Twin scroll turbine: tervezési leírás, működési elv, előnyök és hátrányok

A fő hátrány turbófeltöltős motorhoz a légköri változatokhoz képest kevésbé reagál, mivel a turbina némi időt vesz igénybe. A turbófeltöltők fejlesztésével a gyártók fejlődnek különböző módon válaszkészségük, teljesítményük és hatékonyságuk növelése. A legoptimálisabb megoldás a twin scroll turbinák.

Általános jellemzők

Ezt a kifejezést kettős bemeneti résszel rendelkező turbófeltöltőknek, valamint a turbina kerék kettős járókerékének kell tekinteni. Az első turbinák megjelenése óta (körülbelül 30 évvel ezelőtt) nyílt és különálló bevitelű változatokra osztották őket. Az utóbbiak a modern twin-scroll turbófeltöltők analógjai. A legjobb paraméterek határozzák meg azok alkalmazását a tuningban és a motorsportban. Ezenkívül egyes gyártók soros sportautókon használják őket, mint például a Mitsubishi Evo, A Subaru Impreza WRX STI, a Pontiac Solstice GXP stb.

Tervezés és működési elv

A Twin-scroll turbinák a hagyományos turbináktól egy ikerturbinakerékkel és egy két részre osztott bemeneti résszel különböznek. A rotor monolit szerkezetű, de a lapátok mérete, alakja és hajlítása átmérője változó. Az egyik része egy kis terhelésre van tervezve, a másik pedig egy nagy.

A twin scroll turbinák működési elve a kipufogógázok külön-külön történő ellátásán alapul, a turbinakerékhez képest különböző szögekben, a hengerek működési sorrendjétől függően.

Továbbá részletesebben megvizsgáljuk a tervezési jellemzőket és a twin scroll turbina működését.

Kipufogócső

A twin-scroll turbófeltöltők fő jelentősége a kipufogócsonk kialakítása. Ez alapján a koncepció a tengelykapcsoló a hengerek verseny elosztók és határozza meg a hengerek száma és a sorrend a működésüket. Szinte az összes 4 hengeres motor 1-3-4-2 sorrendben működik. Ebben az esetben az egyik csatorna 1 és 4 hengert egyesít, a másik – 2 és 3. A legtöbb 6 hengeres motoron a kipufogógáz-ellátást az 1, 3, 5, 2, 4, 6 hengerektől külön hajtják végre. Az RB26 és a 2JZ kivételként említendő. 1-5-3-6-2-4 sorrendben dolgoznak.

Következésképpen ezekhez a motorokhoz 1, 2, 3 henger van párosítva egy járókerékhez, 4, 5, 6 – a másodikhoz (a lefolyóban a turbinahajtás ugyanabban a sorrendben van elrendezve). Így ezeket a motorokat a kipufogócsonk egyszerűsített kialakítása különbözteti meg, amely az első három és az utolsó három hengert két csatornára egyesíti.

A hengerek bizonyos sorrendben történő összekapcsolása mellett a kollektor egyéb jellemzői is nagyon fontosak. Először is, mindkét csatornának azonos hosszúságúnak és azonos számú kanyarnak kell lennie. Ez annak köszönhető, hogy biztosítani kell a mellékelt kipufogógázok azonos nyomását. Ezenkívül fontos, hogy a kollektor turbina karima megfeleljen alak és méret a bemenetéhez. Végül a legjobb teljesítmény biztosítása érdekében a kollektor kialakítását pontosan össze kell hangolni a turbina A / R értékével.

A twin-scroll turbinákhoz megfelelő kialakítású kipufogócsonk használatának szükségességét az a tény határozza meg, hogy hagyományos kollektor használata esetén egy ilyen turbófeltöltő egyetlen tekercsként fog működni. Ugyanez lesz megfigyelhető, ha egy singlescroll turbinát kombinálunk egy twinscroll kollektorral.

A hengerek impulzus kölcsönhatása

Az ikerhengeres turbófeltöltők egyik jelentős előnye, amelyek meghatározzák előnyeiket az egyhengeres turbófeltöltőkkel szemben, a hengerek kölcsönös hatásának jelentős csökkentése vagy kiküszöbölése kipufogógáz-impulzusokkal.

Ismeretes, hogy ahhoz, hogy minden henger áthaladjon mind a négy cikluson, a forgattyústengelynek 720 mm-re kell fordulnia. Ez igaz mind a 4, mind a 12 hengeres motorokra. Azonban, ha a forgattyústengely forgatásakor az első hengereken 720 db-ot forgatnak, akkor egy löket befejeződik, majd a 12 hengeres-minden löket. Így a hengerek számának növekedésével a forgattyústengely forgásának mértéke az egyes hengerek azonos ciklusai között csökken. Tehát a 4 hengeres motoroknál a munkaütemezés minden 180 milliméternél különböző hengerekben történik. Ez igaz a szívási, kompressziós és kipufogási ciklusokra is. A 6 hengeres motoroknál több esemény fordul elő a főtengely 2 fordulatában, így ugyanazokat a ciklusokat a hengerek között 120 db választja el. A 8 hengeres motorok esetében az intervallum 90 db, a 12 hengeres motorok esetében-60 db.

Ismeretes, hogy a vezérműtengelyek fázisa 256-tól 312-ig terjedő vagy annál nagyobb lehet. Például, akkor egy motor 280 db fázisok a bemeneti és kimeneti. Amikor egy ilyen 4 hengeres motoron kipufogógázok szabadulnak fel,a henger kipufogószelepei 100 680-onként nyitva lesznek. Erre azért van szükség, hogy a dugattyút az alsó részről a felső holtpontra emelje a henger kioldása során. A harmadik henger 1-3-2-4 működési sorrendjében a kipufogószelepek a dugattyú löket végén kinyílnak. Ekkor a szívási löket az első hengerben kezdődik, a kipufogószelepek pedig bezáródni kezdenek. A harmadik henger kipufogószelepeinek nyitásának első 50. o. napján az első henger kipufogószelepei kinyílnak, a szívószelepei is kinyílnak. Így a szelepek átfedik a hengerek között.

Miután a kipufogógázokat eltávolították az első hengerből, a kipufogószelepek zárva vannak, és a szívószelepek kinyílnak. Ugyanakkor a harmadik henger kipufogószelepei kinyílnak, nagy energiájú kipufogógázokat szabadítva fel. Nyomásuk és energiájuk jelentős részét a turbina meghajtására használják, kisebb részük pedig a legkisebb ellenállás útját keresi. Az első henger záró kipufogószelepeinek az integrált turbina bemenetéhez viszonyított alacsonyabb nyomása miatt a harmadik henger kipufogógázainak egy része az első felé irányul.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a szívó löket az első hengerben kezdődik, a szívó töltést kipufogógázokkal hígítják, elveszítve az energiát. A végén az első henger szelepei zárva vannak, a harmadik dugattyúja pedig emelkedik. Ez utóbbi esetében a kipufogógázt elvégezzük, majd az 1. hengerre vonatkozó helyzetet megismételjük, amikor a második henger kipufogószelepeit kinyitjuk. Így van egy keverék. Ez a probléma még nyilvánvalóbb a 6 -, illetve 8-hengeres motoroknál, amelyek kipufogógáz-löketközei a hengerek között 120, illetve 90 MHz-en vannak. Ezekben az esetekben a két henger kipufogószelepei még hosszabb átfedésben vannak.

A hengerek számának megváltoztatásának lehetetlensége miatt ez a probléma megoldható a hasonló ciklusok közötti intervallum növelésével használatával turbófeltöltő. Abban az esetben, ha két turbinát használnak a 6-és 8-hengeres motorokon, lehetőség van arra, hogy a hengereket egyesítsék mindegyikük meghajtására. Ebben az esetben a hasonló kipufogószelep események közötti intervallumok megduplázódnak. Például az RB26 esetében az első turbinához 1-3, hátul pedig 4-6 hengerek kombinálhatók. Így kizárt a hengerek szekvenciális működtetése egy turbina számára. Következésképpen az egyik turbófeltöltő hengerének kipufogószelep-eseményei közötti intervallum 120-ról 240-re nő.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a twin-scroll turbina külön kipufogócsonkkal rendelkezik, ebben az értelemben hasonló a két turbófeltöltővel rendelkező rendszerhez. Így a 4 hengeres motorok két turbinával vagy iker-scroll turbófeltöltővel 360 mm-es intervallummal rendelkeznek az események között. A 8 hengeres motorok hasonló boost rendszerekkel azonos intervallummal rendelkeznek. Egy nagyon hosszú időszak, amely meghaladja a szelepek emelésének időtartamát, kizárja azok átfedését egy turbina hengereire.

Így a motor több levegőt szív be, és alacsony nyomással szívja ki a kipufogógáz-maradványokat, sűrűbb és tisztább töltéssel töltve meg a hengereket, ami intenzívebb égést biztosít, növelve a termelékenységet. Ezenkívül a nagyobb térfogati hatékonyság és a jobb tisztítás lehetővé teszi a nagyobb gyújtási késleltetés használatát, amely fenntartja a hengerek csúcshőmérsékletét. Ennek köszönhetően a twin-scroll turbinák hatékonysága 7-8% - kal magasabb, mint az egy-scroll turbinák, amelyek 5% - kal jobb üzemanyag-hatékonysággal rendelkeznek.

Szerint a teljes verseny adatok, twin-scroll turbófeltöltők, összehasonlítva single-scroll turbófeltöltők, jellemzi a magasabb átlagos hengernyomás és a hatékonyság, de alacsonyabb csúcs hengernyomás és ellennyomás a kilépő. A Twin-scroll rendszerek ellennyomása alacsony fordulatszámon nagyobb (hozzájárul a fokozáshoz), nagy sebességnél pedig kisebb (növeli a termelékenységet). Végül, egy ilyen emelő rendszerrel rendelkező motor kevésbé érzékeny a széles fázisú vezérműtengelyek negatív hatásaira.

Hatékonyság

A fentiek voltak az elméleti a működés rendelkezései twin scroll turbinákhoz. Amit ez a gyakorlatban ad, mérésekkel állapítják meg. Egy ilyen tesztet a singlescroll verzióval összehasonlítva a Dsport magazin végzett a Ka 240SX projekten. A KA24DET akár 700 l-ig is fejlődik. s. az E85 kerekein. A motor fel van szerelve egy egyedi wisecraft gyártás kipufogócső és egy Garrett GTX turbófeltöltő. A vizsgálatok során csak a turbinaház változott ugyanazon A / R értéken. A teljesítmény és a nyomaték változtatása mellett a tesztelők úgy értékelték a reakciókészséget, hogy hasonló indítási körülmények között megmérték az egyes fordulatszámokhoz és a feltöltőnyomáshoz szükséges időt harmadik sebességfokozatban.

Az eredmények a twin scroll turbina legjobb teljesítményét mutatták a teljes sebességtartományban. A legnagyobb teljesítményt mutatta a 3500-6000 fordulat / perc tartományban. A legjobb eredményeket az azonos fordulatszámon fellépő magas feltöltési nyomás magyarázza. Ezenkívül a nagyobb nyomás a nyomaték növekedését eredményezte, amely összehasonlítható a motor térfogatának növelésével. Közepes sebességnél is a legkifejezettebb. 45-ről 80 m/h-ra (3100-5600 fordulat / perc) történő gyorsuláskor az ikergörgő turbina 0,49 másodperccel (2,93 s vs. 3,42) megkerülte az egygörgetést, ami három eset különbségét adja. Ez azt jelenti, hogy amikor egy signlskroll turbófeltöltővel rendelkező autó eléri a 80 m/ h sebességet, a twinskroll változat 3 autóhosszal halad előre 95 m / h sebességgel. A 60-100 m/h (4200-7000 fordulat/perc) sebességtartományban az ikergörgő turbina fölénye kevésbé volt jelentős, 0,23 s (1,75 vs. 1,98 s) és 5 m/h (105 vs. 100 m / h)volt. Egy bizonyos nyomás elérésének sebességét tekintve a twin-scroll turbófeltöltő körülbelül 0, 6 másodperccel megelőzi az egy görgetést. Tehát 30 psi-nél a különbség 400 fordulat / perc (5500 vs. 5100 fordulat / perc).

Egy másik összehasonlítást a Full Race Motorsports végzett egy 2,3 literes Ford EcoBoost motorral, BorgWarner EFR turbinával. Ebben az esetben számítógépes szimulációval összehasonlítottuk az egyes csatornák kipufogógáz-áramlási sebességét. Egy ikertekercses turbina esetében ennek az értéknek a terjedése legfeljebb 4% volt, míg egytekercsnél–15%. Az áramlási sebességek jobb konzisztenciája kisebb keverési veszteségeket és nagyobb impulzusenergiát jelez a twin-scroll turbófeltöltőknél.

Előnyök és hátrányok

A Twin-scroll turbinákat számos előny jellemzi az egyhengeres opciókkal szemben. Ezek a következők:

• nagyobb teljesítmény a teljes fordulatszám-tartományban;
• jobb reakcióképesség;
• alacsonyabb keverési veszteségekkel;
• megnövekedett impulzusenergia turbinakerékenként;
• jobb hatékonyságnövelés;
• az alsó nagyobb nyomaték hasonló az iker-turbó rendszerhez;
• a szívó töltés csillapításának csökkentése, ha a szelepek átfedik a hengerek között;
• a kipufogógáz hőmérsékletének csökkentése;
• a motor impulzusveszteségeinek csökkentése;
• csökkentett üzemanyag-fogyasztás.

A fő hátrány a tervezés nagy bonyolultsága, ami megnövekedett költségeket okoz. Ezenkívül nagy nyomáson, nagy sebességgel a gázáramlás elválasztása nem teszi lehetővé, hogy ugyanazt a csúcsteljesítményt érje el, mint egy görgető turbinán.

Szerkezetileg a twin-scroll turbinák hasonlóak a két turbófeltöltővel rendelkező rendszerekhez (bi-turbo és twin-turbo). Összehasonlítva velük, az ilyen turbinák éppen ellenkezőleg, előnyösek a költségek és a tervezés egyszerűsége szempontjából. Ezt egyes gyártók használják, például a BMW, amely az n54b30 1-es sorozatú M kupé iker-turbó rendszerét az n55b30 M2-es iker-scroll turbófeltöltővel váltotta fel.

Meg kell jegyezni, hogy a turbinák még technikailag fejlettebb változatai is vannak, amelyek fejlesztésük legmagasabb szakaszát képviselik-változó geometriájú turbófeltöltők. Általánosságban elmondható, hogy ugyanolyan előnyökkel rendelkeznek a hagyományos turbinákkal szemben, mint a twin-scroll turbinák, de nagyobb mértékben. Az ilyen turbófeltöltők azonban sokkal összetettebb kialakításúak. Ezenkívül nehezen állíthatók be olyan motorokra, amelyeket eredetileg nem ilyen rendszerekhez terveztek, mivel azokat a motorvezérlő egység vezérli. Végül, a fő tényező, amely ezeknek a turbináknak a benzinmotorokban való rendkívül rossz használatát okozza, az ilyen motorok modelljeinek nagyon magas költsége. Ezért mind a tömeggyártásban, mind a hangolásban rendkívül ritkák, de széles körben elterjedtek a haszongépjárművek dízelmotorjain.

A SEMA 2015-ben. A BorgWarner bemutatta a twin-scroll technológiát és a változó geometriájú kialakítást ötvöző fejlesztést-twin-scroll változó geometriájú turbina. A kettős bejárati részébe csappantyú van felszerelve, amely a terheléstől függően elosztja az áramlást a járókerekeken keresztül. Alacsony fordulatszámon az összes kipufogógáz a forgórész egy kis részére megy, a nagy pedig blokkolva van, ami még gyorsabb centrifugálást biztosít, mint egy hagyományos ikergörgő turbina. A terhelés növekedésével a fedél fokozatosan középső helyzetbe kerül, és egyenletesen osztja el az áramlást nagy sebességgel, mint egy standard twin-scroll kialakításban. Így ez a technológia, mint a változó geometriájú technológia, a terheléstől függően megváltoztatja az A/R arányt, a turbinát a motor működési módjához igazítva, ami kiterjeszti a működési tartományt. Ugyanakkor a tervezés sokkal egyszerűbb és olcsóbb, mivel itt csak egy mozgó elemet használnak, egyszerű algoritmus szerint dolgoznak, és hőálló anyagok használata nem szükséges. Meg kell jegyezni, hogy hasonló megoldásokat találtak korábban (például gyors orsószelep), de valamilyen oknál fogva ez a technológia nem talált elosztást.

Alkalmazás

Mint fentebb megjegyeztük, az ikergörgő turbinákat gyakran használják soros sportautókon. A tuning során azonban a singlescroll rendszerekkel rendelkező motorok használatát a korlátozott hely akadályozza. Ez elsősorban a kollektor kialakításának köszönhető: azonos hosszúságú, elfogadható radiális kanyarok és áramlási jellemzők fenntartása szükséges. Ezenkívül az optimális hosszúság és hajlítás, valamint az anyag és a falak vastagsága. A teljes verseny adatai szerint a twin-scroll turbinák nagyobb hatékonysága miatt kisebb átmérőjű csatornákat lehet használni. Összetett alakjuk és kettős bemenetük miatt azonban az ilyen kollektor minden esetben nagyobb, nehezebb és összetettebb a szokásosnál a nagyobb Alkatrészszám miatt. Ezért előfordulhat, hogy nem illeszkedik egy szabványos helyre, amelynek eredményeként meg kell változtatni a forgattyúházat. Továbbá, maguk a twin scroll turbinák nagyobbak, mint a hasonló singlescroll. Ezenkívül más appipe és olajfogó is szükséges. Ezenkívül a külső nyugati kapuk jobb teljesítménye érdekében két nyugati kaput (járókerékenként egyet) használnak az ikergörgő rendszerekhez Y alakú cső helyett.

Mindenesetre lehetőség van egy iker-scroll turbina telepítésére egy VAZ-ra, vagy egy Porsche single-scroll turbófeltöltőre. A különbség a motor előkészítésével kapcsolatos költségek és munka mennyisége: ha Soros turbómotorokon, ha van hely, általában elegendő a kipufogócsonk és néhány más alkatrész cseréje és a beállítások elvégzése, akkor a légköri motorok sokkal komolyabb beavatkozást igényelnek a turbófeltöltéshez. A második esetben azonban a twin-scroll és a singlescroll rendszerek telepítésének összetettsége (de nem a költség) közötti különbség jelentéktelen.

Következtetések

A Twin-scroll turbinák a kettős turbina kerék kipufogógázainak külön ellátásának és a hengerek kölcsönös impulzushatásának kiküszöbölésének köszönhetően jobb teljesítményt, érzékenységet és hatékonyságot biztosítanak az egyhengeres opciókhoz képest. Egy ilyen rendszer létrehozása azonban nagyon drága lehet. Általában ez az optimális megoldás az érzékenység növelésére anélkül, hogy elveszítené maximális teljesítmény turbómotorokhoz.