Twin-scroll turbína: popis konštrukcie, princíp činnosti, výhody a nevýhody

Hlavná nevýhoda preplňovaných motorov v porovnaní s atmosférickými variantmi je menšia odozva v dôsledku skutočnosti, že turbína trvá určitý čas, kým sa roztočí. S vývojom turbodúchadiel sa výrobcovia vyvíjajú rôzne spôsoby zvýšiť ich odozvu, výkon a efektivitu. Najoptimálnejšou možnosťou je Twin scroll turbíny.

Všeobecné vlastnosti

Týmto pojmom sa rozumejú turbodúchadlá s dvojitou vstupnou časťou a dvojitým obežným kolesom turbínového kolesa. Od objavenia sa prvých turbín (asi pred 30 rokmi) boli rozlíšené na varianty s otvoreným a samostatným príjmom. Posledne menované sú analógmi moderných turbodúchadiel s dvojitým posúvaním. Najlepšie parametre určujú ich aplikáciu v tuningu a motoristickom športe. Niektorí výrobcovia ich navyše používajú na sériových športových automobiloch, ako sú Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP atď.

Návrh a princíp činnosti

Turbíny s dvojitým zvitkom sa líšia od bežných turbín dvojitým turbínovým kolesom a vstupnou časťou rozdelenou na dve časti. Rotor má monolitickú štruktúru, ale veľkosť, tvar a ohyb lopatiek sa líšia v priemere. Jedna časť je určená pre malé zaťaženie, druhá pre veľké.

Princíp činnosti turbín s dvojitým zvitkom je založený na samostatnom prívode výfukových plynov v rôznych uhloch k turbínovému kolesu v závislosti od poradia činnosti valcov.

Ďalej sa podrobnejšie uvažuje o konštrukčných vlastnostiach a o tom, ako funguje turbína twin scroll.

Výfukové potrubie

Hlavným významom pre turbodúchadlá s dvojitým posúvaním je konštrukcia výfukového potrubia. Je založená na koncepcii spojenia valcov pretekárskych potrubí a je určená počtom valcov a poradím ich prevádzky. Takmer všetky 4-valcové motory fungujú v poradí 1-3-4-2. V tomto prípade jeden kanál kombinuje 1 a 4 valce, druhý – 2 a 3. U väčšiny 6-valcových motorov sa výfukové plyny dodávajú oddelene od 1, 3, 5 a 2, 4, 6 valcov. Rb26 a 2JZ by sa mali uviesť ako výnimky. Pracujú v poradí 1-5-3-6-2-4.

V dôsledku toho sú pre tieto motory spojené 1, 2, 3 valce pre jedno obežné koleso, 4, 5, 6 – pre druhé (v odtoku je pohon turbíny usporiadaný v rovnakom poradí). Tieto motory sa teda vyznačujú zjednodušenou konštrukciou výfukového potrubia, ktorá kombinuje prvé tri a posledné tri valce do dvoch kanálov.

Okrem pripojenia valcov v určitom poradí sú veľmi dôležité aj ďalšie vlastnosti kolektora. Po prvé, oba kanály by mali mať rovnakú dĺžku a rovnaký počet ohybov. Je to spôsobené potrebou zabezpečiť rovnaký tlak dodávaných výfukových plynov. Okrem toho je dôležité prispôsobiť prírubu turbíny na kolektore podľa tvar a veľkosť od jeho vstupu. Nakoniec, aby sa zabezpečil najlepší výkon, je potrebné presne prispôsobiť konštrukciu kolektora hodnote A / R turbíny.

Potreba použitia výfukového potrubia vhodnej konštrukcie pre turbíny s dvojitým zvitkom je určená skutočnosťou, že v prípade použitia konvenčného kolektora bude takéto turbodúchadlo fungovať ako jedno zvitok. To isté sa bude pozorovať pri kombinácii turbíny singlescroll s kolektorom pre twinscroll.

Impulzná interakcia valcov

Jednou z významných výhod Twin-scroll turbodúchadiel, ktoré určujú ich výhody oproti single-scroll turbodúchadlám, je výrazné zníženie alebo eliminácia vzájomného vplyvu valcov impulzmi výfukových plynov.

Je známe, že na to, aby každý valec prešiel všetkými štyrmi cyklami, musí sa kľukový hriadeľ otáčať o 720 °. To platí pre 4-aj 12-valcové motory. Ak sa však pri otáčaní kľukového hriadeľa o 720 ° na prvých valcoch dokončí jeden zdvih, potom na 12 – valci-všetky zdvihy. S nárastom počtu valcov sa teda množstvo otáčania kľukového hriadeľa medzi rovnakými cyklami pre každý valec znižuje. Takže na 4-valcových motoroch sa pracovný zdvih vyskytuje každých 180 ° v rôznych valcoch. To platí aj pre cykly nasávania, kompresie a výfukových plynov. Na 6-valcových motoroch sa vyskytuje viac udalostí v 2 otáčkach kľukového hriadeľa, takže rovnaké cykly medzi valcami sú oddelené 120 °. Pre 8-valcové motory je interval 90°, pre 12-valcové motory-60°.

Je známe, že vačkové hriadele môžu mať fázu od 256 do 312° alebo viac. Môžete napríklad vziať motor s 280° fázami na vstupe a výstupe. Keď sa na takomto 4-valcovom motore uvoľňujú výfukové plyny, výfukové ventily valcov budú otvorené na 100° každých 180°. Toto je potrebné na zdvihnutie piestu zo spodnej do hornej úvrati počas uvoľňovania tohto valca. V poradí prevádzky 1-3-2-4 pre tretí valec sa výfukové ventily začnú otvárať na konci zdvihu piestu. V tomto okamihu sa sací zdvih spustí v prvom valci a výfukové ventily sa začnú zatvárať. Počas prvých 50° otvorenia výfukových ventilov tretieho valca sa otvoria výfukové ventily prvého valca a začnú sa otvárať aj jeho sacie ventily. Ventily sa teda prekrývajú medzi valcami.

Po odstránení výfukových plynov z prvého valca sa výfukové ventily zatvoria a sacie ventily sa začnú otvárať. Súčasne sa otvárajú výfukové ventily tretieho valca a uvoľňujú vysokoenergetické výfukové plyny. Značná časť ich tlaku a energie sa používa na pohon turbíny a menšia časť hľadá cestu najmenšieho odporu. V dôsledku nižšieho tlaku uzatváracích výfukových ventilov prvého valca v porovnaní s integrovaným vstupom turbíny je časť výfukových plynov tretieho valca nasmerovaná na prvý.

Vzhľadom na to, že sací zdvih začína v prvom valci, sací náboj sa zriedi výfukovými plynmi a stráca výkon. Na konci sú ventily prvého valca zatvorené a piest tretieho stúpa. V druhom prípade sa vykoná výfuk a situácia uvažovaná pre valec 1 sa opakuje, keď sa otvoria výfukové ventily druhého valca. Existuje teda zmes. Tento problém je ešte zreteľnejší u 6-a 8-valcových motorov s intervalmi zdvihu výfukových plynov medzi valcami 120, respektíve 90 ° . V týchto prípadoch dochádza k ešte dlhšiemu prekrývaniu výfukových ventilov dvoch valcov.

Vzhľadom na nemožnosť zmeny počtu valcov je možné tento problém vyriešiť zvýšením intervalu medzi podobnými cyklami pomocou turbodúchadlo. V prípade použitia dvoch turbín na 6-a 8-valcových motoroch je možné kombinovať valce na pohon každého z nich. V takom prípade sa intervaly medzi podobnými udalosťami výfukových ventilov zdvojnásobia. Napríklad pre RB26 je možné kombinovať valce 1-3 pre prednú turbínu a 4-6 pre zadnú turbínu. Preto je vylúčené postupné ovládanie valcov pre jednu turbínu. V dôsledku toho sa interval medzi udalosťami výfukových ventilov pre valce jedného turbodúchadla zvyšuje zo 120 na 240°.

Vzhľadom na to, že turbína s dvojitým zvitkom má samostatné výfukové potrubie, je v tomto zmysle podobná systému s dvoma turbodúchadlami. Tak, 4-valcové motory s dvoma turbínami alebo Twin-scroll turbodúchadlom majú interval 360 ° medzi udalosťami. 8-valcové motory s podobnými posilňovacími systémami majú rovnaký interval. Veľmi dlhé obdobie, ktoré presahuje trvanie zdvíhania ventilov, vylučuje ich prekrytie pre valce jednej turbíny.

Motor teda nasáva viac vzduchu a pri nízkom tlaku odvádza zvyšky výfukových plynov, čím plní valce hustejšou a čistejšou náplňou, ktorá poskytuje intenzívnejšie spaľovanie a zvyšuje produktivitu. Okrem toho vyššia objemová účinnosť a lepšie čistenie umožňujú použiť vyššie oneskorenie zapaľovania, ktoré udržuje maximálnu teplotu vo valcoch. Z tohto dôvodu je účinnosť turbín s dvojitým zvitkom o 7-8% vyššia v porovnaní s turbínami s jedným zvitkom s 5% lepšou palivovou účinnosťou.

Podľa údajov o úplnom závode sa turbodúchadlá twin-scroll v porovnaní s turbodúchadlami s jedným scrollom vyznačujú vyšším priemerným tlakom a účinnosťou valcov, ale nižším špičkovým tlakom valcov a protitlakom na výstupe. Systémy Twin-scroll majú väčší protitlak pri nízkych rýchlostiach (prispieva k zvýšeniu) a menej pri vysokých rýchlostiach(zvyšuje produktivitu). Nakoniec je motor s takýmto posilňovacím systémom menej citlivý na negatívne účinky širokofázových vačkových hriadeľov.

Účinnosť

Vyššie uvedené boli teoretické ustanovenia o fungovaní turbíny s dvojitým zvitkom. To, čo to dáva v praxi, je stanovené meraniami. Takýto test v porovnaní s verziou singlescroll uskutočnil časopis dsport na projekte KA 240SX. Jeho KA24DET vyvíja až 700 l. s. na kolesách na E85. Motor je vybavený vlastným výfukovým potrubím Wisecraft Fabrication a turbodúchadlom Garrett GTX. Počas testov sa pri rovnakej hodnote A/R zmenil iba kryt turbíny. Okrem zmeny výkonu a krútiaceho momentu testeri hodnotili odozvu meraním času na dosiahnutie určitých otáčok a plniaceho tlaku na treťom prevodovom stupni za podobných štartovacích podmienok.

Výsledky preukázali najlepší výkon turbíny twin scroll v celom rozsahu otáčok. Ukázal najväčšiu prevahu vo výkone v rozmedzí od 3500 do 6000 ot / min. Najlepšie výsledky sa vysvetľujú vysokým plniacim tlakom pri rovnakých otáčkach za minútu. Vyšší tlak navyše poskytoval zvýšenie krútiaceho momentu porovnateľné s účinkom zvýšenia objemu motora. Najvýraznejšie sa prejavuje aj pri stredných rýchlostiach. Pri zrýchlení zo 45 na 80 m / h (3100-5600 ot / min) turbína s dvojitým posúvaním obišla jednokrútenie o 0,49 s (2,93 S vs. 3,42), čo poskytne rozdiel v troch prípadoch. To znamená, že keď auto s turbodúchadlom signlskroll dosiahne 80 m / h, variant twinskroll pôjde o 3 dĺžky automobilov vpred rýchlosťou 95 m / h. V rozsahu otáčok 60-100 m / h (4200-7000 ot / min) bola nadradenosť Twin-scroll turbíny menej významná a predstavovala 0,23 s (1,75 vs. 1,98 s) a 5 m/h (105 vs. 100 m/h). Pokiaľ ide o rýchlosť dosiahnutia určitého tlaku, turbodúchadlo twin-scroll je pred single-scroll asi o 0,6 s. Takže pri 30 psi je rozdiel 400 ot. / min (5500 vs. 5100 ot. / min).

, ďalšie porovnanie urobil Full Race Motorsports na 2,3 L motor Ford EcoBoost s turbínou BorgWarner EFR. V tomto prípade sa pomocou počítačovej simulácie porovnal prietok výfukových plynov v každom kanáli. Pre turbínu s dvojitým zvitkom bolo rozpätie tejto hodnoty až 4%, zatiaľ čo pre jedno zvitok-15%. Lepšia konzistencia prietokov naznačuje nižšie straty pri miešaní a vyššiu energiu impulzov pre turbodúchadlá twin-scroll.

Výhody a nevýhody

Twin-scroll turbíny sa vyznačujú mnohými výhodami oproti singlescroll možnosti. Patria sem:

• zvýšený výkon v celom rozsahu otáčok;
• lepšia odozva;
• s nižšími stratami miešania;
• zvýšená energia impulzov na koleso turbíny;
• lepšie zvýšenie účinnosti;
• väčší krútiaci moment v spodnej časti je podobný systému twin-turbo;
• zníženie útlmu nasávacieho náboja, keď sa ventily prekrývajú medzi valcami;
• zníženie teploty výfukových plynov;
• zníženie impulzných strát motora;
• znížená spotreba paliva.

Hlavnou nevýhodou je veľká zložitosť dizajnu, ktorá spôsobuje zvýšené náklady. Navyše pri vysokom tlaku pri vysokých rýchlostiach vám oddelenie prietoku plynu nedovolí dosiahnuť rovnaký špičkový výkon ako na jednej rolovacej turbíne.

Štrukturálne sú turbíny s dvojitým posúvaním analogické so systémami s dvoma turbodúchadlami(bi-turbo a twin-turbo). V porovnaní s nimi majú takéto turbíny naopak výhody v nákladoch a jednoduchosti konštrukcie. Používajú to niektorí výrobcovia, napríklad BMW, ktoré nahradilo systém twin-turbo na kupé N54B30 série 1 m turbodúchadlom twin-scroll na n55b30 M2.

Je potrebné poznamenať , že existujú ešte technicky vyspelejšie verzie turbín, ktoré predstavujú najvyšší stupeň ich vývoja-turbodúchadlá s variabilnou geometriou. Vo všeobecnosti majú rovnaké výhody oproti konvenčným turbínam ako turbíny s dvojitým zvitkom, ale vo väčšej miere. Takéto turbodúchadlá však majú oveľa zložitejší dizajn. Okrem toho je ťažké ich nastaviť na motoroch, ktoré neboli pôvodne navrhnuté pre takéto systémy, pretože sú riadené riadiacou jednotkou motora. Nakoniec hlavným faktorom spôsobujúcim extrémne zlé používanie týchto turbín na benzínových motoroch sú veľmi vysoké náklady na modely pre tieto motory. Preto sú v sériovej výrobe aj v tuningu mimoriadne zriedkavé, ale sú široko distribuované na dieselových motoroch úžitkových vozidiel.

Na SEMA 2015. BorgWarner predstavil vývoj kombinujúci technológiu twin-scroll a dizajn s variabilnou geometriou-twin-scroll turbína s variabilnou geometriou. V jeho dvojitej vstupnej časti je inštalovaný tlmič, ktorý v závislosti od zaťaženia rozdeľuje prietok cez obežné kolesá. Pri nízkych rýchlostiach idú všetky výfukové plyny do malej časti rotora a veľký je zablokovaný, čo poskytuje ešte rýchlejšie roztočenie ako konvenčná turbína s dvojitým rolovaním. So zvyšujúcim sa zaťažením sa klapka postupne posúva do strednej polohy a rovnomerne rozdeľuje prietok pri vysokých rýchlostiach, ako v štandardnom prevedení s dvojitým rolovaním. Táto technológia, podobne ako technológia s premenlivou geometriou, poskytuje zmenu pomeru A / R v závislosti od zaťaženia, nastavenie turbíny na prevádzkový režim motora, čo rozširuje prevádzkový rozsah. Zároveň je zvažovanie dizajnu oveľa jednoduchšie a lacnejšie, pretože sa tu používa iba jeden pohyblivý prvok, ktorý pracuje podľa jednoduchého algoritmu a použitie tepelne odolných materiálov sa nevyžaduje. Je potrebné poznamenať, že podobné riešenia sa už našli (napríklad rýchly cievkový ventil), ale z nejakého dôvodu táto technológia nenašla distribúciu.

Aplikácia

Ako je uvedené vyššie, turbíny s dvojitým zvitkom sa často používajú na sériových športových automobiloch. Pri ladení však ich použitie na mnohých motoroch so systémami singlescroll brzdí obmedzený priestor. Je to primárne kvôli konštrukcii kolektora: pri rovnakej dĺžke je potrebné zachovať prijateľné radiálne ohyby a prietokové charakteristiky. Okrem toho existuje otázka optimálnej dĺžky a ohybu, ako aj materiálu a hrúbka stien. Podľa údajov o úplných pretekoch je vďaka vyššej účinnosti turbín s dvojitým zvitkom možné použiť kanály s menším priemerom. Vďaka svojmu zložitému tvaru a dvojitému vstupu je však takýto kolektor v každom prípade väčší, ťažší a zložitejší ako obvykle kvôli väčšiemu počtu dielov. Preto sa nemusí zmestiť na štandardné miesto, v dôsledku čoho bude potrebné vymeniť kľukovú skriňu. Okrem toho sú samotné turbíny s dvojitým zvitkom väčšie ako podobné jednoduché. Okrem toho budete potrebovať ďalšie appipe a lapač oleja. Okrem toho, pre lepší výkon s externými westgates, dva westgates (jeden na obežné koleso) sa používajú pre systémy twin-scroll namiesto potrubia v tvare Y.

V každom prípade je možné na VAZ nainštalovať turbínu s dvojitým posúvaním a nahradiť ju turbodúchadlom Porsche s jedným posúvaním. -rolovacie turbíny, rozdiel je v nákladoch a množstve práce na príprave motora: ak na sériových turbomotoroch, ak je priestor, zvyčajne stačí vymeniť výfukové potrubie a niektoré ďalšie časti a vykonať úpravy, potom atmosférické motory vyžadujú oveľa vážnejší zásah pri preplňovaní turbodúchadlom. V druhom prípade je však rozdiel v zložitosti inštalácie (ale nie v nákladoch) systémov twin-scroll a singlescroll zanedbateľný.

Záver

Turbíny s dvojitým zvitkom vďaka oddelenému prívodu výfukových plynov do kolesa s dvojitou turbínou a eliminácii vzájomného impulzného vplyvu valcov poskytujú lepší výkon, odozvu a účinnosť v porovnaní s možnosťami s jedným zvitkom. Vytvorenie takéhoto systému však môže byť veľmi drahé. Vo všeobecnosti je to optimálne riešenie na zvýšenie odozvy bez straty maximálny výkon pre turbomotory.