Параллельный и последовательный наддув — в чем разница?

Не знаю, насколько эта тема интересна широкой аудитории, но на нее расчет и не идет. Большинство статей, собственно, как и сам канал, рассчитаны на узкую аудиторию специалистов и людей, интересующихся более глубоко. А так как мы говорим о наддуве и всем, что с ним связано, тему параллельного и последовательного наддува тоже нужно осветить. Писать много не буду: как показала практика, к сожалению, мало кто любит читать более 5 минут.

Итак, что такое наддув и турбонаддув, большинство читающих уже знают, но наверняка не все знают разницу между последовательным и параллельным наддувом. Эти две похожие и одновременно разные технологии служат двум основным целям — уменьшить турбояму и, как следствие, задержку при разгоне на низах, и поддерживать стабильный и достаточный наддув на всех режимах работы двигателя.
Ранее я уже затрагивал эту тему (Twin-Turbo или Bi-Turbo). Теперь поговорим чуть шире.

Параллельный турбонаддув

Это технология, которая использует две абсолютно одинаковые турбины (обычно небольшого размера), одновременно выполняющие одну работу. Это и есть принцип параллельного наддува.
• V-образные двигатели: каждая турбина питается выхлопными газами от своего ряда цилиндров (один ряд — одна турбина). Это классическая схема.
• Рядные двигатели: встречается реже, но здесь впускной тракт просто делится на две части.
Обе турбины работают одновременно, качая воздух в общий впускной коллектор. Давление наддува, создаваемое ими, одинаковое, а производительность суммируется.

Плюсы схемы

1. Быстрый отклик (спул): так как турбины маленькие, им нужно мало выхлопных газов для раскрутки. Эффект турбоямы минимален, отклик на педаль газа более быстрый, практически как на атмосферном моторе.
2. Компактность: две маленькие турбины часто проще скомпоновать в ограниченном подкапотном пространстве современного V-образного мотора, чем одну большую.
3. Снижение тепловой нагрузки: поток газов делится на два агрегата, поэтому каждый компрессор и турбина работают в более щадящем термическом режиме.

Минусы схемы

1. Ограничение по верхам. Физический размер турбин не позволяет им эффективно перекачивать большие объемы воздуха на высоких нагрузках. По этой причине пиковая мощность ограничена. А игра на увеличение размера турбин приведет к увеличению турбоямы на низах.
2. Сложность управления. Необходимо точное управление перепускными клапанами (вестгейтами), чтобы обе турбины выдавали строго одинаковое давление. Малейший дисбаланс в наддуве приводит к разной нагрузке на группы цилиндров, где реализована схема с раздельными впускными коллекторами. А с общим коллектором, давление турбины, которая дует сильнее, может продавить давление более слабо дующей, что способно приводить к эффекту вытяжной вентиляции, в которую незаконно подключили вытяжку, и соседи стали вдыхать запахи вашей кухни.

Классический пример схемы параллельного турбонаддува: Subaru Legacy GT (JDM), Audi S6 (C4), ряд версий BMW N54 и почти все современные V8 от Mercedes-Benz (M178 и др.). Эти моторы славятся «бесшовной» тягой с самых низов.

Последовательный наддув

Про последовательный я говорю именно наддув, а не турбонаддув, так как схема не всегда состоит только из турбокомпрессоров, а может включать еще механические компрессоры и электрические компрессоры.
По порядку:
Первая схема, когда работают только турбокомпрессоры, представляет собой работу двух и более турбин (вплоть до четырех), где все турбины не всегда могут сильно отличаться по размеру, но всегда отличаются по настройкам наддува и моментом их включения в работу.
Если брать для примера модель, когда последовательно работают две турбины, то выглядит это так: на малых нагрузках быстро подхватывает маленькая турбина, что позволяет минимизировать эффект турбоямы, а на более высоких нагрузках в работу включается большая турбина, что позволяет сохранять крутящий момент и, соответственно, тягу на всех режимах работы, включая высоконагруженные.

Подробнее, как это работает

1. Низкие и средние обороты. Все выхлопные газы направляются только на маленькую турбину. Благодаря маленьким рабочим колесам (колесу турбины и колесу компрессора), наддув появляется почти мгновенно (уже с 1200–1500 об/мин). Большая турбина в это время отсечена заслонкой и либо стоит, либо медленно «подкручивается» перепускаемыми выхлопными газами для подготовки к основной работе.
2. Переходная зона. По мере роста оборотов производительности маленькой турбины перестает хватать. Открываются специальные перепускные клапаны, и часть выхлопных газов начинает поступать на большую турбину. Некоторое время они работают совместно.
3. Высокие нагрузки. Маленькая турбина полностью отключается во избежание ее разрушения от превышения скорости вращения ротора, и весь поток выхлопных газов устремляется в большую турбину, которая впоследствии и обеспечивает большой объем воздуха и пиковую мощность.
   Работа этих турбин регулируется электроникой и тонко настраиваемыми перепускными клапанами. Кстати, этот момент значительно усложняет ремонт данного вида турбокомпрессоров, ведь при малейшем выходе за рамки настроек система работать не будет, и машина будет уходить в аварийный режим.

Плюсы схемы

1. Широчайшая полка крутящего момента. Двигатель одинаково хорошо тянет с холостых оборотов и до красной зоны.
2. Потенциал для тюнинга. Так как на верхах работает одна большая производительная турбина, потенциал по мощности зачастую выше, чем в параллельной схеме с двумя маленькими турбинами.
3. Эффективность сгорания. На низких оборотах двигатель работает с высоким давлением наддува без необходимости крутить тяжелое рабочее колесо большой турбины.

Минусы схемы

1. Сложность. Система обильно напичкана каскадом перепускных и отсечных клапанов, вакуумными приводами и патрубками. Диагностика и ремонт требуют высокой квалификации.
2. Резкий переход (подхват). В момент переключения с малой турбины на большую может возникать скачкообразное изменение крутящего момента. Инженеры долгие годы боролись с этим эффектом, сглаживая его настройками ЭБУ и добавляя в схему дополнительные турбокомпрессоры.
3. Высокая стоимость. Из-за разнотипности агрегатов и сложной системы управления такая система дороже параллельной.

Классический пример: Toyota Supra MK4 (2JZ-GTE), Mazda RX-7 (FD3S), а также дизельные двигатели: Land Rover TD6 (M57) и часть моторов BMW 3.0d с системой R2S (Regulated 2-Stage), где последовательная схема практически стала стандартом.

Второй вариант последовательного наддува — это связка «механический компрессор и турбокомпрессор»

Сочетание механического нагнетателя (компрессора) и турбокомпрессора еще называют двойным наддувом (Twincharging). Это инженерное решение призвано устранить, как мы уже и говорили, главный недостаток большой турбины — турбояму, и обеспечить высокую мощность на верхах.
Схема работы такой системы выглядит примерно так (почему примерно? Да потому, что есть и другие варианты, но пока поговорим о наиболее популярной и понятной схеме):

Это самая распространенная компоновка. Воздух проходит сначала через механический нагнетатель, который раскручивается не выхлопными газами, а коленчатым валом самого двигателя и привязан именно к оборотам двигателя, а затем через турбокомпрессор (может идти и в обход). В результате на низах создается наддув без задержки механическим компрессором, а потом включается турбокомпрессор, и мы получаем достаточный наддув на средних и высоких нагрузках.

Режим 1: Низкие обороты / Старт (до 2400–3000 об/мин)
• Потока выхлопных газов недостаточно, чтобы раскрутить большую турбину.
• В дело вступает механический нагнетатель (привод от коленвала через электромагнитную муфту). Он сжимает воздух и подает его напрямую в двигатель.
• Путь воздуха: Фильтр → Механический нагнетатель → (байпас турбины закрыт) → Интеркулер → Двигатель.
• Результат: Моментальный отклик на педаль газа, высокая тяга «снизу».

Режим 2: Переходный (средние обороты)
• Турбина начинает выходить на рабочий режим и создавать давление.
• Блок управления плавно открывает заслонку, регулирующую поток от турбины. Механический нагнетатель все еще помогает, но его производительность снижается.
• Часть воздуха идет от турбины, часть от компрессора, они смешиваются.

Режим 3: Высокие нагрузки и обороты (от 3000–3500 об/мин)
• Турбина полностью раскручена.
• Муфта механического нагнетателя отключается (он перестает потреблять мощность у двигателя). Специальная заслонка открывается, направляя весь воздух в обход механического нагнетателя.
• Путь воздуха: Фильтр → Турбина → Интеркулер → Двигатель.
• В итоге работает только турбина, реализуя максимальную пиковую мощность без паразитных потерь на привод механики.

Параллельная/Двухступенчатая схема (используется реже, обычно на дизелях или V8)
Здесь компрессоры могут работать не на прямую эстафету, а скорее «внахлест» или на разных каналах.
• Механический нагнетатель нагнетает воздух во впуск турбины (на вход турбокомпрессора). Это повышает плотность воздуха на входе в турбину, заставляя её раскручиваться еще быстрее (своеобразный «поддув»).
• На высоких оборотах механический нагнетатель либо полностью отключается, либо остается в системе для создания экстремального давления (форсированные гоночные моторы).

Ключевые элементы схемы:

1. Электромагнитная муфта: жестко подключает/отключает механический нагнетатель к шкиву коленвала по команде ЭБУ.
2. Байпасная заслонка (N1): в режиме работы механического нагнетателя она перекрыта, чтобы наддув не уходил обратно в турбину. В режиме турбины она открыта, и воздух идет в обход отключенного нагнетателя.
3. Клапан перепуска турбины (Wastegate): сбрасывает лишние выхлопные газы мимо крыльчатки, чтобы не «передуть» мотор на высоких оборотах.
   Яркий, но не самый надежный пример реализации — двигатели Volkswagen 1.4 TSI (EA111) мощностью 140–170 л.с., которые ставились на Golf, Tiguan и другие модели.

Третий вариант последовательного наддува — это связка «электрический компрессор и турбокомпрессор»

Это относительно новая связка, цель которой неизменна: достаточный наддув на всех режимах работы двигателя и отсутствие турбоямы. Но и эта схема не лишена нюансов и недостатков.
Связка электрического компрессора (e-компрессор, eBooster) и классического турбокомпрессора, работающего от выхлопных газов, — это современное решение для полного устранения «турбоямы». Оно позволяет сочетать высокую пиковую мощность большой турбины с мгновенным откликом на педаль газа.

Основная идея
Турбокомпрессору нужно время, чтобы раскрутиться потоком выхлопных газов — отсюда задержка наддува. Электрический компрессор, питающийся от 48-вольтовой бортовой сети, выходит на максимальные обороты за 0,2–0,5 секунды, перекрывая этот провал. Как только основная турбина выходит на рабочий режим, электрокомпрессор отключается или перепускается.

Принципиальная схема работы (последовательная компоновка)
Наиболее распространённая конфигурация — последовательная с перепускным клапаном (байпасом). В этой схеме воздух проходит сначала через e-компрессор, затем через турбокомпрессор. Когда турбина выходит на расчётное давление, открывается байпасный клапан, и воздух идёт в обход электрического компрессора, чтобы тот не создавал ненужного сопротивления.

Фазы работы:

1. Старт / резкое ускорение с низких оборотов (холостой ход – ~1500 об/мин). Выхлопных газов мало, турбина практически не дует. Блок управления подаёт питание на электромотор компрессора. Крыльчатка мгновенно раскручивается до ~70 000 об/мин, давление наддува вырастает почти мгновенно. Дроссель байпаса закрыт, весь воздух идёт через e-компрессор. Водитель чувствует моментальную тягу.
2. Переходный режим (1500–2500 об/мин). Поток выхлопных газов нарастает, турбокомпрессор начинает раскручиваться и создавать собственное давление. Блок управления сравнивает давление до и после агрегатов. Как только турбина способна самостоятельно обеспечивать целевое давление, e-компрессор плавно отключается, одновременно открывается перепускной клапан. Переход происходит незаметно.
3. Высокие обороты / полная нагрузка. Электрический компрессор отключён, байпас открыт. Воздух поступает через свободный обводной канал сразу в компрессорную часть турбокомпрессора. Система работает как классический турбомотор с большой турбиной.
4. Сброс газа. При закрытии дросселя избыток давления стравливается через blow-off клапан. e-компрессор обесточен и либо свободно вращается в потоке (если позволяет конструкция), либо полностью изолирован байпасом.

Альтернативные конфигурации
• Параллельная схема (редкость). e-компрессор установлен на отдельной магистрали и подаёт воздух напрямую во впускной коллектор в обход турбины. Сложнее синхронизация потоков, так как давление от турбины и e-компрессора может конфликтовать.
• Двухступенчатая без байпаса (спортивные системы). Например, на некоторых дизелях Audi SQ7 применялась схема, где электрический компрессор работал последовательно с двумя турбинами, с очень сложной логикой клапанов для поддержания давления в широком диапазоне.
• Электрический турбокомпрессор (e-турбина). Отдельный класс — электромотор встроен прямо в картридж турбины между колёсами компрессора и турбины (например, Mercedes-AMG, Garrett E-Turbo). Он может и помогать раскрутке, и рекуперировать энергию избыточных выхлопных газов, работая генератором. Это уже не связка двух отдельных устройств, а единый узел, о котором я недавно писал.

Преимущества такой связки
• Полное устранение турбоямы. Время отклика двигателя сокращается до уровня мощного атмосферного мотора.
• Возможность применения турбин большого размера под высокое пиковое давление без ущерба для динамики на низах.
• Улучшение экологичности и снижение расхода. Двигатель можно дольше держать на низких оборотах под высокой нагрузкой, не переходя на пониженную передачу.
• Помощь при старте с места и в режиме «старт-стоп».

Нюансы и ограничения
• Требуется мощная, минимум 48-вольтовая бортовая сеть с литий-ионной батареей и DC/DC преобразователем, так как пиковая мощность e-компрессора может достигать 5–7 кВт и более.
• Возможна только интервальная работа, так как e-компрессор не предназначен для длительного непрерывного наддува, иначе перегреется или разрядит батарею. Обычно его непрерывное время работы — несколько секунд, как правило, максимум до 30 секунд.
• Усложнение впускного тракта, дополнительная масса и стоимость.

• Отбор электроэнергии из системы и как следствие снижение КПД.

Примеры реализации
• Audi SQ7 (дизель): первая серийная система с e-компрессором, работавшим последовательно с двумя традиционными турбинами.
• Mercedes-Benz M256 (рядный 6-цилиндровый бензиновый): e-компрессор (eZV) в паре с обычной турбиной, 48-вольтовый Integrated Starter-Generator.
• BorgWarner eBooster: готовый узел, используемый разными автопроизводителями в последовательных схемах с байпасом.

Несмотря на развитие электромобилей и автомобилей с гибридной силовой установкой, системы турбонаддува продолжают развиваться. Как по мне, ни одна из представленных выше схем не является вершиной инженерной мысли в области систем наддува, и произойдет еще немало изменений и усложнений, которые в конечном итоге призваны служить все тем же целям, о которых мы постоянно говорим.

Изношенную сердцевину меняем отдельно — замена картриджа турбины обходится дешевле нового агрегата.

МастерТурбо Москва.

Роман Дмитриев.

msk.turbolider.ru

+7 (916) 933-24-24.

г. Москва ул. Автомоторная 1/3