Turbina twinscroll: descrierea proiectului, principiul de funcționare, argumente pro și contra

Principalul dezavantaj a unui motor turboalimentat În comparație cu variantele atmosferice este mai puțin receptivă, datorită faptului că turbina are nevoie de ceva timp pentru a se roti. Odată cu dezvoltarea turbocompresoarelor, producătorii dezvoltă în diferite moduri Îmbunătățirea capacității de reacție, a performanței și a eficienței acestora. Turbocompresoarele twin-scroll sunt cea mai bună opțiune.

Caracteristici comune

Acest termen se referă la turbocompresoarele cu o turbină dublă de admisie și roată dublă de turbină. De la introducerea primelor turbocompresoare (în urmă cu aproximativ 30 de ani), acestea au fost diferențiate în variante cu admisie deschisă și divizată. Acestea din urmă sunt omologii turbocompresoarelor moderne twin-scroll. Cei mai buni parametri determină aplicarea lor în tuning și motorsport. În plus, unii producători le folosesc pe mașini sport de serie, cum ar fi Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP etc.

Design și principiu de funcționare

Turbinele duble se disting de cele convenționale printr-o roată twin-turbo și o admisie divizată. Rotorul este de construcție monolitică, dar dimensiunea, forma și curbura paletelor variază în funcție de diametru. O parte este dimensionată pentru sarcini ușoare, iar cealaltă parte pentru sarcini grele.

Principiul turbosuflantelor twin-scroll se bazează pe alimentarea roții turbinei cu gaze de eșapament în unghiuri diferite, în funcție de ordinea în care se află cilindrii.

În cele ce urmează sunt explicate mai detaliat caracteristicile constructive și modul de funcționare a unei turbine cu două spirale.

Colector de evacuare

Cheia turbocompresoarelor twin-scroll este designul colectorului de evacuare. Aceasta se bazează pe conceptul de interfațare a cilindrilor din colectorul de curse și este determinată de numărul de cilindri și de ordinea în care aceștia funcționează. Aproape toate motoarele cu 4 cilindri funcționează în ordinea 1-3-4-2. În acest caz, un canal combină cilindrii 1 și 4, iar celălalt canal combină cilindrii 2 și 3. La majoritatea motoarelor cu 6 cilindri, gazele de eșapament sunt alimentate separat de la cilindrii 1, 3, 5 și 2, 4, 6. Excepțiile includ RB26 și 2JZ. Acestea funcționează în ordinea 1-5-3-6-6-2-4.

În consecință, pentru aceste motoare, 1, 2, 3 cilindri se potrivesc pentru un rotor, 4, 5, 6 - pentru al doilea (în caz de funcționare, acționarea turbinei este dispusă în aceeași ordine). Astfel, motoarele menționate mai sus se disting printr-un design simplificat al colectorului de evacuare care combină primii trei și ultimii trei cilindri în două canale.

Pe lângă conectarea cilindrilor într-o anumită ordine, alte caracteristici ale colectorului sunt, de asemenea, foarte importante. În primul rând, ambele canale trebuie să aibă aceeași lungime și același număr de curbe. Acest lucru se datorează necesității unei presiuni egale a gazelor de eșapament. De asemenea, este important să se potrivească flanșa turbinei de pe colector cu cea a colectorului formă și dimensiuni intrarea sa. În cele din urmă, pentru cele mai bune performanțe, designul colectorului trebuie să se potrivească exact cu valoarea A/R a turbinei.

Necesitatea unui colector de evacuare proiectat în mod corespunzător pentru turbinele twincrope este determinată de faptul că un astfel de turbocompresor ar funcționa ca un colector cu o singură spirală în cazul unui turbocompresor convențional. Același lucru va fi valabil și pentru o turbină cu două clapete combinată cu un colector cu două clapete.

Interacțiunea cu cilindrul pulsat

Unul dintre marile avantaje ale turbocompresoarelor twin-scroll față de turbocompresoarele single-scroll este acela că influența reciprocă a cilindrilor este semnificativ redusă sau eliminată de impulsurile gazelor de evacuare.

Se știe că, pentru ca fiecare cilindru să se deplaseze în toate cele patru curse, arborele cotit trebuie să se rotească cu 720°. Acest lucru este valabil atât pentru motoarele cu 4 cilindri, cât și pentru cele cu 12 cilindri. Cu toate acestea, în timp ce o rotație de 720° a arborelui cotit va completa o cursă pe primul cilindru, toate cursele pe cilindrul cu 12 cilindri. Astfel, pe măsură ce numărul de cilindri crește, scade cantitatea de rotație a arborelui cotit între aceleași curse pentru fiecare cilindru. Astfel, pentru motoarele cu 4 cilindri, cursa are loc la fiecare 180° în diferiți cilindri. Acest lucru este valabil și pentru fazele de admisie, compresie și evacuare. Un motor cu 6 cilindri are mai multe evenimente la 2 rotații ale arborelui cotit, astfel încât aceleași curse între cilindri sunt distanțate la 120° între ele. Pentru motoarele cu 8 cilindri, intervalul este de 90°; pentru motoarele cu 12 cilindri, acesta este de 60°.

Se știe că arborii cu came pot fi etajați de la 256° la 312° sau mai mult. Să luăm exemplul unui motor cu faze de admisie și evacuare de 280°. La evacuarea unui astfel de motor cu 4 cilindri, la fiecare 180° supapele de evacuare ale cilindrilor se deschid cu 100°. Acest lucru este necesar pentru a ridica pistonul de la punctul mort cel mai de jos la punctul mort cel mai înalt în timpul acestei faze de creștere. La funcționarea în ordinea 1-3-2-4 pentru cilindrul 3, supapele de evacuare încep să se deschidă la sfârșitul cursei pistonului. În acest moment va începe cursa de admisie în primul cilindru și se vor închide supapele de evacuare. În timpul primilor 50° de deschidere a supapelor de evacuare ale celui de-al treilea cilindru, supapele de evacuare ale primului cilindru se deschid, iar supapele de admisie ale primului cilindru încep să se deschidă. Supapele dintre cilindri sunt astfel suprapuse.

Odată ce gazele de evacuare au fost evacuate din primul cilindru, supapele de evacuare se închid, iar supapele de admisie încep să se deschidă. În același timp, supapele de eșapament ale celui de-al treilea cilindru se deschid, eliberând gazele de eșapament cu energie ridicată. O mare parte din presiunea și energia lor este folosită pentru a acționa turbina, iar o proporție mai mică caută calea de minimă rezistență. Din cauza presiunii mai scăzute a supapei de evacuare de închidere a primului cilindru în comparație cu cea de intrare în turbină, o parte din gazele de evacuare ale celui de-al treilea cilindru este deviată către primul cilindru.

Pe măsură ce ciclul de admisie începe în primul cilindru, încărcătura de admisie este diluată cu gazele de eșapament, pierzând putere. În cele din urmă, supapele primului cilindru se închid, iar pistonul celui de-al treilea se ridică. Pentru acesta din urmă, se efectuează evacuarea și se repetă situația pentru cilindrul 1, unde se deschid supapele de evacuare ale celui de-al doilea cilindru. Astfel, se observă amestecul. Această problemă este și mai pronunțată la motoarele cu 6 și 8 cilindri, cu intervale ale ciclului de evacuare de 120° și, respectiv, 90°. În aceste cazuri, se observă o suprapunere și mai lungă a supapelor de evacuare ale celor doi cilindri.

Deoarece nu este posibil să se schimbe numărul de cilindri, această problemă poate fi rezolvată prin creșterea intervalului dintre aceleași curse prin aplicarea turbocompresor. În cazul turbinelor duble de la motoarele cu 6 și 8 cilindri, este posibilă combinarea cilindrilor pentru a acționa fiecare cilindru. În acest caz, intervalele dintre evenimentele similare ale supapei de evacuare se vor dubla. De exemplu, pentru RB26 este posibilă combinarea cilindrilor 1-3 pentru turbina din față și a cilindrilor 4-6 pentru turbina din spate. Acest lucru exclude declanșarea secvențială a cilindrilor pentru un singur turbo. În consecință, intervalul dintre evenimentele supapei de evacuare pentru cilindrii cu un singur turbocompresor crește de la 120° la 240°.

Deoarece turbina twin-scroll are un colector de eșapament separat, este în acest sens la fel ca un sistem de turbocompresor twin-turbo. Astfel, motoarele cu 4 cilindri cu turbocompresoare duble sau turbocompresoare twin-scroll au un interval de 360° între evenimente. Motoarele cu 8 cilindri cu sisteme de supraalimentare similare au același interval. Un timp foarte lung de ridicare a supapei previne suprapunerea cilindrilor unei singure turbine.

În acest fel, motorul aspiră mai mult aer și extrage gazele de eșapament rămase la presiune scăzută, umplând cilindrii cu o încărcătură mai densă și mai curată, ceea ce duce la o ardere mai intensă care sporește performanțele. În plus, o eficiență volumetrică mai mare și o mai bună purjare permit, de asemenea, utilizarea unei întârzieri de aprindere mai mari care menține temperaturile maxime ale cilindrilor. Ca urmare, turbinele cu două rotoare sunt cu 7-8% mai eficiente decât cele cu o singură rotoare, cu un randament al combustibilului cu 5% mai bun.

Potrivit Full-Race, turbocompresoarele cu două spițe se caracterizează prin presiuni medii mai mari în cilindri și eficiență, dar presiuni de vârf în cilindri și contrapresiune mai mici decât turbocompresoarele cu o singură spiță. Sistemele Twinscrottle au mai multă contrapresiune la turații mici (ceea ce favorizează supraalimentarea) și mai puțină la turații mari (ceea ce îmbunătățește performanța). În cele din urmă, un motor cu un astfel de compresor este mai puțin sensibil la efectele negative ale arborilor cu came în fază largă.

Performanță

Teoria de mai sus poziția de operare a turbinelor twin-scroll. Ceea ce oferă acest lucru în practică este stabilit prin măsurare. Acest test a fost realizat de revista DSPORT pe Project KA 240SX în comparație cu o versiune cu o singură volantă. KA24DET dezvoltă până la 700l. с. la roți pe E85. Motorul este echipat cu un colector de evacuare personalizat Wisecraft Fabrication și un turbocompresor Garrett GTX. În timpul testului, doar carcasa turbinei a fost schimbată la același A/R. Pe lângă variația puterii și a cuplului, testerii au măsurat capacitatea de reacție prin măsurarea timpului pentru a atinge un anumit turație și presiune de supraalimentare în treapta a treia de viteză în aceleași condiții de lansare.

Rezultatele au arătat că turbina twincrotted a funcționat mai bine pe toată gama de viteze. A arătat cea mai mare superioritate în ceea ce privește puterea între 3.500 și 6.000 rpm. Rezultatele mai bune au fost atribuite unei presiuni de supraalimentare mai mari la aceleași turații. În plus, presiunea mai mare a determinat o creștere a cuplului comparabilă cu efectul creșterii cilindreei motorului. De asemenea, este mai pronunțată la viteze medii. În accelerația de la 45 la 80mph (3100 la 5600rpm), turbina twincrope a învins turbina singlecrope cu 0,49s (2,93s vs 3,42s), ceea ce dă o diferență de trei cocsuri. Adică, atunci când o mașină cu un turbocompresor cu un singur arbore ajunge la 130 km/h, versiunea cu două turbocompresoare va călători cu trei lungimi de mașină înainte, la 130 km/h. În intervalul de viteză 60-100 mph (4.200-7.000 rpm), superioritatea turbinei twin-scroll a fost mai puțin semnificativă la 0,23s (1,75 vs 1,98s) și 5 mph (105 vs 100 mph). Twinscrottor este în fața celui cu un singur motor cu aproximativ 0,6 secunde în ceea ce privește viteza de atingere a unei anumite presiuni. Astfel, la 30 psi, diferența este de 400 rpm (5.500 vs 5.100 rpm).

Full Race Motorsports a făcut o altă comparație pe un Ford EcoBoost de 2,3 litri cu un turbo BorgWarner EFR. În acest caz, viteza gazelor de eșapament în fiecare conductă este comparată prin simulare pe calculator. Diferența este de până la 4% pentru o turbină twinski, comparativ cu 15% pentru o turbină singleki. O mai bună coerență a vitezei de curgere indică mai puține pierderi de amestec și mai multă energie de impuls pentru turbocompresoarele twinscroll.

Avantaje și dezavantaje

Există multe avantaje ale turbinelor cu două turle în comparație cu cele cu o singură turlă. Printre acestea se numără:

• performanțe îmbunătățite pe toată plaja de turații;
• o mai bună capacitate de reacție
• pierderi mai mici la amestecare;
• energie de impuls mai mare la roata turbinei;
• o mai bună eficiență a supraalimentării;
• un cuplu mai mare la turații joase, similar cu un sistem twin-turbo;
• atenuarea redusă a încărcăturii de admisie atunci când supapele sunt închise între cilindri;
• o temperatură mai scăzută a gazelor de evacuare;
• pierderi mai mici de impulsuri ale motorului;
• consum mai mic de combustibil.

Principalul dezavantaj este complexitatea mai mare a proiectului, ceea ce duce la costuri mai mari. De asemenea, la o presiune mai mare la turații mai mari, separarea fluxului de gaz nu permite aceeași performanță maximă ca la o turbină cu o singură spirală.

Din punct de vedere constructiv, turbinele cu două șuruburi sunt similare sistemelor de compresoare cu două turbocompresoare (bi-turbo și twin-turbo). În comparație, aceste turbocompresoare prezintă avantaje în ceea ce privește costul și simplitatea proiectării. Acesta este utilizat de unii producători, cum ar fi BMW, care a înlocuit sistemul twin turbo de pe Seria 1 M Coupe N54B30 cu un turbocompresor twin-scroll pe M2 N55B30.

Trebuie remarcat faptul că există variante de turbine și mai avansate din punct de vedere tehnic, reprezentând cel mai înalt stadiu de dezvoltare a turbinelor - turbocompresoare cu geometrie variabilă. În general, acestea oferă aceleași avantaje ca și turbina cu două șuruburi, dar într-o măsură mai mare. Cu toate acestea, astfel de turbocompresoare au un design semnificativ mai complex. De asemenea, acestea sunt dificil de calibrat pentru motoarele care nu au fost proiectate inițial pentru astfel de sisteme, deoarece sunt controlate de unitatea de control a motorului. În cele din urmă, un factor major care contribuie la utilizarea extrem de redusă a acestor turbine pe motoarele pe benzină este costul foarte ridicat al modelelor pentru astfel de motoare. Prin urmare, acestea sunt extrem de rare atât în aplicațiile de producție, cât și în cele de tuning, dar sunt foarte răspândite pe motoarele diesel ale vehiculelor comerciale.

La SEMA 2015. BorgWarner a introdus o dezvoltare care combină tehnologia twin-scroll și designul cu geometrie variabilă - twin-scroll turbină cu geometrie variabilă. În secțiunea de admisie dublă este montat un amortizor care, în funcție de sarcină, distribuie debitul către rotoare. La turații mici, toate gazele de eșapament se duc într-o mică parte a rotorului, iar partea mai mare este oprită, permițând o accelerație chiar mai rapidă decât în cazul unei turbine convenționale cu două spițe. Odată cu creșterea sarcinii, starterul se deplasează treptat în poziția de mijloc și distribuie uniform debitul la turații ridicate, ca într-un design standard cu două role. Astfel, ca și tehnologia cu geometrie variabilă, aceasta modifică raportul A/R în funcție de sarcină, permițând turbinei să fie adaptată la motor și, astfel, să extindă domeniul de funcționare. Designul este considerabil mai simplu și mai ieftin, deoarece utilizează un singur element mobil, care funcționează conform unui algoritm simplu și nu necesită utilizarea de materiale rezistente la căldură. Trebuie remarcat faptul că soluții similare au mai fost întâlnite înainte (de exemplu, supape cu bobină rapidă), dar, dintr-un anumit motiv, această tehnologie nu a devenit foarte răspândită.

Aplicație

După cum s-a menționat mai sus, turbinele twin-scroll sunt adesea folosite la mașinile sport de serie. Cu toate acestea, utilizarea lor pe multe motoare cu sisteme cu un singur arbore este limitată de spațiul limitat la reglarea. Acest lucru se datorează în primul rând designului colectorului: la lungimi egale, trebuie menținute curbe radiale și caracteristici de debit acceptabile. În plus, se pune problema lungimii și a curburii optime, precum și a materialului și a pereți mai groși. Conform datelor Full-Race, datorită randamentului mai mare al turbinelor cu două spițe, este posibil să se utilizeze conducte cu diametre mai mici. Cu toate acestea, din cauza formei complexe și a orificiului dublu de admisie, acest colector este în orice caz mai mare, mai greu și mai complicat decât unul convențional, din cauza numărului mai mare de componente. Prin urmare, este posibil ca acesta să nu se potrivească în locația standard, astfel încât este necesară schimbarea carterului. În plus, crottele gemene sunt mai mari decât crottele simple comparabile. În plus, ar fi nevoie de o altă țeavă superioară și de un alt captator de ulei. În plus, sistemele twincrope utilizează două porți de vest (una pentru fiecare rotor) în loc de o țeavă în Y pentru o performanță mai bună în cazul unei vestații externe.

În orice caz, este posibil să se monteze o turbină twin-scroll la VAZ sau să se înlocuiască turbina unică de la Porsche. Diferența constă în costul și cantitatea de muncă pentru pregătirea motorului: în timp ce la motoarele turbo de serie, dacă există spațiu disponibil, este de obicei suficient să înlocuiți colectorul de evacuare și alte câteva piese și să faceți ajustări, motoarele atmosferice necesită o intervenție mult mai serioasă pentru turbocompresie. Cu toate acestea, în cel de-al doilea caz, diferența de complexitate a instalării (dar nu și de cost) între sistemele cu două clapete și cele cu o singură clapetă este neglijabilă.

Concluzii

Turbinele cu două clapete, prin separarea gazelor de eșapament către roata turbinei duble și prin eliminarea influenței impulsive reciproce a cilindrilor, oferă performanțe, reacție și eficiență mai bune în comparație cu variantele cu o singură clapetă. Cu toate acestea, construirea unui astfel de sistem poate fi foarte costisitoare. În general, aceasta este soluția optimă pentru a crește capacitatea de reacție fără a pierde performanță maximă pentru motoare turbo.