Twin-scroll turbina: opis dizajna, princip rada, za i protiv

Glavni nedostatak motora sa turbopunjačem u poređenju sa atmosferskim varijantama, manje je odziva zbog činjenice da je turbini potrebno određeno vreme da se odmota. Sa razvojem turbopunjača, proizvođači se razvijaju različiti načini za povećanje njihove reakcije, performansi i efikasnosti. Najoptimalnija opcija su twin scroll turbine.

Opće karakteristike

Pod ovim pojmom se podrazumijevaju turbopunjači sa dvostrukim ulaznim dijelom i dvostrukim radnim kolom turbinskog Točka. Od pojave prvih turbina (prije oko 30 godina) diferencirane su u varijante s otvorenim i odvojenim usisom. Ovo posljednje su analozi modernih Twin-scroll turbopunjača. Najbolji parametri određuju njihovu primjenu u podešavanju i motosportu. Pored toga, neki proizvođači ih koriste na serijskim sportskim automobilima, poput Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP itd.

Dizajn i princip rada

Turbine sa dvostrukim pomicanjem razlikuju se od konvencionalnih turbina po dvoturbinskom kotaču i ulaznom dijelu podijeljenom na dva dijela. Rotor ima monolitnu strukturu, ali veličina, oblik i savijanje sečiva variraju u prečniku. Jedan dio je dizajniran za mali teret, drugi za veliki.

Princip rada Twin scroll turbina zasniva se na odvojenom dovodu izduvnih gasova pod različitim uglovima u odnosu na turbinski točak, u zavisnosti od redosleda rada cilindara.

Dalje, detaljnije su razmatrane karakteristike dizajna i način rada Twin scroll turbine.

Izduvna grana

Glavni značaj za Twin-scroll turbopunjače je dizajn izduvnog razvodnika. Zasnovan je na konceptu spajanja cilindara trkačkih razdjelnika i određen je brojem cilindara i redoslijedom njihovog rada. Skoro svi 4-cilindrični motori funkcionišu po redosledu 1-3-4-2. U ovom slučaju, jedan kanal kombinuje 1 i 4 cilindra, drugi – 2 i 3 cilindra. Na većini 6-cilindarskih motora dovod izduvnih gasova se vrši odvojeno od 1, 3, 5 i 2, 4, 6 cilindara. RB26 i 2JZ treba napomenuti kao izuzeci. Oni rade u cilju 1-5-3-6-2-4.

Shodno tome, za ove motore se uparuju 1, 2, 3 cilindra za jedno radno kolo, 4, 5, 6 – za drugo (u odvodu je turbinski pogon organizovan istim redosledom). Dakle, ove motore odlikuje pojednostavljeni dizajn Izduvne grane, kombinujući prva tri i poslednja tri cilindra u dva kanala.

Pored povezivanja cilindara određenim redosledom, druge karakteristike kolektora su takođe veoma važne. Prije svega, oba kanala trebaju imati jednaku dužinu i isti broj krivina. To je zbog potrebe da se osigura isti pritisak isporučenih izduvnih gasova. Pored toga, važno je da turbina prirubnica na kolektoru odgovara oblik i veličina u njegov ulaz. Konačno, kako bi se osigurale najbolje performanse, potrebno je tačno uskladiti dizajn kolektora sa A/R vrijednošću turbine.

Potreba za korištenjem izduvnog razvodnika odgovarajućeg dizajna za turbine s dvostrukim pomicanjem određena je činjenicom da će u slučaju korištenja konvencionalnog kolektora takav turbopunjač raditi kao jednosmjerni. Isto će se primijetiti kada se kombinuje turbina sa jednim klizačem sa kolektorom za twinscroll.

Impulsna interakcija cilindara

Jedna od značajnih prednosti Twin-scroll turbopunjača, koje određuju njihove prednosti u odnosu na turbopunjače sa jednim skrolom, je značajno smanjenje ili eliminisanje međusobnog uticaja cilindara impulsima izduvnih gasova.

Poznato je da da bi svaki cilindar prošao sva četiri ciklusa, radilica se mora okrenuti za 720 °. To vrijedi i za 4-i za 12-cilindarske motore. Međutim, ako kada se radilica rotira za 720 ° na prvim cilindrima, jedan hod je završen, onda na 12-cilindričnom – svi potezi. Dakle, s povećanjem broja cilindara, količina rotacije radilice između istih ciklusa za svaki cilindar se smanjuje. Dakle, na 4-cilindričnim motorima radni hod se javlja svakih 180 ° u različitim cilindrima. Ovo važi i za cikluse usisavanja, kompresije i izduvnih gasova. Na 6-cilindričnim motorima događa se više događaja u 2 okreta radilice, tako da su isti ciklusi između cilindara odvojeni za 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, možete uzeti motor sa fazama od 280° na ulazu i izlazu. Kada se izduvni gasovi ispuste na takvom 4-cilindričnom motoru, izduvni ventili cilindra će biti otvoreni za 100° svakih 180°. Ovo je potrebno za podizanje klipa od donje do gornje mrtve tačke tokom oslobađanja za ovaj cilindar. Po redosledu rada 1-3-2-4 za treći cilindar, izduvni ventili će početi da se otvaraju na kraju hoda klipa. U ovom trenutku, usisni hod će početi u prvom cilindru, a izduvni ventili će početi da se zatvaraju. Tokom prvih 50° otvaranja izduvnih ventila trećeg cilindra, otvoriće se izduvni ventili prvog cilindra, a počeće da se otvaraju i njegovi usisni ventili. Dakle, ventili se preklapaju između cilindara.

Nakon uklanjanja izduvnih gasova iz prvog cilindra, izduvni ventili se zatvaraju i usisni ventili počinju da se otvaraju. Istovremeno se otvaraju izduvni ventili trećeg cilindra, oslobađajući visokoenergetske izduvne gasove. Značajan dio njihovog pritiska i energije koristi se za pogon turbine, a manji dio traži put manjeg otpora. Zbog nižeg pritiska zatvaranja izduvnih ventila prvog cilindra u poređenju sa integralnim ulazom turbine, deo izduvnih gasova trećeg cilindra usmerava se na prvi.

Zbog činjenice da usisni hod počinje u prvom cilindru, usisni naboj se razrjeđuje izduvnim gasovima, gubeći snagu. Na kraju su ventili prvog cilindra zatvoreni, a klip trećeg raste. Za potonje se vrši ispuh, a situacija razmatrana za cilindar 1 ponavlja se kada se otvore izduvni ventili drugog cilindra. Dakle, postoji mješavina. Ovaj problem je još očigledniji kod 6-i 8-cilindričnih motora sa intervalima hoda izduvnih gasova između cilindara od 120 i 90 °, respektivno. U ovim slučajevima postoji još duže preklapanje izduvnih ventila dva cilindra.

Usled nemogućnosti promene broja cilindara, ovaj problem se može rešiti povećanjem intervala između sličnih ciklusa korištenjem turbopunjač. U slučaju korištenja dvije turbine na 6-i 8-cilindričnim motorima, moguće je kombinovati cilindre za pogon svakog od njih. U ovom slučaju, intervali između sličnih događaja izduvnih ventila će se udvostručiti. Na primjer, za RB26 moguće je kombinovati cilindre 1-3 za prednju turbinu i 4-6 za zadnju. Dakle, isključeno je sekvencijalno aktiviranje cilindara za jednu turbinu. Shodno tome, interval između događaja izduvnih ventila za cilindre jednog turbopunjača povećava se sa 120 na 240°.

Zbog činjenice da turbina sa dvostrukim pomeranjem ima zasebnu izduvnu granu, u tom smislu je slična sistemu sa dva turbopunjača. Dakle, 4-cilindrični motori sa dvije turbine ili Twin-scroll turbopunjačem imaju interval od 360 ° između događaja. 8-cilindrični motori sa sličnim sistemima pojačanja imaju isti interval. Veoma dug period, koji premašuje trajanje podizanja ventila, isključuje njihovo preklapanje za cilindre jedne turbine.

Tako motor uvlači više vazduha i izvlači ostatke izduvnih gasova niskim pritiskom, ispunjavajući cilindre gušćim i čistijim punjenjem, što obezbeđuje intenzivnije sagorevanje, povećavajući produktivnost. Pored toga, veća volumetrijska efikasnost i bolje čišćenje omogućavaju korištenje većeg kašnjenja paljenja koje održava vršnu temperaturu u cilindrima. Zbog toga je efikasnost turbina sa dvostrukim pomicanjem 7-8% veća u poređenju sa turbinama sa jednim pomicanjem sa 5% boljom efikasnošću goriva.

Prema podacima pune trke, turbopunjače sa dvostrukim skrolom, u poređenju sa turbopunjačima sa jednim skrolom, karakteriše veći prosečan pritisak i efikasnost cilindra, ali niži vršni pritisak u cilindru i zadnji pritisak na izlazu. Twin-scroll sistemi imaju veći pritisak unazad pri malim brzinama (što doprinosi povećanju) i manje pri velikim brzinama (povećava produktivnost). Konačno, motor sa takvim sistemom pojačanja manje je osjetljiv na negativne efekte širokofaznih bregastih osovina.

Efikasnost

Gore su bile teorijske odredbe funkcionisanja Twin scroll turbina. Šta to daje u praksi utvrđuje se mjerenjima. Takav test u poređenju sa verzijom singlescroll-a proveo je časopis DSPORT na projektu KA 240SX. Njegov KA24DET razvija do 700 l. s. na točkovima na E85. Motor je opremljen prilagođenim izduvnim razvodnikom Wisecraft Fabrication i Garrett GTX turbopunjačem. Tokom ispitivanja promijenjeno je samo turbinsko kućište sa istom A / R vrijednošću. Pored promene snage i obrtnog momenta, testeri su procenjivali odzivnost merenjem vremena za postizanje određenih obrtaja i povećanje pritiska u trećoj brzini pod sličnim uslovima startovanja.

Rezultati su pokazali najbolje performanse Twin scroll turbine u cijelom rasponu brzina. Pokazao je najveću superiornost u snazi u rasponu od 3500 do 6000 o / min. Najbolji rezultati se objašnjavaju visokim pritiskom prednapona pri istim obrtajima. 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), turbina sa dvostrukim klizanjem zaobišla je single-scroll za 0,49 s (2,93 s naspram 3,42), što će dati razliku od tri slučaja. Odnosno, kada automobil sa signlskroll turbopunjačem dostigne 80 m / h, twinskroll varijanta će ići 3 dužine automobila napred brzinom od 95 m / h. U rasponu brzina od 60-100 m / h (4200-7000 o / min), superiornost Twin-scroll turbine bila je manje značajna i iznosila je 0,23 s (1,75 naspram 1,98 s) i 5 m/h (105 naspram 100 m/h). U pogledu brzine postizanja određenog pritiska, Twin-scroll turbopunjač je ispred single-scroll za oko 0,6 s. Dakle, pri 30 psi, razlika je 400 o / min (5500 naspram 5100 o / min).

Još jedno poređenje napravio je full Race Motorsports na 2,3 L Ford EcoBoost motoru sa BorgWarner EFR turbinom. U ovom slučaju, brzina protoka izduvnih gasova u svakom kanalu je upoređena kompjuterskom simulacijom. Za Twin-scroll turbinu, širenje ove vrijednosti je do 4%, dok je za jedan-scroll-15%. Bolja konzistentnost protoka ukazuje na manje gubitke mešanja i veću impulsnu energiju za Twin-scroll turbopunjače.

Prednosti i mane

Twin-scroll turbine karakterišu mnoge prednosti u odnosu na opcije sa jednim pomicanjem. To uključuje:

• povećane performanse tokom čitavog raspona obrtaja;
• bolja reakcija;
• manji gubici miješanja;
• povećana pulsna energija po turbinskom kotaču;
• bolje povećajte efikasnost;
• veći obrtni moment na dnu sličan je twin-turbo sistemu;
• smanjenje slabljenja usisnog naboja kada se ventili preklapaju između cilindara;
• snižavanje temperature izduvnih gasova;
• smanjenje gubitaka impulsa motora;
• smanjena potrošnja goriva.

Glavni nedostatak je velika složenost dizajna, što uzrokuje veći trošak. Pored toga, pri visokom pritisku pri velikim brzinama, odvajanje protoka gasa neće vam omogućiti da dobijete iste vršne performanse kao na jednoj turbini za pomeranje.

Strukturno, Twin-scroll turbine su analogne sistemima sa dva turbopunjača (bi-turbo i twin-turbo). U poređenju s njima, takve turbine, naprotiv, imaju prednosti u cijeni i jednostavnosti dizajna. Ovo koriste neki proizvođači, kao što je BMW, koji je zamijenio twin-turbo sistem na N54b30 1-seriji M Coupe sa twin-scroll turbopunjačem na N55B30 M2.

Treba napomenuti da postoje još tehnički naprednije verzije turbina, koje predstavljaju najvišu fazu njihovog razvoja - turbopunjači varijabilne geometrije. Općenito, oni imaju iste prednosti u odnosu na konvencionalne turbine kao turbine sa dvostrukim pomicanjem, ali u većoj mjeri. Međutim, takvi turbopunjači imaju mnogo složeniji dizajn. Osim toga, teško ih je postaviti na motore koji prvobitno nisu bili dizajnirani za takve sisteme zbog činjenice da ih kontroliše upravljačka jedinica motora. Konačno, glavni faktor koji uzrokuje izuzetno lošu upotrebu ovih turbina na benzinskim motorima je veoma visoka cijena modela za takve motore. Stoga su i u masovnoj proizvodnji i u podešavanju izuzetno rijetki, ali su široko rasprostranjeni na dizel motorima komercijalnih vozila.

Na SEMA 2015. BorgWarner je predstavio razvoj koji kombinuje twin-scroll tehnologiju i dizajn sa varijabilnom geometrijom-twin-scroll turbina sa varijabilnom geometrijom. U njegov dvostruki ulazni deo ugrađen je klapna koja, u zavisnosti od opterećenja, raspoređuje protok kroz impelere. Pri malim brzinama svi izduvni gasovi idu u mali deo rotora, a veliki je blokiran, što omogućava još brže okretanje od konvencionalne turbine sa dvostrukim pomeranjem. Kako se opterećenje povećava, poklopac se postepeno pomera u srednju poziciju i ravnomerno raspoređuje protok pri velikim brzinama, kao u standardnom Twin-scroll dizajnu. Dakle, ova tehnologija, kao i tehnologija promenljive geometrije, obezbeđuje promenu odnosa A / R u zavisnosti od opterećenja, prilagođavajući turbinu režimu rada motora, što proširuje radni opseg. Istovremeno, s obzirom na to da je dizajn mnogo jednostavniji i jeftiniji, jer se ovde koristi samo jedan pokretni element, koji radi po jednostavnom algoritmu, a upotreba materijala otpornih na toplotu nije potrebna. Treba napomenuti da su slična rešenja pronađena i ranije (na primer, quick spool valve), ali iz nekog razloga ova tehnologija nije pronašla distribuciju.

Aplikacije

Kao što je gore navedeno, turbine sa dvostrukim klizanjem često se koriste na serijskim sportskim automobilima. Međutim, prilikom podešavanja, njihova upotreba na mnogim motorima sa sistemima za jednostruko kotrljanje ometa ograničen prostor. To je prvenstveno zbog dizajna kolektora: sa jednakom dužinom potrebno je održavati prihvatljive radijalne zavoje i karakteristike protoka. Pored toga, postoji pitanje optimalne dužine i savijanja, kao i materijala i debljine zidova. Prema podacima pune trke, zbog veće efikasnosti Twin-scroll turbina, moguće je koristiti kanale manjeg prečnika. Međutim, zbog svog složenog oblika i dvostrukog ulaza, takav sakupljač je u svakom slučaju veći, teži i složeniji nego inače zbog većeg broja dijelova. Stoga možda neće stati na Standardno mjesto, zbog čega će biti potrebno promijeniti Karter. Osim toga, twin scroll turbine sami su veći od sličnih singlescroll. Osim toga, bit će potrebni i drugi hvatač cijevi i ulja. Osim toga, za bolje performanse sa vanjskim westgates, dva westgates (jedan po radno kolo) se koriste za twin-scroll sisteme umjesto cijevi u obliku slova Y.

U svakom slučaju, moguće je instalirati turbinu sa dva pomeranja na VAZ i zameniti je Porsche turbopunjačem sa jednim pomeranjem. Razlika je u cijeni i količini rada na pripremi motora: ako je na serijskim turbo motorima, ako ima prostora, obično dovoljno zamijeniti ispušnu granu i neke druge dijelove i izvršiti podešavanja, tada atmosferski motori zahtijevaju mnogo ozbiljniju intervenciju za Turbo punjenje. Međutim, u drugom slučaju, razlika u složenosti instalacije (ali ne i u cijeni) twin-scroll i singlescroll sistema je beznačajna.

Zaključci

Turbine sa dvostrukim pomeranjem, zahvaljujući odvojenom dovodu izduvnih gasova na točak dvostruke turbine i eliminaciji međusobnog impulsnog uticaja cilindara, pružaju bolje performanse, odzivnost i efikasnost u poređenju sa opcijama sa jednim pomeranjem. Međutim, stvaranje takvog sistema može biti veoma skupo. Općenito, ovo je optimalno rješenje za povećanje odziva bez gubitka maksimalne performanse za turbo motore.