Twin scroll turbina: opis zasnove, načelo delovanja, prednosti in slabosti

2024 Avtor: Erin Ralphs | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-02-19 18:23

Glavna pomanjkljivost motorjev s turbopolnilnikom v primerjavi z atmosferskimi možnostmi je manjša odzivnost zaradi dejstva, da vrtenje turbine traja določen čas. Z razvojem turbopolnilnikov proizvajalci razvijajo različne načine za izboljšanje njihove odzivnosti, zmogljivosti in učinkovitosti. Najboljša možnost so dvojne vrtljive turbine.

Splošne funkcije

Ta izraz se nanaša na turbopolnilnike z dvojnim dovodom in dvojnim rotorjem turbinskega kolesa. Od nastanka prvih turbin (pred približno 30 leti) so bile razdeljene na možnosti odprtega in ločenega dovoda. Slednji so analogi sodobnih turbopolnilnikov z dvojnim pomikom. Najboljši parametri določajo njihovo uporabo v uglaševanju in motošportu. Poleg tega jih nekateri proizvajalci uporabljajo na serijskih športnih avtomobilih, kot so Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP indrugi

Načelo oblikovanja in delovanja

Twin-scroll turbine se od običajnih turbin razlikujejo po tem, da imajo dvojno turbinsko kolo in vstopni del, razdeljen na dva dela. Rotor je monolitne zasnove, vendar se velikost, oblika in ukrivljenost rezil razlikujejo po premeru. En del je zasnovan za majhno obremenitev, drugi za veliko.

Načelo delovanja twin-scroll turbin temelji na ločenem dovajanju izpušnih plinov pod različnimi koti na turbinsko kolo, odvisno od vrstnega reda delovanja valjev.

Možnosti oblikovanja in delovanje dvojne scroll turbine so podrobneje obravnavane spodaj.

Izpušni kolektor

Zasnova izpušnega kolektorja je pri turbopolnilnikih z dvojnim vrtenjem primarnega pomena. Temelji na konceptu sklopke cilindrov dirkalnih razdelilnikov in je določen s številom valjev in njihovim vrstnim redom vžiga. Skoraj vsi 4-valjni motorji delujejo v vrstnem redu 1-3-4-2. V tem primeru en kanal združuje valje 1 in 4, drugi - 2 in 3. Pri večini 6-valjnih motorjev se izpušni plini dovajajo ločeno od 1, 3, 5 in 2, 4, 6 valjev. Kot izjemi je treba omeniti RB26 in 2JZ. Delujejo po vrstnem redu 1-5-3-6-2-4.

Posledično so pri teh motorjih 1, 2, 3 valji spojeni za en rotor, 4, 5, 6 za drugi (turbinski pogoni so organizirani v zalogi v enakem vrstnem redu). Tako imenovanomotorje odlikuje poenostavljena zasnova izpušnega kolektorja, ki združuje prve tri in zadnje tri cilindre v dva kanala.

Poleg povezovanja cilindrov v določenem vrstnem redu so zelo pomembne druge lastnosti razdelilnika. Najprej morata imeti oba kanala enako dolžino in enako število zavojev. To je posledica potrebe po zagotavljanju enakega tlaka dovedenih izpušnih plinov. Poleg tega je pomembno, da se prirobnica turbine na razdelilniku ujema z obliko in dimenzijami njenega vstopa. Končno, da se zagotovi najboljša zmogljivost, mora biti zasnova razdelilnika tesno usklajena z A/R turbine.

Potreba po uporabi izpušnega kolektorja ustrezne izvedbe za turbine z dvojnim pomikom je določena z dejstvom, da bo v primeru uporabe običajnega kolektorja tak turbopolnilnik deloval kot enosmerni. Enako bo opaženo pri kombiniranju turbine z enim pomikom z dvojno-scroll razdelilnikom.

Impulzivna interakcija valjev

Ena od bistvenih prednosti dvojnih scroll turbopolnilnikov, ki določajo njihove prednosti pred enoslojnimi, je znatno zmanjšanje ali odprava medsebojnega vpliva jeklenk z impulzi izpušnih plinov.

Znano je, da se mora ročična gred zavrteti za 720 °, da vsak valj preide vse štiri takte. To velja tako za 4- in 12-valjne motorje. Vendar, če, ko se ročična gred zavrti za 720 ° na prvih valjih, zaključijo en cikel, nato na12-valjni - vsi cikli. Tako se s povečanjem števila valjev zmanjša količina vrtenja ročične gredi med enakimi gibi za vsak valj. Torej, pri 4-valjnih motorjih se močni gib pojavi vsakih 180 ° v različnih valjih. To velja tudi za sesalne, kompresijske in izpušne gibe. Pri 6-valjnih motorjih se v 2 vrtljajih ročične gredi zgodi več dogodkov, tako da so enaki hodi med valji 120 ° narazen. Za 8-valjne motorje je interval 90 °, za 12-valjne motorje - 60 °.

Znano je, da imajo lahko odmične gredi fazo od 256 do 312° ali več. Za primer lahko vzamemo motor z 280° fazami na vstopu in izstopu. Pri sproščanju izpušnih plinov na takšnem 4-valjnem motorju bodo vsakih 180 ° izpušni ventili cilindra odprti za 100 °. To je potrebno za dvig bata od spodnje do zgornje mrtve točke med izpuhom za ta cilinder. Z vrstnim redom vžiga 1-3-2-4 za tretji valj se bodo izpušni ventili začeli odpirati na koncu giba bata. V tem času se bo v prvem valju začel sesalni gib, izpušni ventili pa se bodo začeli zapirati. Med prvih 50° odpiranja izpušnih ventilov tretjega cilindra se odprejo izpušni ventili prvega cilindra, odpirati pa se bodo začeli tudi njegovi sesalni ventili. Tako se ventili prekrivajo med cilindri.

Po odstranitvi izpušnih plinov iz prvega cilindra se izpušni ventili zaprejo in sesalni ventili se začnejo odpirati. Hkrati se odprejo izpušni ventili tretjega valja, ki sproščajo visokoenergijske izpušne pline. Pomemben deležnjihov tlak in energija se porabi za pogon turbine, manjši del pa išče pot najmanjšega upora. Zaradi nižjega tlaka zapiralnih izpušnih ventilov prvega cilindra v primerjavi z integriranim dovodom turbine se del izpušnih plinov tretjega valja pošlje v prvi.

Zaradi dejstva, da se sesalni hod začne v prvem cilindru, se sesalni naboj razredči z izpušnimi plini in izgubi moč. Končno se ventili prvega cilindra zaprejo in bat tretjega se dvigne. Pri slednjem se izvede sprostitev in situacija, ki se obravnava za cilinder 1, se ponovi, ko se odprejo izpušni ventili drugega cilindra. Tako pride do zmede. Ta težava je še bolj izrazita pri 6- in 8-valjnih motorjih z intervali izpušnih gibov med cilindri 120 oziroma 90 °. V teh primerih pride do še daljšega prekrivanja izpušnih ventilov obeh valjev.

Zaradi nemožnosti spreminjanja števila valjev je ta problem mogoče rešiti s povečanjem intervala med podobnimi cikli s turbopolnilnikom. V primeru uporabe dveh turbin na 6- in 8-valjnih motorjih je mogoče cilindre kombinirati za pogon vsakega od njih. V tem primeru se bodo intervali med podobnimi dogodki izpušnega ventila podvojili. Na primer, za RB26 lahko kombinirate cilindre 1-3 za sprednjo turbino in 4-6 za zadnjo. To odpravlja zaporedno delovanje cilindrov za eno turbino. Zato je interval med dogodki izpušnega ventila zavalji enega turbopolnilnika se poveča s 120 na 240°.

Zaradi dejstva, da ima twin scroll turbina ločen izpušni kolektor, je v tem smislu podobna sistemu z dvema turbopolnilnikoma. Torej, 4-valjni motorji z dvema turbinama ali turbopolnilnikom z dvojnim vrtenjem imajo interval 360 ° med dogodki. 8-valjni motorji s podobnimi sistemi povečanja imajo enak razmik. Zelo dolgo obdobje, ki presega trajanje dviga ventilov, izključuje njihovo prekrivanje za valje ene turbine.

Na ta način motor potegne več zraka in izvleče preostale izpušne pline pri nizkem tlaku, s čimer napolni valje z gostejšim in čistejšim polnjenjem, kar povzroči intenzivnejše izgorevanje, kar izboljša zmogljivost. Poleg tega večja volumetrična učinkovitost in boljše čiščenje omogočata uporabo večje zakasnitve vžiga za vzdrževanje najvišje temperature cilindra. Zahvaljujoč temu je izkoristek turbin z dvojnim pomikom 7-8 % višji v primerjavi z enosmernimi turbinami s 5 % boljšim izkoristkom goriva.

Twin-scroll turbopolnilniki imajo višji povprečni tlak v cilindru in učinkovitost, vendar nižji najvišji tlak v cilindru in izstopni protitlak v primerjavi z enosmernimi turbopolnilniki, glede na Full-Race. Sistemi z dvojnim pomikanjem imajo večji protitlak pri nizkih vrtljajih (spodbujanje povečanja) in manjši pri visokih vrtljajih (izboljšanje zmogljivosti). Končno je motor s takšnim sistemom povečanja manj občutljiv na negativne učinke široke fazeodmične gredi.

Uspešnost

Zgoraj so bila teoretična stališča o delovanju turbin z dvojnim pomikom. Kaj to daje v praksi, ugotavljamo z meritvami. Takšen test v primerjavi z enosmerno različico je revija DSPORT izvedla na projektu KA 240SX. Njegov KA24DET razvije do 700 KM. Z. na kolesih na E85. Motor je opremljen s prilagojenim izpušnim kolektorjem Wisecraft Fabrication in turbopolnilnikom Garrett GTX. Med testi je bilo menjano le ohišje turbine pri enaki vrednosti A/R. Poleg sprememb moči in navora so preizkuševalci merili odzivnost z merjenjem časa za dosego določenih vrtljajev in dvig tlaka v tretji prestavi pod podobnimi pogoji zagona.

Rezultati so pokazali najboljšo zmogljivost turbine z dvojnim pomikom v celotnem območju vrtljajev. Največjo premoč pri moči je pokazal v območju od 3500 do 6000 vrt/min. Najboljši rezultati so posledica višjega tlaka polnjenja pri enakih vrtljajih. Poleg tega je večji pritisk zagotovil povečanje navora, primerljivo z učinkom povečanja prostornine motorja. Prav tako je najbolj izrazit pri srednjih hitrostih. Pri pospešku od 45 do 80 m / h (3100-5600 vrt./min) je dvoslojna turbina za 0,49 s presegla enosmerno turbino (2,93 proti 3,42), kar bo dalo razliko treh teles. To pomeni, da ko avto s turbopolnilnikom s signalnim pomikanjem doseže 80 mph, bo različica z dvojnim pomikanjem potovala 3 dolžine avtomobila naprej pri 95 mph. V razponu hitrosti 60-100 m/h (4200-7000 vrt./min) je premoč turbine z dvojnim pomikomizkazalo za manj pomembno in je znašalo 0,23 s (1,75 proti 1,98 s) in 5 m/h (105 proti 100 m/h). Po hitrosti doseganja določenega tlaka je twin-scroll turbopolnilnik pred enoslojnim turbopolnilnikom za približno 0,6 s. Torej je pri 30 psi razlika 400 vrt/min (5500 proti 5100 vrt/min).

Še eno primerjavo je naredil Full Race Motorsports na 2,3-litrskem motorju Ford EcoBoost s turbo BorgWarner EFR. V tem primeru smo z računalniško simulacijo primerjali pretok izpušnih plinov v vsakem kanalu. Pri turbini z dvojnim scrollom je bil razpon te vrednosti do 4 %, pri turbini z enim scrollom pa 15 %. Boljše ujemanje hitrosti pretoka pomeni manjše izgube pri mešanju in več impulzne energije za turbopolnilnike z dvojnim vrtenjem.

Prednosti in slabosti

Twin scroll turbine ponujajo številne prednosti pred turbinami z enim pomikom. Ti vključujejo:

• povečana zmogljivost v celotnem območju vrtljajev;
• boljša odzivnost;
• manj izgube pri mešanju;
• povečana impulzna energija na turbinsko kolo;
• boljša povečana učinkovitost;
• več navora na dnu, podoben sistemu twin-turbo;
• zmanjšanje oslabitve sesalne polnitve, ko se ventili prekrivajo med cilindri;
• nižja temperatura izpušnih plinov;
• zmanjšajte impulzne izgube motorja;
• zmanjšajte porabo goriva.

Glavna pomanjkljivost je velika zapletenost zasnove, ki povzroča povečanocena. Poleg tega vam pri visokem tlaku pri visokih hitrostih ločitev pretoka plina ne bo omogočila enake največje zmogljivosti kot pri turbini z enim pomikom.

Strukturno so turbine z dvojnim pomikom analogne sistemom z dvema turbopolnilnikoma (bi-turbo in twin-turbo). V primerjavi z njimi imajo takšne turbine, nasprotno, prednosti pri stroških in preprostosti zasnove. Nekateri proizvajalci to izkoriščajo, na primer BMW, ki je zamenjal sistem z dvojnim turbo na modelu N54B30 serije 1 M Coupe z dvojnim turbopolnilnikom na modelu N55B30 M2.

Opozoriti je treba, da obstajajo še bolj tehnično napredne možnosti za turbine, ki predstavljajo najvišjo stopnjo njihovega razvoja - turbopolnilniki s spremenljivo geometrijo. Na splošno imajo pred običajnimi turbinami enake prednosti kot twin-scroll, vendar v večji meri. Vendar imajo takšni turbopolnilniki veliko bolj zapleteno zasnovo. Poleg tega jih je težko nastaviti na motorje, ki prvotno niso bili zasnovani za takšne sisteme, ker jih krmili krmilna enota motorja. Končno, glavni dejavnik, ki povzroča izjemno slabo uporabo teh turbin pri bencinskih motorjih, je zelo visoka cena modelov za takšne motorje. Zato so tako v množični proizvodnji kot pri uglaševanju izjemno redki, vendar se pogosto uporabljajo pri dizelskih motorjih gospodarskih vozil.

Na sejmu SEMA 2015 je BorgWarner predstavil dizajn, ki združuje tehnologijo dvojnega pomika s spremenljivo geometrijo, turbino s spremenljivo geometrijo Twin Scroll. V njejv dvojnem dovodnem delu je nameščena loputa, ki glede na obremenitev porazdeli tok med rotorje. Pri nizkih vrtljajih gredo vsi izpušni plini v majhen del rotorja, velik del pa je blokiran, kar zagotavlja še hitrejše vrtenje kot običajna turbina z dvojnim vrtenjem. Ko se obremenitev poveča, se loputa postopoma premakne v srednji položaj in enakomerno porazdeli tok pri visokih hitrostih, kot pri standardni izvedbi z dvojnim pomikom. Tako ta tehnologija, tako kot tehnologija spremenljive geometrije, zagotavlja spremembo razmerja A / R glede na obremenitev, prilagaja turbino načinu delovanja motorja, kar širi območje delovanja. Hkrati je glede na to, da je zasnova veliko enostavnejša in cenejša, saj se tukaj uporablja samo en premikajoči se element, ki deluje po preprostem algoritmu, uporaba toplotno odpornih materialov pa ni potrebna. Treba je opozoriti, da so se podobne rešitve že srečale (na primer hitri kolutni ventil), vendar iz nekega razloga ta tehnologija ni pridobila popularnosti.

Prijava

Kot že omenjeno, se turbine z dvojnim pomikom pogosto uporabljajo na množično proizvedenih športnih avtomobilih. Vendar je pri uglaševanju njihova uporaba na številnih motorjih s sistemi z enim pomikom ovirana zaradi omejenega prostora. To je predvsem posledica zasnove kolektorja: pri enakih dolžinah je treba ohraniti sprejemljive radialne upogibe in značilnosti pretoka. Poleg tega se postavlja vprašanje optimalne dolžine in upogiba, pa tudi materiala in debeline stene. Po mnenju Full-Race, zaradi večje učinkovitostitwin-scroll turbine, je možno uporabiti kanale manjšega premera. Zaradi kompleksne oblike in dvojnega dovoda pa je tak kolektor zaradi večjega števila delov vsekakor večji, težji in bolj zapleten kot običajno. Zato se morda ne prilega na standardno mesto, zaradi česar bo treba zamenjati ohišje motorja. Poleg tega so same turbine z dvojnim pomikom večje od podobnih turbine z enim pomikom. Poleg tega boste potrebovali še druge lovilnike in oljne lovilnike. Poleg tega se namesto Y-cevi uporabljata dva odvodna vrata (ena na propeler) za boljšo zmogljivost z zunanjimi odvodnimi vrati za sisteme z dvojnim pomikom.

V vsakem primeru je mogoče na VAZ namestiti turbino z dvema vrtenjem in jo zamenjati s Porschejevim enosmernim turbopolnilnikom. Razlika je v stroških in obsegu dela pri pripravi motorja: če je pri serijskih turbo motorjih, če je prostora, običajno dovolj zamenjati izpušni kolektor in nekatere druge dele ter opraviti prilagoditve, potem atmosferski motorji zahtevajo veliko več. resen poseg za turbopolnilnik. Vendar pa je v drugem primeru razlika v zahtevnosti namestitve (vendar ne v stroških) med sistemi z dvojnim in enosmernim pomikom nepomembna.

Sklepi

Twin-scroll turbine zagotavljajo boljšo zmogljivost, odzivnost in učinkovitost kot turbine z enim pomikom z razdelitvijo izpušnih plinov na kolo z dvojno turbino in odpravo motenj v cilindrih. Vendargradnja takega sistema je lahko zelo draga. Na splošno je to najboljša rešitev za povečanje odzivnosti brez žrtvovanja največje zmogljivosti za turbo motorje.