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

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-02-19 12:40

Glavni nedostatak turbo motora u poređenju sa atmosferskim opcijama je manji odziv, zbog činjenice da okretanje turbine traje određeno vrijeme. Sa razvojem turbo punjača, proizvođači razvijaju različite načine da poboljšaju njihov odziv, performanse i efikasnost. Twin scroll turbine su najbolja opcija.

Opšte karakteristike

Ovaj termin se odnosi na turbo punjače sa duplim ulazom i duplim radnim kolom turbinskog točka. Od pojave prvih turbina (prije 30-ak godina), one su podijeljene 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 proizvođači ih 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 se razlikuju od konvencionalnih turbina po tome što imaju dvostruki turbinski točak i ulazni dio podijeljen na dva dijela. Rotor je monolitnog dizajna, ali veličina, oblik i zakrivljenost lopatica variraju duž prečnika. Jedan dio je dizajniran za malo opterećenje, drugi za veliko.

Princip rada twin-scroll turbina zasniva se na odvojenom dovodu izduvnih gasova pod različitim uglovima prema turbinskom točku, u zavisnosti od redosleda rada cilindara.

Osobine dizajna i kako radi dvostruka scroll turbina detaljnije se razmatraju u nastavku.

Izduvni razvodnik

Dizajn izduvnog razvodnika je od primarne važnosti za turbo punjače s dva spirala. Zasnovan je na konceptu spajanja cilindara trkaćih razdjelnika i određen je brojem cilindara i njihovim redoslijedom paljenja. Gotovo svi 4-cilindrični motori rade po 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 izuzetke, treba napomenuti RB26 i 2JZ. Rade po redu 1-5-3-6-2-4.

Shodno tome, za ove motore, 1, 2, 3 cilindra su spojeni za jedno radno kolo, 4, 5, 6 za drugo (turbinski pogoni su organizovani u skladištu po istom redosledu). Tako nazvanmotore odlikuje pojednostavljen dizajn ispušnog razvodnika, koji kombinuje prva tri i poslednja tri cilindra u dva kanala.

Pored povezivanja cilindara određenim redoslijedom, druge karakteristike razdjelnika su veoma važne. Prije svega, oba kanala moraju imati istu dužinu i isti broj zavoja. To je zbog potrebe da se osigura isti pritisak isporučenih izduvnih plinova. Osim toga, važno je da prirubnica turbine na razdjelniku odgovara obliku i dimenzijama njenog ulaza. Konačno, da bi se osigurale najbolje performanse, dizajn razdjelnika mora biti usko usklađen sa A/R turbine.

Potreba za korištenjem izduvnog razvodnika odgovarajućeg dizajna za turbine s dvostrukim scrollom određena je činjenicom da će u slučaju korištenja konvencionalnog razdjelnika takav turbopunjač raditi kao jednostruki. Isto će se primijetiti kada se kombinuje turbina sa jednim scrollom sa razdjelnikom s dva scrolla.

Impulzivna interakcija cilindara

Jedna od značajnih prednosti twin-scroll turbo punjača, koje određuju njihove prednosti u odnosu na one sa jednostrukim, je značajno smanjenje ili eliminisanje međusobnog uticaja cilindara impulsima izduvnih gasova.

Poznato je da se radilica mora okretati za 720° da bi svaki cilindar prošao sva četiri takta. Ovo važi i za motore sa 4 i 12 cilindara. Međutim, ako, kada se radilica okrene 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 javlja svakih 180 ° u različitim cilindrima. To vrijedi i za usisni, kompresijski i izduvni hod. Na 6-cilindarskim motorima više događaja se događa u 2 okretaja radilice, tako da su isti hodovi između cilindara međusobno udaljeni 120 °. Za 8-cilindarske motore, interval je 90°, za 12-cilindarske motore - 60°.

Poznato je da bregaste osovine mogu imati fazu od 256 do 312° ili više. Na primjer, možemo uzeti motor sa 280° faza na ulazu i izlazu. Prilikom ispuštanja izduvnih plinova na takvom 4-cilindričnom motoru, svakih 180°, izduvni ventili cilindra će biti otvoreni za 100°. Ovo je potrebno da se klip podigne od donje do gornje mrtve tačke tokom ispuha za taj cilindar. Sa redoslijedom paljenja 1-3-2-4 za treći cilindar, izduvni 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. Tokom prvih 50° otvaranja izduvnih ventila trećeg cilindra, otvoriće se izduvni ventili prvog cilindra, a počeće da se otvaraju i njegovi usisni ventili. Tako se ventili preklapaju između cilindara.

Nakon uklanjanja izduvnih gasova iz prvog cilindra, izduvni ventili se zatvaraju, a usisni ventili počinju da se otvaraju. Istovremeno se otvaraju izduvni ventili trećeg cilindra, oslobađajući visokoenergetske izduvne gasove. Značajan udionjihov pritisak i energija se koriste za pogon turbine, a manji dio traži put najmanjeg otpora. Zbog nižeg pritiska zatvaranja izduvnih ventila prvog cilindra u odnosu na integralni ulaz turbine, dio izduvnih gasova trećeg cilindra se šalje u prvi.

Usled činjenice da usisni hod počinje u prvom cilindru, usisno punjenje se razblažuje izduvnim gasovima, gubi snagu. Konačno se ventili prvog cilindra zatvaraju i klip trećeg se diže. Za potonje se vrši otpuštanje, a situacija koja se razmatra za cilindar 1 se ponavlja kada se otvore ispušni ventili drugog cilindra. Dakle, dolazi do zabune. Ovaj problem je još izraženiji kod motora sa 6 i 8 cilindara s intervalima ispušnog takta između cilindara od 120, odnosno 90°. U ovim slučajevima dolazi do još dužeg preklapanja izduvnih ventila dva cilindra.

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 ovom 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. Ovo eliminiše uzastopni rad cilindara za jednu turbinu. Dakle, interval između događaja izduvnog ventila zacilindara jednog turbopunjača povećava se sa 120 na 240°.

Zbog činjenice da twin scroll turbina ima zaseban izduvni razvodnik, u tom smislu je sličan sistemu sa dva turbo punjača. Dakle, 4-cilindrični motori s dvije turbine ili twin-scroll turbopunjač imaju interval od 360 ° između događaja. 8-cilindarski motori sa sličnim sistemima pojačanja imaju isti razmak. Veoma dug period, koji prelazi trajanje podizanja ventila, isključuje njihovo preklapanje za cilindre jedne turbine.

Na ovaj način, motor uvlači više vazduha i izvlači preostale izduvne gasove pod niskim pritiskom, puneći cilindre gušćim i čistijim punjenjem, što rezultira intenzivnijim sagorevanjem, što poboljšava performanse. Osim toga, veća volumetrijska efikasnost i bolje čišćenje omogućavaju korištenje većeg kašnjenja paljenja za održavanje vršne temperature cilindra. Zahvaljujući tome, efikasnost turbina sa dva spirala je 7-8% veća u poređenju sa turbinama sa jednim spiralom sa 5% boljom efikasnošću goriva.

Twin-scroll turbo punjači imaju veći prosječni pritisak i efikasnost u cilindrima, ali niži vršni pritisak u cilindru i izlazni povratni pritisak, u poređenju sa turbo punjačima sa jednim scroll, prema Full-Race. Twin-scroll sistemi imaju veći povratni pritisak pri niskim obrtajima (promovišući pojačanje) i manji pri visokim obrtajima (poboljšanje performansi). Konačno, motor sa takvim sistemom pojačanja manje je osjetljiv na negativne efekte široke fazebregaste osovine.

performans

Iznad su bile teorijske pozicije funkcionisanja twin-scroll turbina. Šta to daje u praksi, utvrđeno je mjerenjima. Takav test u poređenju sa verzijom sa jednim pomicanjem izvršio je časopis DSPORT na projektu KA 240SX. Njegov KA24DET razvija do 700 KS. With. na točkovima na E85. Motor je opremljen prilagođenom Wisecraft Fabrication izduvnom granom i Garrett GTX turbo punjačem. Tokom testova samo je kućište turbine promijenjeno na istu A/R vrijednost. Pored promjena snage i obrtnog momenta, testeri su mjerili odziv mjerenjem vremena za postizanje određenog broja okretaja i povećanje pritiska u trećoj brzini pod sličnim uslovima pokretanja.

Rezultati su pokazali najbolje performanse twin-scroll turbine u cijelom rasponu okretaja. Najveću superiornost u snazi pokazao je u rasponu od 3500 do 6000 o/min. Najbolji rezultati su zahvaljujući većem pritisku prednabijanja pri istom broju obrtaja. Osim toga, veći pritisak omogućio je povećanje obrtnog momenta, uporedivo sa efektom povećanja zapremine motora. Takođe je najizraženiji pri srednjim brzinama. U ubrzanju od 45 do 80 m/h (3100-5600 o/min), twin-scroll turbina je nadmašila jednostruku za 0,49 s (2,93 prema 3,42), što će dati razliku od tri tijela. To jest, kada automobil sa turbo punjačem sa signalnim pomicanjem dostigne 80 mph, twin-scroll varijanta će putovati 3 dužine 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 prema 1,98 s) i 5 m/h (105 prema 100 m/h). Po brzini postizanja određenog pritiska, twin-scroll turbopunjač je ispred single-scroll turbo punjača za oko 0,6 s. Dakle, na 30 psi razlika je 400 o/min (5500 vs 5100 o/min).

Još jedno poređenje je napravio Full Race Motorsports na 2.3L Ford EcoBoost motoru sa BorgWarner EFR turbom. U ovom slučaju, brzina protoka izduvnih gasova u svakom kanalu je upoređena kompjuterskom simulacijom. Za twin-scroll turbinu, raspon ove vrijednosti iznosio je do 4%, dok je za turbinu sa jednim scrollom iznosio 15%. Bolje usklađivanje brzine protoka znači manje gubitaka pri miješanju i više impulsne energije za turbo punjače s dva spirala.

Za i protiv

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

• povećane performanse u cijelom rasponu okretaja;
• bolji odziv;
• manji gubitak miksanja;
• povećana impulsna energija turbinskog točka;
• bolja efikasnost;
• više obrtnog momenta na donjem kraju slično twin-turbo sistemu;
• smanjenje slabljenja usisnog punjenja kada se ventili preklapaju između cilindara;
• niža temperatura izduvnih gasova;
• smanjite gubitke impulsa motora;
• smanjite potrošnju goriva.

Glavni nedostatak je velika složenost dizajna, što uzrokuje povećanjeCijena. Osim toga, pri visokom pritisku pri velikim brzinama, odvajanje protoka plina neće vam omogućiti da postignete iste vršne performanse kao na turbini sa jednim scrollom.

Strukturno, twin-scroll turbine su analogne sistemima sa dva turbo punjača (bi-turbo i twin-turbo). U poređenju s njima, takve turbine, naprotiv, imaju prednosti u cijeni i jednostavnosti dizajna. Neki proizvođači koriste ovo, kao što je BMW, koji je zamijenio twin-turbo sistem na modelu N54B30 1-Series M Coupe sa twin-scroll turbo punjačem na modelu N55B30 M2.

Treba napomenuti da postoje još tehnički naprednije opcije za turbine, koje predstavljaju najvišu fazu njihovog razvoja - turbo punjači promjenjive geometrije. Generalno, one 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 sisteme zbog činjenice da ih kontrolira upravljačka jedinica motora. Konačno, glavni faktor koji uzrokuje izuzetno lošu upotrebu ovih turbina na benzinskim motorima je vrlo visoka cijena modela za takve motore. Stoga su, kako u masovnoj proizvodnji tako i u tjuningu, izuzetno rijetki, ali se široko koriste na dizel motorima komercijalnih vozila.

Na SEMA 2015, BorgWarner je predstavio dizajn koji kombinuje tehnologiju dvostrukog pomeranja sa dizajnom promenljive geometrije, Twin Scroll promenljivu geometrijsku turbinu. U njoju dvostrukom ulaznom dijelu ugrađena je klapna koja, ovisno o opterećenju, raspoređuje protok između radnih kola. Pri malim brzinama, svi izduvni plinovi idu u mali dio rotora, a veliki dio je blokiran, što omogućava čak i brže okretanje od konvencionalne turbine s dva spirala. Kako se opterećenje povećava, klapna se postupno pomiče u srednji položaj i ravnomjerno raspoređuje protok pri velikim brzinama, kao u standardnom dizajnu s dva pomicanja. Dakle, ova tehnologija, kao i tehnologija varijabilne geometrije, omogućava promjenu A/R omjera ovisno o opterećenju, prilagođavajući turbinu režimu rada motora, čime se proširuje radni raspon. Istovremeno, 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. Treba napomenuti da su se slična rješenja susretala i ranije (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 podešavanja, njihova upotreba na mnogim motorima sa sistemima sa jednim pomicanjem je otežana ograničenim prostorom. Ovo je prvenstveno zbog dizajna kolektora: na jednakim dužinama, prihvatljiva radijalna krivina i karakteristike protoka moraju se održavati. Osim toga, postavlja se pitanje optimalne dužine i savijanja, kao i materijala i debljine zida. Prema Full-Race-u, zbog veće efikasnostitwin-scroll turbinama, moguće je koristiti kanale manjeg prečnika. Međutim, zbog svog složenog oblika i dvostrukog ulaza, takav kolektor je u svakom slučaju veći, teži i složeniji nego inače zbog većeg broja dijelova. Stoga se možda neće uklopiti na standardno mjesto, zbog čega će biti potrebno promijeniti kućište radilice. Osim toga, same turbine s dvostrukim scrollom su veće od sličnih turbine s jednim scrollom. Osim toga, bit će potrebna i druga sifona i sifon za ulje. Osim toga, dva otpadna otvora (jedan po impeleru) se koriste umjesto Y-cijevi za bolje performanse sa vanjskim otpadnim vratima za dvostruke scroll sisteme.

U svakom slučaju, moguće je ugraditi twin-scroll turbinu na VAZ, i zamijeniti je Porsche single-scroll turbo punjačem. Razlika je u cijeni i obimu radova na pripremi motora: ako je na serijskim turbo motorima, ako ima prostora, obično je dovoljno zamijeniti ispušni kolektor i još neke dijelove i izvršiti podešavanja, onda atmosferski motori zahtijevaju mnogo više ozbiljna intervencija za turbo punjenje. Međutim, u drugom slučaju, razlika u složenosti instalacije (ali ne i u cijeni) između twin-scroll i single-scroll sistema je beznačajna.

Zaključci

Twin-scroll turbine pružaju bolje performanse, odziv i efikasnost od turbina sa jednim scrollom tako što dijele izduvne plinove na dvostruki turbinski kotač i eliminišu smetnje cilindra. kako godizgradnja takvog sistema može biti veoma skupa. Sve u svemu, ovo je najbolje rješenje za povećanje odziva bez žrtvovanja maksimalnih performansi za turbo motore.