Turbina Twin Scroll: opis projektu, zasada działania, zalety i wady

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-02-19 18:16

Główną wadą silników z turbodoładowaniem w porównaniu z opcjami atmosferycznymi jest mniejsza responsywność, wynikająca z faktu, że rozkręcenie turbiny zajmuje pewien czas. Wraz z rozwojem turbosprężarek producenci opracowują różne sposoby poprawy ich reakcji, wydajności i efektywności. Turbiny Twin Scroll to najlepsza opcja.

Funkcje ogólne

Ten termin odnosi się do turbosprężarek z podwójnym wlotem i podwójnym wirnikiem turbiny. Od czasu pojawienia się pierwszych turbin (około 30 lat temu) zostały one podzielone na otwarte i oddzielne opcje dolotowe. Te ostatnie są odpowiednikami nowoczesnych turbosprężarek typu twin-scroll. Najlepsze parametry decydują o ich zastosowaniu w tuningu i sporcie motorowym. Ponadto niektórzy producenci stosują je w seryjnych samochodach sportowych, takich jak Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP iinne

Zasada konstrukcji i działania

Turbiny typu Twin-scroll różnią się od konwencjonalnych turbin tym, że mają podwójne koło turbiny i część wlotową podzieloną na dwie części. Wirnik ma konstrukcję monolityczną, ale rozmiar, kształt i krzywizna łopatek różnią się w zależności od średnicy. Jedna część przeznaczona jest na małe obciążenie, druga na duże.

Zasada działania turbin typu twin-scroll opiera się na oddzielnym dopływie spalin pod różnymi kątami do wirnika turbiny, w zależności od kolejności pracy cylindrów.

Cechy konstrukcyjne i sposób działania turbiny twin scroll omówiono bardziej szczegółowo poniżej.

Kolektor wydechowy

Konstrukcja kolektora wydechowego ma pierwszorzędne znaczenie dla turbosprężarek typu twin-scroll. Opiera się na koncepcji sprzęgu butli stosowanych w wyścigowych kolektorach i zależy od liczby butli i ich kolejności zapłonu. Prawie wszystkie 4-cylindrowe silniki pracują w kolejności 1-3-4-2. W tym przypadku jeden kanał łączy cylindry 1 i 4, drugi - 2 i 3. W większości silników 6-cylindrowych spaliny są dostarczane oddzielnie z 1, 3, 5 i 2, 4, 6 cylindrów. Jako wyjątki należy zwrócić uwagę na RB26 i 2JZ. Pracują w kolejności 1-5-3-6-2-4.

W konsekwencji, dla tych silników, 1, 2, 3 cylindry są dopasowane do jednego wirnika, 4, 5, 6 dla drugiego (napędy turbin są zorganizowane w magazynie w tej samej kolejności). Tak nazwanysilniki wyróżnia uproszczona konstrukcja kolektora wydechowego, która łączy pierwsze trzy i ostatnie trzy cylindry w dwa kanały.

Oprócz łączenia butli w określonej kolejności, bardzo ważne są inne cechy kolektora. Przede wszystkim oba kanały muszą mieć tę samą długość i taką samą liczbę zagięć. Wynika to z konieczności zapewnienia takiego samego ciśnienia doprowadzanych spalin. Ponadto ważne jest, aby kołnierz turbiny na kolektorze pasował do kształtu i wymiarów jego wlotu. Wreszcie, aby zapewnić najlepszą wydajność, konstrukcja kolektora musi być ściśle dopasowana do A/R turbiny.

Konieczność zastosowania kolektora wydechowego o odpowiedniej konstrukcji do turbin typu twin-scroll determinuje fakt, że w przypadku zastosowania kolektora konwencjonalnego taka turbosprężarka będzie pracować jako jednoskrętowa. To samo będzie obserwowane przy łączeniu turbiny jednoskrętowej z kolektorem dwuskrętowym.

Impulsowe oddziaływanie cylindrów

Jedną z istotnych zalet turbosprężarek typu twin-scroll, decydującą o ich przewadze nad turbosprężarkami typu single-scroll, jest znaczne zmniejszenie lub wyeliminowanie wzajemnego oddziaływania cylindrów przez impulsy spalin.

Wiadomo, że aby każdy cylinder wykonał wszystkie cztery suwy, wał korbowy musi obracać się o 720°. Dotyczy to zarówno silników 4-, jak i 12-cylindrowych. Jeśli jednak, gdy wał korbowy zostanie obrócony o 720 ° na pierwszych cylindrach, zakończą jeden cykl, a następnie12-cylindrowy - wszystkie cykle. W ten sposób wraz ze wzrostem liczby cylindrów zmniejsza się wielkość obrotu wału korbowego między tymi samymi suwami dla każdego cylindra. Tak więc w silnikach 4-cylindrowych skok mocy występuje co 180 ° na różnych cylindrach. Dotyczy to również suwów ssania, sprężania i wydechu. W silnikach 6-cylindrowych więcej zdarzeń występuje w 2 obrotach wału korbowego, więc te same suwy między cylindrami są oddalone od siebie o 120°. Dla silników 8-cylindrowych odstęp wynosi 90 °, dla silników 12-cylindrowych - 60 °.

Wiadomo, że wałki rozrządu mogą mieć fazę od 256 do 312° lub więcej. Na przykład możemy wziąć silnik z fazami 280° na wlocie i wylocie. Podczas wypuszczania spalin w takim 4-cylindrowym silniku, co 180 °, zawory wydechowe cylindra będą otwarte na 100 °. Jest to wymagane do podniesienia tłoka od dolnego do górnego martwego punktu podczas wydechu tego cylindra. Przy kolejności zapłonu 1-3-2-4 dla trzeciego cylindra zawory wydechowe zaczną się otwierać pod koniec suwu tłoka. W tym czasie suw ssania rozpocznie się w pierwszym cylindrze, a zawory wydechowe zaczną się zamykać. Podczas pierwszych 50° otwarcia zaworów wydechowych trzeciego cylindra otworzą się zawory wydechowe pierwszego cylindra, a jego zawory wlotowe również zaczną się otwierać. W ten sposób zawory zachodzą na siebie między cylindrami.

Po usunięciu spalin z pierwszego cylindra zawory wydechowe zamykają się, a zawory wlotowe zaczynają się otwierać. W tym samym czasie otwierają się zawory wydechowe trzeciego cylindra, uwalniając wysokoenergetyczne gazy wydechowe. Znaczący udziałich ciśnienie i energia są wykorzystywane do napędzania turbiny, a mniejsza część poszukuje drogi najmniejszego oporu. Ze względu na niższe ciśnienie zamykających zaworów wydechowych pierwszego cylindra w porównaniu z integralnym wlotem turbiny, część gazów wydechowych trzeciego cylindra jest przesyłana do pierwszego.

Z uwagi na fakt, że suw ssania rozpoczyna się w pierwszym cylindrze, ładunek dolotowy jest rozcieńczany spalinami, tracąc moc. W końcu zamykają się zawory pierwszego cylindra i podnosi się tłok trzeciego. W przypadku tego ostatniego następuje zwolnienie, a sytuacja rozpatrywana dla cylindra 1 powtarza się, gdy zawory wydechowe drugiego cylindra są otwarte. Tak więc jest zamieszanie. Problem ten jest jeszcze bardziej widoczny w silnikach 6- i 8-cylindrowych z odstępami skoków wydechu między cylindrami wynoszącymi odpowiednio 120 i 90 °. W takich przypadkach dochodzi do jeszcze dłuższego zachodzenia na siebie zaworów wydechowych dwóch cylindrów.

Ze względu na brak możliwości zmiany liczby cylindrów problem ten można rozwiązać zwiększając odstęp między podobnymi cyklami za pomocą turbosprężarki. W przypadku zastosowania dwóch turbin w silnikach 6- i 8-cylindrowych, można łączyć cylindry w celu napędzania każdego z nich. W takim przypadku odstępy między podobnymi zdarzeniami zaworu wydechowego ulegną podwojeniu. Na przykład w RB26 można łączyć cylindry 1-3 dla przedniej turbiny i 4-6 dla tylnej. Eliminuje to kolejne działanie cylindrów dla jednej turbiny. Dlatego odstęp między zdarzeniami zaworu wydechowego dlaliczba cylindrów jednej turbosprężarki wzrasta ze 120 do 240°.

Z uwagi na fakt, że turbina typu twin scroll ma oddzielny kolektor wydechowy, w tym sensie jest podobna do układu z dwoma turbosprężarkami. Tak więc 4-cylindrowe silniki z dwiema turbinami lub turbosprężarką typu twin-scroll mają przerwę 360 ° między zdarzeniami. Silniki 8-cylindrowe z podobnymi systemami doładowania mają takie same odstępy. Bardzo długi okres, przekraczający czas wzniosu zaworów, wyklucza ich zachodzenie na siebie dla cylindrów jednej turbiny.

W ten sposób silnik zasysa więcej powietrza i usuwa pozostałe gazy spalinowe pod niskim ciśnieniem, napełniając cylindry gęstszym i czystszym ładunkiem, co skutkuje bardziej intensywnym spalaniem, co poprawia osiągi. Ponadto większa wydajność objętościowa i lepsze czyszczenie pozwalają na zastosowanie wyższego opóźnienia zapłonu w celu utrzymania szczytowych temperatur cylindrów. Dzięki temu sprawność turbin typu twin-scroll jest o 7-8% wyższa w porównaniu z turbinami typu single-scroll o 5% lepszej efektywności paliwowej.

Turbosprężarki typu twin-scroll mają wyższe średnie ciśnienie w cylindrach i wydajność, ale niższe szczytowe ciśnienie w cylindrach i ciśnienie wsteczne na wylocie w porównaniu z turbosprężarkami z pojedynczym przewijaniem, zgodnie z danymi Full-Race. Systemy z podwójnym przewijaniem mają większe przeciwciśnienie przy niskich obrotach (wspierając doładowanie) i mniej przy wysokich obrotach (poprawa wydajności). Wreszcie, silnik z takim układem doładowania jest mniej wrażliwy na negatywne skutki szerokofazowegowałki rozrządu.

Wydajność

Powyżej przedstawiono teoretyczne pozycje funkcjonowania turbin typu twin-scroll. O tym, co daje to w praktyce, decydują pomiary. Taki test w porównaniu z wersją single-scroll przeprowadził magazyn DSPORT na Projekcie KA 240SX. Jego KA24DET rozwija do 700 KM. Z. na kołach na E85. Silnik jest wyposażony w niestandardowy kolektor wydechowy Wisecraft Fabrication i turbosprężarkę Garrett GTX. Podczas testów wymieniona została tylko obudowa turbiny przy tej samej wartości A/R. Oprócz zmian mocy i momentu obrotowego, testerzy zmierzyli reakcję, mierząc czas do osiągnięcia określonej prędkości obrotowej i ciśnienia doładowania na trzecim biegu w podobnych warunkach startu.

Wyniki wykazały najlepszą wydajność turbiny typu twin-scroll w całym zakresie obrotów. Wykazał największą przewagę mocy w zakresie od 3500 do 6000 obr/min. Najlepsze wyniki uzyskuje się dzięki wyższemu ciśnieniu doładowania przy tych samych obrotach. Ponadto większe ciśnienie zapewniało wzrost momentu obrotowego, porównywalny z efektem zwiększenia objętości silnika. Jest to również najbardziej widoczne przy średnich prędkościach. Przy przyspieszeniu od 45 do 80 m / h (3100-5600 obr./min) turbina typu twin-scroll przewyższała turbinę z pojedynczym zwojem o 0,49 s (2,93 vs 3,42), co da różnicę trzech korpusów. Oznacza to, że gdy samochód z turbosprężarką sygnalizacyjną rozpędza się do 80 mil na godzinę, wariant z podwójnym przewijaniem przejedzie 3 długości samochodu z prędkością 95 mil na godzinę. W zakresie prędkości 60-100 m/h (4200-7000 obr/min) przewaga turbiny typu twin-scrollokazał się mniej istotny i wyniósł 0,23 s (1,75 wobec 1,98 s) oraz 5 m/h (105 wobec 100 m/h). Pod względem szybkości osiągania określonego ciśnienia turbosprężarka typu twin-scroll wyprzedza turbosprężarkę typu single-scroll o około 0,6 s. Tak więc przy 30 psi różnica wynosi 400 obr/min (5500 vs 5100 obr/min).

Kolejne porównanie zostało przeprowadzone przez firmę Full Race Motorsports na silniku Ford EcoBoost 2,3 l z turbosprężarką BorgWarner EFR. W tym przypadku natężenie przepływu spalin w każdym kanale porównano za pomocą symulacji komputerowej. Dla turbiny typu twin-scroll rozpiętość tej wartości dochodziła do 4%, natomiast dla turbiny jednoskrętowej – 15%. Lepsze dopasowanie natężenia przepływu oznacza mniejsze straty mieszania i więcej energii impulsowej dla turbosprężarek typu twin-scroll.

Wady i zalety

Turbiny typu Twin Scroll oferują wiele zalet w porównaniu z turbinami typu single scroll. Należą do nich:

• zwiększona wydajność w całym zakresie obrotów;
• lepsza responsywność;
• mniejsze straty mieszania;
• zwiększona energia impulsu do wirnika turbiny;
• lepsze zwiększenie wydajności;
• większy moment obrotowy na dole podobny do systemu twin-turbo;
• redukcja tłumienia doładowania w przypadku nakładania się zaworów między cylindrami;
• niższa temperatura spalin;
• zmniejszenie strat impulsowych silnika;
• zmniejszenie zużycia paliwa.

Główną wadą jest duża złożoność projektu, powodująca wzrostCena £. Dodatkowo przy wysokim ciśnieniu przy dużych prędkościach separacja przepływu gazu nie pozwoli na uzyskanie takiej samej wydajności szczytowej jak na turbinie jednowirnikowej.

Strukturalnie turbiny typu twin-scroll są analogiczne do systemów z dwoma turbosprężarkami (bi-turbo i twin-turbo). W porównaniu z nimi, takie turbiny mają przewagę pod względem kosztów i prostoty konstrukcji. Niektórzy producenci korzystają z tego, na przykład BMW, które zastąpiło system twin-turbo w N54B30 1-Series M Coupe turbosprężarką twin-scroll w N55B30 M2.

Należy zauważyć, że istnieją jeszcze bardziej zaawansowane technicznie opcje dla turbin, reprezentujące najwyższy etap ich rozwoju - turbosprężarki o zmiennej geometrii. Ogólnie rzecz biorąc, mają te same zalety w porównaniu z konwencjonalnymi turbinami, co twin-scroll, ale w większym stopniu. Jednak takie turbosprężarki mają znacznie bardziej złożoną konstrukcję. Ponadto są one trudne do ustawienia na silnikach, które nie są oryginalnie zaprojektowane do takich systemów, ponieważ są sterowane przez jednostkę sterującą silnika. Wreszcie głównym czynnikiem powodującym skrajnie słabe wykorzystanie tych turbin w silnikach benzynowych jest bardzo wysoki koszt modeli do takich silników. Dlatego zarówno w produkcji masowej, jak i w tuningu są niezwykle rzadkie, ale są szeroko stosowane w silnikach wysokoprężnych pojazdów użytkowych.

Na SEMA 2015, BorgWarner zaprezentował projekt, który łączy technologię Twin Scroll z konstrukcją o zmiennej geometrii, Turbinę Twin Scroll o zmiennej geometrii. W niejW podwójnej części wlotowej zamontowana jest przepustnica, która w zależności od obciążenia rozdziela przepływ pomiędzy wirniki. Przy niskich prędkościach wszystkie spaliny trafiają do małej części wirnika, a duża część jest zablokowana, co zapewnia jeszcze szybsze rozpędzanie niż konwencjonalna turbina typu twin-scroll. Wraz ze wzrostem obciążenia przepustnica stopniowo przesuwa się do pozycji środkowej i równomiernie rozprowadza przepływ przy dużych prędkościach, jak w standardowej konstrukcji typu twin-scroll. Tym samym technologia ta, podobnie jak technologia zmiennej geometrii, zapewnia zmianę przełożenia A/R w zależności od obciążenia, dostosowując turbinę do trybu pracy silnika, co poszerza zakres pracy. Jednocześnie biorąc pod uwagę, że konstrukcja jest znacznie prostsza i tańsza, ponieważ zastosowano tu tylko jeden ruchomy element, pracujący według prostego algorytmu, a użycie materiałów żaroodpornych nie jest wymagane. Należy zauważyć, że z podobnymi rozwiązaniami spotykano się już wcześniej (np. szybki zawór rozdzielający), jednak z jakiegoś powodu technologia ta nie zyskała na popularności.

Aplikacja

Jak wspomniano powyżej, turbiny typu twin-scroll są często używane w masowo produkowanych samochodach sportowych. Jednak podczas strojenia ich zastosowanie w wielu silnikach z systemami pojedynczego przewijania jest utrudnione przez ograniczoną przestrzeń. Wynika to przede wszystkim z konstrukcji kolektora: przy równych długościach należy zachować dopuszczalne łuki promieniowe i charakterystykę przepływu. Do tego dochodzi kwestia optymalnej długości i gięcia, a także materiału i grubości ścianki. Według Full-Race, ze względu na większą wydajnośćturbiny typu twin-scroll, możliwe jest zastosowanie kanałów o mniejszej średnicy. Jednak ze względu na skomplikowany kształt i podwójny wlot taki kolektor jest w każdym przypadku większy, cięższy i bardziej skomplikowany niż zwykle ze względu na większą liczbę części. Dlatego może nie zmieścić się w standardowym miejscu, w wyniku czego konieczna będzie wymiana skrzyni korbowej. Ponadto same turbiny typu twin-scroll są większe niż podobne turbiny typu single-scroll. Ponadto wymagana będzie inna rura i syfon. Ponadto zastosowano dwie bramki upustowe (po jednym na wirnik) zamiast rury Y dla lepszej wydajności z zewnętrznymi zaworami upustowymi dla systemów typu twin scroll.

W każdym razie można zainstalować turbinę typu twin-scroll w VAZ i zastąpić ją turbosprężarką typu single-scroll Porsche. Różnica polega na kosztach i zakresie prac związanych z przygotowaniem silnika: jeśli w seryjnych silnikach turbo, jeśli jest miejsce, zwykle wystarczy wymienić kolektor wydechowy i kilka innych części oraz dokonać regulacji, to silniki wolnossące wymagają znacznie więcej poważna interwencja przy turbodoładowaniu. Jednak w drugim przypadku różnica w złożoności instalacji (ale nie w kosztach) między systemami typu twin-scroll i single-scroll jest nieznaczna.

Wnioski

Turbiny typu Twin-scroll zapewniają lepsze osiągi, responsywność i wydajność niż turbiny typu single-scroll, rozdzielając gazy wydechowe na koło z podwójną turbiną i eliminując zakłócenia w cylindrach. Jednakżebudowa takiego systemu może być bardzo kosztowna. Podsumowując, jest to najlepsze rozwiązanie zwiększające responsywność bez poświęcania maksymalnej wydajności silników z turbodoładowaniem.