Twin scroll turbina: konstrukcijos aprašymas, veikimo principas, privalumai ir trūkumai

2024 Autorius: Erin Ralphs | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-02-19 17:41

Pagrindinis variklių su turbokompresoriumi trūkumas, palyginti su atmosferinėmis galimybėmis, yra mažesnis jautrumas, nes turbinos sukimasis trunka tam tikrą laiką. Kurdami turbokompresorius, gamintojai kuria įvairius būdus, kaip pagerinti jų reagavimą, našumą ir efektyvumą. Dvigubos slinkties turbinos yra geriausias pasirinkimas.

Bendrosios funkcijos

Šis terminas reiškia turbokompresorius su dviguba įleidimo anga ir dviguba turbinos rato sparnuotė. Nuo pat pirmųjų turbinų pasirodymo (maždaug prieš 30 metų) jos buvo skirstomos į atviras ir atskiras įsiurbimo galimybes. Pastarieji yra šiuolaikinių „twin-scroll“turbokompresorių analogai. Geriausi parametrai lemia jų naudojimą tiuninge ir automobilių sporte. Be to, kai kurie gamintojai juos naudoja gamybiniuose sportiniuose automobiliuose, tokiuose kaip Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP irkiti

Dizainas ir veikimo principas

Twin-scroll turbinos skiriasi nuo įprastų turbinų tuo, kad turi dvigubą turbinos ratą ir įėjimo dalį, padalytą į dvi dalis. Rotorius yra monolitinės konstrukcijos, tačiau ašmenų dydis, forma ir kreivumas skiriasi pagal skersmenį. Viena jo dalis skirta mažam kroviniui, kita – dideliam.

Twin-scroll turbinų veikimo principas pagrįstas atskiru išmetamųjų dujų tiekimu skirtingais kampais į turbinos ratą, priklausomai nuo cilindrų veikimo tvarkos.

Dizaino ypatybės ir dvigubos slinkties turbinos veikimas išsamiau aptariami toliau.

Išmetimo kolektorius

Išmetimo kolektoriaus konstrukcija yra ypač svarbi naudojant dvigubo slinkimo turbokompresorius. Jis pagrįstas lenktyninių kolektorių cilindrų sujungimo koncepcija ir nustatomas pagal cilindrų skaičių ir jų degimo tvarką. Beveik visi 4 cilindrų varikliai veikia 1-3-4-2 tvarka. Šiuo atveju vienas kanalas sujungia 1 ir 4 cilindrus, kitas - 2 ir 3. Daugumoje 6 cilindrų variklių išmetamosios dujos tiekiamos atskirai iš 1, 3, 5 ir 2, 4, 6 cilindrų. Kaip išimtis, reikėtų pažymėti RB26 ir 2JZ. Jie veikia eilės tvarka 1-5-3-6-2-4.

Todėl šiems varikliams 1, 2, 3 cilindrai yra sujungti su vienu sparnuotės ratu, o 4, 5, 6 - antrajam (turbinos pavaros yra išdėstytos ta pačia tvarka). Taip pavadintasvarikliai išsiskiria supaprastinta išmetimo kolektoriaus konstrukcija, kuri sujungia pirmuosius tris ir paskutinius tris cilindrus į du kanalus.

Be cilindrų sujungimo tam tikra tvarka, labai svarbios ir kitos kolektoriaus savybės. Visų pirma, abu kanalai turi būti vienodo ilgio ir vienodo posūkių skaičiaus. Taip yra dėl to, kad reikia užtikrinti vienodą tiekiamų išmetamųjų dujų slėgį. Be to, svarbu, kad kolektoriaus turbinos flanšas atitiktų jo įleidimo angos formą ir matmenis. Galiausiai, siekiant užtikrinti geriausią našumą, kolektoriaus konstrukcija turi būti tiksliai suderinta su turbinos A/R.

Būtinybę naudoti tinkamos konstrukcijos išmetimo kolektorių dviejų slinkčių turbinoms lemia tai, kad naudojant įprastą kolektorių, toks turbokompresorius veiks kaip vieno slinkties kolektorius. Tas pats bus stebimas derinant vieno slinkties turbiną su dviejų slinkčių kolektorius.

Impulsyvi cilindrų sąveika

Vienas reikšmingų dvigubo slinkimo turbokompresorių privalumų, lemiančių jų pranašumus, palyginti su viengubo slinkimo turbokompresoriais, yra reikšmingas išmetamųjų dujų impulsų sukeliamos cilindrų tarpusavio įtakos sumažinimas arba pašalinimas.

Žinoma, kad norint, kad kiekvienas cilindras praleistų visus keturis taktus, alkūninis velenas turi pasisukti 720°. Tai galioja ir 4, ir 12 cilindrų varikliams. Tačiau jei pirmųjų cilindrų alkūninis velenas pasukamas 720 °, jie baigia vieną ciklą, tada12 cilindrų – visi ciklai. Taigi, padidėjus cilindrų skaičiui, alkūninio veleno sukimosi tarp tų pačių taktų skaičius kiekvienam cilindrui sumažėja. Taigi 4 cilindrų varikliuose galios eiga vyksta kas 180 ° skirtinguose cilindruose. Tai pasakytina ir apie įsiurbimo, suspaudimo ir išmetimo taktus. 6 cilindrų varikliuose daugiau įvykių įvyksta per 2 alkūninio veleno apsisukimus, todėl tie patys eiga tarp cilindrų yra 120 °. 8 cilindrų varikliams intervalas yra 90 °, 12 cilindrų varikliams - 60 °.

Žinoma, kad skirstomųjų velenų fazė gali būti nuo 256 iki 312° ar daugiau. Pavyzdžiui, galime paimti variklį su 280° fazėmis prie įėjimo ir išleidimo angos. Išleidžiant išmetamąsias dujas tokiam 4 cilindrų varikliui, kas 180 °, cilindro išmetimo vožtuvai bus atidaryti 100 °. Tai reikalinga norint pakelti stūmoklį iš apačios į viršutinį negyvąjį tašką to cilindro išmetimo metu. Nustačius trečiojo cilindro šaudymo tvarką 1-3-2-4, išmetimo vožtuvai pradės atsidaryti stūmoklio eigos pabaigoje. Šiuo metu įsiurbimo eiga prasidės pirmame cilindre, o išmetimo vožtuvai pradės užsidaryti. Per pirmuosius 50° trečio cilindro išmetimo vožtuvų atsidarymo metu atsidarys pirmojo cilindro išmetimo vožtuvai, taip pat pradės atsidaryti jo įsiurbimo vožtuvai. Taigi vožtuvai sutampa tarp cilindrų.

Pašalinus išmetamąsias dujas iš pirmojo cilindro, išmetimo vožtuvai užsidaro ir įsiurbimo vožtuvai pradeda atsidaryti. Tuo pačiu metu atsidaro trečiojo cilindro išmetimo vožtuvai, išleidžiant didelės energijos išmetamąsias dujas. Reikšminga dalisjų slėgis ir energija sunaudojama turbinai varyti, o mažesnė dalis ieško mažiausio pasipriešinimo kelio. Dėl mažesnio pirmojo cilindro uždaromų išmetimo vožtuvų slėgio, palyginti su integruotu turbinos įvadu, dalis trečiojo cilindro išmetamųjų dujų siunčiama į pirmąjį.

Dėl to, kad įsiurbimo eiga prasideda pirmame cilindre, įsiurbimo įkrova praskiedžiama išmetamosiomis dujomis, prarandant galią. Galiausiai pirmojo cilindro vožtuvai užsidaro, o trečiojo stūmoklis pakyla. Pastarajam atliekamas atleidimas, o 1 cilindro situacija kartojama, kai atidaromi antrojo cilindro išmetimo vožtuvai. Taigi kyla painiava. Ši problema dar ryškesnė 6 ir 8 cilindrų varikliuose, kurių išmetimo eigos intervalai tarp cilindrų yra atitinkamai 120 ir 90 °. Tokiais atvejais yra dar ilgesnis dviejų cilindrų išmetimo vožtuvų sutapimas.

Dėl to, kad neįmanoma pakeisti cilindrų skaičiaus, šią problemą galima išspręsti padidinus intervalą tarp panašių ciklų naudojant turbokompresorių. Jei 6 ir 8 cilindrų varikliuose naudojamos dvi turbinos, cilindrai gali būti sujungti, kad būtų galima varyti kiekvieną iš jų. Tokiu atveju intervalai tarp panašių išmetimo vožtuvo įvykių padvigubės. Pavyzdžiui, RB26 galite sujungti 1-3 cilindrus priekinei turbinai ir 4-6 galinei turbinai. Tai pašalina nuoseklų vienos turbinos cilindrų veikimą. Todėl intervalas tarp išmetimo vožtuvo įvykiųvieno turbokompresoriaus cilindrai padidėja nuo 120 iki 240°.

Dėl to, kad dviguba sraigtinė turbina turi atskirą išmetimo kolektorių, šia prasme ji panaši į sistemą su dviem turbokompresoriais. Taigi, 4 cilindrų varikliai su dviem turbinomis arba dvigubo slinkties turbokompresoriumi turi 360 ° intervalą tarp įvykių. 8 cilindrų varikliai su panašiomis padidinimo sistemomis turi tą patį atstumą. Labai ilgas laikotarpis, viršijantis vožtuvo pakilimo trukmę, neįtraukia jų persidengimo vienos turbinos cilindrams.

Tokiu būdu variklis įtraukia daugiau oro ir ištraukia likusias išmetamąsias dujas esant žemam slėgiui, užpildydamas cilindrus tankesniu ir švaresniu įkrovimu, todėl degimas intensyvesnis, o tai pagerina veikimą. Be to, didesnis tūrinis efektyvumas ir geresnis valymas leidžia naudoti didesnį uždegimo delsą, kad būtų išlaikyta didžiausia cilindro temperatūra. Dėl šios priežasties dvigubo sraigto turbinų efektyvumas yra 7–8 % didesnis, palyginti su vieno sraigto turbinų, kurių degalų efektyvumas 5 % didesnis.

Anot „Full-Race“, dviejų slinkčių turbokompresorių vidutinis cilindro slėgis ir efektyvumas yra didesnis, tačiau didžiausias cilindro slėgis ir priešslėgis išleidimo angoje yra mažesnis, palyginti su vieno slinkties turbokompresoriais. Dvigubos slinkties sistemos turi didesnį priešslėgį esant žemiems sūkiams (skatina pagreitį) ir mažesnį esant dideliems sūkiams (gerina našumą). Galiausiai variklis su tokia padidinimo sistema yra mažiau jautrus neigiamam plačios fazės poveikiuiskirstomieji velenai.

Performansas

Aukščiau buvo pateiktos teorinės dvigubos slinkties turbinų veikimo pozicijos. Ką tai duoda praktiškai, nustatoma matavimais. Tokį testą, palyginti su vieno slinkties versija, žurnalas DSPORT atliko projekte KA 240SX. Jo KA24DET išvysto iki 700 AG. Su. ant ratų ant E85. Variklyje yra pritaikytas Wisecraft Fabrication išmetimo kolektorius ir Garrett GTX turbokompresorius. Bandymų metu buvo pakeistas tik turbinos korpusas esant ta pačiai A / R vertei. Be galios ir sukimo momento pokyčių, bandytojai matavo reagavimą matuodami laiką, per kurį buvo pasiektas tam tikras sūkių skaičius ir padidintas slėgis trečiąja pavara panašiomis paleidimo sąlygomis.

Rezultatai parodė geriausią dvigubos slinkties turbinos našumą visame sūkių diapazone. Jis parodė didžiausią galios pranašumą diapazone nuo 3500 iki 6000 aps./min. Geriausi rezultatai pasiekiami dėl didesnio pripūtimo slėgio tuo pačiu apsisukimų dažniu. Be to, didesnis slėgis padidino sukimo momentą, panašų į variklio tūrio padidėjimą. Jis taip pat ryškiausias esant vidutiniam greičiui. Įsibėgėjant nuo 45 iki 80 m/h (3100–5600 aps./min.), dviejų slinkčių turbina 0,49 s (2,93 prieš 3,42) pralenkė vieno slinkties turbiną, o tai suteiks trijų kūnų skirtumą. Tai yra, kai automobilis su signalinio slinkties turbokompresoriumi pasiekia 80 mylių per valandą greitį, dvigubo slinkties variantas nuvažiuos 3 automobilio ilgius į priekį 95 mylių per valandą greičiu. 60–100 m/h (4200–7000 aps./min.) greičio diapazone dvigubos slinkties turbinos pranašumaspasirodė esąs ne toks reikšmingas ir siekė 0,23 s (1,75 prieš 1,98 s) ir 5 m/h (105 prieš 100 m/h). Pagal greitį pasiekti tam tikrą slėgį dviejų slinkčių turbokompresorius lenkia vieno slinkties turbokompresorių maždaug 0,6 s. Taigi, esant 30 psi, skirtumas yra 400 aps./min (5500 vs 5100 aps./min.).

Full Race Motorsports palygino dar vieną 2,3 l Ford EcoBoost variklį su BorgWarner EFR turbokompresoriumi. Šiuo atveju išmetamųjų dujų srautas kiekviename kanale buvo lyginamas kompiuteriniu modeliavimu. Dviejų slinkčių turbinai šios vertės sklaida siekė iki 4%, o vieno slinkties turbinos – 15%. Geresnis srauto suderinimas reiškia mažesnius maišymo nuostolius ir daugiau impulsų energijos dvigubo slinkties turbokompresorių atveju.

Pliusai ir trūkumai

Twin scroll turbinos turi daug pranašumų, palyginti su viengubomis sraigtinėmis turbinomis. Tai apima:

• padidėjęs našumas visame sūkių diapazone;
• geresnis reagavimas;
• mažiau maišymo nuostolių;
• padidėjusi impulsų energija į turbinos ratą;
• geriau padidinti efektyvumą;
• daugiau apatinio galo sukimo momento, panašus į dvigubą turbo sistemą;
• įsiurbimo pripūtimo slopinimo sumažinimas, kai vožtuvai persidengia tarp cilindrų;
• žemesnė išmetamųjų dujų temperatūra;
• sumažinti variklio impulsų nuostolius;
• sumažinti degalų sąnaudas.

Pagrindinis trūkumas yra didelis dizaino sudėtingumas, dėl kurio padidėjakaina. Be to, esant dideliam slėgiui esant dideliam greičiui, dujų srauto atskyrimas neleis jums pasiekti tokio paties didžiausio našumo kaip ir vieno slinkties turbinos.

Struktūriškai dvigubos slinkties turbinos yra analogiškos sistemoms su dviem turbokompresoriais (dvi turbo ir dviejų turbinų). Palyginti su jomis, tokios turbinos, priešingai, turi pranašumų dėl kainos ir dizaino paprastumo. Kai kurie gamintojai tuo naudojasi, pavyzdžiui, BMW, kuris N54B30 1-Series M Coupe dviejų turbokompresorių sistemą pakeitė N55B30 M2 dvigubo slinkties turbokompresoriumi.

Pažymėtina, kad yra dar techniškai pažangesnių variantų turbinoms, atstovaujančioms aukščiausią jų vystymosi etapą – kintamos geometrijos turbokompresoriai. Apskritai, jie turi tuos pačius pranašumus, palyginti su įprastomis turbinomis, kaip ir dvigubos slinkties turbinos, tačiau didesniu mastu. Tačiau tokių turbokompresorių konstrukcija yra daug sudėtingesnė. Be to, juos sunku nustatyti varikliuose, kurie iš pradžių nebuvo sukurti tokioms sistemoms, nes juos valdo variklio valdymo blokas. Galiausiai, pagrindinis veiksnys, lemiantis itin prastą šių turbinų naudojimą benzininiuose varikliuose, yra labai didelė tokių variklių modelių kaina. Todėl tiek masinėje gamyboje, tiek derinant jie yra itin reti, tačiau plačiai naudojami komercinių transporto priemonių dyzeliniuose varikliuose.

2015 m. SEMA parodoje „BorgWarner“pristatė kintamos geometrijos turbiną „Twin Scroll Variable Geometry“– sujungiančią dvigubos slinkties technologiją ir kintamos geometrijos dizainą. Jojedviguboje įvadinėje dalyje sumontuota sklendė, kuri, priklausomai nuo apkrovos, paskirsto srautą tarp sparnuočių. Esant mažam greičiui, visos išmetamosios dujos patenka į nedidelę rotoriaus dalį, o didžioji dalis yra užblokuota, o tai užtikrina dar greitesnį sukimąsi nei įprastinė dviejų slinkčių turbina. Didėjant apkrovai, sklendė palaipsniui pereina į vidurinę padėtį ir tolygiai paskirsto srautą esant dideliam greičiui, kaip standartinėje dvigubo slinkties konstrukcijoje. Taigi ši technologija, kaip ir kintamos geometrijos technologija, užtikrina A/R santykio keitimą priklausomai nuo apkrovos, priderinant turbiną prie variklio darbo režimo, o tai praplečia veikimo diapazoną. Tuo pačiu metu dizainas yra daug paprastesnis ir pigesnis, nes čia naudojamas tik vienas judantis elementas, veikiantis pagal paprastą algoritmą, o karščiui atsparių medžiagų naudoti nereikia. Pažymėtina, kad su panašiais sprendimais buvo tekę susidurti ir anksčiau (pavyzdžiui, greitas siurblys), tačiau ši technologija kažkodėl nesulaukė populiarumo.

Programa

Kaip minėta, dvigubos slinkties turbinos dažnai naudojamos masinės gamybos sportiniuose automobiliuose. Tačiau derinant juos naudoti daugelyje variklių su vieno slinkimo sistemomis trukdo ribota erdvė. Taip yra visų pirma dėl kolektoriaus konstrukcijos: esant vienodam ilgiui, turi būti palaikomi priimtini radialiniai posūkiai ir srauto charakteristikos. Be to, kyla klausimas dėl optimalaus ilgio ir lenkimo, taip pat medžiagos ir sienos storio. „Full-Race“teigimu, dėl didesnio efektyvumodvigubos slinkties turbinos, galima naudoti mažesnio skersmens kanalus. Tačiau dėl savo sudėtingos formos ir dvigubo įėjimo toks kolektorius bet kuriuo atveju yra didesnis, sunkesnis ir sudėtingesnis nei įprastai dėl didesnio dalių skaičiaus. Todėl jis gali netilpti į standartinę vietą, dėl to teks keisti karterį. Be to, pačios dvigubos slinkties turbinos yra didesnės nei panašios vieno slinkties turbinos. Be to, reikės kitų apytakių ir aliejaus gaudyklių. Be to, vietoj Y vamzdžio naudojami du išmetimo angos (po vieną kiekvienam sparnuotei), siekiant geresnio našumo, naudojant išorinius ištekėjimo vožtuvus, skirtus dvigubos slinkties sistemoms.

Bet kokiu atveju VAZ galima sumontuoti dviejų slinkčių turbiną ir pakeisti ją Porsche vieno slinkties turbokompresoriumi. Skirtumas slypi variklio paruošimo darbų kainoje ir apimtyje: jei ant serijinių turbininių variklių, jei yra vietos, dažniausiai užtenka pakeisti išmetimo kolektorių ir kai kurias kitas detales bei sureguliuoti, tai atmosferiniams varikliams reikia daug daugiau. rimtas turbokompresoriaus įsikišimas. Tačiau antruoju atveju dviejų ir vieno slinkties sistemų diegimo sudėtingumo (bet ne kainos) skirtumas yra nereikšmingas.

Išvados

Twin-scroll turbinos užtikrina geresnį našumą, reagavimą ir efektyvumą nei vieno slinkties turbinos, nes išmetamosios dujos padalijamos į dvigubą turbinos ratą ir pašalinami cilindrų trukdžiai. Tačiautokios sistemos sukūrimas gali kainuoti labai brangiai. Apskritai, tai yra geriausias sprendimas, norint padidinti reagavimą neprarandant maksimalaus turbininių variklių našumo.