzględnić silnik elektryczny i upewnić się, że pozostaje chłodny, aby zapobiec problemom z niezawodnością. Dotyczy to również dodatkowych kontrolerów.

• Pojedyncze turbosprężarki mają tendencję do posiadania dość wąskiego efektywnego zakresu obrotów. To sprawia, że dobór rozmiaru jest problemem, ponieważ trzeba wybierać między dobrym momentem obrotowym na niskich obrotach a lepszą mocą na wysokich obrotach.

• Reakcja turbosprężarki może nie być tak szybka jak w przypadku alternatywnych rozwiązań.

2. Podwójna turbosprężarka

Podobnie jak w przypadku pojedynczych turbosprężarek, istnieje wiele opcji przy użyciu dwóch turbosprężarek. Można mieć jedną turbosprężarkę dla każdego rzędu cylindrów (V6, V8 itp.). Alternatywnie, pojedyncza turbosprężarka może być używana dla niskich obrotów i omijać większą turbosprężarkę dla wysokich obrotów (I4, I6 itp.). Można nawet mieć dwie turbosprężarki o podobnej wielkości, gdzie jedna jest używana na niskich obrotach, a obie na wyższych obrotach. W BMW X5 M i X6 M stosowane są turbosprężarki twin-scroll, po jednej z każdej strony V8.

• Zalety:

• W przypadku równoległych podwójnych turbosprężarek w silnikach w kształcie „V”, korzyści (i wady) są bardzo podobne do rozwiązań z pojedynczą turbosprężarką.
• W przypadku turbosprężarek sekwencyjnych lub używania jednej turbosprężarki na niskich obrotach i obu na wysokich obrotach, pozwala to na znacznie szerszą, bardziej płaską krzywą momentu obrotowego. Lepszy moment obrotowy na niskich obrotach, ale moc nie będzie spadać na wysokich obrotach, jak w przypadku małej pojedynczej turbosprężarki.

• Wady:

• Koszty i złożoność, ponieważ masz prawie podwójną liczbę elementów turbosprężarki.
• Istnieją lżejsze i bardziej wydajne sposoby osiągnięcia podobnych rezultatów (jak omówiono poniżej).

3. Turbosprężarka Twin-Scroll

Turbosprężarki twin-scroll są lepsze pod prawie każdym względem od turbosprężarek single-scroll. Używając dwóch kanałów, impulsy spalin są podzielone. Na przykład, w silnikach czterocylindrowych (kolejność zapłonu 1-3-4-2), cylindry 1 i 4 mogą zasilać jeden kanał turbosprężarki, podczas gdy cylindry 2 i 3 zasilają oddzielny kanał. Dlaczego to korzystne? Załóżmy, że cylinder 1 kończy suw pracy, gdy tłok zbliża się do dolnego martwego punktu, a zawór wydechowy zaczyna się otwierać. W tym samym czasie cylinder 2 kończy suw wydechu, zamykając zawór wydechowy i otwierając zawór dolotowy, ale występuje pewne zachodzenie. W tradycyjnym kolektorze turbosprężarki single-scroll ciśnienie spalin z cylindra 1 będzie kolidować z cylindrem 2 wciągającym świeże powietrze, ponieważ oba zawory wydechowe są tymczasowo otwarte, zmniejszając ilość ciśnienia docierającego do turbosprężarki i zakłócając ilość powietrza wciąganego przez cylinder 2. Dzieląc kanały, problem ten zostaje wyeliminowany.

• Bezpośrednie połączenie silnika elektrycznego z kołem kompresora pozwala praktycznie wyeliminować turbodziurę i niewystarczającą ilość spalin, obracając kompresor za pomocą energii elektrycznej w razie potrzeby.

• Więcej energii jest wysyłane do turbiny wydechowej, co oznacza więcej mocy.
• Możliwy jest szerszy zakres obrotów efektywnego doładowania w oparciu o różne konstrukcje kanałów.
• Możliwe jest większe zachodzenie zaworów bez utrudniania oczyszczania spalin, co oznacza większą elastyczność strojenia.

• Koszty i złożoność w porównaniu do użycia pojedynczej turbosprężarki lub tradycyjnego twin-scroll.

• Wymaga specyficznego układu silnika i konstrukcji wydechu (np.: I4 i V8, gdzie 2 cylindry mogą być zasilane do każdego kanału turbosprężarki, w równych odstępach).
• Koszty i złożoność w porównaniu do tradycyjnych pojedynczych turbosprężarek.

Elektryczne turbosprężarkiTurbosprężarka o zmiennej geometrii (VGT)

Być może jedna z najbardziej wyjątkowych form turbodoładowania, VGT są ograniczone w produkcji (choć dość powszechne w silnikach Diesla) w wyniku kosztów i wymagań dotyczących egzotycznych materiałów. Wewnętrzne łopatki w turbosprężarce zmieniają stosunek powierzchni do promienia (A/R), aby dopasować go do obrotów. Przy niskich obrotach stosowany jest niski współczynnik A/R, aby zwiększyć prędkość spalin i szybko rozkręcić turbosprężarkę. Wraz ze wzrostem obrotów, współczynnik A/R wzrasta, aby umożliwić zwiększony przepływ powietrza. Rezultatem jest mała turbodziura, niski próg doładowania oraz szerokie i płynne pasmo momentu obrotowego.

• Zalety:

• Szeroka, płaska krzywa momentu obrotowego. Skuteczne turbodoładowanie w bardzo szerokim zakresie obrotów.
• Wymaga tylko jednej turbosprężarki, upraszczając konfigurację turbosprężarki sekwencyjnej do czegoś bardziej kompaktowego.

• Wady:
• Zazwyczaj stosowane tylko w silnikach Diesla, gdzie spaliny są chłodniejsze, więc łopatki nie zostaną uszkodzone przez ciepło.
• W przypadku silników benzynowych koszty zazwyczaj je eliminują, ponieważ należy używać egzotycznych metali w celu zachowania niezawodności. Technologia ta została wykorzystana w Porsche 997, chociaż istnieje bardzo niewiele silników benzynowych VGT w wyniku związanych z tym kosztów.

Elektryczne turbosprężarkiTurbosprężarka o zmiennym twin-scroll

Czy to może być rozwiązanie, na które czekaliśmy? Podczas SEMA 2015 zatrzymałem się na stoisku BorgWarner, aby przyjrzeć się najnowszym rozwiązaniom w zakresie turbodoładowania, wśród koncepcji jest turbosprężarka o zmiennym twin-scroll, jak opisano w powyższym filmie.

• Zalety:

• Znacznie tańsze (teoretycznie) niż VGT, co czyni je akceptowalnym rozwiązaniem dla turbodoładowania silników benzynowych.
• Umożliwia uzyskanie szerokiej, płaskiej krzywej momentu obrotowego.
• Bardziej wytrzymałe w konstrukcji w porównaniu do VGT, w zależności od doboru materiału.
   
• Wady:Koszty i złożoność w porównaniu do użycia pojedynczej turbosprężarki lub tradycyjnego twin-scroll.
• Technologia ta była już testowana (np.: zawór szybkiego rozkręcania), ale wydaje się, że nie przyjęła się w świecie produkcji. Prawdopodobnie istnieją dodatkowe wyzwania związane z tą technologią.
• 1.

Elektryczne turbosprężarkiOpatentowana technologia Full Electric Turbocharger firmy Aeristech to nowa, umożliwiająca technologia, która pomoże producentom pojazdów spełnić rygorystyczne przyszłe przepisy dotyczące emisji, zapewniając jednocześnie doskonałą reakcję w całym zakresie pracy silnika, nawet przy niskich obrotach silnika i prędkości pojazdu. FETT to ostateczne rozwiązanie dla ekstremalnego zmniejszania pojemności silnika i poprawy wydajności silnika przy użyciu jednostopniowej turbosprężarki.

Wprowadzenie mocnego silnika elektrycznego eliminuje prawie wszystkie wady turbosprężarki. Turbodziura? Zniknęła. Za mało spalin? Żaden problem. Turbosprężarka nie może wytworzyć momentu obrotowego na niskich obrotach? Teraz może! Być może kolejny etap nowoczesnego turbodoładowania, niewątpliwie istnieją również wady elektrycznej ścieżki.

Zalety:

• Bezpośrednie połączenie silnika elektrycznego z kołem kompresora pozwala praktycznie wyeliminować turbodziurę i niewystarczającą ilość spalin, obracając kompresor za pomocą energii elektrycznej w razie potrzeby.

• Podłączając silnik elektryczny do turbiny wydechowej, można odzyskać straconą energię (jak to się robi w Formule 1).
• Bardzo szeroki efektywny zakres obrotów z równomiernym momentem obrotowym.
• Wady:
   

• Koszty i złożoność, ponieważ teraz musisz uwzględnić silnik elektryczny i upewnić się, że pozostaje chłodny, aby zapobiec problemom z niezawodnością. Dotyczy to również dodatkowych kontrolerów.

• Pakowanie i waga stają się problemem, zwłaszcza z dodatkiem akumulatora na pokładzie, który będzie niezbędny do dostarczania wystarczającej mocy do turbosprężarki w razie potrzeby.
• VGT lub twin-scroll mogą oferować bardzo podobne korzyści (choć nie na tym samym poziomie) za znacznie niższy koszt.