Twin scroll turbina: tervezési leírás, működési elv, előnyei és hátrányai

2024 Szerző: Erin Ralphs | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-02-19 16:30

A turbófeltöltős motorok fő hátránya az atmoszférikus opciókhoz képest a kisebb érzékenység, mivel a turbina felpörgetése bizonyos ideig tart. A turbófeltöltők fejlesztésével a gyártók különféle módszereket fejlesztenek ki reakciókészségük, teljesítményük és hatékonyságuk javítására. Az ikertekercses turbinák a legjobb megoldás.

Általános szolgáltatások

Ez a kifejezés azokra a turbófeltöltőkre vonatkozik, amelyek dupla bemenettel és a turbinakerék kettős járókerekével rendelkeznek. Az első turbinák megjelenése óta (kb. 30 évvel ezelőtt) nyílt és külön beszívási lehetőségekre különböztetik őket. Ez utóbbiak a modern, dupla görgős turbófeltöltők analógjai. A legjobb paraméterek határozzák meg használatukat a tuningban és a motorsportban. Emellett egyes gyártók sorozatgyártású sportautóknál is használják, mint például a Mitsubishi Evo, a Subaru Impreza WRX STI, a Pontiac Solstice GXP ésmások

Tervezés és működési elv

A Twin-scroll turbinák abban különböznek a hagyományos turbináktól, hogy ikerturbinás kerékkel és két bemeneti részükkel rendelkeznek. A rotor monolitikus kialakítású, de a lapátok mérete, alakja és görbülete az átmérő mentén változik. Egyik része kis terhelésre van kialakítva, a másik nagy terhelésre.

Az ikertekercses turbinák működési elve a kipufogógázok külön-külön, a turbinakerékhez képest eltérő szögben történő ellátásán alapul, a hengerek működési sorrendjétől függően.

A tervezési jellemzőket és az ikertekercses turbina működését az alábbiakban tárgyaljuk részletesebben.

Kipufogócső

A kipufogócső kialakítása elsődleges fontosságú a dupla görgős turbófeltöltők esetében. A versenyelosztók hengercsatlakozási koncepcióján alapul, és a hengerek száma és tüzelési sorrendje határozza meg. Szinte minden 4 hengeres motor 1-3-4-2 sorrendben működik. Ebben az esetben az egyik csatorna egyesíti az 1. és 4. hengert, a másik pedig a 2. és a 3. hengert. A legtöbb 6 hengeres motornál a kipufogógázokat külön szállítják 1, 3, 5 és 2, 4, 6 hengerből. Kivételt képez az RB26 és a 2JZ. 1-5-3-6-2-4 sorrendben működnek.

Következésképpen ezeknél a motoroknál az egyik járókerékhez 1, 2, 3 henger, a másodikhoz 4, 5, 6 henger kapcsolódik (a turbinahajtások ugyanabban a sorrendben vannak a raktáron). Így nevezték ela motorokat a kipufogócső leegyszerűsített kialakítása jellemzi, amely az első három és az utolsó három hengert két csatornába egyesíti.

A hengerek meghatározott sorrendben történő csatlakoztatásán túl az elosztó egyéb jellemzői is nagyon fontosak. Először is mindkét csatornának azonos hosszúságúnak és azonos számú hajlításnak kell lennie. Ez annak köszönhető, hogy biztosítani kell a szállított kipufogógázok azonos nyomását. Ezenkívül fontos, hogy a turbina karimája az elosztón illeszkedjen a bemeneti nyílás alakjához és méretéhez. Végül a legjobb teljesítmény biztosítása érdekében az elosztócső kialakítását szorosan hozzá kell igazítani a turbina A/R-éhez.

A megfelelő kialakítású kipufogócsonk használatának szükségességét az ikertekercses turbinákhoz az határozza meg, hogy a hagyományos elosztócső használata esetén az ilyen turbófeltöltő egyhengerűként működik. Ugyanez figyelhető meg az egyszeres görgős turbina és az ikertekercses elosztócső kombinálásakor is.

A hengerek impulzív kölcsönhatása

A dupla görgős turbófeltöltők egyik jelentős előnye, amely meghatározza előnyeiket az egyszeres görgősekkel szemben, a hengerek kipufogógáz-impulzusok általi kölcsönös hatásának jelentős csökkentése vagy megszüntetése.

Ismert, hogy ahhoz, hogy minden henger átmenjen mind a négy ütemben, a főtengelynek 720°-kal el kell forgatnia. Ez mind a 4-, mind a 12-hengeres motorokra igaz. Ha azonban, amikor a főtengelyt 720°-kal elforgatják az első hengereken, azok teljesítenek egy ciklust, akkor12 hengeres - minden ciklus. Így a hengerek számának növekedésével a főtengely forgásának mértéke az egyes hengerek azonos ütemei között csökken. Tehát a 4 hengeres motorokon a teljesítménylöket 180 ° -onként történik különböző hengerekben. Ez igaz a szívó-, kompresszió- és kipufogólöketekre is. A 6 hengeres motoroknál több esemény történik a főtengely 2 fordulatánál, így a hengerek között ugyanazok a löketek 120°-ban vannak egymástól. 8 hengeres motoroknál az intervallum 90 °, 12 hengeres motoroknál - 60 °.

Ismert, hogy a vezérműtengelyek fázisa 256-312° vagy több is lehet. Például vehetünk egy motort, amelynek 280°-os fázisa van a bemenetnél és a kimenetnél. Amikor egy ilyen 4 hengeres motoron kipufogógázt bocsátanak ki, 180 ° -onként a henger kipufogószelepei 100 ° -kal nyitva lesznek. Ez szükséges ahhoz, hogy a henger kipufogógáza során a dugattyút alulról a felső holtpontig emeljék. A harmadik henger 1-3-2-4 gyújtási sorrendjével a kipufogószelepek a dugattyúlöket végén nyitni kezdenek. Ekkor a szívólöket az első hengerben kezdődik, és a kipufogószelepek zárni kezdenek. A harmadik henger kipufogószelepeinek nyitásának első 50°-ában az első henger kipufogószelepei kinyílnak, és a szívószelepei is nyitni kezdenek. Így a szelepek átfedik egymást a hengerek között.

A kipufogógázok első hengerből való eltávolítása után a kipufogószelepek bezáródnak, és a szívószelepek nyitni kezdenek. Ugyanakkor a harmadik henger kipufogószelepei kinyílnak, és nagy energiájú kipufogógázokat bocsátanak ki. Jelentős részesedésnyomásukat és energiájukat a turbina meghajtására fordítják, kisebb részük pedig a legkisebb ellenállás útját keresi. Az első henger záró kipufogószelepeinek kisebb nyomása miatt, mint a turbina integrált bemeneténél, a harmadik henger kipufogógázainak egy része az elsőbe kerül.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a szívólöket az első hengerben kezdődik, a szívótöltet kipufogógázokkal hígul, elveszítve a teljesítményt. Végül az első henger szelepei bezáródnak, a harmadik dugattyúja pedig felemelkedik. Ez utóbbinál a kioldás megtörténik, és az 1. hengernél vizsgált helyzet megismétlődik, amikor a második henger kipufogószelepeit kinyitják. Így zűrzavar van. Ez a probléma még hangsúlyosabb a 6- és 8-hengeres motoroknál, amelyeknél a hengerek közötti kipufogólöket-intervallum 120, illetve 90 °. Ezekben az esetekben még hosszabb átfedés van a két henger kipufogószelepei között.

A hengerszám változtatásának lehetetlensége miatt ez a probléma megoldható a hasonló ciklusok közötti intervallum turbófeltöltővel történő növelésével. Ha a 6- és 8-hengeres motorokon két turbinát használnak, a hengerek kombinálhatók mindegyik meghajtására. Ebben az esetben a hasonló kipufogószelep-események közötti intervallum megduplázódik. Például az RB26-hoz kombinálhatja az 1-3 hengert az első turbinához és a 4-6 hengert a hátsó turbinához. Ez kiküszöböli a hengerek egymás utáni működését egy turbina esetében. Ezért a kipufogószelep eseményei közötti intervallum aegy turbófeltöltő hengereinek dőlésszöge 120-ról 240°-ra nő.

Annak köszönhetően, hogy a twin scroll turbina külön kipufogócsonkkal rendelkezik, ebben az értelemben hasonlít egy két turbófeltöltős rendszerhez. Tehát a két turbinával vagy dupla görgős turbófeltöltővel rendelkező 4 hengeres motoroknál 360 ° -os intervallum van az események között. A hasonló nyomásfokozó rendszerrel rendelkező 8 hengeres motorok távolsága azonos. Egy nagyon hosszú, a szelepemelés időtartamát meghaladó időszak kizárja azok átfedését egy turbina hengerei esetében.

Így a motor több levegőt szív be, és alacsony nyomáson kiszívja a maradék kipufogógázt, sűrűbb és tisztább töltettel tölti meg a hengereket, ami intenzívebb égést eredményez, ami javítja a teljesítményt. Ezenkívül a nagyobb térfogati hatékonyság és a jobb tisztítás lehetővé teszi a nagyobb gyújtáskésleltetés alkalmazását a henger csúcshőmérsékletének fenntartásához. Ennek köszönhetően a twin-scroll turbinák hatásfoka 7-8%-kal magasabb, mint az 5%-kal jobb üzemanyag-hatékonyságú egyhengerű turbináké.

A Full-Race szerint a dupla görgős turbófeltöltők átlagos hengernyomása és hatékonysága magasabb, de a henger csúcsnyomása és kimeneti ellennyomása alacsonyabb az egyszeres görgős turbófeltöltőkhöz képest. A kettős tekercses rendszereknek nagyobb az ellennyomása alacsony fordulatszámon (elősegíti a lendületet), és kisebb a magas fordulatszámon (javítja a teljesítményt). Végül egy ilyen gyorsítórendszerrel rendelkező motor kevésbé érzékeny a széles fázis negatív hatásairavezérműtengelyek.

Teljesítmény

Fentebb az ikertekercses turbinák működésének elméleti álláspontja volt. Hogy ez a gyakorlatban mit ad, azt mérésekkel állapítják meg. Egy ilyen tesztet az egygörgős változattal összehasonlítva a DSPORT magazin végzett a Project KA 240SX-en. KA24DET-je 700 LE-ig fejlődik. Val vel. kerekeken az E85-ön. A motor egyedi Wisecraft Fabrication kipufogócsonkkal és Garrett GTX turbófeltöltővel van felszerelve. A tesztek során csak a turbinaházat változtatták ugyanazon A/R érték mellett. A teljesítmény- és nyomatékváltozások mellett a tesztelők a reakciókészséget úgy mérték, hogy megmérték a bizonyos fordulatszámok eléréséhez szükséges időt és a nyomást a harmadik sebességfokozatban hasonló indítási feltételek mellett.

Az eredmények azt mutatták, hogy a dupla görgős turbina a legjobb teljesítményt nyújtja a teljes fordulatszám-tartományban. A legnagyobb teljesítményfölényt a 3500 és 6000 ford./perc közötti tartományban mutatta. A legjobb eredmény a magasabb töltőnyomásnak köszönhető azonos fordulatszámon. Ezenkívül a nagyobb nyomás növelte a nyomatékot, ami összemérhető a motor térfogatának növelésével. Közepes sebességnél is a legkifejezettebb. A 45-ről 80 m/h-ra gyorsulva (3100-5600 ford./perc) az ikertekercses turbina 0,49 másodperccel jobb teljesítményt nyújtott az egygörgősnél (2,93 vs. 3,42), ami három test közötti különbséget eredményez. Ez azt jelenti, hogy amikor egy jelzőhengeres turbófeltöltővel felszerelt autó eléri a 80 mérföld/órás sebességet, a twin-scroll változat 3 autóhosszal halad előre 95 mérföld/órás sebességgel. A 60-100 m/h (4200-7000 ford./perc) sebességtartományban a twin-scroll turbina fölényekevésbé jelentősnek bizonyult, és 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) és 5 m/h (105 versus 100 m/h) volt. Egy bizonyos nyomás elérésének sebességét tekintve a dupla görgős turbófeltöltő körülbelül 0,6 másodperccel előzi meg az egyszeres görgős turbófeltöltőt. Tehát 30 psi nyomáson a különbség 400 ford./perc (5500 vs 5100 rpm).

A Full Race Motorsports egy másik összehasonlítást végzett egy 2,3 literes Ford EcoBoost motorral, BorgWarner EFR turbóval. Ebben az esetben a kipufogógáz áramlási sebességét az egyes csatornákban számítógépes szimulációval hasonlították össze. Egy twin-scroll turbina esetében ennek az értéknek a szórása elérte a 4%-ot, míg az egyhengeres turbinánál 15%-ot. A jobb áramlási sebesség-illesztés kisebb keverési veszteséget és több impulzusenergiát jelent a dupla görgős turbófeltöltők számára.

Érvek és hátrányok

Az ikertekercses turbinák számos előnnyel rendelkeznek az egyszeres görgős turbinákkal szemben. Ezek a következők:

• megnövelt teljesítmény a teljes fordulatszám-tartományban;
• jobb reakcióképesség;
• kevesebb keverési veszteség;
• megnövekedett impulzusenergia a turbinakerékhez;
• jobban növeli a hatékonyságot;
• több alsó végnyomaték, hasonló a duplaturbós rendszerhez;
• a szívó töltés csillapításának csökkentése, ha a szelepek átfedik egymást a hengerek között;
• alacsonyabb kipufogógáz hőmérséklet;
• csökkenti a motor impulzusveszteségét;
• csökkentse az üzemanyag-fogyasztást.

A fő hátránya a tervezés nagy bonyolultsága, ami megnövekedettár. Ezenkívül nagy nyomáson, nagy fordulatszámon a gázáram szétválasztása nem teszi lehetővé ugyanazt a csúcsteljesítmény elérését, mint az egyhengerű turbinákon.

Szerkezetileg a twin-scroll turbinák a két turbófeltöltővel (bi-turbós és ikerturbós) rendelkező rendszerekkel analógok. Ezekkel összehasonlítva az ilyen turbináknak előnyei vannak a költségek és a tervezés egyszerűsége tekintetében. Egyes gyártók ezt kihasználják, például a BMW, amely az N54B30 1-Series M Coupé ikerturbós rendszerét az N55B30 M2 dupla görgős turbófeltöltőjére cserélte.

Meg kell jegyezni, hogy a turbinákhoz még technikailag fejlettebb lehetőségek is léteznek, amelyek fejlesztésük legmagasabb fokát képviselik – változó geometriájú turbófeltöltők. Általánosságban elmondható, hogy ugyanazokkal az előnyökkel rendelkeznek a hagyományos turbinákkal szemben, mint a twin-scroll, de nagyobb mértékben. Az ilyen turbófeltöltők azonban sokkal összetettebb felépítésűek. Ezenkívül nehéz beállítani azokat a motorokat, amelyeket eredetileg nem ilyen rendszerekhez terveztek, mivel a motorvezérlő egység vezérli őket. Végezetül, a fő tényező, amely e turbinák rendkívül gyenge használatát okozza a benzinmotoroknál, az ilyen motorokhoz használt modellek igen magas ára. Ezért mind a tömeggyártásban, mind a tuningban rendkívül ritkák, de széles körben használják a haszongépjárművek dízelmotorjain.

A 2015-ös SEMA kiállításon a BorgWarner bemutatta a Twin Scroll Variable Geometry Turbine-t, amely a ikertekercses technológiát a változó geometriájú kialakítással ötvözi. Bennea kettős bemeneti részbe csappantyú van beépítve, amely a terheléstől függően osztja el az áramlást a járókerekek között. Alacsony fordulatszámon az összes kipufogógáz a forgórész egy kis részébe kerül, a nagy része pedig blokkolva van, ami még gyorsabb felpörgést biztosít, mint egy hagyományos ikertekercses turbina. A terhelés növekedésével a csappantyú fokozatosan a középső helyzetbe kerül, és egyenletesen osztja el az áramlást nagy sebességeknél, mint a szabványos ikertekercses kialakításban. Így ez a technológia a változtatható geometriájú technológiához hasonlóan az A/R arány terheléstől függő változását biztosítja, a turbinát a motor üzemmódjához igazítva, ami kiterjeszti a működési tartományt. Ugyanakkor a tervezést tekintve sokkal egyszerűbb és olcsóbb, mivel itt csak egy mozgó elemet használnak, amely egyszerű algoritmus szerint működik, és nincs szükség hőálló anyagok használatára. Megjegyzendő, hogy hasonló megoldásokkal korábban is találkoztak már (például gyorsorsószelep), de valamiért ez a technológia nem vált népszerűvé.

Alkalmazás

Amint fentebb megjegyeztük, az ikertekercses turbinákat gyakran használják tömeggyártású sportautókban. Hangoláskor azonban használatukat sok, egyszeres görgős rendszerrel rendelkező motoron nehezíti a hely szűke. Ez elsősorban a gyűjtőfej kialakításának köszönhető: egyenlő hosszúságok esetén meg kell tartani az elfogadható sugárirányú íveket és áramlási jellemzőket. Emellett kérdés az optimális hossz és hajlítás, valamint az anyag és a falvastagság. A Full-Race szerint a nagyobb hatékonyság miatttwin-scroll turbináknál kisebb átmérőjű csatornák is használhatók. Az ilyen kollektor azonban összetett formájuknak és kettős bemenetének köszönhetően minden esetben nagyobb, nehezebb és bonyolultabb a szokásosnál a nagyobb alkatrészszám miatt. Ezért előfordulhat, hogy nem fér el egy szabványos helyre, aminek következtében a forgattyúház cseréje szükséges. Ezenkívül maguk az ikertekercses turbinák nagyobbak, mint a hasonló egyhengerűek. Ezen túlmenően szükség lesz más apple- és olajcsapdára is. Ezen túlmenően az Y-cső helyett két zárószelepet (járókerekenként egy) használnak a jobb teljesítmény érdekében a ikertekercses rendszerekhez használt külső záróelemekkel.

Mindenesetre lehetőség van egy VAZ-ra dupla görgős turbina felszerelésére, és egy Porsche egyhengerű turbófeltöltőre való cseréjére. A különbség a motor előkészítésének költségében és terjedelmében rejlik: ha soros turbómotoroknál, ha van hely, akkor általában elég a kipufogócsonkot és néhány más alkatrészt cserélni és beállításokat végezni, akkor a szívómotorok sokkal többet igényelnek. komoly beavatkozás a turbófeltöltésnél. A második esetben azonban a telepítés bonyolultságában (de nem a költségekben) a különbség az ikertekercses és az egyszeres görgetéses rendszerek között jelentéktelen.

Következtetések

A dupla görgős turbinák jobb teljesítményt, reakciókészséget és hatékonyságot biztosítanak, mint az egyszeres görgős turbinák azáltal, hogy a kipufogógázokat a kettős turbinás kerékre osztják, és kiküszöbölik a henger interferenciáját. azonbanegy ilyen rendszer kiépítése nagyon költséges lehet. Összességében ez a legjobb megoldás a reakciókészség növelésére a turbómotorok maximális teljesítményének feláldozása nélkül.