Twin scroll turbiini: suunnittelun kuvaus, toimintaperiaate, plussat ja miinukset

2024 Kirjoittaja: Erin Ralphs | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-02-19 15:14

Turboahdettujen moottoreiden suurin haitta ilmakehän vaihtoehtoihin verrattuna on heikompi reagointikyky, koska turbiinin pyöriminen kestää tietyn ajan. Turboahtimien kehityksen myötä valmistajat kehittävät erilaisia tapoja parantaa reagointikykyään, suorituskykyään ja tehokkuuttaan. Twin scroll turbiinit ovat paras vaihtoehto.

Yleiset ominaisuudet

Tämä termi viittaa turboahtimiin, joissa on kaksoisimuaukko ja turbiinipyörän kaksoissiipipyörä. Ensimmäisten turbiinien ilmestymisestä lähtien (noin 30 vuotta sitten) ne on jaettu avoimiin ja erillisiin imuvaihtoehtoihin. Jälkimmäiset ovat analogeja nykyaikaisille twin-scroll-turboahtimille. Parhaat parametrit määräävät niiden käytön tuningissa ja moottoriurheilussa. Lisäksi jotkut valmistajat käyttävät niitä tuotantourheiluautoissa, kuten Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP jamuut

Suunnittelu ja toimintaperiaate

Twin-scroll-turbiinit eroavat perinteisistä turbiineista siten, että niissä on kaksoisturbiinipyörä ja sisääntulo-osa, joka on jaettu kahteen osaan. Roottori on rakenteeltaan monoliittinen, mutta siipien koko, muoto ja kaarevuus vaihtelevat halkaisijan mukaan. Toinen osa on suunniteltu pienelle kuormalle, toinen isolle.

Twin-scroll-turbiinien toimintaperiaate perustuu pakokaasujen erilliseen syöttämiseen eri kulmissa turbiinin pyörään nähden, riippuen sylinterien toimintajärjestyksestä.

Suunnitteluominaisuuksia ja kaksoisrullaturbiinin toimintaa käsitellään tarkemmin alla.

Pakosarja

Pakosarjan suunnittelu on ensisijaisen tärkeä twin-scroll-turboahtimelle. Se perustuu kilpa-jakotukkien sylinterikytkentäkonseptiin ja määräytyy sylintereiden lukumäärän ja laukaisujärjestyksen mukaan. Lähes kaikki 4-sylinteriset moottorit toimivat 1-3-4-2 järjestyksessä. Tässä tapauksessa yksi kanava yhdistää sylinterit 1 ja 4, toinen - 2 ja 3. Useimmissa 6-sylinterisissä moottoreissa pakokaasut syötetään erikseen 1, 3, 5 ja 2, 4, 6 sylinteristä. Poikkeuksena RB26 ja 2JZ on huomioitava. Ne toimivat järjestyksessä 1-5-3-6-2-4.

Näin ollen näissä moottoreissa 1, 2, 3 sylinteriä on yhdistetty yhdelle siipipyörälle ja 4, 5, 6 toiselle (turbiinikäytöt on järjestetty varastossa samassa järjestyksessä). Näin nimettymoottorit erottuvat yksinkertaistetusta pakosarjan rakenteesta, joka yhdistää kolme ensimmäistä ja kolme viimeistä sylinteriä kahdeksi kanavaksi.

Sylinterien tietyssä järjestyksessä kytkemisen lisäksi muut jakotukin ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä. Ensinnäkin molemmilla kanavilla on oltava sama pituus ja sama määrä mutkia. Tämä johtuu tarpeesta varmistaa toimitettujen pakokaasujen sama paine. Lisäksi on tärkeää, että jakotukin turbiinin laippa vastaa sen tuloaukon muotoa ja mittoja. Lopuksi parhaan suorituskyvyn varmistamiseksi jakotukin suunnittelun on oltava tiiviisti sovitettu turbiinin A/R:n kanssa.

Tarve käyttää kaksoisrullaturbiineissa sopivaa pakosarjaa määräytyy sen perusteella, että jos käytetään tavanomaista jakosarjaa, tällainen turboahdin toimii yksirullaisena. Sama havaitaan, kun yhden rullan turbiinia yhdistetään kaksoisrullaiseen jakotukkiin.

Sylinterien impulsiivinen vuorovaikutus

Yksi kaksoisrullaturboahtimien merkittävistä eduista, jotka määräävät niiden edut yksirullaisiin turboahtimiin verrattuna, on pakokaasuimpulssien aiheuttaman sylinterien keskinäisen vaikutuksen merkittävä väheneminen tai eliminointi.

On tunnettua, että kampiakselin täytyy pyöriä 720°, jotta jokainen sylinteri läpäisi kaikki neljä iskua. Tämä pätee sekä 4- että 12-sylinterisiin moottoreihin. Jos kampiakselia käännetään 720° ensimmäisissä sylintereissä, ne kuitenkin suorittavat yhden syklin,12-sylinterinen - kaikki syklit. Siten sylinterien lukumäärän kasvaessa kampiakselin pyörimismäärä samojen iskujen välillä jokaisessa sylinterissä vähenee. Joten 4-sylinterisissä moottoreissa tehoisku tapahtuu 180 ° välein eri sylintereissä. Tämä pätee myös imu-, puristus- ja poistoiskuihin. 6-sylinterisissä moottoreissa kampiakselin kahdella kierroksella tapahtuu enemmän tapahtumia, joten samat iskut sylinterien välillä ovat 120°:n päässä toisistaan. 8-sylinterisille moottoreille väli on 90 °, 12-sylinterisille - 60 °.

On tunnettua, että nokka-akseleiden vaihe voi olla 256-312° tai enemmän. Voimme esimerkiksi ottaa moottorin, jossa on 280° vaiheet sisään- ja ulostulossa. Vapautettaessa pakokaasuja tällaisessa 4-sylinterisessä moottorissa, joka 180 °, sylinterin pakoventtiilit ovat auki 100 °. Tämä on tarpeen männän nostamiseksi alha alta yläkuolokohtaan kyseisen sylinterin pakokaasun aikana. Kolmannen sylinterin 1-3-2-4 laukaisujärjestyksen myötä pakoventtiilit alkavat avautua männän iskun lopussa. Tällä hetkellä imuisku alkaa ensimmäisessä sylinterissä ja pakoventtiilit alkavat sulkeutua. Ensimmäisen 50° kolmannen sylinterin pakoventtiilien avautumisen aikana ensimmäisen sylinterin pakoventtiilit avautuvat ja myös sen imuventtiilit alkavat avautua. Siten venttiilit menevät päällekkäin sylintereiden välillä.

Kun pakokaasut on poistettu ensimmäisestä sylinteristä, pakoventtiilit sulkeutuvat ja imuventtiilit alkavat avautua. Samanaikaisesti kolmannen sylinterin pakoventtiilit avautuvat vapauttaen korkean energian pakokaasuja. Merkittävä osuusniiden painetta ja energiaa käytetään turbiinin pyörittämiseen ja pienempi osa etsii pienimmän vastuksen polkua. Ensimmäisen sylinterin sulkevien pakoventtiilien alhaisemman paineen vuoksi integroituun turbiinin sisääntuloon verrattuna osa kolmannen sylinterin pakokaasuista lähetetään ensimmäiseen.

Koska imuisku alkaa ensimmäisestä sylinteristä, imupanos laimennetaan pakokaasuilla, mikä menettää tehon. Lopuksi ensimmäisen sylinterin venttiilit sulkeutuvat ja kolmannen mäntä nousee. Jälkimmäiselle suoritetaan vapautus ja toistetaan sylinterille 1 tarkasteltu tilanne, kun toisen sylinterin pakoventtiilit avataan. Siten on hämmennystä. Tämä ongelma on vielä selvempi 6- ja 8-sylinterisissä moottoreissa, joiden pakokaasun iskunvälit sylintereiden välillä ovat vastaavasti 120 ja 90 °. Näissä tapauksissa kahden sylinterin pakoventtiilien päällekkäisyys on vielä pidempi.

Koska sylinterien lukumäärää on mahdotonta muuttaa, tämä ongelma voidaan ratkaista lisäämällä vastaavien jaksojen välistä aikaväliä turboahtimella. Jos käytetään kahta turbiinia 6- ja 8-sylinterisissä moottoreissa, sylintereitä voidaan yhdistää käyttämään niitä kutakin. Tässä tapauksessa samanlaisten pakoventtiilitapahtumien välinen aika kaksinkertaistuu. Esimerkiksi RB26:ssa voit yhdistää sylinterit 1-3 etuturbiiniin ja 4-6 takaturbiiniin. Tämä eliminoi yhden turbiinin sylinterien peräkkäisen toiminnan. Tästä syystä pakoventtiilitapahtumien välinen aikayhden turboahtimen sylinterit kasvavat 120 astetta 240 asteeseen.

Koska kaksoisrullaturbiinissa on erillinen pakosarja, se on tässä mielessä samanlainen kuin järjestelmä, jossa on kaksi turboahdinta. Joten 4-sylinterisissä moottoreissa, joissa on kaksi turbiinia tai twin-scroll-turboahdin, tapahtumien väli on 360 °. 8-sylinterisillä moottoreilla, joissa on samanlainen tehostusjärjestelmä, on sama väli. Hyvin pitkä ajanjakso, joka ylittää venttiilin noston keston, sulkee pois niiden päällekkäisyyden yhden turbiinin sylintereissä.

Tällä tavalla moottori imee enemmän ilmaa ja poistaa jäljellä olevat pakokaasut alhaisella paineella ja täyttää sylinterit tiheämmällä ja puhtaammalla panoksella, mikä johtaa tehokkaampaan palamiseen, mikä parantaa suorituskykyä. Lisäksi suurempi tilavuustehokkuus ja parempi puhdistus mahdollistavat suuremman sytytysviiveen käytön sylinterin huippulämpötilojen ylläpitämiseksi. Tämän ansiosta twin-scroll-turbiinien hyötysuhde on 7-8 % korkeampi verrattuna yksirullaturbiineihin, joiden polttoainetehokkuus on 5 % parempi.

Twin-scroll-turboahtimissa on korkeampi keskimääräinen sylinterin paine ja tehokkuus, mutta pienempi sylinterin huippupaine ja ulostulon vastapaine verrattuna yksirullaisiin turboahtimiin Full-Racen mukaan. Twin-scroll-järjestelmissä on enemmän vastapainetta matalilla kierrosluvuilla (edistää tehostusta) ja vähemmän korkealla kierrosluvulla (parantaa suorituskykyä). Lopuksi, moottori, jossa on tällainen tehostusjärjestelmä, on vähemmän herkkä laajan vaiheen negatiivisille vaikutuksillenokka-akselit.

Suorituskyky

Yllä oli kaksoisrullaturbiinien toiminnan teoreettiset kannat. Mitä tämä käytännössä antaa, selviää mittauksilla. DSPORT-lehti suoritti tällaisen testin yhden vieritysversioon verrattuna Project KA 240SX:lle. Sen KA24DET kehittää jopa 700 hv. Kanssa. pyörillä E85:ssä. Moottori on varustettu mukautetulla Wisecraft Fabrication -pakosarjalla ja Garrett GTX -turboahtimella. Testien aikana vain turbiinikoteloa vaihdettiin samalla A/R-arvolla. Tehon ja vääntömomentin muutosten lisäksi testaajat mittasivat reagointikykyä mittaamalla aikaa tiettyjen kierroslukujen saavuttamiseen ja lisäpaineeseen kolmannella vaihteella samanlaisissa käynnistysolosuhteissa.

Tulokset osoittivat twin-scroll-turbiinin parhaan suorituskyvyn koko kierroslukualueella. Se osoitti suurinta tehoa alueella 3500-6000 rpm. Parhaat tulokset johtuvat korkeammasta ahtopaineesta samalla kierrosluvulla. Lisäksi suurempi paine lisäsi vääntömomenttia, mikä on verrattavissa moottorin tilavuuden kasvuun. Se on myös voimakkain keskinopeuksilla. Kiihtyvyydessä 45:stä 80 m/h:iin (3100-5600 rpm) kaksoisrullaturbiini ylitti yhden vieritysturbiinin 0,49 sekunnilla (2,93 vs. 3,42), mikä antaa kolmen kappaleen eron. Toisin sanoen, kun auto, jossa on signal-scroll-turboahdin, saavuttaa 80 mph:n nopeuden, twin-scroll-versio kulkee 3 auton pituutta eteenpäin 95 mph:lla. Nopeusalueella 60-100 m/h (4200-7000 rpm), twin-scroll-turbiinin ylivoimaosoittautui vähemmän merkittäväksi ja oli 0,23 s (1,75 vs. 1,98 s) ja 5 m/h (105 vs. 100 m/h). Tietyn paineen saavuttamisnopeuden suhteen twin-scroll-turboahdin on noin 0,6 sekuntia edellä yksirullaista turboahdinta. Joten 30 psi:llä ero on 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

Toisen vertailun teki Full Race Motorsports 2,3 litran Ford EcoBoost -moottorilla, jossa oli BorgWarner EFR -turbo. Tässä tapauksessa pakokaasun virtausnopeutta kussakin kanavassa verrattiin tietokonesimulaatiolla. Twin-scroll-turbiinilla tämän arvon leviäminen oli jopa 4 %, kun taas yksirullaturbiinilla se oli 15 %. Parempi virtausnopeuden sovitus tarkoittaa pienempää sekoitushäviötä ja enemmän impulssienergiaa kaksoisrullaturboahtimissa.

Hyvät ja huonot puolet

Kaksoisrullaturbiinit tarjoavat monia etuja yksirullaisiin turbiineihin verrattuna. Näitä ovat:

• parempi suorituskyky koko kierroslukualueella;
• parempi reagointikyky;
• vähemmän sekoitushäviöitä;
• lisääntynyt impulssienergia turbiinin pyörään;
• parantaa tehokkuutta;
• enemmän pohjapään vääntömomenttia, joka on samanlainen kuin kaksoisturbojärjestelmä;
• imutäyttövaimennuksen vähentäminen, kun venttiilit menevät päällekkäin sylinterien välillä;
• alempi pakokaasun lämpötila;
• vähennä moottorin impulssihäviöitä;
• vähennä polttoaineenkulutusta.

Suurin haittapuoli on suunnittelun suuri monimutkaisuus, mikä aiheuttaa lisääntynyttähinta. Lisäksi korkeassa paineessa suurilla nopeuksilla kaasuvirran erottelu ei mahdollista samaa huipputehoa kuin yksirullaisessa turbiinissa.

Rakenteellisesti twin-scroll-turbiinit ovat analogisia kahdella turboahtimella (bi-turbo ja twin-turbo) varustetuille järjestelmille. Niihin verrattuna tällaisilla turbiineilla on päinvastoin etuja kustannusten ja suunnittelun yksinkertaisuuden suhteen. Jotkut valmistajat käyttävät tätä hyväkseen, kuten BMW, joka korvasi kaksoisturbojärjestelmän N54B30 1-Series M Coupessa kaksoisrullaturboahtimella N55B30 M2:ssa.

On huomattava, että turbiineille on olemassa vielä teknisesti edistyneempiä vaihtoehtoja, jotka edustavat niiden korkeinta kehitysvaihetta - turboahtimet vaihtelevalla geometrialla. Yleensä niillä on samat edut perinteisiin turbiineihin verrattuna kuin twin-scroll-turbiineilla, mutta enemmän. Tällaisilla turboahtimilla on kuitenkin paljon monimutkaisempi rakenne. Lisäksi niitä on vaikea asentaa moottoreihin, joita ei alun perin ole suunniteltu tällaisiin järjestelmiin, koska niitä ohjaa moottorin ohjausyksikkö. Lopuksi tärkein tekijä, joka aiheuttaa näiden turbiinien erittäin huonon käytön bensiinimoottoreissa, on tällaisten moottoreiden mallien erittäin korkea hinta. Siksi ne ovat sekä massatuotannossa että virityksessä erittäin harvinaisia, mutta niitä käytetään laaj alti hyötyajoneuvojen dieselmoottoreissa.

SeMA 2015 -messuilla BorgWarner julkisti Twin Scroll Variable Geometry -turbiinin, jossa yhdistyvät kaksoisrullatekniikka ja muuttuvan geometrian muotoilu. Hänessäkaksoistuloosaan on asennettu vaimennin, joka kuormituksesta riippuen jakaa virtauksen juoksupyörien kesken. Alhaisilla nopeuksilla kaikki pakokaasut menevät pieneen osaan roottorista ja suuri osa tukkeutuu, mikä mahdollistaa vielä nopeamman pyörimisen kuin perinteisessä kaksoisrullaturbiinissa. Kuorman kasvaessa vaimennin siirtyy vähitellen keskiasentoon ja jakaa virtauksen tasaisesti suurilla nopeuksilla, kuten tavallisessa kaksoisrullamallissa. Siten tämä tekniikka, kuten muuttuvageometrinen tekniikka, tarjoaa muutoksen A/R-suhteeseen kuormituksesta riippuen, säätämällä turbiinin moottorin toimintatilaan, mikä laajentaa toiminta-aluetta. Samaan aikaan suunnittelun huomioon ottaminen on paljon yksinkertaisempaa ja halvempaa, koska täällä käytetään vain yhtä liikkuvaa elementtiä, joka toimii yksinkertaisen algoritmin mukaan, eikä lämmönkestävien materiaalien käyttöä vaadita. On huomattava, että vastaavia ratkaisuja on kohdattu ennenkin (esim. pikaluistiventtiili), mutta jostain syystä tämä tekniikka ei ole saavuttanut suosiota.

Hakemus

Kuten edellä mainittiin, twin-scroll-turbiineja käytetään usein massatuotetuissa urheiluautoissa. Kuitenkin virityksen aikana niiden käyttöä monissa moottoreissa, joissa on yksirullajärjestelmä, haittaa rajallinen tila. Tämä johtuu ensisijaisesti kokoojan suunnittelusta: yhtä pituuksilla hyväksyttävät säteittäiset mutkat ja virtausominaisuudet on säilytettävä. Lisäksi on kysymys optimaalisesta pituudesta ja taivuudesta sekä materiaalista ja seinämän paksuudesta. Full-Racen mukaan suuremman tehokkuuden vuoksitwin-scroll-turbiineissa on mahdollista käyttää halkaisij altaan pienempiä kanavia. Kuitenkin monimutkaisen muotonsa ja kaksoissisääntulonsa vuoksi tällainen keräin on joka tapauksessa tavallista suurempi, raskaampi ja monimutkaisempi osien määrän vuoksi. Siksi se ei välttämättä sovi vakiopaikkaan, minkä seurauksena kampikammio on vaihdettava. Lisäksi kaksoisrullaturbiinit itsessään ovat suurempia kuin vastaavat yksirullaiset turbiinit. Lisäksi tarvitaan muita appe- ja öljyloukkuja. Lisäksi kahta hukkaventtiiliä (yksi juoksupyörää kohti) käytetään Y-putken sijasta paremman suorituskyvyn parantamiseksi ulkoisten hukkaventtiilien kanssa twin scroll -järjestelmissä.

Joka tapauksessa on mahdollista asentaa Twin Scroll -turbiini VAZ:iin ja korvata se Porschen yksirullaturboahtimella. Ero on moottorin valmistelutyön hinnassa ja laajuudessa: jos sarjaturbomoottoreissa, jos tilaa on, riittää yleensä pakosarjan ja joidenkin muiden osien vaihto ja säädöt, niin vapaasti hengittävillä moottoreilla tarvitaan paljon enemmän. vakava puuttuminen turboahtimeen. Kuitenkin toisessa tapauksessa ero asennuksen monimutkaisuuden (mutta ei kustannuksissa) välillä kaksoisrulla- ja yhden vieritysjärjestelmän välillä on merkityksetön.

Johtopäätökset

Twin-scroll-turbiinit tarjoavat paremman suorituskyvyn, herkkyyden ja tehokkuuden kuin yksirullaiset turbiinit jakavat pakokaasut kaksoisturbiinipyörään ja eliminoivat sylinterien häiriöitä. kuitenkintällaisen järjestelmän rakentaminen voi olla hyvin kallista. Kaiken kaikkiaan tämä on paras ratkaisu reagoivuuden lisäämiseen turbomoottorien maksimaalisesta suorituskyvystä tinkimättä.