Twin Scroll, BiTurbo, Twin Turbo – dwie turbosprężarki

1. Jakie są różnice są między Twin Scroll, BiTurbo, Twin Turbo – dwie turbosprężarki i co będzie dalej.. budowa, działanie

- Twin Scroll

Twin Scroll jest rozwiązaniem konstrukcyjnym, polegającym na innym od standardowego kształtu wirnika turbiny oraz sprężarki. Warto wspomnieć o zmienionym kształcie obudowy turbiny, który w tym rozwiązaniu jest dwudzielny. Służy to lepszemu wyizolowaniu napływających pulsacyjnie gazów wydechowych.

Układ doładowania z turbosprężarką typu Twin Scroll:

Zjawisko pulsacji spalin zostało uporządkowane za pomocą dwóch przegród ulokowanych wewnątrz obudowy. Za utrzymywanie zadanego ciśnienia między górną a dolną częścią turbiny odpowiedzialny jest zawór upustowy. W tym rozwiązaniu konstruktorzy zastosowali także inny kształt kolektora wydechowego, który podzielony jest na dwie części. Rozwiązanie przyniosło duże korzyści w postaci znacznie skróconego czasu reakcji turbosprężarki na zmianę obciążenia. Twin Scroll pozwala na maksymalne skrócenie czasu pracy turbosprężarki, co jest bardzo istotne podczas procesu napełniania silnika świeżym ładunkiem powietrza pod stałym ciśnieniem. Dzięki podzieleniu obudowy turbiny i kolektora wydechowego na dwie części, praca turbosprężarki stała się o wiele bardziej płynna w całym zakresie prędkości obrotowych silnika.

- BiTurbo

BiTurbo to system składający się z dwóch turbosprężarek, których praca odbywa się w sposób równoległy. Ma to na celu poprawę nadążności pracy układu doładowania w przypadku nagłych zmian obciążenia silnika. Wraz ze skróceniem czasu reakcji turbosprężarki na chwilowe obciążenia, zakres jej pracy w warunkach nieustalonych ulega zmniejszeniu. Układ BiTurbo jest spotykany najczęściej w silnikach, których objętość skokowa przekracza 2500 cm3. Oprócz poprawy bezwładności turbosprężarki, pracujące w układzie równoległym dwie turbosprężarki mogą pokryć zapotrzebowania na powietrze w przypadku większych silników. Oddzielny system doprowadzania powietrza do sprężarek jest pożądany dla silników o większej pojemności skokowej, jako że nie mają one niedostatków momentu obrotowego w zakresie wolnych obrotów, jak to się dzieje w przypadku jednostek o mniejszej pojemności.

Układ BiTurbo:

- Twin Turbo

Twin Turbo jest bardzo podobnym rozwiązaniem jak układ BiTurbo. Różnica wynika jednak z sposobu pracy w obu rozwiązaniach. W Twin Turbo zastosowano dwie turbosprężarki, z czego jedna jest mniejsza, pracująca w zakresie niskich prędkości obrotowych silnika (do 1500 obr/min), a druga większa, pracująca w zakresie wysokich prędkości obrotowych a załączana jest stopniowo, by od 2500 obr/min stanowić decydujący element w napełnianiu cylindrów. Dzięki zastosowaniu dwóch sprężarek o różnych rozmiarach, poprawie uległa praca urządzenia w całym zakresie prędkości obrotowych silnika. Mniejsza turbosprężarka cechuje się małą bezwładnością wirnika i pracuje przy małych obciążeniach silnika i wykorzystuje przy tym efekt „sprężania wstępnego” realizowanego przez większą turbosprężarkę. Sam proces przełączania między turbosprężarkami odbywa się poprzez pneumatycznie sterowany zawór, a sam moment przełączenia jest nieodczuwalny dla kierowcy.

Układ Twin Turbo:

- Twin Turbo – Opel Performance Center, silnik Ecotec 1.9 CDTI

Rozwiązanie Twin Turbo opracowane przez sportowy dział Opla (OPC) w studyjnym silniku 1.9 CDTI jest rozwiniętą I bardzo dopracowaną wersją doładowania sekwencyjnego. Jednostka napędowa jest bardzo kompaktowa, ale największą zaletą jej jest niskie zużycie paliwa. Patrząc na ten silnik od strony technicznej, należy pamiętać o celu jaki założyli sobie od początku konstruktorzy – osiągi silnika. Osiągnięte 212 KM mocy i 400 Nm momentu obrotowego nie było jednak ostatecznym celem. Konstruktorzy musieli zmieścić się z tak wysiloną jednostką, w rygorystycznych normach emisji spalin Euro 4. Układ dolotowy został wyposażony w dwie szeregowo zainstalowane turbosprężarki o różnym rozmiarze, co wiąże się z ich różnym wydatkiem. Mniejsza turbosprężarka działa w zakresie niskich prędkości obrotowych (do 1800 obr/min). Jej mała bezwładność z powodu małego rozmiaru pozwala na natychmiastową reakcję układu doładowania w momencie nagłej zmiany obciążenia silnika. Ciśnienie robocze przy jakim pracuje w trakcie maksymalnego obciążenia wynosi około 3.2 atm.

Przekroczenie 1800 obr/min powoduje, że przepustnica zmienia ilość kierowanych spalin na większą turbosprężarkę. Ładunek powietrza jest sprężany w większej turbosprężarce, chłodzony w intercoolerze, a następnie ponownie jest sprężany, tyle że w mniejszej turbosprężarce. Powyżej 3000 obr/min sterowany jednokierunkowym zaworem zwrotnym przepływ ładunku powietrza zostaje całkowicie przekierowany na większą turbosprężarkę. Jej sprawność osiągana jest właśnie podczas maksymalnego obciążenia silnika. Parametry pracy i sekwencyjne załączanie się poszczególnych turbosprężarek, zaowocowały wartością sprężu wynoszącą 26 atm. Przebieg procesu spalania w silniku wysokoprężnym w obliczu takich wskaźników roboczych pozwolił na dopracowanie procesu wtrysku, co w efekcie przyniosło niskie średnie zużycie paliwa rzędu 6 l/100km.

Silnik 1.9 CDTI zaprojektowany przez sportowy dział Opla OPC:

- Variable Twin Turbo – doładowanie sekwencyjne firmy BMW

W przeciwieństwie do prototypowego silnika Opla, rzędowy 3-litrowy silnik BMW jest seryjnie produkowany oraz montowany w modelu 535D. Silnik o pojemności 3000 cm3 o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa jest wyposażony w turbodoładowanie o znacznie zmienionym układzie zasilania powietrzem. Konstruktorzy chcieli osiągnąć tyle mocy, ile tylko się da. Efekty ich pracy zostały zaprezentowane w 2004 r. podczas rajdu Dakar, gdzie samochód BMW X5 wyposażony właśnie w ten silnik, został sklasyfikowany w klasie samochodów napędzanymi silnikami diesla na 1 miejscu a w klasyfikacji generalnej na 4. Konstruktorzy postawili na nowoczesną konstrukcję całego bloku, dlatego wykonany jest z żeliwa szarego a głowica silnika z aluminium. Zabiegi te pozwoliły na obniżenie masy silnika, zachowując przy tym wytrzymałość materiałową z racji spalania się paliwa w silniku diesla. Układ opracowany przez BMW polega również na sprzężeniu pracy dwóch sprężarek dzięki zespołowi trzech przepustnic zainstalowanych w układzie. 

System Variable Twin Turbo:

Analogicznie jak w rozwiązaniu Opla, mniejsza turbosprężarka pracuje do ok. 1500 obr/min, produkując wystarczające nadciśnienie do zasilania silnika ale równocześnie zapewniające szybką reakcję na zmianę obciążenia silnika. Przekroczenie tych prędkości obrotowych (1500 obr/min) powoduje równoległą pracę dwóch turbosprężarek do wartości ok. 3200 obr/min. Pneumatyczne sterowanie układem przepustnic powietrza przełącza przepływ powietrza na większą turbosprężarką po przekroczeniu 3200 obr/min. Wtedy doładowanie oparte jest tylko na pracy jednej, większej turbosprężarki. Dzięki zastosowaniu tego rozwiązania w silniku rzędowym silniku BMW, osiągnięto moc 272 KM przy 4400 obr/min oraz 560 Nm w zakresie 2000-2250 obr/min. Te wartości robią wrażenie szczególnie przez to, że silnik ten spełnia normy emisji spalin Euro 4. Jednostka ta może być opcjonalnie wyposażona w filtr cząstek stałych, które są nierozłącznym składnikiem substancji emitowanych przez silnik o zapłonie samoczynnym. Filtr ten pozwala na dodatkowe ograniczenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery, tym samym spełnia normę emisji spalin Euro 5.

Twin Charger – doładowanie mechaniczne + turbosprężarkowe

Twin Charger to układ o podobnej konstrukcji co układ Twin Turbo, z tymże w swoim układzie posiada jedną turbosprężarkę i jedną sprężarkę mechaniczną. Takie rozwiązanie powoduje znacznie płynniejszy przyrost momentu obrotowego oraz mocy nawet w porównaniu do układu BiTurbo. Silnik o znacznie mniejszej pojemności skokowej wyposażony w tego typu rozwiązanie może mieć taką samą moc jak większy silnik bez tego układu, przy czym płynniej rozwijane są wartości momentu obrotowego oraz mocy dla silnika z układem Twin Charger.

Ładunek powietrza przetłaczany do silnika początkowo zostaje sprężony w sprężarce mechanicznej a dopiero potem w turbosprężarce. Dzięki temu, ciśnienie doładowania wynosi 2.5 bara przy prędkości obrotowej 1500 obr/min, co minimalizuje efekt bezwładności turbosprężarki. Sprężarka mechaniczna działa do ok. 2400 obr/min. Załącza się również w trakcie nagłych zmian obciążenia silnika, kiedy turbosprężarka ma opóźniony efekt działania. Przy stałych obciążeniach, już przy ok. 3500 obr/min napęd sprężarki mechanicznej jest rozłączany przy pomocy sprzęgła elektromagnetycznego. Przygotowanie wstępne ładunku powietrza w postaci sprężania go w sprężarce mechanicznej poprawia parametry pracy turbosprężarki, która staje się mniej podatna na pracę w stanie niestabilnym.


Schemat układu Twin Charger:

Rozwiązanie to, z racji swej kompaktowej budowie, jest stosowane w Volkswagenie Golfie V. Dzięki zastosowaniu dwóch różnych sprężarek doładowujących – mechanicznej oraz turbosprężarki – uzyskano bardzo dobry efekt końcowy przy zminimalizowaniu wad obu urządzeń wynikających z ich konstrukcji. Uzyskano wyższy moment obrotowy w niższym zakresie prędkości obrotowej, nawet w stosunku do silnika doładowanego turbosprężarką o większej pojemności. Do uzyskania takich parametrów przyczynił się kompresor Eaton. Sprężarka ta ma podwójną przekładnię pasową, która zwielokrotnia prędkość obrotową silnika przenoszoną na koło pasowe. Dodatkowo kompresor ma wewnętrzną przekładnię zwiększającą prędkość obrotową współpracujących rotorów.

Sprężarka mechaniczna pozwala na osiąganie efektywnego zakresu pracy dużo wcześniej niż turbosprężarka, co poprawia elastyczność silnika w dolnych partiach prędkości obrotowych. Dodatkowo nadmienić trzeba, że zastosowanie dwóch sprężarek poprawiło ogólną sprawność układu doładowania silnika w całym zakresie jego prędkości obrotowych, co procentuje płaskim przebiegiem momentu obrotowego.

Stosunek zwiększonej mocy efektywnej silnika 1.4 TSI w stosunku do wersji wolnossącej wynosi aż 100% i waha się w zależności od wersji od 140 KM do 170 KM.


Konstruktorzy obrali drogę Downsizingu, a więc zmniejszania pojemności skokowej przy podwyższeniu osiągów jednostki napędowej. Silnik o analogicznej mocy 170 KM i większej pojemności skokowej (2.3 litra!), ma o wiele słabszy moment obrotowy, nie wspominając nawet o jego przebiegu. Poprawę parametrów mocy i momentu obrotowego uzyskano dzięki dopracowaniu napełniania silnika, a co za tym idzie – poprawy wskaźników jego pracy tj. średniego ciśnienia użytecznego. Dodatkowym atutem układu doładowania Twin Charger jest zmniejszenie zużycia paliwa. Oszczędność do silnika o tej samej mocy tyle że o pojemności 2.3 litra, wynosi ok. 25%. Taki wynik osiągnięto dzięki dopracowaniu układu zasilania silnika w ładunek powietrza.

Poprawa wskaźników pracy silnika została również uzyskana poprzez dopracowanie przebiegu spalania paliwa, a więc sterowania składem mieszanki. Silnik 1.4 TSI pracuje w szerokim zakresie współczynnika λ, od bogatej, poprzez stechiometryczną, aż do ubogiej, sięgającej nawet wartości >2,5 wyżej wymienionego współczynnika. Przynosi to duże korzyści w postaci zmniejszonego zużycia paliwa a także obniżonej emisji szkodliwych substancji.

Ponadto, dzięki nowym generacjom układów zasilania w paliwo, możliwe stało się tworzenie mieszanek niejednorodnych, a więc takich, w których występują strefy uboższe. Uzyskanie takiej mieszanki wiązało się z zastosowaniem nowej generacji wtryskiwaczy sześcio otworkowych, które podają paliwo pod ciśnieniem 150 atmosfer. Proces formowania się mieszanki jest taki sam jak w silniku o zapłonie samoczynnym. Dzięki tak wysokiemu ciśnieniu wtrysku jak na silnik iskrowy, możliwe stało się tworzenie mieszanki niejednorodnej.

Mieszanka bogata znajdująca się w okolicy świecy zapłonowej umożliwia szybki oraz łagodny przebieg procesu rozprzestrzeniania się płomienia, natomiast uboga jest obecna w okolicy ścianek cylindra. Taki proces formowania się oraz spalania mieszanki jest korzystny nie tylko ze względu na oszczędność paliwa, ale także na termikę samego silnika. Bogatsza mieszanka, warunkująca utrzymanie wskaźników pracy silnika na zadanym poziomie, jest obecna w środkowej części komory spalania, natomiast uboga, pozwalająca na zachowanie izolacji termicznej, występuje tuż przy ściankach cylindra. Taki przebieg procesu spalania warunkuje utrzymanie możliwie niskich lokalnych temperatur poszczególnych elementów silnika, a w efekcie umożliwia obniżenie bilansu cieplnego całej jednostki.

W konstrukcji układu doładowania silnika można zauważyć pozytywne cechy konstrukcyjne dla przebiegu procesu napełniania. W rozwiązaniu Twin Charger umieszczono dwa urządzenie doładowujące po przeciwnych stronach jednostki, co korzystnie wpływa na rozkład temperatur panujących w komorze silnika. Turbosprężarka, z powodu swojej konstrukcji emituje wysoką temperaturę po stronie turbiny, co niekorzystnie wpływa na proces napełniania. Kompresor został umieszczony po przeciwnej stronie silnika, co odizolowało go termicznie od turbosprężarki. Taki układ pozwolił na uzyskanie kompaktowych gabarytów oraz regularności kształtu całej jednostki napędowej.


Silnik 1.4 TSI: