Twin spirálová turbína: popis konstrukce, princip činnosti, klady a zápory

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-02-19 12:59

Hlavní nevýhodou přeplňovaných motorů ve srovnání s atmosférickými variantami je menší odezva, protože roztočení turbíny trvá určitou dobu. S vývojem turbodmychadel výrobci vyvíjejí různé způsoby, jak zlepšit jejich odezvu, výkon a účinnost. Dvojité spirálové turbíny jsou nejlepší volbou.

Obecné funkce

Tento termín označuje turbodmychadla s dvojitým vstupem a dvojitým oběžným kolem turbínového kola. Od objevení prvních turbín (asi před 30 lety) byly rozlišeny na otevřené a samostatné možnosti sání. Posledně jmenované jsou analogy moderních twin-scroll turbodmychadel. Nejlepší parametry určují jejich použití v tuningu a motorsportu. Někteří výrobci je navíc používají na sériových sportovních autech jako Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP aostatní

Konstrukce a princip fungování

Twin-scroll turbíny se liší od konvenčních turbín tím, že mají dvojité kolo turbíny a vstupní část rozdělenou na dvě části. Rotor je monolitické konstrukce, ale velikost, tvar a zakřivení lopatek se liší podél průměru. Jedna jeho část je určena pro malou zátěž, druhá pro velkou.

Princip činnosti twin-scroll turbín je založen na samostatném přívodu výfukových plynů v různých úhlech ke kolu turbíny v závislosti na pořadí činnosti válců.

Konstrukční prvky a způsob fungování dvojité spirálové turbíny jsou podrobněji popsány níže.

Výfukové potrubí

Konstrukce výfukového potrubí je u turbodmychadel typu twin-scroll prvořadá. Vychází z koncepce spojky válců závodních rozdělovačů a je určena počtem válců a pořadím jejich zapalování. Téměř všechny čtyřválcové motory pracují v pořadí 1-3-4-2. V tomto případě jeden kanál kombinuje válce 1 a 4, druhý - 2 a 3. U většiny 6válcových motorů jsou výfukové plyny dodávány odděleně od 1, 3, 5 a 2, 4, 6 válců. Jako výjimky je třeba poznamenat RB26 a 2JZ. Fungují v pořadí 1-5-3-6-2-4.

V důsledku toho jsou u těchto motorů spojeny 1, 2, 3 válce pro jedno oběžné kolo, 4, 5, 6 pro druhé (turbinové pohony jsou uspořádány na skladě ve stejném pořadí). Takto pojmenovanýmotory se vyznačují zjednodušeným designem výfukového potrubí, které spojuje první tři a poslední tři válce do dvou kanálů.

Kromě připojení válců v určitém pořadí jsou velmi důležité další vlastnosti potrubí. Za prvé, oba kanály musí mít stejnou délku a stejný počet ohybů. Je to z důvodu nutnosti zajistit stejný tlak přiváděných výfukových plynů. Kromě toho je důležité, aby příruba turbíny na rozdělovači odpovídala tvaru a rozměrům jejího vstupu. A konečně, aby byl zajištěn nejlepší výkon, musí být konstrukce potrubí těsně sladěna s A/R turbínou.

Potřeba použití výfukového potrubí vhodné konstrukce pro twin-scroll turbíny je dána tím, že v případě použití konvenčního potrubí bude takové turbodmychadlo pracovat jako jednosvitkové. Totéž bude pozorováno při kombinaci jednosvitkové turbíny s dvojitým spirálovým potrubím.

Impulzivní interakce válců

Jednou z výrazných předností twin-scroll turbodmychadel, které určují jejich přednosti oproti jednoscrollovým, je výrazné omezení nebo eliminace vzájemného ovlivňování válců impulsy výfukových plynů.

Je známo, že aby každý válec prošel všemi čtyřmi zdvihy, musí se klikový hřídel otočit o 720°. To platí pro 4- i 12válcové motory. Pokud však při otočení klikového hřídele o 720 ° na prvních válcích dokončí jeden cyklus, pak na12-válec - všechny cykly. S nárůstem počtu válců se tedy snižuje počet otáček klikového hřídele mezi stejnými zdvihy pro každý válec. Takže u čtyřválcových motorů dochází k zdvihu každých 180 ° v různých válcích. To platí i pro sací, kompresní a výfukové zdvihy. U 6válcových motorů dochází k více událostem za 2 otáčky klikového hřídele, takže stejné zdvihy mezi válci jsou od sebe 120°. Pro 8válcové motory je interval 90°, pro 12válcové motory - 60°.

Je známo, že vačkové hřídele mohou mít fázi 256 až 312° nebo více. Například můžeme vzít motor s 280° fázemi na vstupu a výstupu. Při vypouštění výfukových plynů u takového 4válcového motoru se každých 180° výfukové ventily válce otevřou na 100°. To je nutné ke zvednutí pístu ze spodní do horní úvrati během výfuku daného válce. Při pořadí zapalování 1-3-2-4 pro třetí válec se výfukové ventily začnou otevírat na konci zdvihu pístu. V tomto okamžiku začne sací zdvih v prvním válci a výfukové ventily se začnou zavírat. Během prvních 50° otevření výfukových ventilů třetího válce se otevřou výfukové ventily prvního válce a začnou se otevírat i jeho sací ventily. Ventily se tedy mezi válci překrývají.

Po odstranění výfukových plynů z prvního válce se výfukové ventily uzavřou a sací ventily se začnou otevírat. Současně se otevřou výfukové ventily třetího válce, čímž se uvolní výfukové plyny s vysokou energií. Významný podíljejich tlak a energie se využívá k pohonu turbíny a menší část hledá cestu nejmenšího odporu. Vzhledem k nižšímu tlaku uzavíracích výfukových ventilů prvního válce ve srovnání s integrálním vstupem do turbíny je část výfukových plynů třetího válce posílána do prvního.

Vzhledem k tomu, že sací zdvih začíná v prvním válci, sací náplň se ředí výfukovými plyny a ztrácí výkon. Nakonec se ventily prvního válce uzavřou a píst třetího se zvedne. U posledně uvedeného se provede uvolnění a situace uvažovaná pro válec 1 se opakuje, když se otevřou výfukové ventily druhého válce. Existuje tedy zmatek. Tento problém je ještě výraznější u 6- a 8válcových motorů s intervalem zdvihu výfuku mezi válci 120, respektive 90°. V těchto případech dochází k ještě delšímu překrytí výfukových ventilů obou válců.

Vzhledem k nemožnosti změny počtu válců lze tento problém vyřešit prodloužením intervalu mezi podobnými cykly pomocí turbodmychadla. V případě použití dvou turbín na 6- a 8válcových motorech lze válce kombinovat pro pohon každého z nich. V tomto případě se intervaly mezi podobnými událostmi výfukového ventilu zdvojnásobí. Například u RB26 můžete kombinovat válce 1-3 pro přední turbínu a 4-6 pro zadní. Tím odpadá po sobě jdoucí provoz válců pro jednu turbínu. Proto interval mezi událostmi výfukového ventilu proválce jednoho turbodmychadla se zvýší ze 120 na 240°.

Vzhledem k tomu, že dvojitá spirálová turbína má samostatné výfukové potrubí, je v tomto smyslu podobná systému se dvěma turbodmychadly. Čtyřválcové motory se dvěma turbínami nebo twin-scroll turbodmychadlem mají tedy interval mezi událostmi 360 °. 8válcové motory s podobnými posilovacími systémy mají stejný rozestup. Velmi dlouhá doba přesahující dobu zdvihu ventilů vylučuje jejich překrytí pro válce jedné turbíny.

Tímto způsobem motor nasává více vzduchu a odvádí zbývající výfukové plyny při nízkém tlaku, čímž naplňuje válce hustší a čistší náplní, což má za následek intenzivnější spalování, které zlepšuje výkon. Větší objemová účinnost a lepší čištění navíc umožňují použití vyššího zpoždění zážehu pro udržení špičkových teplot válců. Díky tomu je účinnost twin-scroll turbín o 7-8% vyšší ve srovnání s jednoscroll turbínami s o 5% lepší palivovou účinností.

Twin-scroll turbodmychadla mají podle Full-Race vyšší průměrný tlak ve válci a účinnost, ale nižší špičkový tlak ve válci a výstupní zpětný tlak ve srovnání s jednoscrollovými turbodmychadly. Systémy Twin-scroll mají větší protitlak při nízkých otáčkách (podpora posílení) a menší při vysokých otáčkách (zlepšení výkonu). Konečně, motor s takovým posilovacím systémem je méně citlivý na negativní vlivy širokofázového motoruvačkové hřídele.

Výkon

Výše byly teoretické pozice fungování twin-scroll turbín. Co to dává v praxi, je určeno měřeními. Takový test srovnáním s jednosvitkovou verzí provedl časopis DSPORT na Project KA 240SX. Jeho KA24DET vyvine až 700 koní. S. na kolech na E85. Motor je vybaven vlastním výfukovým potrubím Wisecraft Fabrication a turbodmychadlem Garrett GTX. Během testů byla změněna pouze skříň turbíny při stejné hodnotě A/R. Kromě změn výkonu a točivého momentu testeři měřili odezvu měřením doby dosažení určitých otáček za minutu a plnicího tlaku na třetí rychlostní stupeň za podobných podmínek startu.

Výsledky ukázaly nejlepší výkon twin-scroll turbíny v celém rozsahu otáček. Největší výkonovou převahu vykazoval v rozsahu od 3500 do 6000 ot./min. Nejlepší výsledky jsou díky vyššímu plnicímu tlaku při stejných otáčkách. Větší tlak navíc zajistil nárůst točivého momentu, srovnatelný s efektem zvětšení objemu motoru. Nejvýraznější je to také ve středních otáčkách. Ve zrychlení ze 45 na 80 m/h (3100-5600 ot./min.) předčila twin-scroll turbína jednosvitkovou o 0,49 s (2,93 vs. 3,42), což dá rozdíl tří těles. To znamená, že když vůz s turbodmychadlem se signálně rolovacím turbodmychadlem dosáhne rychlosti 80 mph, ujede varianta twin-scroll rychlostí 95 mph o 3 délky dopředu. V rozsahu rychlostí 60-100 m/h (4200-7000 ot./min.), převaha twin-scroll turbínyse ukázalo jako méně významné a činilo 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) a 5 m/h (105 versus 100 m/h). Z hlediska rychlosti dosažení určitého tlaku je twin-scroll turbodmychadlo před jednoscrollovým turbodmychadlem asi o 0,6 s. Takže při 30 psi je rozdíl 400 ot./min (5500 vs 5100 ot./min).

Další srovnání provedla společnost Full Race Motorsports na 2,3litrovém motoru Ford EcoBoost s turbem BorgWarner EFR. V tomto případě byl průtok výfukových plynů v každém kanálu porovnán počítačovou simulací. U dvousvitkové turbíny byl rozptyl této hodnoty až 4 %, u jednosvitkové turbíny 15 %. Lepší přizpůsobení průtoku znamená menší ztráty při míchání a více impulsní energie pro turbodmychadla s dvojitým závitem.

Pro a proti

Turbíny se dvěma spirálami nabízejí mnoho výhod oproti turbínám s jednou spirálou. Patří mezi ně:

• zvýšený výkon v celém rozsahu otáček;
• lepší odezva;
• méně ztráty při míchání;
• zvýšená energie impulsu do turbínového kola;
• lepší zvýšení účinnosti;
• více točivého momentu na spodním konci podobně jako u systému twin-turbo;
• snížení útlumu sacího plnění při překrytí ventilů mezi válci;
• nižší teplota výfukových plynů;
• snížit impulsní ztráty motoru;
• snížit spotřebu paliva.

Hlavní nevýhodou je velká složitost designu, což způsobuje zvýšenécena. Navíc při vysokém tlaku a vysokých rychlostech vám oddělení proudu plynu neumožní dosáhnout stejného špičkového výkonu jako na turbíně s jedním svitkem.

Konstrukčně jsou twin-scroll turbíny analogické systémům se dvěma turbodmychadly (bi-turbo a twin-turbo). Ve srovnání s nimi mají takové turbíny naopak výhody v nákladech a jednoduchosti konstrukce. Někteří výrobci toho využívají, například BMW, které nahradilo systém twin-turbo u N54B30 1-Series M Coupe turbodmychadlem twin-scroll u N55B30 M2.

Nutno podotknout, že pro turbíny existují ještě technicky vyspělejší možnosti, představující nejvyšší stupeň jejich vývoje – turbodmychadla s variabilní geometrií. Obecně mají oproti konvenčním turbínám stejné výhody jako twin-scroll, ale ve větší míře. Taková turbodmychadla však mají mnohem složitější konstrukci. Kromě toho je obtížné je nastavit na motory, které nebyly původně navrženy pro takové systémy, protože jsou řízeny řídicí jednotkou motoru. A konečně, hlavním faktorem, který způsobuje extrémně špatné použití těchto turbín na benzínových motorech, je velmi vysoká cena modelů pro takové motory. Proto jsou jak v sériové výrobě, tak v tuningu extrémně vzácné, ale jsou široce používány na dieselových motorech užitkových vozidel.

Na veletrhu SEMA 2015 společnost BorgWarner odhalila design, který kombinuje technologii twin scroll s designem s variabilní geometrií, Twin Scroll Variable Geometry Turbine. V níve dvojité vstupní části je instalována klapka, která v závislosti na zatížení rozděluje proudění mezi oběžná kola. Při nízkých otáčkách jdou všechny výfukové plyny do malé části rotoru a velká část je blokována, což zajišťuje ještě rychlejší roztočení než běžná twin-scroll turbína. Se zvyšujícím se zatížením se klapka postupně přesouvá do střední polohy a rovnoměrně rozděluje proudění při vysokých rychlostech, jako u standardního twin-scroll provedení. Tato technologie tedy, stejně jako technologie s proměnnou geometrií, zajišťuje změnu poměru A/R v závislosti na zatížení, přizpůsobení turbíny provoznímu režimu motoru, což rozšiřuje provozní rozsah. Zároveň je vzhledem k tomu, že konstrukce je mnohem jednodušší a levnější, protože je zde použit pouze jeden pohyblivý prvek pracující podle jednoduchého algoritmu a není vyžadováno použití tepelně odolných materiálů. Je třeba poznamenat, že s podobnými řešeními jsme se již setkali (například rychlospoušťový ventil), ale z nějakého důvodu si tato technologie nezískala popularitu.

Aplikace

Jak je uvedeno výše, turbíny s dvojitým svitkem se často používají na sériově vyráběných sportovních autech. Při ladění však jejich použití na mnoha motorech s single-sroll systémy brání omezený prostor. To je dáno především konstrukcí sběrače: při stejných délkách musí být zachovány přijatelné radiální ohyby a průtokové charakteristiky. Kromě toho je zde otázka optimální délky a ohybu a také materiálu a tloušťky stěny. Podle Full-Race kvůli větší efektivitětwin-scroll turbíny, je možné použít kanály o menším průměru. Takový kolektor je však vzhledem ke svému složitému tvaru a dvojitému vtoku v každém případě větší, těžší a komplikovanější než obvykle kvůli většímu počtu dílů. Proto se nemusí vejít na standardní místo, v důsledku čehož bude nutné vyměnit klikovou skříň. Navíc, twin-scroll turbíny samotné jsou větší než podobné single-sroll turbíny. Kromě toho bude zapotřebí další appipe a lapač oleje. Kromě toho jsou místo Y-potrubí použity dva wastegate (jeden na oběžné kolo) pro lepší výkon s externími wastegate pro systémy twin scroll.

V každém případě je možné nainstalovat twin-scroll turbínu na VAZ a nahradit ji jednoscrollovým turbodmychadlem Porsche. Rozdíl je v ceně a rozsahu práce na přípravě motoru: pokud na sériových turbomotorech, pokud je místo, většinou stačí vyměnit výfukové potrubí a některé další díly a provést úpravy, pak atmosférické motory vyžadují mnohem více vážný zásah do přeplňování turbodmychadlem. Ve druhém případě je však rozdíl ve složitosti instalace (ale ne v nákladech) mezi systémy se dvěma svitky a jedním svitkem zanedbatelný.

Závěry

Turbiny s dvojitým svitkem poskytují lepší výkon, odezvu a účinnost než turbíny s jedním svitkem tím, že rozdělují výfukové plyny na dvojité kolo turbíny a eliminují rušení válců. nicméněvybudování takového systému může být velmi nákladné. Celkově vzato je to nejlepší řešení pro zvýšení odezvy bez obětování maximálního výkonu u turbomotorů.