Twin scroll turbína: popis konštrukcie, princíp činnosti, klady a zápory

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-02-19 18:21

Hlavnou nevýhodou turbodúchadlom preplňovaných motorov v porovnaní s atmosferickými možnosťami je menšia odozva v dôsledku toho, že roztočenie turbíny trvá určitý čas. S vývojom turbodúchadiel výrobcovia vyvíjajú rôzne spôsoby na zlepšenie ich odozvy, výkonu a účinnosti. Dvojité špirálové turbíny sú najlepšou voľbou.

Všeobecné funkcie

Tento výraz označuje turbodúchadlá s dvojitým vstupom a dvojitým obežným kolesom turbínového kolesa. Od objavenia sa prvých turbín (asi pred 30 rokmi) sa rozlišujú na otvorené a samostatné možnosti nasávania. Posledne menované sú analógmi moderných twin-scroll turbodúchadiel. Najlepšie parametre určujú ich využitie v tuningu a motoršporte. Niektorí výrobcovia ich navyše používajú na sériových športových autách ako Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP aostatné

Konštrukcia a princíp fungovania

Twin-sroll turbíny sa líšia od konvenčných turbín tým, že majú dvojité turbínové koleso a vstupnú časť rozdelenú na dve časti. Rotor je monolitického dizajnu, ale veľkosť, tvar a zakrivenie lopatiek sa líšia pozdĺž priemeru. Jedna jeho časť je určená na malú záťaž, druhá na veľkú.

Princíp činnosti twin-scroll turbín je založený na oddelenom prívode výfukových plynov v rôznych uhloch k turbínovému kolesu v závislosti od poradia činnosti valcov.

Konštrukčné prvky a spôsob fungovania dvojitej špirálovej turbíny sú podrobnejšie popísané nižšie.

Výfukové potrubie

Konštrukcia výfukového potrubia je pre turbodúchadlá typu twin-scroll prvoradá. Vychádza z koncepcie valcovej spojky pretekárskych potrubí a je určená počtom valcov a poradím ich streľby. Takmer všetky 4-valcové motory pracujú v poradí 1-3-4-2. V tomto prípade jeden kanál kombinuje valce 1 a 4, druhý - 2 a 3. Na väčšine 6-valcových motorov sú výfukové plyny dodávané oddelene od 1, 3, 5 a 2, 4, 6 valcov. Výnimkou je RB26 a 2JZ. Pracujú v poradí 1-5-3-6-2-4.

V dôsledku toho sú pre tieto motory spojené 1, 2, 3 valce pre jedno obežné koleso, 4, 5, 6 pre druhé (turbínové pohony sú usporiadané na sklade v rovnakom poradí). Takto pomenovanémotory sa vyznačujú zjednodušeným dizajnom výfukového potrubia, ktoré spája prvé tri a posledné tri valce do dvoch kanálov.

Okrem pripájania valcov v určitom poradí sú veľmi dôležité aj ďalšie vlastnosti rozdeľovača. V prvom rade musia mať oba kanály rovnakú dĺžku a rovnaký počet ohybov. Je to spôsobené potrebou zabezpečiť rovnaký tlak privádzaných výfukových plynov. Okrem toho je dôležité, aby príruba turbíny na rozdeľovači zodpovedala tvaru a rozmerom jej vstupu. Nakoniec, aby bol zaistený najlepší výkon, musí byť dizajn potrubia čo najpresnejšie prispôsobený A/R turbíne.

Potreba použitia výfukového potrubia vhodnej konštrukcie pre twin-scroll turbíny je daná tým, že v prípade použitia konvenčného potrubia bude takéto turbodúchadlo pracovať ako jednosvitkové. To isté bude možné pozorovať pri kombinácii jednosvitkovej turbíny s dvojskrutkovým potrubím.

Impulzívna interakcia valcov

Jednou z výrazných výhod twin-scroll turbodúchadiel, ktoré určujú ich prednosti oproti jednoskrutkovým, je výrazné zníženie alebo eliminácia vzájomného ovplyvňovania valcov impulzmi výfukových plynov.

Je známe, že aby každý valec prešiel všetkými štyrmi zdvihmi, kľukový hriadeľ sa musí otočiť o 720°. To platí pre 4- aj 12-valcové motory. Ak však prvé valce pri otočení kľukového hriadeľa o 720° dokončia jeden cyklus, potom na12-valec - všetky cykly. So zvýšením počtu valcov sa teda zníži počet otáčania kľukového hriadeľa medzi rovnakými zdvihmi pre každý valec. Takže na 4-valcových motoroch dochádza k zdvihu každých 180 ° v rôznych valcoch. To platí aj pre sacie, kompresné a výfukové zdvihy. Na 6-valcových motoroch dochádza k viacerým udalostiam pri 2 otáčkach kľukového hriadeľa, takže rovnaké zdvihy medzi valcami sú od seba vzdialené 120 °. Pre 8-valcové motory je interval 90 °, pre 12-valcové motory - 60 °.

Je známe, že vačkové hriadele môžu mať fázu 256 až 312° alebo viac. Napríklad si môžeme vziať motor s 280° fázami na vstupe a výstupe. Pri vypúšťaní výfukových plynov na takomto 4-valcovom motore sa každých 180° výfukové ventily valca otvoria na 100°. Toto je potrebné na zdvihnutie piestu zo spodnej do hornej úvrati počas výfuku daného valca. S poradím spustenia 1-3-2-4 pre tretí valec sa výfukové ventily začnú otvárať na konci zdvihu piesta. V tomto čase začne sací zdvih v prvom valci a výfukové ventily sa začnú zatvárať. Počas prvých 50° otvorenia výfukových ventilov tretieho valca sa otvoria výfukové ventily prvého valca a začnú sa otvárať aj jeho sacie ventily. Ventily sa teda medzi valcami prekrývajú.

Po odstránení výfukových plynov z prvého valca sa výfukové ventily zatvoria a sacie ventily sa začnú otvárať. Súčasne sa otvárajú výfukové ventily tretieho valca, čím sa uvoľňujú výfukové plyny s vysokou energiou. Významný podielich tlak a energia sa využíva na pohon turbíny a menšia časť hľadá cestu najmenšieho odporu. V dôsledku nižšieho tlaku uzatváracích výfukových ventilov prvého valca v porovnaní s integrálnym vstupom do turbíny je časť výfukových plynov z tretieho valca posielaná do prvého valca.

Vzhľadom na to, že sací zdvih začína v prvom valci, sacia náplň sa riedi výfukovými plynmi a stráca výkon. Nakoniec sa ventily prvého valca zatvoria a piest tretieho sa zdvihne. Pri druhom valci sa vykoná uvoľnenie a situácia uvažovaná pre valec 1 sa zopakuje, keď sa otvoria výfukové ventily druhého valca. Vzniká teda zmätok. Tento problém je ešte výraznejší pri 6- a 8-valcových motoroch s intervalmi zdvihu výfuku medzi valcami 120, respektíve 90°. V týchto prípadoch dochádza k ešte dlhšiemu prekrytiu výfukových ventilov dvoch valcov.

Vzhľadom na nemožnosť zmeny počtu valcov je možné tento problém vyriešiť zvýšením intervalu medzi podobnými cyklami pomocou turbodúchadla. V prípade použitia dvoch turbín na 6- a 8-valcových motoroch je možné valce kombinovať na pohon každého z nich. V tomto prípade sa intervaly medzi podobnými udalosťami výfukového ventilu zdvojnásobia. Napríklad pre RB26 môžete kombinovať valce 1-3 pre prednú turbínu a 4-6 pre zadnú. Tým sa eliminuje následná prevádzka valcov pre jednu turbínu. Preto interval medzi udalosťami výfukového ventilu prevalcov jedného turbodúchadla sa zvýši zo 120 na 240°.

Vzhľadom na to, že dvojitá špirálová turbína má samostatné výfukové potrubie, je v tomto zmysle podobná systému s dvoma turbodúchadlami. Takže 4-valcové motory s dvoma turbínami alebo twin-scroll turbodúchadlom majú interval medzi udalosťami 360 °. 8-valcové motory s podobnými posilňovacími systémami majú rovnaký rozstup. Veľmi dlhá doba, presahujúca trvanie zdvihu ventilu, vylučuje ich prekrytie pre valce jednej turbíny.

Týmto spôsobom motor nasáva viac vzduchu a pri nízkom tlaku odvádza zvyšné výfukové plyny, čím napĺňa valce hustejšou a čistejšou náplňou, výsledkom čoho je intenzívnejšie spaľovanie, ktoré zlepšuje výkon. Okrem toho väčšia objemová účinnosť a lepšie čistenie umožňujú použitie vyššieho oneskorenia zapaľovania na udržanie špičkových teplôt valca. Vďaka tomu je účinnosť twin-scroll turbín o 7-8% vyššia v porovnaní s jednosvitkovými turbínami s o 5% lepšou palivovou účinnosťou.

Twin-scroll turbodúchadlá majú podľa Full-Race vyšší priemerný tlak vo valci a účinnosť, ale nižší špičkový tlak vo valci a výstupný protitlak v porovnaní s jednoskrutkovými turbodúchadlami. Systémy Twin-scroll majú väčší protitlak pri nízkych otáčkach (podpora zvýšenia) a menší pri vysokých otáčkach (zlepšenie výkonu). Napokon, motor s takýmto posilňovacím systémom je menej citlivý na negatívne vplyvy širokofázového prúduvačkové hriadele.

Výkon

Vyššie boli uvedené teoretické pozície fungovania twin-scroll turbín. Čo to dáva v praxi, je stanovené meraniami. Takýto test porovnaním s jednosvitkovou verziou vykonal magazín DSPORT na Projecte KA 240SX. Jeho KA24DET vyvíja až 700 koní. S na kolesách na E85. Motor je vybavený vlastným výfukovým potrubím Wisecraft Fabrication a turbodúchadlom Garrett GTX. Počas testov sa menila iba skriňa turbíny pri rovnakej hodnote A/R. Okrem zmien výkonu a krútiaceho momentu testeri merali odozvu meraním času na dosiahnutie určitých otáčok za minútu a plniaceho tlaku na treťom prevodovom stupni za podobných podmienok štartu.

Výsledky ukázali najlepší výkon dvojskrutkovej turbíny v celom rozsahu otáčok. Najväčšiu prevahu vo výkone ukázal v rozmedzí od 3500 do 6000 ot./min. Najlepšie výsledky sú vďaka vyššiemu plniacemu tlaku pri rovnakých otáčkach. Väčší prítlak navyše zabezpečil nárast krútiaceho momentu, porovnateľný s efektom zväčšenia objemu motora. Najvýraznejšie sa to prejavuje aj v stredných otáčkach. V zrýchlení zo 45 na 80 m/h (3100 – 5600 ot./min.) predbehla dvojskrutková turbína jednoskrutkovú o 0,49 s (2,93 vs. 3,42), čím vznikne rozdiel troch telies. To znamená, že keď auto s turbodúchadlom so signálovým posúvaním dosiahne rýchlosť 80 míľ za hodinu, variant s dvojitým posúvaním prejde rýchlosťou 95 míľ za hodinu 3 dĺžky auta dopredu. V rozsahu otáčok 60-100 m/h (4200-7000 ot./min.), prevaha dvojskrutkovej turbínysa ukázali ako menej významné a dosahovali 0,23 s (1,75 oproti 1,98 s) a 5 m/h (105 oproti 100 m/h). Z hľadiska rýchlosti dosiahnutia určitého tlaku je twin-scroll turbodúchadlo pred jednoscrollovým turbodúchadlom asi o 0,6 s. Takže pri 30 psi je rozdiel 400 otáčok za minútu (5500 vs 5100 otáčok za minútu).

Ďalšie porovnanie urobil Full Race Motorsports na 2,3-litrovom motore Ford EcoBoost s turbom BorgWarner EFR. V tomto prípade sa prietok výfukových plynov v každom kanáli porovnával počítačovou simuláciou. Pri dvojsvitkovej turbíne bol rozptyl tejto hodnoty do 4 %, pri jednosvitkovej turbíne 15 %. Lepšie prispôsobenie prietoku znamená menšie straty pri miešaní a viac impulznej energie pre turbodúchadlá s dvojitým závitom.

Pre a proti

Twin špirálové turbíny ponúkajú mnoho výhod oproti jednosvitkovým turbínam. Patria sem:

• zvýšený výkon v celom rozsahu otáčok;
• lepšia odozva;
• menšia strata pri miešaní;
• zvýšená impulzná energia do turbínového kolesa;
• lepšie zvýšenie účinnosti;
• viac krútiaceho momentu na spodnom konci podobne ako systém s dvojitým turbom;
• zníženie útlmu sacieho plnenia, keď sa ventily medzi valcami prekrývajú;
• nižšia teplota výfukových plynov;
• zníženie impulzných strát motora;
• znížte spotrebu paliva.

Hlavnou nevýhodou je veľká zložitosť dizajnu, čo spôsobuje zvýšenécena. Navyše, pri vysokom tlaku a vysokých rýchlostiach vám oddelenie prúdu plynu neumožní dosiahnuť rovnaký špičkový výkon ako na turbíne s jedným závitom.

Konštrukčne sú twin-scroll turbíny analogické systémom s dvoma turbodúchadlami (bi-turbo a twin-turbo). V porovnaní s nimi majú takéto turbíny naopak výhody v nákladoch a jednoduchosti dizajnu. Niektorí výrobcovia to využívajú, ako napríklad BMW, ktoré nahradilo systém twin-turbo na N54B30 1-Series M Coupe s twin-scroll turbodúchadlom na N55B30 M2.

Treba podotknúť, že existujú ešte technicky vyspelejšie možnosti turbín, ktoré predstavujú najvyšší stupeň ich vývoja – turbodúchadlá s variabilnou geometriou. Vo všeobecnosti majú oproti konvenčným turbínam rovnaké výhody ako twin-scroll, ale vo väčšej miere. Takéto turbodúchadlá však majú oveľa zložitejšiu konštrukciu. Okrem toho sa ťažko nastavujú na motoroch, ktoré neboli pôvodne navrhnuté pre takéto systémy, pretože sú riadené riadiacou jednotkou motora. Napokon, hlavným faktorom, ktorý spôsobuje extrémne slabé používanie týchto turbín na benzínových motoroch, sú veľmi vysoké náklady na modely pre takéto motory. Preto sú v sériovej výrobe aj v tuningu extrémne zriedkavé, ale vo veľkej miere sa používajú na dieselových motoroch úžitkových vozidiel.

Na SEMA 2015 spoločnosť BorgWarner odhalila dizajn, ktorý kombinuje technológiu dvojitého rolovania s dizajnom s variabilnou geometriou, Twin Scroll Variable Geometry Turbine. V nejv dvojitej vstupnej časti je inštalovaná klapka, ktorá v závislosti od zaťaženia rozdeľuje prietok medzi obežné kolesá. Pri nízkych otáčkach idú všetky výfukové plyny do malej časti rotora a veľká časť je zablokovaná, čo poskytuje ešte rýchlejšie roztočenie ako bežná twin-scroll turbína. Pri zvyšovaní zaťaženia sa klapka postupne posúva do strednej polohy a rovnomerne rozdeľuje prúdenie pri vysokých rýchlostiach, ako pri štandardnom prevedení twin-scroll. Táto technológia, podobne ako technológia s premenlivou geometriou, teda zabezpečuje zmenu pomeru A/R v závislosti od zaťaženia a prispôsobuje turbínu prevádzkovému režimu motora, čím sa rozširuje prevádzkový rozsah. Konštrukcia je zároveň oveľa jednoduchšia a lacnejšia, pretože je tu použitý iba jeden pohyblivý prvok, ktorý pracuje podľa jednoduchého algoritmu a nie je potrebné použitie tepelne odolných materiálov. Treba poznamenať, že s podobnými riešeniami sme sa už stretli (napríklad rýchlosprietokový ventil), ale z nejakého dôvodu si táto technológia nezískala popularitu.

Aplikácia

Ako je uvedené vyššie, dvojskrutkové turbíny sa často používajú na sériovo vyrábaných športových autách. Pri ladení však ich použitie na mnohých motoroch s jednosvitkovými systémami bráni obmedzený priestor. Je to spôsobené predovšetkým konštrukciou zberača: pri rovnakých dĺžkach musia byť zachované prijateľné radiálne ohyby a prietokové charakteristiky. Okrem toho je tu otázka optimálnej dĺžky a ohybu, ako aj materiálu a hrúbky steny. Podľa Full-Race kvôli väčšej efektivitetwin-scroll turbíny, je možné použiť kanály s menším priemerom. Takýto kolektor je však vzhľadom na ich zložitý tvar a dvojitý prívod v každom prípade väčší, ťažší a komplikovanejší ako zvyčajne kvôli väčšiemu počtu dielov. Preto sa nemusí zmestiť na štandardné miesto, v dôsledku čoho bude potrebné vymeniť kľukovú skriňu. Okrem toho sú samotné twin-scroll turbíny väčšie ako podobné single-sroll turbíny. Okrem toho bude potrebná ďalšia aplikácia a zachytávač oleja. Okrem toho sa namiesto Y-rúrky používajú dve odpadové klapky (jedna na obežné koleso) pre lepší výkon s externými odpadovými klapkami pre systémy twin scroll.

V každom prípade je možné nainštalovať twin-scroll turbínu na VAZ a nahradiť ju jednoskrutkovým turbodúchadlom Porsche. Rozdiel je v cene a rozsahu práce na príprave motora: ak na sériových turbomotoroch, ak je priestor, väčšinou stačí vymeniť výfukové potrubie a niektoré ďalšie diely a vykonať úpravy, potom atmosférické motory vyžadujú oveľa viac vážny zásah do preplňovania turbodúchadlom. V druhom prípade je však rozdiel v zložitosti inštalácie (ale nie v nákladoch) medzi dvojitými a jednosvitkovými systémami zanedbateľný.

Závery

Twin-sroll turbíny poskytujú lepší výkon, odozvu a účinnosť ako jednosvitkové turbíny tým, že rozdeľujú výfukové plyny na dvojité turbínové koleso a eliminujú rušenie valcov. Avšakvybudovanie takéhoto systému môže byť veľmi nákladné. Celkovo vzaté, toto je najlepšie riešenie na zvýšenie odozvy bez obetovania maximálneho výkonu pre turbomotory.