Twin scroll turbina: opis dizajna, princip rada, prednosti i nedostaci

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-02-19 16:11

Glavni nedostatak motora s turbopunjačem u usporedbi s atmosferskim opcijama je manja odzivnost, zbog činjenice da okretanje turbine traje određeno vrijeme. S razvojem turbopunjača, proizvođači razvijaju različite načine za poboljšanje njihove odzivnosti, performansi i učinkovitosti. Dvostruke turbine su najbolja opcija.

Opće značajke

Ovaj izraz se odnosi na turbo punjače s dvostrukim ulazom i dvostrukim rotorom turbinskog kotača. Od pojave prvih turbina (prije 30-ak godina) diferencirane su na otvorene i odvojene usisne opcije. Potonji su analozi modernih twin-scroll turbopunjača. Najbolji parametri određuju njihovu upotrebu u tuningu i motosportu. Osim toga, neki ih proizvođači koriste na serijskim sportskim automobilima kao što su Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP iostali

Princip dizajna i rada

Twin-scroll turbine razlikuju se od konvencionalnih turbina po tome što imaju dvostruki turbinski kotač i ulazni dio podijeljen na dva dijela. Rotor je monolitnog dizajna, ali veličina, oblik i zakrivljenost lopatica variraju duž promjera. Jedan dio je dizajniran za mali teret, drugi za veliki.

Princip rada twin-scroll turbina temelji se na odvojenom dovodu ispušnih plinova pod različitim kutovima prema turbinskom kotaču, ovisno o redoslijedu rada cilindara.

Obilježja dizajna i način rada twin scroll turbine detaljnije se razmatraju u nastavku.

Ispušni razvodnik

Dizajn ispušne grane je od primarne važnosti za twin-scroll turbo punjače. Temelji se na konceptu spajanja cilindara trkaćih razdjelnika i određen je brojem cilindara i njihovim redoslijedom paljenja. Gotovo svi 4-cilindrični motori rade u redoslijedu 1-3-4-2. U ovom slučaju, jedan kanal kombinira cilindre 1 i 4, drugi - 2 i 3. Na većini 6-cilindarskih motora ispušni plinovi se isporučuju odvojeno od 1, 3, 5 i 2, 4, 6 cilindara. Kao iznimke treba istaknuti RB26 i 2JZ. Rade redom 1-5-3-6-2-4.

Slijedom toga, za ove motore, 1, 2, 3 cilindra su spojeni za jedan impeler, 4, 5, 6 za drugi (turbinski pogoni su organizirani u skladištu istim redoslijedom). Ovako nazvanmotore odlikuje pojednostavljen dizajn ispušnog razvodnika, koji kombinira prva tri i posljednja tri cilindra u dva kanala.

Osim povezivanja cilindara određenim redoslijedom, vrlo su važne i druge značajke razdjelnika. Prije svega, oba kanala moraju imati istu duljinu i isti broj zavoja. To je zbog potrebe da se osigura isti tlak dovedenih ispušnih plinova. Osim toga, važno je da prirubnica turbine na razdjelniku odgovara obliku i dimenzijama njenog ulaza. Konačno, kako bi se osigurale najbolje performanse, dizajn razdjelnika mora biti usko usklađen s A/R turbine.

Potreba za korištenjem ispušnog razvodnika odgovarajuće izvedbe za turbine s dvostrukim scrollom određena je činjenicom da će u slučaju korištenja konvencionalnog razdjelnika takav turbopunjač raditi kao jednosmjerni. Isto će se primijetiti kada se kombinira turbina s jednim scrollom s razdjelnikom s dvostrukim scrollom.

Impulzivna interakcija cilindara

Jedna od značajnih prednosti twin-scroll turbopunjača, koje određuju njihove prednosti u odnosu na one s jednostrukim, je značajno smanjenje ili eliminiranje međusobnog utjecaja cilindara impulsima ispušnih plinova.

Poznato je da se radilica mora okretati za 720° da bi svaki cilindar prošao sva četiri takta. To vrijedi i za 4- i 12-cilindrične motore. Međutim, ako, kada se radilica zakrene za 720 ° na prvim cilindrima, završe jedan ciklus, onda na12-cilindar - svi ciklusi. Dakle, povećanjem broja cilindara smanjuje se količina rotacije radilice između istih taktova za svaki cilindar. Dakle, na 4-cilindričnim motorima, radni hod se događa svakih 180 ° u različitim cilindrima. To vrijedi i za usis, kompresiju i ispuh. Na 6-cilindarskim motorima više se događaja događa u 2 okretaja radilice, tako da su isti hodovi između cilindara međusobno udaljeni 120 °. Za 8-cilindarske motore, interval je 90°, za 12-cilindrične motore - 60°.

Poznato je da bregaste osovine mogu imati fazu od 256 do 312° ili više. Na primjer, možemo uzeti motor s fazama od 280° na ulazu i izlazu. Prilikom ispuštanja ispušnih plinova na takvom 4-cilindričnom motoru, svakih 180 °, ispušni ventili cilindra bit će otvoreni za 100 °. To je potrebno za podizanje klipa od donje do gornje mrtve točke tijekom ispuha za taj cilindar. S redoslijedom paljenja 1-3-2-4 za treći cilindar, ispušni ventili će se početi otvarati na kraju hoda klipa. U tom trenutku u prvom cilindru počinje usisni hod, a ispušni ventili će se početi zatvarati. Tijekom prvih 50° otvaranja ispušnih ventila trećeg cilindra, otvorit će se ispušni ventili prvog cilindra, a počet će se otvarati i njegovi usisni ventili. Dakle, ventili se preklapaju između cilindara.

Nakon uklanjanja ispušnih plinova iz prvog cilindra, ispušni ventili se zatvaraju, a usisni se počinju otvarati. Istodobno se otvaraju ispušni ventili trećeg cilindra, ispuštajući visokoenergetske ispušne plinove. Značajan udionjihov tlak i energija koriste se za pogon turbine, a manji dio traži put najmanjeg otpora. Zbog nižeg tlaka zatvaranja ispušnih ventila prvog cilindra u odnosu na integralni ulaz turbine, dio ispušnih plinova trećeg cilindra šalje se u prvi.

Zbog činjenice da usisni hod počinje u prvom cilindru, usisno punjenje se razrjeđuje ispušnim plinovima, gubi snagu. Konačno se ventili prvog cilindra zatvaraju i klip trećeg se diže. Za potonje se provodi otpuštanje, a situacija razmatrana za cilindar 1 se ponavlja kada se otvore ispušni ventili drugog cilindra. Dakle, dolazi do zabune. Ovaj problem je još izraženiji kod 6- i 8-cilindarskih motora s intervalima ispušnog takta između cilindara od 120, odnosno 90°. U tim slučajevima dolazi do još dužeg preklapanja ispušnih ventila dvaju cilindara.

Zbog nemogućnosti promjene broja cilindara, ovaj problem se može riješiti povećanjem intervala između sličnih ciklusa korištenjem turbo punjača. U slučaju korištenja dvije turbine na 6- i 8-cilindarskim motorima, cilindri se mogu kombinirati za pogon svake od njih. U tom slučaju, intervali između sličnih događaja ispušnog ventila će se udvostručiti. Na primjer, za RB26 možete kombinirati cilindre 1-3 za prednju turbinu i 4-6 za stražnju. Time se eliminira uzastopni rad cilindara za jednu turbinu. Stoga je interval između događaja ispušnog ventila zacilindara jednog turbopunjača povećava se sa 120 na 240°.

Zbog činjenice da twin scroll turbina ima zaseban ispušni razvodnik, u tom smislu je sličan sustavu s dva turbopunjača. Dakle, 4-cilindrični motori s dvije turbine ili twin-scroll turbopunjač imaju interval od 360 ° između događaja. 8-cilindarski motori sa sličnim sustavima pojačanja imaju isti razmak. Vrlo dugo razdoblje, koje prelazi trajanje podizanja ventila, isključuje njihovo preklapanje za cilindre jedne turbine.

Na ovaj način motor uvlači više zraka i izvlači preostale ispušne plinove pod niskim tlakom, puneći cilindre gušćim i čišćim punjenjem, što rezultira intenzivnijim izgaranjem, što poboljšava performanse. Osim toga, veća volumetrijska učinkovitost i bolje čišćenje omogućuju korištenje većeg kašnjenja paljenja za održavanje vršne temperature cilindra. Zahvaljujući tome, učinkovitost turbina s dvostrukim scrollom je 7-8% veća u usporedbi s turbinama s jednim scrollom uz 5% bolju učinkovitost goriva.

Twin-scroll turbopunjači imaju veći prosječni tlak u cilindru i učinkovitost, ali niži vršni tlak u cilindru i izlazni protutlak, u usporedbi s turbopunjačima s jednim pomicanjem, prema Full-Race. Twin-scroll sustavi imaju veći protutlak pri niskim okretajima (promičući pojačanje) i manji pri visokim okretajima (poboljšanje performansi). Konačno, motor s takvim sustavom pojačanja manje je osjetljiv na negativne učinke široke fazebregaste osovine.

Izvedba

Iznad su bile teoretske pozicije funkcioniranja turbina s dva spirala. Što to daje u praksi utvrđuje se mjerenjima. Takav test u usporedbi s verzijom s jednim pomicanjem proveo je časopis DSPORT na projektu KA 240SX. Njegov KA24DET razvija do 700 KS. S. na kotačima na E85. Motor je opremljen ispušnim razvodnikom Wisecraft Fabrication po mjeri i Garrett GTX turbo punjačem. Tijekom ispitivanja samo je kućište turbine promijenjeno na istoj A/R vrijednosti. Uz promjene snage i zakretnog momenta, testeri su mjerili odziv mjerenjem vremena za postizanje određenog broja okretaja u minuti i povećanje tlaka u trećem stupnju prijenosa pod sličnim uvjetima pokretanja.

Rezultati su pokazali najbolje performanse twin-scroll turbine u cijelom rasponu okretaja. Najveću nadmoć u snazi pokazao je u rasponu od 3500 do 6000 o/min. Najbolji rezultati su zbog većeg tlaka prednabijanja pri istom broju okretaja. Osim toga, veći pritisak omogućio je povećanje okretnog momenta, usporedivo s učinkom povećanja volumena motora. Također je najizraženiji pri srednjim brzinama. U ubrzanju od 45 do 80 m / h (3100-5600 o/min), twin-scroll turbina je nadmašila jednosmjernu za 0,49 s (2,93 vs. 3,42), što će dati razliku od tri tijela. Odnosno, kada automobil sa turbo punjačem sa signalnim pomicanjem dosegne 80 mph, twin-scroll varijanta će putovati 3 duljine automobila naprijed pri 95 mph. U rasponu brzina od 60-100 m/h (4200-7000 o/min), superiornost twin-scroll turbinepokazalo se manje značajno i iznosilo je 0,23 s (1,75 naspram 1,98 s) i 5 m/h (105 naspram 100 m/h). Po brzini postizanja određenog tlaka, twin-scroll turbopunjač je ispred jednoscroll turbopunjača za oko 0,6 s. Dakle, pri 30 psi razlika je 400 o/min (5500 vs 5100 o/min).

Još jednu usporedbu napravio je Full Race Motorsports na 2.3L Ford EcoBoost motoru s BorgWarner EFR turbom. U ovom slučaju, brzina protoka ispušnih plinova u svakom kanalu uspoređena je računalnom simulacijom. Za twin-scroll turbinu raspon ove vrijednosti iznosio je do 4%, dok je za turbinu s jednim scrollom iznosio 15%. Bolje usklađivanje brzine protoka znači manji gubitak pri miješanju i više impulsne energije za turbo punjače s dvostrukim pomicanjem.

Za i protiv

Twin scroll turbine nude mnoge prednosti u odnosu na single scroll turbine. To uključuje:

• povećana izvedba u cijelom rasponu okretaja;
• bolja odzivnost;
• manji gubitak miješanja;
• povećana impulsna energija turbinskog kotača;
• bolje povećanje učinkovitosti;
• više zakretnog momenta na donjem kraju sličnog twin-turbo sustavu;
• smanjenje slabljenja usisnog punjenja kada se ventili preklapaju između cilindara;
• niža temperatura ispušnih plinova;
• smanjite gubitke impulsa motora;
• smanjite potrošnju goriva.

Glavni nedostatak je velika složenost dizajna, što uzrokuje povećanjecijena. Osim toga, pri visokom tlaku pri velikim brzinama, odvajanje protoka plina neće vam omogućiti da postignete isti vršni učinak kao na turbini s jednim scrollom.

Strukturno, twin-scroll turbine su analogne sustavima s dva turbo punjača (bi-turbo i twin-turbo). U usporedbi s njima, takve turbine, naprotiv, imaju prednosti u cijeni i jednostavnosti dizajna. Neki proizvođači to iskorištavaju, kao što je BMW, koji je zamijenio twin-turbo sustav na modelu N54B30 1-Series M Coupe s turbo punjačem s dvostrukim pomicanjem na modelu N55B30 M2.

Treba napomenuti da postoje još tehnički naprednije opcije za turbine, koje predstavljaju najviši stupanj njihovog razvoja - turbopunjači s promjenjivom geometrijom. Općenito, imaju iste prednosti u odnosu na konvencionalne turbine kao i twin-scroll, ali u većoj mjeri. Međutim, takvi turbo punjači imaju mnogo složeniji dizajn. Osim toga, teško ih je postaviti na motore koji nisu izvorno dizajnirani za takve sustave zbog činjenice da njima upravlja upravljačka jedinica motora. Konačno, glavni čimbenik koji uzrokuje iznimno lošu upotrebu ovih turbina na benzinskim motorima je vrlo visoka cijena modela za takve motore. Stoga su, kako u masovnoj proizvodnji tako i u tuningu, iznimno rijetki, ali se široko koriste na dizel motorima gospodarskih vozila.

Na SEMA 2015, BorgWarner je predstavio dizajn koji kombinira tehnologiju dvostrukog pomicanja s dizajnom promjenjive geometrije, turbinu s promjenjivom geometrijom Twin Scroll. U njoju dvostruki ulazni dio ugrađena je zaklopka koja, ovisno o opterećenju, raspoređuje protok između rotora. Pri malim brzinama svi ispušni plinovi idu u mali dio rotora, a veliki dio je blokiran, što omogućuje još brže okretanje od konvencionalne twin-scroll turbine. Kako opterećenje raste, klapna se postupno pomiče u srednji položaj i ravnomjerno raspoređuje protok pri velikim brzinama, kao u standardnom dizajnu s dvostrukim pomicanjem. Dakle, ova tehnologija, kao i tehnologija varijabilne geometrije, omogućuje promjenu omjera A/R ovisno o opterećenju, prilagođavajući turbinu načinu rada motora, čime se proširuje radni raspon. Istodobno, s obzirom da je dizajn mnogo jednostavniji i jeftiniji, jer se ovdje koristi samo jedan pokretni element, koji radi prema jednostavnom algoritmu, a upotreba materijala otpornih na toplinu nije potrebna. Valja napomenuti da su se slična rješenja već susrela (na primjer, brzi zavojni ventil), ali iz nekog razloga ova tehnologija nije stekla popularnost.

Prijava

Kao što je gore navedeno, twin-scroll turbine se često koriste na masovno proizvedenim sportskim automobilima. Međutim, prilikom ugađanja, njihova je upotreba na mnogim motorima s single-scroll sustavima otežana ograničenim prostorom. To je prvenstveno zbog dizajna kolektora: pri jednakim duljinama moraju se održavati prihvatljivi radijalni zavoji i karakteristike protoka. Osim toga, postavlja se pitanje optimalne duljine i zavoja, kao i materijala i debljine stijenke. Prema Full-Raceu, zbog veće učinkovitostitwin-scroll turbine, moguće je koristiti kanale manjeg promjera. Međutim, zbog složenog oblika i dvostrukog ulaza takav je kolektor u svakom slučaju veći, teži i kompliciraniji nego inače zbog većeg broja dijelova. Stoga možda neće stati na standardno mjesto, zbog čega će biti potrebno promijeniti kućište radilice. Osim toga, same turbine s dva scrolla veće su od sličnih turbine s jednim scrollom. Osim toga, bit će potrebna i druga zamka za nanošenje i ulje. Osim toga, dva otpadna vrata (jedan po impeleru) koriste se umjesto Y-cijevi za bolje performanse s vanjskim otpadnim vratima za sustave s dvostrukim pomicanjem.

U svakom slučaju, na VAZ je moguće ugraditi twin-scroll turbinu, te je zamijeniti Porsche turbopunjačem s jednim scrollom. Razlika je u cijeni i obimu radova na pripremi motora: ako je na serijskim turbo motorima, ako ima mjesta, obično je dovoljno zamijeniti ispušni razvodnik i neke druge dijelove te izvršiti podešavanja, onda atmosferski motori zahtijevaju puno više ozbiljna intervencija za turbo punjenje. Međutim, u drugom slučaju, razlika u složenosti instalacije (ali ne i u cijeni) između sustava s dvostrukim i jednim pomicanjem je beznačajna.

Zaključci

Twin-scroll turbine pružaju bolje performanse, odziv i učinkovitost od turbina s jednim scrollom dijeleći ispušne plinove na dvostruki turbinski kotač i eliminirajući smetnje cilindra. Međutimizgradnja takvog sustava može biti vrlo skupa. Sve u svemu, ovo je najbolje rješenje za povećanje odziva bez žrtvovanja maksimalnih performansi za turbo motore.