Twin scroll-turbin: designbeskrivelse, driftsprinsipp, fordeler og ulemper

2024 Forfatter: Erin Ralphs | [email protected]. Sist endret: 2024-02-19 18:14

Den største ulempen med turboladede motorer sammenlignet med atmosfæriske alternativer er mindre reaksjonsevne, på grunn av det faktum at spin-up av turbinen tar en viss tid. Med utviklingen av turboladere utvikler produsenter ulike måter å forbedre respons, ytelse og effektivitet på. Twin scroll-turbiner er det beste alternativet.

Generelle funksjoner

Dette begrepet refererer til turboladere med dobbelt inntak og dobbel impeller på turbinhjulet. Siden de første turbinene dukket opp (for ca. 30 år siden), har de blitt differensiert i åpne og separate inntaks alternativer. Sistnevnte er analoger av moderne twin-scroll turboladere. De beste parameterne bestemmer deres bruk i tuning og motorsport. I tillegg bruker noen produsenter dem på produksjonssportsbiler som Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP ogandre

Design- og driftsprinsipp

Twin-scroll-turbiner skiller seg fra konvensjonelle turbiner ved å ha et tvillingturbinhjul og en innløpsdel delt i to. Rotoren er av en monolittisk design, men størrelsen, formen og krumningen til bladene varierer langs diameteren. Den ene delen av den er designet for en liten last, den andre for en stor.

Prinsippet for drift av twin-scroll-turbiner er basert på separat tilførsel av eksosgasser i forskjellige vinkler til turbinhjulet, avhengig av rekkefølgen på sylindrene.

Designfunksjonene og hvordan twin scroll-turbinen fungerer er diskutert mer detaljert nedenfor.

Eksosmanifold

Utformingen av eksosmanifolden er av primær betydning for twin-scroll turboladere. Den er basert på sylinderkoblingskonseptet til racingmanifolder og bestemmes av antall sylindre og deres avfyringsrekkefølge. Nesten alle 4-sylindrede motorer fungerer i en 1-3-4-2 rekkefølge. I dette tilfellet kombinerer en kanal sylindere 1 og 4, den andre - 2 og 3. På de fleste 6-sylindrede motorer leveres eksosgasser separat fra 1, 3, 5 og 2, 4, 6 sylindre. Som unntak bør RB26 og 2JZ bemerkes. De fungerer i rekkefølgen 1-5-3-6-2-4.

Følgelig, for disse motorene, er 1, 2, 3 sylindre sammenkoblet for ett løpehjul, 4, 5, 6 for det andre (turbindrevene er organisert i lageret i samme rekkefølge). Slik hetermotorene utmerker seg ved en forenklet utforming av eksosmanifolden, som kombinerer de tre første og tre siste sylindrene i to kanaler.

I tillegg til å koble sylindrene i en bestemt rekkefølge, er andre funksjoner ved manifolden svært viktige. For det første må begge kanalene ha samme lengde og samme antall bøyninger. Dette skyldes behovet for å sikre samme trykk på de tilførte avgassene. I tillegg er det viktig at turbinflensen på manifolden samsvarer med formen og dimensjonene på innløpet. Til slutt, for å sikre best mulig ytelse, må manifolddesignet være tett tilpasset A/R-en til turbinen.

Behovet for å bruke en eksosmanifold med passende design for tvilling-scroll-turbiner avgjøres av det faktum at ved bruk av en konvensjonell manifold, vil en slik turbolader fungere som en enkelt-scroll-turbin. Det samme vil bli observert når man kombinerer en enkelt-scroll-turbin med en twin-scroll-manifold.

Impulsiv interaksjon av sylindere

En av de betydelige fordelene med twin-scroll-turboladere, som bestemmer fordelene deres fremfor single-scroll-ladere, er den betydelige reduksjonen eller elimineringen av den gjensidige påvirkningen av sylindere av eksosimpulser.

Det er kjent at for at hver sylinder skal passere alle fire slagene, må veivakselen rotere 720°. Dette gjelder både 4- og 12-sylindrede motorer. Men hvis, når veivakselen roteres 720 ° på de første sylindrene, fullfører de en syklus, deretter12-sylindret - alle sykluser. Dermed, med en økning i antall sylindre, reduseres mengden av rotasjon av veivakselen mellom de samme slagene for hver sylinder. Så på 4-sylindrede motorer skjer kraftslaget hver 180 ° i forskjellige sylindre. Dette gjelder også for inntak, kompresjon og eksosslag. På 6-sylindrede motorer skjer flere hendelser i 2 omdreininger av veivakselen, så de samme slagene mellom sylindrene er 120 ° fra hverandre. For 8-sylindrede motorer er intervallet 90 °, for 12-sylindrede motorer - 60 °.

Det er kjent at kamaksler kan ha en fase på 256 til 312° eller mer. For eksempel kan vi ta en motor med 280° faser ved innløp og utløp. Når du slipper ut eksosgasser på en slik 4-sylindret motor, hver 180 °, vil eksosventilene til sylinderen være åpne i 100 °. Dette er nødvendig for å løfte stempelet fra bunn til topp dødpunkt under eksos for den sylinderen. Med 1-3-2-4 avfyringsordren for den tredje sylinderen, vil eksosventilene begynne å åpne seg ved slutten av stempelslaget. På dette tidspunktet vil inntaksslaget begynne i den første sylinderen, og eksosventilene vil begynne å lukke. I løpet av de første 50° av åpningen av eksosventilene til den tredje sylinderen, vil eksosventilene til den første sylinderen åpne seg, og dens inntaksventiler vil også begynne å åpne. Dermed overlapper ventilene mellom sylindrene.

Etter fjerning av eksosgasser fra den første sylinderen, lukkes eksosventilene og inntaksventilene begynner å åpne seg. Samtidig åpner eksosventilene til den tredje sylinderen, og slipper ut høyenergieksosgasser. Betydelig andelderes trykk og energi brukes til å drive turbinen, og en mindre del leter etter veien med minst motstand. På grunn av det lavere trykket til de lukkende eksosventilene til den første sylinderen sammenlignet med det integrerte turbininntaket, sendes en del av eksosgassen til den tredje sylinderen til den første.

På grunn av det faktum at inntaksslaget begynner i den første sylinderen, fortynnes inntaksmengden med avgasser, og mister kraft. Til slutt lukkes ventilene til den første sylinderen og stempelet til den tredje stiger. For sistnevnte utføres frigjøringen, og situasjonen vurdert for sylinder 1 gjentas når eksosventilene til den andre sylinderen åpnes. Dermed er det forvirring. Dette problemet er enda mer utt alt på 6- og 8-sylindrede motorer med eksosslagintervaller mellom sylindrene på henholdsvis 120 og 90 °. I disse tilfellene er det en enda lengre overlapping av eksosventilene til de to sylindrene.

På grunn av umuligheten av å endre antall sylindere, kan dette problemet løses ved å øke intervallet mellom lignende sykluser ved å bruke en turbolader. Ved bruk av to turbiner på 6- og 8-sylindrede motorer, kan sylindre kombineres for å drive hver av dem. I dette tilfellet vil intervallene mellom lignende eksosventilhendelser dobles. For RB26 kan du for eksempel kombinere sylindere 1-3 for turbinen foran og 4-6 for den bakre. Dette eliminerer suksessiv drift av sylindrene for én turbin. Derfor er intervallet mellom eksosventilhendelser forsylindrene på én turbolader øker fra 120 til 240°.

På grunn av at twin scroll-turbinen har en separat eksosmanifold, ligner den i så måte på et system med to turboladere. Så, 4-sylindrede motorer med to turbiner eller en twin-scroll turbolader har et intervall på 360 ° mellom hendelsene. 8-sylindrede motorer med lignende boost-systemer har samme avstand. En veldig lang periode, som overskrider varigheten av ventilløftet, utelukker deres overlapping for sylindrene til én turbin.

På denne måten trekker motoren inn mer luft og trekker ut de gjenværende eksosgassene ved lavt trykk, og fyller sylindrene med en tettere og renere ladning, noe som resulterer i mer intens forbrenning, som forbedrer ytelsen. I tillegg tillater større volumetrisk effektivitet og bedre rengjøring bruk av en høyere tenningsforsinkelse for å opprettholde topp sylindertemperaturer. Takket være dette er effektiviteten til twin-scroll-turbiner 7-8 % høyere sammenlignet med enkelt-scroll-turbiner med 5 % bedre drivstoffeffektivitet.

Twin-scroll-turboladere har høyere gjennomsnittlig sylindertrykk og effektivitet, men lavere toppsylindertrykk og utløpsmottrykk, sammenlignet med enkeltscroll-turboladere, ifølge Full-Race. Twin-scroll-systemer har mer mottrykk ved lave rpm (fremmer boost) og mindre ved høy rpm (forbedrer ytelsen). Endelig er en motor med et slikt boostsystem mindre følsom for de negative effektene av bredfasekamaksler.

Ytelse

Over var de teoretiske posisjonene for funksjonen til twin-scroll-turbiner. Hva dette gir i praksis fastslås ved målinger. En slik test sammenlignet med single-scroll-versjonen ble utført av DSPORT magazine på Project KA 240SX. Hans KA24DET utvikler opptil 700 hk. Med. på hjul på E85. Motoren er utstyrt med en tilpasset Wisecraft Fabrication eksosmanifold og en Garrett GTX turbolader. Under testene ble kun turbinhuset endret med samme A/R-verdi. I tillegg til endringer i kraft og dreiemoment, målte testere respons ved å måle tiden for å nå et bestemt turtall og øke trykket i tredje gir under lignende lanseringsforhold.

Resultatene viste den beste ytelsen til twin-scroll-turbinen gjennom hele turtallsområdet. Den viste størst overlegenhet i kraft i området fra 3500 til 6000 rpm. De beste resultatene skyldes det høyere ladetrykket ved samme rpm. I tillegg ga mer trykk en økning i dreiemoment, sammenlignbar med effekten av å øke volumet på motoren. Det er også mest utt alt ved middels hastighet. I akselerasjon fra 45 til 80 m/t (3100-5600 rpm) utkonkurrerte twin-scroll-turbinen single-scroll-en med 0,49 s (2,93 vs. 3,42), noe som vil gi en forskjell på tre kropper. Det vil si at når en bil med en signal-scroll-turbolader når 80 mph, vil twin-scroll-varianten kjøre 3 billengder foran med 95 mph. I hastighetsområdet 60-100 m/t (4200-7000 rpm), overlegenheten til twin-scroll-turbinenviste seg å være mindre signifikant og utgjorde 0,23 s (1,75 mot 1,98 s) og 5 m/t (105 mot 100 m/t). Når det gjelder hastigheten for å nå et visst trykk, er en twin-scroll-turbolader foran en enkelt-scroll-turbolader med omtrent 0,6 s. Så ved 30 psi er forskjellen 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

En annen sammenligning ble gjort av Full Race Motorsports på en 2,3L Ford EcoBoost-motor med en BorgWarner EFR-turbo. I dette tilfellet ble avgasstrømningshastigheten i hver kanal sammenlignet ved datasimulering. For en twin-scroll-turbin var spredningen av denne verdien opptil 4 %, mens den for en enkelt-scroll-turbin var 15 %. Bedre strømningshastighetsmatching betyr mindre blandetap og mer impulsenergi for twin-scroll turboladere.

Fordeler og ulemper

Twin scroll-turbiner gir mange fordeler fremfor enkelt-scroll-turbiner. Disse inkluderer:

• økt ytelse i hele turtallsområdet;
• bedre respons;
• mindre miksetap;
• økt impulsenergi til turbinhjulet;
• bedre øke effektiviteten;
• mer bunndreiemoment som ligner på to-turbosystem;
• reduksjon av inntaksdemping når ventiler overlapper mellom sylindrene;
• lavere eksostemperatur;
• reduser impulstapene til motoren;
• reduser drivstofforbruket.

Den største ulempen er den store kompleksiteten til designet, noe som fører til øktpris. I tillegg, ved høyt trykk ved høye hastigheter, vil separasjonen av gasstrømmen ikke tillate deg å få samme toppytelse som på en enkelt-scroll-turbin.

Strukturelt sett er twin-scroll-turbiner analoge med systemer med to turboladere (bi-turbo og twin-turbo). I sammenligning med dem har slike turbiner tvert imot fordeler i kostnad og enkel design. Noen produsenter utnytter dette, for eksempel BMW, som erstattet twin-turbo-systemet på N54B30 1-serie M Coupe med en twin-scroll turbolader på N55B30 M2.

Det skal bemerkes at det er enda mer teknisk avanserte alternativer for turbiner, som representerer det høyeste trinnet i deres utvikling - turboladere med variabel geometri. Generelt har de samme fordeler fremfor konvensjonelle turbiner som twin-scroll, men i større grad. Imidlertid har slike turboladere en mye mer kompleks design. I tillegg er de vanskelige å sette opp på motorer som ikke opprinnelig er designet for slike systemer på grunn av at de styres av motorens kontrollenhet. Til slutt er hovedfaktoren som forårsaker den ekstremt dårlige bruken av disse turbinene på bensinmotorer de svært høye kostnadene for modeller for slike motorer. Derfor, både i masseproduksjon og ved tuning, er de ekstremt sjeldne, men de er mye brukt på dieselmotorer til nyttekjøretøyer.

På SEMA 2015 avduket BorgWarner et design som kombinerer twin scroll-teknologi med design med variabel geometri, Twin Scroll Variable Geometry Turbine. I henneDet er installert et spjeld i den doble innløpsdelen, som avhengig av belastningen fordeler strømmen mellom løpehjulene. Ved lave hastigheter går alle eksosgassene til en liten del av rotoren, og den store delen er blokkert, noe som gir enda raskere spin-up enn en konvensjonell twin-scroll-turbin. Etter hvert som belastningen øker, beveger spjeldet seg gradvis til midtposisjon og fordeler strømmen jevnt ved høye hastigheter, som i en standard twin-scroll-design. Dermed gir denne teknologien, som teknologi med variabel geometri, en endring i A/R-forholdet avhengig av belastningen, og justerer turbinen til motorens driftsmodus, noe som utvider driftsområdet. Samtidig er designen mye enklere og billigere å vurdere, siden bare ett bevegelig element brukes her, som fungerer i henhold til en enkel algoritme, og bruk av varmebestandige materialer er ikke nødvendig. Det skal bemerkes at lignende løsninger har vært påtruffet før (for eksempel hurtigspoleventil), men av en eller annen grunn har ikke denne teknologien vunnet popularitet.

Application

Som nevnt ovenfor, brukes twin-scroll-turbiner ofte på masseproduserte sportsbiler. Ved tuning er imidlertid bruken av dem på mange motorer med enkeltrullsystemer hemmet av begrenset plass. Dette skyldes først og fremst utformingen av samlerøret: ved like lengder må akseptable radielle bøyninger og strømningsegenskaper opprettholdes. I tillegg er det et spørsmål om optimal lengde og bøy, samt materiale og veggtykkelse. I følge Full-Race, på grunn av større effektivitettwin-scroll turbiner, er det mulig å bruke kanaler med mindre diameter. Men på grunn av deres komplekse form og doble innløp er en slik oppsamler uansett større, tyngre og mer komplisert enn vanlig på grunn av det større antallet deler. Derfor kan det hende at den ikke passer på et standardsted, som et resultat av at det vil være nødvendig å endre veivhuset. I tillegg er twin-scroll-turbinene i seg selv større enn tilsvarende enkelt-scroll-turbiner. I tillegg vil det kreves annen appepe og oljefelle. I tillegg brukes to wastegates (en per impeller) i stedet for et Y-rør for bedre ytelse med eksterne wastegates for twin scroll-systemer.

I alle fall er det mulig å installere en twin-scroll turbin på en VAZ, og erstatte den med en Porsche single-scroll turbolader. Forskjellen ligger i kostnadene og omfanget av arbeidet med å klargjøre motoren: hvis det er på serielle turbomotorer, hvis det er plass, er det vanligvis nok å bytte ut eksosmanifolden og noen andre deler og gjøre justeringer, så krever naturlig aspirerte motorer mye mer alvorlig inngrep for turbolading. I det andre tilfellet er imidlertid forskjellen i installasjonskompleksitet (men ikke i kostnad) mellom twin-scroll- og single-scroll-systemer ubetydelig.

Konklusjoner

Twin-scroll-turbiner gir bedre ytelse, respons og effektivitet enn enkelt-scroll-turbiner ved å dele avgassene til det doble turbinhjulet og eliminere sylinderinterferens. menå bygge et slikt system kan være svært kostbart. Alt i alt er dette den beste løsningen for å øke responsen uten å ofre maksimal ytelse for turbomotorer.