Turbină dublă scroll: descrierea designului, principiul de funcționare, argumente pro și contra

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-02-19 18:19

Principalul dezavantaj al motoarelor turbo în comparație cu opțiunile atmosferice este capacitatea de răspuns mai mică, datorită faptului că declanșarea turbinei durează un anumit timp. Odată cu dezvoltarea turbocompresoarelor, producătorii dezvoltă diferite moduri de a-și îmbunătăți capacitatea de răspuns, performanța și eficiența. Turbinele twin scroll sunt cea mai bună opțiune.

Funcții generale

Acest termen se referă la turbocompresoare cu o dublă admisie și un rotor dublu al roții turbinei. De la apariția primelor turbine (acum aproximativ 30 de ani), acestea au fost diferențiate în opțiuni de admisie deschise și separate. Acestea din urmă sunt analogi ale turbocompresoarelor moderne twin-scroll. Cei mai buni parametri determină utilizarea lor în tuning și motorsport. În plus, unii producători le folosesc pe mașini sport de serie precum Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP și altele

Principiul de proiectare și funcționare

Turbinele twin-scroll diferă de turbinele convenționale prin faptul că au o roată dublă a turbinei și o parte de admisie împărțită în două. Rotorul are un design monolitic, dar dimensiunea, forma și curbura palelor variază de-a lungul diametrului. O parte a acestuia este proiectată pentru o încărcătură mică, ceal altă pentru una mare.

Principiul de funcționare al turbinelor twin-scroll se bazează pe alimentarea separată a gazelor de eșapament în diferite unghiuri către roata turbinei, în funcție de ordinea de funcționare a cilindrilor.

Caracteristicile de proiectare și modul în care funcționează turbina dublă scroll sunt discutate mai detaliat mai jos.

Colector de evacuare

Designul galeriei de evacuare este de o importanță primordială pentru turbocompresoarele twin-scroll. Se bazează pe conceptul de cuplare a cilindrilor al colectoarelor de curse și este determinat de numărul de cilindri și ordinea lor de aprindere. Aproape toate motoarele cu 4 cilindri funcționează într-o ordine 1-3-4-2. În acest caz, un canal combină cilindrii 1 și 4, celăl alt - 2 și 3. La majoritatea motoarelor cu 6 cilindri, gazele de eșapament sunt furnizate separat de 1, 3, 5 și 2, 4, 6 cilindri. Ca excepții, trebuie menționate RB26 și 2JZ. Funcționează în ordinea 1-5-3-6-2-4.

În consecință, pentru aceste motoare, 1, 2, 3 cilindri sunt cuplati pentru un rotor, 4, 5, 6 pentru al doilea (acționările turbinei sunt organizate în stoc în aceeași ordine). Astfel numitmotoarele se disting printr-un design simplificat al galeriei de evacuare, care combină primii trei și ultimii trei cilindri în două canale.

Pe lângă conectarea cilindrilor într-o anumită ordine, alte caracteristici ale colectorului sunt foarte importante. În primul rând, ambele canale trebuie să aibă aceeași lungime și același număr de coturi. Acest lucru se datorează necesității de a asigura aceeași presiune a gazelor de evacuare furnizate. În plus, este important ca flanșa turbinei de pe colector să se potrivească cu forma și dimensiunile admisiei acesteia. În cele din urmă, pentru a asigura cele mai bune performanțe, designul galeriei trebuie să fie strâns potrivit cu A/R al turbinei.

Necesitatea de a utiliza un colector de evacuare cu un design adecvat pentru turbinele cu dublu-scroll este determinată de faptul că, în cazul utilizării unei colectoare convenționale, un astfel de turbocompresor va funcționa ca unul single-scroll. Același lucru va fi observat atunci când combinați o turbină cu un singur volut cu un colector cu două volute.

Interacțiunea impulsivă a cilindrilor

Unul dintre avantajele semnificative ale turbocompresoarelor twin-scroll, care le determină avantajele față de cele cu single-scroll, este reducerea sau eliminarea semnificativă a influenței reciproce a cilindrilor prin impulsurile gazelor de eșapament.

Se știe că pentru ca fiecare cilindru să treacă toate cele patru timpi, arborele cotit trebuie să se rotească cu 720 °. Acest lucru este valabil atât pentru motoarele cu 4, cât și cu 12 cilindri. Cu toate acestea, dacă, atunci când arborele cotit este rotit cu 720 ° pe primii cilindri, aceștia completează un ciclu, atunci pe12 cilindri - toate ciclurile. Astfel, odată cu creșterea numărului de cilindri, se reduce cantitatea de rotație a arborelui cotit între aceleași curse pentru fiecare cilindru. Deci, la motoarele cu 4 cilindri, cursa de putere are loc la fiecare 180 ° în diferiți cilindri. Acest lucru este valabil și pentru cursele de admisie, compresie și evacuare. La motoarele cu 6 cilindri, mai multe evenimente au loc în 2 rotații ale arborelui cotit, astfel încât aceleași curse între cilindri sunt la 120 ° una de ceal altă. Pentru motoarele cu 8 cilindri, intervalul este de 90 °, pentru motoarele cu 12 cilindri - 60 °.

Se știe că arborii cu came pot avea o fază de 256 până la 312° sau mai mult. De exemplu, putem lua un motor cu faze de 280° la intrare și la ieșire. La eliberarea gazelor de eșapament pe un astfel de motor cu 4 cilindri, la fiecare 180 °, supapele de evacuare ale cilindrului vor fi deschise la 100 °. Acest lucru este necesar pentru a ridica pistonul de jos în punctul mort superior în timpul evacuarii pentru acel cilindru. Cu ordinea de aprindere 1-3-2-4 pentru al treilea cilindru, supapele de evacuare vor începe să se deschidă la sfârșitul cursei pistonului. În acest moment, cursa de admisie va începe în primul cilindru, iar supapele de evacuare vor începe să se închidă. În primele 50° ale deschiderii supapelor de evacuare ale celui de-al treilea cilindru, supapele de evacuare ale primului cilindru se vor deschide, iar supapele de admisie ale acestuia vor începe, de asemenea, să se deschidă. Astfel, supapele se suprapun între cilindri.

După îndepărtarea gazelor de evacuare din primul cilindru, supapele de evacuare se închid și supapele de admisie încep să se deschidă. În același timp, supapele de evacuare ale celui de-al treilea cilindru se deschid, eliberând gaze de evacuare de mare energie. Ponderea semnificativăpresiunea și energia lor sunt folosite pentru a antrena turbina, iar o parte mai mică caută calea cu cea mai mică rezistență. Datorită presiunii mai scăzute a supapelor de evacuare de închidere ale primului cilindru în comparație cu admisia integrală a turbinei, o parte din gazele de evacuare ale celui de-al treilea cilindru sunt trimise către primul.

Datorita faptului ca cursa de admisie incepe in primul cilindru, sarcina de admisie este diluata cu gazele de esapament, pierzand putere. În cele din urmă, supapele primului cilindru se închid și pistonul celui de-al treilea se ridică. Pentru acesta din urmă se efectuează eliberarea, iar situația luată în considerare pentru cilindrul 1 se repetă la deschiderea supapelor de evacuare ale celui de-al doilea cilindru. Astfel, există confuzie. Această problemă este și mai pronunțată la motoarele cu 6 și 8 cilindri cu intervale de cursă de evacuare între cilindri de 120 și, respectiv, 90 °. În aceste cazuri, există o suprapunere și mai lungă a supapelor de evacuare a celor doi cilindri.

Datorita imposibilitatii schimbarii numarului de cilindri, aceasta problema poate fi rezolvata prin marirea intervalului dintre cicluri similare prin folosirea unui turbocompresor. În cazul utilizării a două turbine pe motoare cu 6 și 8 cilindri, cilindrii pot fi combinați pentru a antrena fiecare dintre ei. În acest caz, intervalele dintre evenimente similare ale supapelor de evacuare se vor dubla. De exemplu, pentru RB26, puteți combina cilindrii 1-3 pentru turbina față și 4-6 pentru spate. Acest lucru elimină funcționarea succesivă a cilindrilor pentru o turbină. Prin urmare, intervalul dintre evenimentele supapei de evacuare pentrucilindrii unui turbocompresor crește de la 120 la 240°.

Datorita faptului ca turbina twin scroll are colector de evacuare separat, in acest sens este asemanator unui sistem cu doua turbocompresoare. Deci, motoarele cu 4 cilindri cu două turbine sau un turbocompresor twin-scroll au un interval de 360 ° între evenimente. Motoarele cu 8 cilindri cu sisteme de boost similare au aceeași distanță. O perioadă foarte lungă, care depășește durata ridicării supapei, exclude suprapunerea acestora pentru cilindrii uneia turbine.

În acest fel, motorul atrage mai mult aer și extrage gazele de eșapament rămase la presiune scăzută, umplând cilindrii cu o încărcătură mai densă și mai curată, rezultând o ardere mai intensă, ceea ce îmbunătățește performanța. În plus, o eficiență volumetrică mai mare și o curățare mai bună permit utilizarea unei întârzieri mai mari la aprindere pentru a menține temperaturile maxime ale cilindrului. Datorită acestui fapt, eficiența turbinelor twin-scroll este cu 7-8% mai mare în comparație cu turbinele single-scroll, cu o eficiență a combustibilului cu 5% mai bună.

Turbocompresoarele twin-scroll au o presiune medie și o eficiență mai ridicată în cilindru, dar presiunea de vârf în cilindru și contrapresiunea la ieșire mai scăzute, în comparație cu turbocompresoarele cu un singur scroll, conform Full-Race. Sistemele twin-scroll au mai multă contrapresiune la turații scăzute (promovând creșterea) și mai puțin la turații mari (îmbunătățirea performanței). În cele din urmă, un motor cu un astfel de sistem de amplificare este mai puțin sensibil la efectele negative ale fazei largiarbori cu came.

Performanță

Mai sus erau pozițiile teoretice ale funcționării turbinelor twin-scroll. Ceea ce dă acest lucru în practică este stabilit prin măsurători. Un astfel de test prin comparație cu versiunea cu derulare unică a fost efectuat de revista DSPORT pe proiectul KA 240SX. KA24DET-ul său dezvoltă până la 700 CP. Cu. pe roți pe E85. Motorul este echipat cu o galerie de evacuare Wisecraft Fabrication personalizată și un turbocompresor Garrett GTX. În timpul testelor, doar carcasa turbinei a fost schimbată la aceeași valoare A/R. Pe lângă schimbările de putere și cuplu, testerii au măsurat capacitatea de reacție măsurând timpul de atingere a anumitor turații și de creștere a presiunii în treapta a treia în condiții similare de lansare.

Rezultatele au arătat cea mai bună performanță a turbinei cu dublu-scroll pe toată gama de rpm. A arătat cea mai mare superioritate în putere în intervalul de la 3500 la 6000 rpm. Cele mai bune rezultate se datorează presiunii de supraalimentare mai mari la același rpm. În plus, o presiune mai mare a oferit o creștere a cuplului, comparabilă cu efectul de creștere a volumului motorului. Este, de asemenea, cel mai pronunțat la viteze medii. În accelerația de la 45 la 80 m/h (3100-5600 rpm), turbina cu twin-scroll a depășit-o pe cea cu single-scroll cu 0,49 s (2,93 față de 3,42), ceea ce va da o diferență de trei corpuri. Adică, atunci când o mașină cu turbocompresor cu semnal-scroll ajunge la 80 mph, varianta twin-scroll va parcurge 3 lungimi de mașină înainte cu 95 mph. În intervalul de viteză de 60-100 m/h (4200-7000 rpm), superioritatea turbinei twin-scrolls-a dovedit a fi mai puțin semnificativ și s-a ridicat la 0,23 s (1,75 față de 1,98 s) și 5 m/h (105 față de 100 m/h). În ceea ce privește viteza de atingere a unei anumite presiuni, un turbocompresor twin-scroll este înaintea unui turbocompresor single-scroll cu aproximativ 0,6 s. Deci, la 30 psi, diferența este de 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

O altă comparație a fost făcută de Full Race Motorsports pe un motor Ford EcoBoost de 2,3 litri cu un turbo BorgWarner EFR. În acest caz, debitul gazelor de eșapament în fiecare canal a fost comparat prin simulare computerizată. Pentru o turbină twin-scroll, răspândirea acestei valori a fost de până la 4%, în timp ce pentru o turbină cu single-scroll a fost de 15%. O potrivire mai bună a debitului înseamnă mai puține pierderi de amestecare și mai multă energie de impuls pentru turbocompresoarele cu dublu-scroll.

Pro și contra

Turbinele twin scroll oferă multe avantaje față de turbinele single scroll. Acestea includ:

• performanță crescută pe toată gama de turații;
• reacție mai bună;
• mai puține pierderi de amestecare;
• energie de impuls crescută către roata turbinei;
• crește eficiența mai bună;
• mai mult cuplu la capătul inferior similar cu sistemul twin-turbo;
• reducerea atenuării sarcinii de admisie atunci când supapele se suprapun între cilindri;
• temperatură scăzută a gazelor de eșapament;
• reduce pierderile de impuls ale motorului;
• reduceți consumul de combustibil.

Principalul dezavantaj este complexitatea mare a designului, determinând creștereaPreț. În plus, la presiune mare la viteze mari, separarea fluxului de gaz nu vă va permite să obțineți aceleași performanțe de vârf ca la o turbină cu un singur scroll.

Din punct de vedere structural, turbinele twin-scroll sunt analoge cu sistemele cu două turbocompresoare (bi-turbo și twin-turbo). În comparație cu acestea, astfel de turbine, dimpotrivă, au avantaje în ceea ce privește costul și simplitatea designului. Unii producători profită de acest lucru, cum ar fi BMW, care a înlocuit sistemul twin-turbo pe N54B30 Seria 1 M Coupe cu un turbocompresor twin-scroll pe N55B30 M2.

De remarcat că există opțiuni și mai avansate din punct de vedere tehnic pentru turbine, reprezentând cea mai în altă etapă a dezvoltării acestora - turbocompresoare cu geometrie variabilă. În general, au aceleași avantaje față de turbinele convenționale ca twin-scroll, dar într-o măsură mai mare. Cu toate acestea, astfel de turbocompresoare au un design mult mai complex. În plus, sunt dificil de instalat pe motoare care nu sunt proiectate inițial pentru astfel de sisteme, din cauza faptului că sunt controlate de unitatea de control al motorului. În fine, principalul factor care provoacă utilizarea extrem de proastă a acestor turbine pe motoarele pe benzină este costul foarte mare al modelelor pentru astfel de motoare. Prin urmare, atât în producția de masă, cât și în tuning, acestea sunt extrem de rare, dar sunt utilizate pe scară largă pe motoarele diesel ale vehiculelor comerciale.

La SEMA 2015, BorgWarner a dezvăluit un design care combină tehnologia twin scroll cu designul cu geometrie variabilă, Turbina cu geometrie variabilă Twin Scroll. In eaîn partea dublă de admisie este instalat un amortizor care, în funcție de sarcină, distribuie debitul între rotoare. La turații mici, toate gazele de eșapament ajung într-o mică parte a rotorului, iar cea mai mare parte este blocată, ceea ce asigură o rotație și mai rapidă decât o turbină convențională cu twin-scroll. Pe măsură ce sarcina crește, amortizorul se deplasează treptat în poziția de mijloc și distribuie uniform debitul la viteze mari, ca într-un design standard dublu-scroll. Astfel, această tehnologie, ca și tehnologia cu geometrie variabilă, asigură o modificare a raportului A/R în funcție de sarcină, ajustând turbina la modul de funcționare al motorului, ceea ce extinde domeniul de funcționare. În același timp, având în vedere că designul este mult mai simplu și mai ieftin, deoarece aici este folosit un singur element mobil, funcționând după un algoritm simplu, iar utilizarea materialelor rezistente la căldură nu este necesară. Trebuie remarcat faptul că soluții similare au mai fost întâlnite (de exemplu, supapă cu bobină rapidă), dar din anumite motive această tehnologie nu a câștigat popularitate.

Aplicație

După cum s-a menționat mai sus, turbinele twin-scroll sunt adesea folosite pe mașinile sport produse în serie. Cu toate acestea, la reglare, utilizarea lor pe multe motoare cu sisteme single-scroll este împiedicată de spațiul limitat. Acest lucru se datorează în primul rând designului colectorului: la lungimi egale, trebuie menținute coturi radiale acceptabile și caracteristicile de curgere. În plus, se pune problema lungimii și îndoirii optime, precum și a materialului și a grosimii peretelui. Potrivit Full-Race, datorită eficienței mai mariturbine twin-scroll, este posibil să se utilizeze canale cu un diametru mai mic. Cu toate acestea, datorită formei lor complexe și a dublei admisii, un astfel de colector este în orice caz mai mare, mai greu și mai complicat decât de obicei datorită numărului mai mare de piese. Prin urmare, este posibil să nu se potrivească într-un loc standard, drept urmare va fi necesară schimbarea carterului. În plus, turbinele twin-scroll în sine sunt mai mari decât cele similare single-scroll. În plus, vor fi necesare alte apipe și capcană de ulei. În plus, în locul unei țevi în Y sunt utilizate două purgatoare (unul pentru fiecare rotor) pentru o performanță mai bună, cu purgatori externi pentru sistemele twin scroll.

În orice caz, este posibil să instalați o turbină twin-scroll pe un VAZ și să o înlocuiți cu un turbocompresor Porsche single-scroll. Diferența constă în costul și amploarea lucrărilor de pregătire a motorului: dacă pe motoarele turbo în serie, dacă există spațiu, de obicei este suficient să înlocuiți galeria de evacuare și alte piese și să faceți ajustări, atunci motoarele cu aspirație naturală necesită mult mai mult. interventie serioasa pentru turboalimentare. Cu toate acestea, în cel de-al doilea caz, diferența de complexitate a instalării (dar nu și de cost) dintre sistemele twin-scroll și single-scroll este nesemnificativă.

Concluzii

Turbinele twin-scroll oferă performanțe, reacție și eficiență mai bune decât turbinele single-scroll prin împărțirea gazelor de eșapament pe roata dublă a turbinei și eliminând interferența cilindrului. in orice cazconstruirea unui astfel de sistem poate fi foarte costisitoare. Una peste alta, aceasta este cea mai bună soluție pentru a crește capacitatea de răspuns fără a sacrifica performanța maximă pentru motoarele turbo.