Twin scroll-turbin: designbeskrivning, driftprincip, för- och nackdelar

2024 Författare: Erin Ralphs | [email protected]. Senast ändrad: 2024-02-19 18:27

Den största nackdelen med turboladdade motorer i jämförelse med atmosfäriska alternativ är mindre lyhördhet, på grund av att turbinens spin-up tar en viss tid. Med utvecklingen av turboladdare utvecklar tillverkare olika sätt att förbättra sin respons, prestanda och effektivitet. Twin scroll-turbiner är det bästa alternativet.

Allmänna funktioner

Denna term avser turboladdare med dubbelt inlopp och dubbelt pumphjul på turbinhjulet. Sedan de första turbinerna uppträdde (för cirka 30 år sedan) har de differentierats i öppna och separata intags alternativ. De sistnämnda är analoger till moderna twin-scroll-turboladdare. De bästa parametrarna avgör deras användning inom trimning och motorsport. Dessutom använder vissa tillverkare dem på produktion av sportbilar som Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP ochandra

Design och funktionsprincip

Twin-scroll-turbiner skiljer sig från konventionella turbiner genom att ha ett dubbelturbinhjul och en inloppsdel delad i två. Rotorn är av en monolitisk design, men bladens storlek, form och krökning varierar längs diametern. Den ena delen av den är designad för en liten last, den andra för en stor.

Principen för drift av tvilling-scrollturbiner är baserad på separat tillförsel av avgaser i olika vinklar till turbinhjulet, beroende på cylindrarnas funktionsordning.

Designfunktionerna och hur twin scroll-turbinen fungerar diskuteras mer i detalj nedan.

Avgasgrenrör

Utformningen av avgasgrenröret är av största vikt för twin-scroll-turboladdare. Den är baserad på cylinderkopplingskonceptet för racinggrenrör och bestäms av antalet cylindrar och deras skjutordning. Nästan alla 4-cylindriga motorer fungerar i en 1-3-4-2-ordning. I det här fallet kombinerar en kanal cylindrar 1 och 4, den andra - 2 och 3. På de flesta 6-cylindriga motorer tillförs avgaser separat från 1, 3, 5 och 2, 4, 6 cylindrar. Som undantag bör RB26 och 2JZ noteras. De fungerar i ordningen 1-5-3-6-2-4.

Följaktligen, för dessa motorer, är 1, 2, 3 cylindrar ihopkopplade för ett pumphjul, 4, 5, 6 för det andra (turbindrivningarna är organiserade i lager i samma ordning). Så här hetermotorerna kännetecknas av en förenklad design av avgasgrenröret, som kombinerar de tre första och sista tre cylindrarna i två kanaler.

Förutom att man kopplar ihop cylindrarna i en viss ordning är andra egenskaper hos grenröret mycket viktiga. Först och främst måste båda kanalerna ha samma längd och samma antal böjar. Detta beror på behovet av att säkerställa samma tryck på de tillförda avgaserna. Dessutom är det viktigt att turbinflänsen på grenröret matchar formen och dimensionerna på dess inlopp. Slutligen, för att säkerställa bästa prestanda, måste grenrörskonstruktionen vara nära anpassad till turbinens A/R.

Behovet av att använda ett avgasgrenrör av lämplig design för dubbelspolningsturbiner bestäms av det faktum att i fallet med användning av ett konventionellt grenrör, kommer en sådan turboladdare att fungera som en enkelspindel. Detsamma kommer att observeras när man kombinerar en turbin med enkelspolning med ett grenrör med två spiralrör.

Impulsiv interaktion mellan cylindrar

En av de betydande fördelarna med turboladdare med dubbla rullar, som avgör deras fördelar jämfört med dubbla rullar, är den betydande minskningen eller elimineringen av den ömsesidiga påverkan av cylindrar genom avgasimpulser.

Det är känt att för att varje cylinder ska klara alla fyra slagen måste vevaxeln rotera 720°. Detta gäller för både 4- och 12-cylindriga motorer. Men om de, när vevaxeln vrids 720° på de första cylindrarna, slutför en cykel, sedan12-cylindrig - alla cykler. Således, med en ökning av antalet cylindrar, reduceras mängden rotation av vevaxeln mellan samma slag för varje cylinder. Så på 4-cylindriga motorer inträffar kraftslaget var 180 ° i olika cylindrar. Detta gäller även för insugnings-, kompressions- och avgasslag. På 6-cylindriga motorer inträffar fler händelser i 2 varv av vevaxeln, så samma slag mellan cylindrarna är 120 ° från varandra. För 8-cylindriga motorer är intervallet 90 °, för 12-cylindriga motorer - 60 °.

Det är känt att kamaxlar kan ha en fas på 256 till 312° eller mer. Vi kan till exempel ta en motor med 280° faser vid inlopp och utlopp. När du släpper ut avgaser på en sådan 4-cylindrig motor, var 180 °, kommer cylinderns avgasventiler att vara öppna i 100 °. Detta krävs för att lyfta kolven från botten till övre dödpunkten under avgaserna för den cylindern. Med 1-3-2-4 avfyrningsorder för den tredje cylindern, kommer avgasventilerna att börja öppna i slutet av kolvslaget. Vid denna tidpunkt börjar insugningsslaget i den första cylindern och avgasventilerna börjar stängas. Under de första 50° av öppningen av avgasventilerna på den tredje cylindern kommer avgasventilerna på den första cylindern att öppnas, och dess insugningsventiler kommer också att börja öppna. Således överlappar ventilerna mellan cylindrarna.

Efter att avgaserna avlägsnats från den första cylindern stänger avgasventilerna och insugningsventilerna börjar öppna. Samtidigt öppnas avgasventilerna på den tredje cylindern och släpper ut högenergiavgaser. Betydande andelderas tryck och energi används för att driva turbinen, och en mindre del letar efter minsta motståndets väg. På grund av det lägre trycket hos de stängda avgasventilerna på den första cylindern jämfört med det inbyggda turbininloppet, skickas en del av avgaserna från den tredje cylindern till den första.

På grund av att insugningsslaget börjar i den första cylindern späds insugningsladdningen ut med avgaser och tappar kraft. Slutligen stänger den första cylinderns ventiler och kolven på den tredje stiger. För den senare utförs frigöringen och situationen som betraktas för cylinder 1 upprepas när avgasventilerna på den andra cylindern öppnas. Det råder alltså förvirring. Detta problem är ännu mer uttalat på 6- och 8-cylindriga motorer med avgasslagintervall mellan cylindrar på 120 respektive 90 °. I dessa fall är det en ännu längre överlappning av avgasventilerna på de två cylindrarna.

På grund av omöjligheten att ändra antalet cylindrar kan detta problem lösas genom att öka intervallet mellan liknande cykler genom att använda en turboladdare. Vid användning av två turbiner på 6- och 8-cylindriga motorer kan cylindrar kombineras för att driva var och en av dem. I det här fallet kommer intervallen mellan liknande avgasventilhändelser att fördubblas. Till exempel, för RB26, kan du kombinera cylindrar 1-3 för den främre turbinen och 4-6 för den bakre. Detta eliminerar successiv drift av cylindrarna för en turbin. Därför är intervallet mellan avgasventilhändelser förcylindrarna i en turboladdare ökar från 120 till 240°.

På grund av att twin scroll-turbinen har ett separat avgasgrenrör liknar den i denna mening ett system med två turboladdare. Så, 4-cylindriga motorer med två turbiner eller en twin-scroll turboladdare har ett intervall på 360 ° mellan händelserna. 8-cylindriga motorer med liknande boostsystem har samma avstånd. En mycket lång period, som överskrider ventillyftens varaktighet, utesluter deras överlappning för cylindrarna i en turbin.

På detta sätt drar motorn in mer luft och drar ut de återstående avgaserna vid lågt tryck, fyller cylindrarna med en tätare och renare laddning, vilket resulterar i en intensivare förbränning, vilket förbättrar prestandan. Dessutom tillåter högre volymetrisk effektivitet och bättre rengöring användning av en högre tändningsfördröjning för att bibehålla topptemperaturerna i cylindern. Tack vare detta är verkningsgraden för turbiner med dubbla rullningar 7-8 % högre jämfört med turbiner med dubbla rullningar med 5 % bättre bränsleeffektivitet.

Twin-scroll-turboladdare har högre genomsnittligt cylindertryck och effektivitet, men lägre toppcylindertryck och utloppsmottryck, jämfört med enkelscroll-turboladdare, enligt Full-Race. Twin-scroll-system har mer mottryck vid låga rpm (främjar förstärkning) och mindre vid höga rpm (förbättrar prestanda). Slutligen är en motor med ett sådant boostsystem mindre känslig för de negativa effekterna av bredfaskamaxlar.

Prestanda

Ovan var de teoretiska positionerna för funktionen hos tvilling-scroll-turbiner. Vad detta ger i praktiken fastställs genom mätningar. Ett sådant test i jämförelse med versionen med en rullning utfördes av tidningen DSPORT på Project KA 240SX. Hans KA24DET utvecklar upp till 700 hk. Med. på hjul på E85. Motorn är utrustad med ett anpassat Wisecraft Fabrication avgasgrenrör och en Garrett GTX turboladdare. Under testerna byttes endast turbinhuset till samma A/R-värde. Utöver effekt- och vridmomentändringar mätte testare respons genom att mäta tiden för att nå ett visst varvtal och öka trycket i tredje växeln under liknande startförhållanden.

Resultaten visade den bästa prestandan för twin-scroll-turbinen genom hela varvtalsområdet. Den visade störst överlägsenhet i kraft i området från 3500 till 6000 rpm. Det bästa resultatet beror på det högre laddtrycket vid samma varvtal. Dessutom gav mer tryck en ökning av vridmomentet, jämförbar med effekten av att öka motorvolymen. Det är också mest uttalat vid medelhastigheter. I acceleration från 45 till 80 m/h (3100-5600 rpm) överträffade twin-scroll-turbinen singel-scroll en med 0,49 s (2,93 mot 3,42), vilket kommer att ge en skillnad på tre kroppar. Det vill säga, när en bil med en signal-scroll-turboladdare når 80 mph, kommer twin-scroll-varianten att åka 3 billängder framåt i 95 mph. I hastighetsområdet 60-100 m/h (4200-7000 rpm), överlägsen dubbelscrollturbinenvisade sig vara mindre signifikant och uppgick till 0,23 s (1,75 mot 1,98 s) och 5 m/h (105 mot 100 m/h). När det gäller hastigheten för att nå ett visst tryck, är en twin-scroll-turboladdare före en single-scroll-turboladdare med cirka 0,6 s. Så vid 30 psi är skillnaden 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

En annan jämförelse gjordes av Full Race Motorsports på en 2,3L Ford EcoBoost-motor med en BorgWarner EFR-turbo. I detta fall jämfördes avgasflödet i varje kanal genom datorsimulering. För en tvilling-scroll-turbin var spridningen av detta värde upp till 4 %, medan den för en enkel-scroll-turbin var 15 %. Bättre matchning av flödeshastighet betyder mindre blandningsförluster och mer impulsenergi för turboladdare med dubbla scroll.

För- och nackdelar

Twin-scrollturbiner erbjuder många fördelar jämfört med enkelscrollturbiner. Dessa inkluderar:

• ökad prestanda i hela varvtalsområdet;
• bättre lyhördhet;
• mindre blandningsförlust;
• ökad impulsenergi till turbinhjulet;
• bättre öka effektiviteten;
• mer vridmoment i botten som liknar ett dubbelturbosystem;
• minskning av insugsladdningsdämpningen när ventiler överlappar mellan cylindrarna;
• lägre avgastemperatur;
• minska impulsförlusterna i motorn;
• minska bränsleförbrukningen.

Den största nackdelen är den stora komplexiteten i designen, vilket ökarpris. Dessutom, vid högt tryck vid höga hastigheter, kommer separationen av gasflödet inte att tillåta dig att få samma toppprestanda som på en enkelscrollturbin.

Strukturellt sett är dubbelscrollturbiner analoga med system med två turboladdare (bi-turbo och twin-turbo). I jämförelse med dem har sådana turbiner tvärtom fördelar i kostnad och enkel design. Vissa tillverkare drar nytta av detta, till exempel BMW, som ersatte dubbelturbosystemet på N54B30 1-serie M Coupe med en dubbelspolad turboladdare på N55B30 M2.

Det bör noteras att det finns ännu mer tekniskt avancerade alternativ för turbiner, som representerar det högsta steget i deras utveckling - turboladdare med variabel geometri. Generellt sett har de samma fördelar jämfört med konventionella turbiner som twin-scroll, men i större utsträckning. Sådana turboladdare har dock en mycket mer komplex design. Dessutom är de svåra att sätta upp på motorer som inte ursprungligen konstruerats för sådana system på grund av att de styrs av motorstyrenheten. Slutligen är den främsta faktorn som orsakar den extremt dåliga användningen av dessa turbiner på bensinmotorer den mycket höga kostnaden för modeller för sådana motorer. Därför är de extremt sällsynta, både vid massproduktion och trimning, men de används i stor utsträckning på dieselmotorer i kommersiella fordon.

Vid SEMA 2015 presenterade BorgWarner en design som kombinerar twin scroll-teknik med design med variabel geometri, Twin Scroll Variable Geometry Turbine. I henneett spjäll installeras i den dubbla inloppsdelen, som beroende på belastningen fördelar flödet mellan pumphjulen. Vid låga hastigheter går alla avgaserna till en liten del av rotorn, och den stora delen är blockerad, vilket ger ännu snabbare spin-up än en konventionell twin-scroll-turbin. När belastningen ökar flyttas spjället gradvis till mittläget och fördelar flödet jämnt vid höga hastigheter, som i en vanlig twin-scroll-design. Således ger denna teknik, liksom teknik med variabel geometri, en förändring av A/R-förhållandet beroende på belastningen, vilket justerar turbinen till motorns driftläge, vilket utökar driftsområdet. Samtidigt är designen mycket enklare och billigare att tänka på, eftersom endast ett rörligt element används här, som arbetar enligt en enkel algoritm, och användningen av värmebeständiga material krävs inte. Det bör noteras att liknande lösningar har stött på tidigare (till exempel snabb spolventil), men av någon anledning har denna teknik inte blivit populär.

Application

Som nämnts ovan används dubbla rullningsturbiner ofta på masstillverkade sportbilar. Men vid inställning hämmas deras användning på många motorer med single-scroll-system av begränsat utrymme. Detta beror främst på utformningen av samlingsröret: vid lika längder måste acceptabla radiella böjar och flödesegenskaper bibehållas. Dessutom är det en fråga om optimal längd och böj, samt material och väggtjocklek. Enligt Full-Race, på grund av större effektivitettwin-scroll-turbiner är det möjligt att använda kanaler med mindre diameter. Men på grund av sin komplexa form och dubbla inlopp är en sådan uppsamlare i alla fall större, tyngre och mer komplicerad än vanligt på grund av det större antalet delar. Därför kanske det inte passar på en standardplats, vilket gör att det kommer att bli nödvändigt att byta vevhuset. Dessutom är twin-scroll-turbinerna själva större än liknande enscroll-turbiner. Dessutom kommer andra appe- och oljefällor att krävas. Dessutom används två wastegates (en per impeller) istället för ett Y-rör för bättre prestanda med externa wastegates för twin scroll-system.

I alla fall är det möjligt att installera en twin-scroll-turbin på en VAZ och ersätta den med en Porsche single-scroll-turboladdare. Skillnaden ligger i kostnaden och omfattningen av arbetet med att förbereda motorn: om på seriella turbomotorer, om det finns utrymme, är det vanligtvis tillräckligt att byta ut avgasgrenröret och vissa andra delar och göra justeringar, då kräver naturligt sugmotorer mycket mer allvarliga ingrepp för turboladdning. Men i det andra fallet är skillnaden i installationskomplexitet (men inte i kostnad) mellan system med dubbla rullningar och enkel rullning obetydlig.

slutsatser

Twin-scroll-turbiner ger bättre prestanda, lyhördhet och effektivitet än single-scroll-turbiner genom att dela upp avgaserna till det dubbla turbinhjulet och eliminera cylinderinterferens. i alla fallatt bygga ett sådant system kan bli mycket kostsamt. Sammantaget är detta den bästa lösningen för att öka lyhördheten utan att offra maximal prestanda för turbomotorer.