Twin scroll turbīna: konstrukcijas apraksts, darbības princips, plusi un mīnusi

2024 Autors: Erin Ralphs | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-02-19 17:42

Galvenais turbodzinēju trūkums, salīdzinot ar atmosfēras opcijām, ir mazāka atsaucība, jo turbīnas pagriešana prasa noteiktu laiku. Attīstoties turbokompresoriem, ražotāji izstrādā dažādus veidus, kā uzlabot to atsaucību, veiktspēju un efektivitāti. Divkāršās ritināšanas turbīnas ir labākais risinājums.

Vispārīgās funkcijas

Šis termins attiecas uz turbokompresoriem ar dubultu ieplūdi un dubultu turbīnas riteņa lāpstiņriteni. Kopš pirmo turbīnu parādīšanās (apmēram pirms 30 gadiem) tās ir diferencētas atvērtās un atsevišķās ieplūdes opcijās. Pēdējie ir mūsdienu dubultās ritināšanas turbokompresoru analogi. Labākie parametri nosaka to izmantošanu tūningā un autosportā. Turklāt daži ražotāji tos izmanto sērijveida sporta automašīnām, piemēram, Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP unciti

Dizains un darbības princips

Twin-scroll turbīnas atšķiras no parastajām turbīnām ar dubulto turbīnu riteni un ieplūdes daļu, kas sadalīta divās daļās. Rotoram ir monolīta konstrukcija, bet lāpstiņu izmērs, forma un izliekums mainās atkarībā no diametra. Viena tā daļa paredzēta mazai slodzei, otra lielai.

Twin-scroll turbīnu darbības princips ir balstīts uz atsevišķu izplūdes gāzu padevi dažādos leņķos pret turbīnas riteni atkarībā no cilindru darbības secības.

Tālāk ir sīkāk aplūkotas dizaina iezīmes un to, kā darbojas dubultās ritināšanas turbīna.

Izplūdes kolektors

Izplūdes kolektora konstrukcijai ir galvenā nozīme dubultās sviras turbokompresoros. Tas ir balstīts uz sacīkšu kolektoru cilindru savienojuma koncepciju, un to nosaka cilindru skaits un to šaušanas secība. Gandrīz visi 4 cilindru dzinēji darbojas 1-3-4-2 secībā. Šajā gadījumā viens kanāls apvieno cilindrus 1 un 4, otrs - 2 un 3. Lielākajai daļai 6 cilindru dzinēju izplūdes gāzes tiek piegādātas atsevišķi no 1, 3, 5 un 2, 4, 6 cilindriem. Kā izņēmums jāatzīmē RB26 un 2JZ. Tie darbojas secībā 1-5-3-6-2-4.

Līdz ar to šiem motoriem vienam lāpstiņritenim ir savienoti 1, 2, 3 cilindri, otrajam - 4, 5, 6 (turbīnu piedziņas tiek organizētas krājumā tādā pašā secībā). Tā nosauktsdzinēji atšķiras ar vienkāršotu izplūdes kolektora konstrukciju, kas apvieno pirmos trīs un pēdējos trīs cilindrus divos kanālos.

Papildus cilindru savienošanai noteiktā secībā ļoti svarīgas ir arī citas kolektora īpašības. Pirmkārt, abiem kanāliem jābūt vienādam garumam un vienādam līkumu skaitam. Tas ir saistīts ar nepieciešamību nodrošināt vienādu piegādāto izplūdes gāzu spiedienu. Turklāt ir svarīgi, lai kolektora turbīnas atloks atbilstu tā ieplūdes formai un izmēriem. Visbeidzot, lai nodrošinātu vislabāko veiktspēju, kolektora konstrukcijai jābūt cieši saskaņotai ar turbīnas A/R.

Nepieciešamību izmantot atbilstošas konstrukcijas izplūdes kolektoru dubultās spirāles turbīnām nosaka fakts, ka parastā kolektora izmantošanas gadījumā šāds turbokompresors darbosies kā vienrites. Tas pats tiks novērots, apvienojot vienas ritināšanas turbīnu ar dubultās ritināšanas kolektoru.

Cilindru impulsīva mijiedarbība

Viena no būtiskām dubultās ritināšanas turbokompresoru priekšrocībām, kas nosaka to priekšrocības salīdzinājumā ar vienas ritināšanas turbokompresoriem, ir cilindru savstarpējās ietekmes būtiska samazināšana vai izslēgšana ar izplūdes gāzu impulsiem.

Ir zināms, ka, lai katrs cilindrs izietu visus četrus gājienus, kloķvārpstai ir jāgriežas par 720°. Tas attiecas gan uz 4, gan 12 cilindru dzinējiem. Tomēr, ja, pagriežot kloķvārpstu par 720 ° uz pirmajiem cilindriem, tie pabeidz vienu ciklu, tad12 cilindru - visi cikli. Tādējādi, palielinoties cilindru skaitam, tiek samazināts kloķvārpstas griešanās apjoms starp tiem pašiem gājieniem katram cilindram. Tātad 4 cilindru dzinējiem jaudas gājiens notiek ik pēc 180 ° dažādos cilindros. Tas attiecas arī uz ieplūdes, kompresijas un izplūdes gājieniem. 6 cilindru dzinējiem vairāk notikumu notiek 2 kloķvārpstas apgriezienos, tāpēc vienādi gājieni starp cilindriem ir 120 ° viens no otra. 8 cilindru dzinējiem intervāls ir 90 °, 12 cilindru motoriem - 60 °.

Ir zināms, ka sadales vārpstām var būt fāze no 256 līdz 312° vai vairāk. Piemēram, mēs varam ņemt dzinēju ar 280° fāzēm pie ieejas un izejas. Izlaižot izplūdes gāzes šādam 4 cilindru dzinējam, ik pēc 180 °, cilindra izplūdes vārsti būs atvērti par 100 °. Tas ir nepieciešams, lai virzuli paceltu no apakšas uz augšējo miršanas punktu šī cilindra izplūdes laikā. Ar 1-3-2-4 iedarbināšanas secību trešajam cilindram izplūdes vārsti sāks atvērties virzuļa gājiena beigās. Šajā laikā ieplūdes gājiens sāksies pirmajā cilindrā, un izplūdes vārsti sāks aizvērties. Trešā cilindra izplūdes vārstu atvēršanas pirmajos 50° laikā atvērsies pirmā cilindra izplūdes vārsti, un sāks atvērties arī tā ieplūdes vārsti. Tādējādi vārsti pārklājas starp cilindriem.

Pēc izplūdes gāzu noņemšanas no pirmā cilindra izplūdes vārsti aizveras un sāk atvērties ieplūdes vārsti. Tajā pašā laikā atveras trešā cilindra izplūdes vārsti, izdalot augstas enerģijas izplūdes gāzes. Ievērojama daļato spiediens un enerģija tiek izmantoti, lai darbinātu turbīnu, un mazāka daļa meklē mazākās pretestības ceļu. Tā kā pirmā cilindra aizverošo izplūdes vārstu spiediens ir zemāks salīdzinājumā ar integrēto turbīnas ieplūdi, daļa trešā cilindra izplūdes gāzu tiek nosūtīta uz pirmo.

Sakarā ar to, ka ieplūdes gājiens sākas pirmajā cilindrā, ieplūdes lādiņš tiek atšķaidīts ar izplūdes gāzēm, zaudējot jaudu. Visbeidzot, pirmā cilindra vārsti aizveras un trešā virzulis paceļas. Pēdējam tiek veikta atbrīvošana, un situācija, kas aplūkota 1. cilindram, tiek atkārtota, kad tiek atvērti otrā cilindra izplūdes vārsti. Tādējādi rodas neskaidrības. Šī problēma ir vēl izteiktāka 6 un 8 cilindru dzinējos ar izplūdes gājiena intervālu starp cilindriem attiecīgi 120 un 90 °. Šādos gadījumos abu cilindru izplūdes vārsti pārklājas vēl ilgāk.

Tā kā nav iespējams mainīt cilindru skaitu, šo problēmu var atrisināt, palielinot intervālu starp līdzīgiem cikliem, izmantojot turbokompresoru. Ja 6 un 8 cilindru dzinējos izmanto divas turbīnas, cilindrus var apvienot, lai darbinātu katru no tiem. Šajā gadījumā intervāli starp līdzīgiem izplūdes vārsta notikumiem dubultosies. Piemēram, RB26 varat kombinēt cilindrus 1-3 priekšējai turbīnai un 4-6 aizmugurējai turbīnai. Tas izslēdz vienas turbīnas cilindru secīgu darbību. Tāpēc intervāls starp izplūdes vārsta notikumiemviena turbokompresora cilindru skaits palielinās no 120 līdz 240°.

Sakarā ar to, ka twin scroll turbīnai ir atsevišķs izplūdes kolektors, šajā ziņā tā ir līdzīga sistēmai ar diviem turbokompresoriem. Tātad 4 cilindru dzinējiem ar divām turbīnām vai dubultās ritināšanas turbokompresoru intervāls starp notikumiem ir 360 °. 8 cilindru dzinējiem ar līdzīgām pastiprināšanas sistēmām ir vienāds attālums. Ļoti ilgs periods, kas pārsniedz vārsta pacēluma ilgumu, izslēdz to pārklāšanos vienas turbīnas cilindriem.

Tādā veidā dzinējs ievelk vairāk gaisa un izvada atlikušās izplūdes gāzes zemā spiedienā, piepildot cilindrus ar blīvāku un tīrāku lādiņu, kā rezultātā notiek intensīvāka degšana, kas uzlabo veiktspēju. Turklāt lielāka tilpuma efektivitāte un labāka tīrīšana ļauj izmantot lielāku aizdedzes aizkavi, lai uzturētu maksimālo cilindru temperatūru. Pateicoties tam, dubultās spirāles turbīnu efektivitāte ir par 7–8% augstāka salīdzinājumā ar vienas ritināšanas turbīnām ar par 5% labāku degvielas efektivitāti.

Twin-scroll turbokompresoriem ir augstāks vidējais cilindru spiediens un efektivitāte, bet zemāks maksimālais cilindru spiediens un izejas pretspiediens, salīdzinot ar vienas ritināšanas turbokompresoriem, saskaņā ar Full-Race. Divkāršās ritināšanas sistēmām ir lielāks pretspiediens pie zemiem apgriezieniem minūtē (veicina pastiprinājumu) un mazāks pie lieliem apgriezieniem (uzlabo veiktspēju). Visbeidzot, dzinējs ar šādu pastiprināšanas sistēmu ir mazāk jutīgs pret plašas fāzes negatīvo ietekmisadales vārpstas.

Izpilde

Iepriekš bija teorētiskās nostājas par dubultās ritināšanas turbīnu darbību. Ko tas dod praksē, nosaka mērījumi. Šādu testu, salīdzinot ar vienas ritināšanas versiju, žurnāls DSPORT veica projektā KA 240SX. Viņa KA24DET attīsta līdz 700 ZS. Ar. uz riteņiem uz E85. Motors ir aprīkots ar pielāgotu Wisecraft Fabrication izplūdes kolektoru un Garrett GTX turbokompresoru. Testu laikā tika mainīts tikai turbīnas korpuss ar tādu pašu A / R vērtību. Papildus jaudas un griezes momenta izmaiņām testētāji mēra reaģētspēju, mērot laiku, kas vajadzīgs, lai sasniegtu noteiktus apgriezienus minūtē un palielinātu spiedienu trešajā pārnesumā līdzīgos palaišanas apstākļos.

Rezultāti uzrādīja vislabāko dubultās ritināšanas turbīnas veiktspēju visā apgriezienu diapazonā. Tas uzrādīja vislielāko jaudas pārsvaru diapazonā no 3500 līdz 6000 apgr./min. Labākos rezultātus nodrošina augstāks padeves spiediens pie tādiem pašiem apgriezieniem minūtē. Turklāt lielāks spiediens nodrošināja griezes momenta pieaugumu, kas ir salīdzināms ar dzinēja tilpuma palielināšanas efektu. Tas ir arī visizteiktākais pie vidēja ātruma. Paātrinājumā no 45 līdz 80 m/h (3100-5600 apgr./min.) dubultās ritināšanas turbīna par 0,49 s (2,93 pret 3,42) pārspēja vienas ritināšanas turbīnas, kas nodrošinās trīs korpusu atšķirību. Tas ir, kad automašīna ar signālritināšanas turbokompresoru sasniedz 80 jūdzes stundā, dubultās ritināšanas variants brauks 3 automobiļus uz priekšu ar ātrumu 95 jūdzes stundā. Apgriezienu diapazonā no 60-100 m/h (4200-7000 apgr./min.) dubultās spolītes turbīnas pārākumsizrādījās mazāk nozīmīgas un sasniedza 0,23 s (1,75 pret 1,98 s) un 5 m/h (105 pret 100 m/h). Noteikta spiediena sasniegšanas ātruma ziņā dubultās spolītes turbokompresors par aptuveni 0,6 sekundēm apsteidz vienas ritināšanas turbokompresoru. Tātad pie 30 psi atšķirība ir 400 apgr./min (5500 pret 5100 apgr./min.).

Vēl vienu salīdzinājumu veica uzņēmums Full Race Motorsports ar 2,3 litru Ford EcoBoost dzinēju ar BorgWarner EFR turbomotoru. Šajā gadījumā izplūdes gāzu plūsmas ātrums katrā kanālā tika salīdzināts ar datorsimulāciju. Divkāršās spirāles turbīnai šīs vērtības izkliede bija līdz 4%, savukārt viena spirāles turbīnai tā bija 15%. Labāka plūsmas ātruma saskaņošana nozīmē mazākus sajaukšanas zudumus un vairāk impulsa enerģijas dubultās ritināšanas turbokompresoriem.

Prusi un mīnusi

Dvīņu ritināšanas turbīnas piedāvā daudzas priekšrocības salīdzinājumā ar vienas ritināšanas turbīnām. Tie ietver:

• paaugstināta veiktspēja visā apgriezienu diapazonā;
• labāka atsaucība;
• mazāki sajaukšanas zudumi;
• palielināta impulsa enerģija uz turbīnas riteni;
• labāk palielināt efektivitāti;
• vairāk apakšējā gala griezes momenta, kas līdzīgs divu turbo sistēmai;
• ieplūdes lādiņa vājinājuma samazināšana, kad vārsti pārklājas starp cilindriem;
• zemāka izplūdes gāzu temperatūra;
• samazināt motora impulsa zudumus;
• samazināt degvielas patēriņu.

Galvenais trūkums ir lielā dizaina sarežģītība, kas izraisa palielinātucena. Turklāt pie augsta spiediena pie lieliem apgriezieniem gāzes plūsmas atdalīšana neļaus jums iegūt tādu pašu maksimālo veiktspēju kā vienas ritināšanas turbīnai.

Strukturāli dubultās ritināšanas turbīnas ir līdzīgas sistēmām ar diviem turbokompresoriem (bi-turbo un twin-turbo). Salīdzinot ar tām, šādām turbīnām, gluži pretēji, ir priekšrocības izmaksu un dizaina vienkāršības ziņā. Daži ražotāji to izmanto, piemēram, BMW, kas N54B30 1-Series M Coupe dubulto turbo sistēmu aizstāja ar dubultās ritināšanas turbokompresoru N55B30 M2.

Jāatzīmē, ka turbīnām ir vēl tehniski progresīvākas iespējas, kas pārstāv to augstāko attīstības stadiju - turbokompresori ar mainīgu ģeometriju. Kopumā tām ir tādas pašas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajām turbīnām kā dubultās ritināšanas turbīnām, bet lielākā mērā. Tomēr šādiem turbokompresoriem ir daudz sarežģītāks dizains. Turklāt tos ir grūti uzstādīt motoriem, kas sākotnēji nav paredzēti šādām sistēmām, jo tos kontrolē dzinēja vadības bloks. Visbeidzot, galvenais faktors, kas izraisa ārkārtīgi sliktu šo turbīnu izmantošanu benzīna dzinējos, ir šādu dzinēju modeļu ļoti augstās izmaksas. Tāpēc gan masveida ražošanā, gan tūningā tie ir ārkārtīgi reti, taču tos plaši izmanto komerciālo transportlīdzekļu dīzeļdzinējos.

Izstādē SEMA 2015 BorgWarner prezentēja dizainu, kas apvieno dubultās ritināšanas tehnoloģiju ar mainīgas ģeometrijas dizainu - Twin Scroll mainīgas ģeometrijas turbīnu. Viņādubultā ieplūdes daļā ir uzstādīts slāpētājs, kas atkarībā no slodzes sadala plūsmu starp lāpstiņriteņiem. Pie maziem apgriezieniem visas izplūdes gāzes nonāk nelielā rotora daļā, un lielākā daļa tiek bloķēta, kas nodrošina vēl ātrāku griešanos nekā parastā twin-scroll turbīna. Palielinoties slodzei, amortizators pakāpeniski pāriet uz vidējo pozīciju un vienmērīgi sadala plūsmu lielos ātrumos, kā tas ir standarta dubultās ritināšanas konstrukcijā. Tādējādi šī tehnoloģija, tāpat kā mainīgas ģeometrijas tehnoloģija, nodrošina A / R attiecības maiņu atkarībā no slodzes, pielāgojot turbīnu dzinēja darbības režīmam, kas paplašina darbības diapazonu. Tajā pašā laikā, ņemot vērā dizainu, tas ir daudz vienkāršāks un lētāks, jo šeit tiek izmantots tikai viens kustīgs elements, kas darbojas pēc vienkārša algoritma, un nav nepieciešams izmantot karstumizturīgus materiālus. Jāpiebilst, ka ar līdzīgiem risinājumiem ir nācies sastapties jau iepriekš (piemēram, ātrais spoles vārsts), taču šī tehnoloģija nez kāpēc nav guvusi popularitāti.

Pieteikums

Kā minēts iepriekš, masveidā ražotās sporta automašīnās bieži tiek izmantotas dubultās ritināšanas turbīnas. Tomēr regulējot to izmantošanu daudziem motoriem ar vienas ritināšanas sistēmām apgrūtina ierobežotā telpa. Tas galvenokārt ir saistīts ar hedera konstrukciju: vienādos garumos ir jāsaglabā pieņemami radiālie līkumi un plūsmas raksturlielumi. Turklāt ir jautājums par optimālo garumu un līkumu, kā arī materiālu un sienas biezumu. Saskaņā ar Full-Race teikto, pateicoties lielākai efektivitāteitwin-scroll turbīnas, iespējams izmantot mazāka diametra kanālus. Taču, ņemot vērā to sarežģīto formu un dubulto ieeju, šāds kolektors jebkurā gadījumā ir lielāks, smagāks un sarežģītāks nekā parasti lielākā detaļu skaita dēļ. Tāpēc tas var neiederēties standarta vietā, kā rezultātā būs jāmaina karteris. Turklāt pašas dubultās spolītes turbīnas ir lielākas nekā līdzīgas vienas ritināšanas turbīnas. Turklāt būs nepieciešami citi slazdi un eļļas slazds. Turklāt Y-caurules vietā tiek izmantoti divi aizvadi (viens katram lāpstiņritenim), lai nodrošinātu labāku veiktspēju ar ārējiem atkritumiem dubultās ritināšanas sistēmām.

Jebkurā gadījumā VAZ ir iespējams uzstādīt dubultās ritināšanas turbīnu un aizstāt to ar Porsche vienas ritināšanas turbokompresoru. Atšķirība ir dzinēja sagatavošanas darba izmaksās un apjomā: ja sērijveida turbo dzinējiem, ja ir vieta, parasti pietiek ar izplūdes kolektora un dažu citu detaļu nomaiņu un regulēšanu, tad atmosfēriskie dzinēji prasa daudz vairāk. nopietna iejaukšanās turbokompresorā. Tomēr otrajā gadījumā atšķirība instalācijas sarežģītībā (bet ne izmaksās) starp dubultās un vienas ritināšanas sistēmām ir nenozīmīga.

Secinājumi

Divritināšanas turbīnas nodrošina labāku veiktspēju, atsaucību un efektivitāti nekā vienas ritināšanas turbīnas, sadalot izplūdes gāzes uz divu turbīnu riteni un novēršot cilindru darbības traucējumus. Tomēršādas sistēmas izveide var būt ļoti dārga. Kopumā šis ir labākais risinājums, lai palielinātu atsaucību, nezaudējot turbodzinēju maksimālo veiktspēju.