Twin scroll turbiin: disaini kirjeldus, tööpõhimõte, plussid ja miinused

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-02-19 14:32

Turboülelaaduriga mootorite peamine puudus võrreldes atmosfäärivõimalustega on väiksem tundlikkus, kuna turbiini pöörlemine võtab teatud aja. Turboülelaadurite arendamisega arendavad tootjad erinevaid viise oma reageerimisvõime, jõudluse ja tõhususe parandamiseks. Topeltkerimisega turbiinid on parim valik.

Üldfunktsioonid

See termin viitab topeltsisselaskeava ja turbiiniratta topelttiivikuga turboülelaaduritele. Alates esimeste turbiinide ilmumisest (umbes 30 aastat tagasi) on neid eristatud avatud ja eraldi sisselaskevõimalusteks. Viimased on kaasaegsete twin-scroll-turboülelaadurite analoogid. Parimad parameetrid määravad nende kasutamise tuuningus ja motospordis. Lisaks kasutavad mõned tootjad neid seeriaviisilistel sportautodel nagu Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP jateised

Disain ja tööpõhimõte

Twin-scroll-turbiinid erinevad tavalistest turbiinidest kahe turbiiniratta ja kaheks jagatud sisselaskeosa poolest. Rootor on monoliitse konstruktsiooniga, kuid labade suurus, kuju ja kumerus varieeruvad piki läbimõõtu. Üks osa sellest on mõeldud väikese, teine suure koorma jaoks.

Twin-scroll-turbiinide tööpõhimõte põhineb heitgaaside eraldi etteandmisel turbiiniratta suhtes erineva nurga all, olenev alt silindrite tööjärjekorrast.

Disaini funktsioone ja kaksikkerimisega turbiini toimimist käsitletakse üksikasjalikum alt allpool.

Väljalaskekollektor

Väljalaskekollektori konstruktsioon on topeltkerimisega turboülelaadurite puhul esmatähtis. See põhineb võidusõidukollektorite silindrite sidumise kontseptsioonil ja selle määrab silindrite arv ja nende süütamise järjekord. Peaaegu kõik 4-silindrilised mootorid töötavad 1-3-4-2 järjekorras. Sel juhul ühendab üks kanal silindreid 1 ja 4, teine - 2 ja 3. Enamikul 6-silindrilistel mootoritel tarnitakse heitgaasid eraldi 1, 3, 5 ja 2, 4, 6 silindrist. Erandina tuleb märkida RB26 ja 2JZ. Need töötavad järjekorras 1-5-3-6-2-4.

Järelikult on nende mootorite puhul ühe tiiviku jaoks ühendatud 1, 2, 3 silindrit ja teise tiiviku jaoks 4, 5, 6 (turbiiniajamid on laos samas järjekorras). Nii nimetatudmootoreid eristab väljalaskekollektori lihtsustatud konstruktsioon, mis ühendab esimesed kolm ja kolm viimast silindrit kaheks kanaliks.

Lisaks silindrite kindlas järjekorras ühendamisele on väga olulised ka muud kollektori omadused. Esiteks peavad mõlemal kanalil olema sama pikkus ja sama arv painutusi. See on tingitud vajadusest tagada tarnitavate heitgaaside sama rõhk. Lisaks on oluline, et kollektori turbiini äärik vastaks selle sisselaskeava kuju ja mõõtmetele. Lõpuks, parima jõudluse tagamiseks peab kollektori konstruktsioon olema täpselt kooskõlas turbiini A/R-ga.

Vajaduse kasutada topeltkerimisega turbiinide jaoks sobiva konstruktsiooniga väljalaskekollektorit määrab asjaolu, et tavapärase kollektori kasutamisel töötab selline turboülelaadur ühekeriselisena. Sama ilmneb ka ühe rulliga turbiini kombineerimisel topeltkerimisega kollektoriga.

Silindrite impulsiivne interaktsioon

Kaksikkerimisega turboülelaadurite üks olulisi eeliseid, mis määravad ära nende eelised ühekerimisega turboülelaadurite ees, on silindrite heitgaasimpulsside vastastikuse mõju märkimisväärne vähenemine või kõrvaldamine.

On teada, et iga silindri kõigi nelja takti läbimiseks peab väntvõll pöörlema 720 °. See kehtib nii 4- kui 12-silindriliste mootorite kohta. Kui aga väntvõlli pööramisel 720 ° esimestel silindritel sooritavad nad ühe tsükli, siis12-silindriline - kõik tsüklid. Seega väheneb silindrite arvu suurenemisega väntvõlli pöörlemissagedus iga silindri samade löökide vahel. Niisiis toimub 4-silindrilistel mootoritel võimsustakt erinevates silindrites iga 180 ° järel. See kehtib ka sisselaske-, surve- ja väljalasketakti kohta. 6-silindrilistel mootoritel toimub väntvõlli kahel pöördel rohkem sündmusi, nii et samad käigud on silindrite vahel 120 °. 8-silindriliste mootorite puhul on intervall 90 °, 12-silindriliste mootorite puhul - 60 °.

On teada, et nukkvõllide faas võib olla 256–312° või rohkem. Näiteks võime võtta mootori, mille sisse- ja väljalaskeava juures on 280° faasid. Sellise 4-silindrilise mootori heitgaaside vabastamisel avanevad silindri väljalaskeklapid iga 180 ° võrra 100 °. See on vajalik kolvi tõstmiseks selle silindri väljalaske ajal alt üles surnud punkti. Kolmanda silindri süütamisjärjekorraga 1-3-2-4 hakkavad väljalaskeklapid avanema kolvikäigu lõpus. Sel ajal algab sisselasketakt esimeses silindris ja väljalaskeklapid hakkavad sulguma. Kolmanda silindri väljalaskeklappide avanemise esimese 50° jooksul avanevad esimese silindri väljalaskeklapid, samuti hakkavad avanema selle sisselaskeklapid. Seega klapid kattuvad silindrite vahel.

Pärast heitgaaside eemaldamist esimesest silindrist väljalaskeklapid sulguvad ja sisselaskeklapid hakkavad avanema. Samal ajal avanevad kolmanda silindri väljalaskeklapid, mis vabastavad suure energiatarbega heitgaase. Märkimisväärne osakaalnende rõhku ja energiat kasutatakse turbiini juhtimiseks ning väiksem osa otsib vähima takistuse teed. Esimese silindri sulgevate väljalaskeklappide madalama rõhu tõttu, võrreldes turbiini integreeritud sisselaskeavaga, suunatakse osa kolmanda silindri heitgaasidest esimesse.

Selle tõttu, et sisselasketakt algab esimesest silindrist, lahjendatakse sisselaskelaeng heitgaasidega, kaotades võimsuse. Lõpuks sulguvad esimese silindri klapid ja kolmanda kolb tõuseb üles. Viimase puhul toimub vabastamine ja teise silindri väljalaskeklappide avamisel korratakse silindri 1 puhul vaadeldud olukorda. Seega tekib segadus. See probleem on veelgi selgem 6- ja 8-silindrilistel mootoritel, mille heitgaaside käiguvahed on silindrite vahel vastav alt 120 ja 90 °. Nendel juhtudel on kahe silindri väljalaskeklappide kattumine veelgi pikem.

Silindrite arvu muutmise võimatuse tõttu saab selle probleemi lahendada sarnaste tsüklite vahelise intervalli suurendamisega turbolaaduri abil. Kahe turbiini kasutamisel 6- ja 8-silindrilistel mootoritel saab silindreid kombineerida, et neid mõlemat juhtida. Sel juhul kahekordistuvad intervallid sarnaste väljalaskeklappide sündmuste vahel. Näiteks RB26 jaoks saate kombineerida silindreid 1-3 esiturbiini ja 4-6 tagumise turbiini jaoks. See välistab ühe turbiini silindrite järjestikuse töö. Seetõttu on väljalaskeklappide sündmuste vaheline intervallühe turboülelaaduri silindrite pöördenurk suureneb 120°-lt 240°-le.

Tulenev alt asjaolust, et twin scroll turbiinil on eraldi väljalaskekollektor, sarnaneb see selles mõttes kahe turboülelaaduriga süsteemiga. Niisiis on kahe turbiini või topeltkerimisega turboülelaaduriga 4-silindrilistel mootoritel sündmuste vaheline intervall 360 °. Sarnaste võimendussüsteemidega 8-silindrilistel mootoritel on sama vahekaugus. Väga pikk periood, mis ületab ventiili tõste kestust, välistab nende kattumise ühe turbiini silindrite puhul.

Nii tõmbab mootor sisse rohkem õhku ja tõmbab madalal rõhul välja ülejäänud heitgaasid, täites silindrid tihedama ja puhtama laenguga, mille tulemuseks on intensiivsem põlemine, mis parandab jõudlust. Lisaks võimaldavad suurem mahuline efektiivsus ja parem puhastamine kasutada suuremat süüteviivitust, et hoida silindri tipptemperatuure. Tänu sellele on topeltkerimisega turbiinide kasutegur 7-8% kõrgem võrreldes ühekeriseliste turbiinidega, mille kütusesäästlikkus on 5%.

Twin-scroll-turboülelaaduritel on Full-Race'i andmetel kõrgem keskmine silindri rõhk ja efektiivsus, kuid madalam silindri tipprõhk ja väljalaske vasturõhk võrreldes ühekerimisega turboülelaaduritega. Twin-scroll süsteemidel on madalatel pööretel rohkem vasturõhku (soosib võimendust) ja vähem kõrgetel pööretel (parandab jõudlust). Lõpuks on sellise võimendussüsteemiga mootor vähem tundlik laifaasi negatiivsete mõjude suhtesnukkvõllid.

Esitus

Eespool olid teoreetilised seisukohad kaksikkerimisega turbiinide toimimise kohta. Mida see praktikas annab, selgub mõõtmistega. Sellise testi, võrreldes ühekerimisega versiooniga, viis ajakiri DSPORT läbi projektis KA 240SX. Tema KA24DET arendab kuni 700 hj. Koos. ratastel E85-l. Mootor on varustatud kohandatud Wisecraft Fabricationi väljalaskekollektoriga ja Garrett GTX turbolaaduriga. Katsete ajal muudeti ainult turbiini korpust sama A / R väärtuse juures. Lisaks võimsuse ja pöördemomendi muutustele mõõtsid testijad reageerimisvõimet, mõõtes sarnastel käivitustingimustel kolmanda käigu teatud pöörete arvu ja rõhu saavutamise aega.

Tulemused näitasid topeltkerimisega turbiini parimat jõudlust kogu pöörete arvu vahemikus. See näitas suurimat võimsuse üleolekut vahemikus 3500–6000 pööret minutis. Parimad tulemused on tänu kõrgemale ülelaadimisrõhule samadel pööretel minutis. Lisaks suurendas suurem rõhk pöördemomenti, mis on võrreldav mootori mahu suurendamise mõjuga. Samuti on see kõige tugevam keskmise kiiruse korral. Kiirenduses 45–80 m/h (3100–5600 pööret minutis) ületas kaksikkerimisega turbiin ühekerimisega 0,49 sekundiga (2,93 vs. 3,42), mis annab kolme kere erinevuse. See tähendab, et kui signaalkerimisega turbolaaduriga auto saavutab kiiruse 80 miili tunnis, liigub kaksikkerimisega variant 3 auto pikkust edasi kiirusel 95 miili tunnis. Kiirusevahemikus 60-100 m/h (4200-7000 p/min) on kaksikkerimisega turbiini paremusosutus vähem oluliseks ja ulatus 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) ja 5 m/h (105 versus 100 m/h). Teatud rõhu saavutamise kiiruse poolest edestab topeltkerimisega turboülelaadur ühekerimisega turbolaadurit umbes 0,6 sekundiga. Nii et 30 psi juures on erinevus 400 p/min (5500 vs 5100 p/min).

Teise võrdluse tegi Full Race Motorsports 2,3-liitrise Ford EcoBoost mootoriga koos BorgWarner EFR turboga. Sel juhul võrreldi heitgaasi voolukiirust igas kanalis arvutisimulatsiooniga. Twin-scroll-turbiini puhul oli selle väärtuse levik kuni 4%, ühekerimisturbiini puhul aga 15%. Parem voolukiiruse sobitamine tähendab väiksemat segamiskadu ja rohkem impulsienergiat topeltkerimisega turboülelaadurite jaoks.

Pussid ja miinused

Twin scroll turbiinidel on palju eeliseid võrreldes ühekerimisturbiinidega. Nende hulka kuuluvad:

• parem jõudlus kogu pöörete vahemikus;
• parem reageerimisvõime;
• vähem segamiskadu;
• suurenenud impulsienergia turbiinirattale;
• suurendada tõhusust;
• rohkem alumise otsa pöördemomenti, mis sarnaneb kahe turboga süsteemiga;
• sisselaskekoguse sumbumise vähendamine, kui klapid kattuvad silindrite vahel;
• madalam heitgaasi temperatuur;
• vähendada mootori impulsskadusid;
• vähenda kütusekulu.

Peamine puudus on disaini suur keerukus, mis põhjustab suurenenudhind. Lisaks ei võimalda gaasivoolu eraldamine kõrgel rõhul suurel kiirusel saavutada sama tippjõudlust kui ühekerimisega turbiinil.

Struktuurilt on twin-scroll-turbiinid analoogsed kahe turboülelaaduriga (bi-turbo ja twin-turbo) süsteemidega. Nendega võrreldes on sellistel turbiinidel eelised kulude ja disaini lihtsuse osas. Mõned tootjad kasutavad seda ära, näiteks BMW, mis asendas N54B30 1-seeria M kupee kahe turboga süsteemi N55B30 M2 kahe turboülelaaduriga.

Tuleb märkida, et turbiinide jaoks on tehniliselt veelgi arenenumad võimalused, mis esindavad nende kõrgeimat arenguetappi - muutuva geomeetriaga turbolaadurid. Üldiselt on neil samad eelised tavaliste turbiinide ees nagu kaksikkerimisega, kuid suuremal määral. Sellistel turboülelaaduritel on aga palju keerulisem disain. Lisaks on neid keeruline seadistada mootoritele, mis ei ole algselt selliste süsteemide jaoks mõeldud, kuna neid juhib mootori juhtseade. Lõpuks on peamine tegur, mis põhjustab nende turbiinide äärmiselt halba kasutamist bensiinimootoritel, selliste mootorite mudelite väga kõrge hind. Seetõttu on need nii masstootmises kui ka häälestamises äärmiselt haruldased, kuid neid kasutatakse laialdaselt tarbesõidukite diiselmootorites.

SeMA 2015 raames avalikustas BorgWarner konstruktsiooni, mis ühendab kaksikkerimise tehnoloogia muutuva geomeetriaga disainiga – Twin Scroll Variable Geometry Turbine. Temastopeltsisendi osasse on paigaldatud siiber, mis sõltuv alt koormusest jaotab voolu tiivikute vahel. Madalatel pööretel lähevad kõik heitgaasid väikesele osale rootorist ja suur osa on blokeeritud, mis tagab veelgi kiirema pöörlemise kui tavaline kaksikkerimisega turbiin. Koormuse kasvades liigub siiber järk-järgult keskasendisse ja jaotab voolu ühtlaselt suurtel kiirustel, nagu tavalises kaksikkerimises. Seega võimaldab see tehnoloogia sarnaselt muutuva geomeetriaga tehnoloogiaga A/R suhte muutumist sõltuv alt koormusest, reguleerides turbiini mootori töörežiimile, mis laiendab töövahemikku. Samal ajal on konstruktsiooni arvestades palju lihtsam ja odavam, kuna siin kasutatakse ainult ühte liikuvat elementi, mis töötab lihtsa algoritmi järgi ja kuumakindlate materjalide kasutamine pole vajalik. Tuleb märkida, et sarnaseid lahendusi on varemgi ette tulnud (näiteks kiirrullventiil), kuid miskipärast pole see tehnoloogia populaarsust kogunud.

Rakendus

Nagu eespool märgitud, kasutatakse masstoodanguna toodetud sportautodel sageli topeltkerimisega turbiine. Tuunimisel takistab nende kasutamist paljudel ühekerimissüsteemidega mootoritel aga piiratud ruum. See tuleneb eelkõige heedri konstruktsioonist: võrdsetel pikkustel tuleb säilitada vastuvõetavad radiaalsed kõverad ja vooluomadused. Lisaks on küsimus optimaalses pikkuses ja paindes, samuti materjalis ja seina paksuses. Full-Race’i sõnul tänu suuremale efektiivsuseletwin-scroll turbiinid, on võimalik kasutada väiksema läbimõõduga kanaleid. Kuid tänu oma keerulisele kujule ja topeltsisendile on selline kollektor igal juhul suurem, raskem ja suurema osade arvu tõttu tavapärasest keerulisem. Seetõttu ei pruugi see tavalisse kohta mahtuda, mille tulemusena tuleb karterit vahetada. Lisaks on kaksikkerimisega turbiinid ise suuremad kui sarnased ühekerimisega turbiinid. Lisaks on vaja muud õuna- ja õlipüüdurit. Lisaks kasutatakse topeltkerimissüsteemide väliste tõmbeventiilide parema jõudluse tagamiseks Y-toru asemel kahte tiiviku kohta (üks tiiviku kohta).

Igal juhul on VAZ-ile võimalik paigaldada kaksikkerimisega turbiini ja asendada see Porsche ühekerimisega turbolaaduriga. Erinevus seisneb mootori ettevalmistamise töö maksumuses ja mahus: kui seeriaturbomootoritel, kui ruumi on, piisab tavaliselt väljalaskekollektori ja mõnede muude osade väljavahetamisest ja reguleerimisest, siis vab althingavatel mootoritel on vaja palju rohkem. tõsine sekkumine turboülelaadurisse. Kuid teisel juhul on kahe- ja ühekerimisega süsteemide paigaldamise keerukuse (kuid mitte maksumuse) erinevus tähtsusetu.

Järeldused

Twin-scroll-turbiinid tagavad parema jõudluse, reageerimisvõime ja tõhususe kui ühekerimisega turbiinid, jagades heitgaasid kahe turbiiniga rattale ja kõrvaldades silindrite häired. Kuidsellise süsteemi ehitamine võib olla väga kulukas. Kokkuvõttes on see parim lahendus reageerimisvõime suurendamiseks turbomootorite maksimaalset jõudlust ohverdamata.