2-Stage Variable Twin-turbo

В 2004 году BorgWarner впервые представила и стала применять на BMW M57TU2D30-TOP (3.0sd) свои 2-Stage Variable Twin-turbo.

У меня как раз такие, когда-то читал про их принцип работы, решил освежить знания.

In recently years, turbo lag has been largely resolved on gasoline engines, thanks to technology like close-coupled turbochargers (some are even integrated with exhaust manifolds) and low inertia small turbines. However, the same cannot be said to diesel engines. Diesel engines may produce power comparable to their petrol counterparts, but that need higher boost pressure hence larger turbochargers. It goes without saying that large turbos result in more turbo lag. Moreover, diesel engines tend to work at much lower rpm than petrol engines. This means in normal usage they produce less exhaust gas to feed the turbos. As a result, the turbo lag problem is made even worse.

To deal with this problem, engineers developed a more sophisticated kind of twin-turbo specially for diesel engines. It is 2-stage variable twin-turbo.

The turbo system on 535d was made very compact, engaging little space adjacent to the straight-six. It has very short pipes connecting between the two turbos.

The engine produced 272 hp (на X3 — 286 л.с.) and 413 lbft, far stronger than the single-turbo version's 218 hp and 369 lbft on 530d. Moreover, it generated 391 lbft of torque from as low as 1500 rpm, implying very quick spool up of turbocharger.

Unlike other twin-turbo systems, 2-stage variable twin-turbo employs different size turbos — a small one for quicker spool up at low rpm and a large turbo to take care of higher rev. They are connected in series so that the boost pressure from one turbo is further multiplied by another turbo, hence the name "2-stage". The distribution of exhaust gas is continuously variable, so the transition from small turbo to big turbo can be made seamless.

2 турбины, большая и маленькая, одна за другой, с регулируемыми клапанами, подключаемые и отключаемые в нужный момент и турбо яма сведена практически на нет… Как показала практика, это действительно круто! Мотор тянет всегда и на любых скоростях готов придать ускорение, что, согласитесь, неплохо :)

Подробнее в материалах: 1, 2 и совсем научное 3.

Поэтапное последовательное подключение (Sequential Serial TwinTurbo/BiTurbo)

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».

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.