Twin scroll-turbine: designbeskrivelse, driftsprincip, fordele og ulemper

2024 Forfatter: Erin Ralphs | [email protected]. Sidst ændret: 2024-02-19 13:03

Den største ulempe ved turboladede motorer sammenlignet med atmosfæriske muligheder er mindre reaktionsevne, på grund af det faktum, at opstarten af turbinen tager en vis tid. Med udviklingen af turboladere udvikler producenterne forskellige måder at forbedre deres reaktionsevne, ydeevne og effektivitet på. Twin scroll turbiner er den bedste mulighed.

Generelle funktioner

Dette udtryk refererer til turboladere med dobbelt indløb og dobbelt pumpehjul på turbinehjulet. Siden fremkomsten af de første møller (ca. 30 år siden), er de blevet differentieret i åbne og separate indsugningsmuligheder. Sidstnævnte er analoger til moderne twin-scroll turboladere. De bedste parametre bestemmer deres brug i tuning og motorsport. Derudover bruger nogle producenter dem på produktionssportsvogne som Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP ogandre

Design- og driftsprincip

Twin-scroll-turbiner adskiller sig fra konventionelle turbiner ved at have et dobbelt-turbinehjul og en indløbsdel delt i to. Rotoren er af et monolitisk design, men bladenes størrelse, form og krumning varierer langs diameteren. Den ene del af den er designet til en lille belastning, den anden til en stor.

Princippet for drift af twin-scroll-turbiner er baseret på separat tilførsel af udstødningsgasser i forskellige vinkler til turbinehjulet, afhængigt af cylindrenes funktionsrækkefølge.

Designegenskaberne og hvordan twin-scroll-turbinen fungerer, diskuteres mere detaljeret nedenfor.

Udstødningsmanifold

Udstødningsmanifoldens design er af primær betydning for twin-scroll turboladere. Det er baseret på cylinderkoblingskonceptet for racermanifolder og bestemmes af antallet af cylindre og deres affyringsrækkefølge. Næsten alle 4-cylindrede motorer fungerer i en 1-3-4-2 rækkefølge. I dette tilfælde kombinerer en kanal cylindre 1 og 4, den anden - 2 og 3. På de fleste 6-cylindrede motorer leveres udstødningsgasser separat fra 1, 3, 5 og 2, 4, 6 cylindre. Som undtagelser skal RB26 og 2JZ bemærkes. De fungerer i rækkefølgen 1-5-3-6-2-4.

For disse motorer er 1, 2, 3 cylindre derfor sammenkoblet til det ene pumpehjul, 4, 5, 6 til det andet (turbinedrev er organiseret i lageret i samme rækkefølge). Således navngivetmotorerne er kendetegnet ved et forenklet design af udstødningsmanifolden, som kombinerer de første tre og sidste tre cylindre i to kanaler.

Ud over at forbinde cylindrene i en bestemt rækkefølge, er andre funktioner ved manifolden meget vigtige. Først og fremmest skal begge kanaler have samme længde og samme antal bøjninger. Dette skyldes behovet for at sikre det samme tryk af de tilførte udstødningsgasser. Derudover er det vigtigt, at turbineflangen på manifolden passer til formen og dimensionerne af dens indløb. Endelig, for at sikre den bedste ydeevne, skal manifolddesignet være tæt afstemt med turbinens A/R.

Behovet for at bruge en udstødningsmanifold af et passende design til twin-scroll-turbiner er bestemt af det faktum, at i tilfælde af at bruge en konventionel manifold, vil en sådan turbolader fungere som en enkelt-scroll-turbine. Det samme vil blive observeret, når man kombinerer en enkelt-scroll-turbine med en twin-scroll-manifold.

Impulsiv interaktion mellem cylindre

En af de væsentlige fordele ved twin-scroll turboladere, som bestemmer deres fordele i forhold til single-scroll, er den betydelige reduktion eller eliminering af den gensidige påvirkning af cylindre af udstødningsgasimpulser.

Det er kendt, at for at hver cylinder skal passere alle fire slag, skal krumtapakslen dreje 720°. Dette gælder både for 4- og 12-cylindrede motorer. Men hvis, når krumtapakslen drejes 720° på de første cylindre, gennemfører de en cyklus, så12-cylindret - alle cyklusser. Således, med en stigning i antallet af cylindre, reduceres mængden af rotation af krumtapakslen mellem de samme slag for hver cylinder. Så på 4-cylindrede motorer forekommer kraftslaget hver 180 ° i forskellige cylindre. Dette gælder også for indsugnings-, kompressions- og udstødningsslag. På 6-cylindrede motorer sker der flere hændelser i 2 omdrejninger af krumtapakslen, så de samme slag mellem cylindrene er 120° fra hinanden. For 8-cylindrede motorer er intervallet 90 °, for 12-cylindrede motorer - 60 °.

Det er kendt, at knastaksler kan have en fase på 256 til 312° eller mere. For eksempel kan vi tage en motor med 280° faser ved ind- og udløb. Ved frigivelse af udstødningsgasser på en sådan 4-cylindret motor, hver 180 °, vil cylinderens udstødningsventiler være åbne i 100 °. Dette er påkrævet for at løfte stemplet fra bund til top dødpunkt under udstødningen for den pågældende cylinder. Med 1-3-2-4 affyringsrækkefølgen for den tredje cylinder, vil udstødningsventilerne begynde at åbne ved slutningen af stempelslaget. På dette tidspunkt begynder indsugningsslaget i den første cylinder, og udstødningsventilerne begynder at lukke. Under de første 50° af åbningen af den tredje cylinders udstødningsventiler vil udstødningsventilerne fra den første cylinder åbne, og dens indsugningsventiler vil også begynde at åbne. Således overlapper ventilerne mellem cylindrene.

Efter fjernelse af udstødningsgasser fra den første cylinder, lukker udstødningsventilerne, og indsugningsventilerne begynder at åbne. Samtidig åbner den tredje cylinders udstødningsventiler og frigiver højenergiudstødningsgasser. Betydelig andelderes tryk og energi bruges til at drive turbinen, og en mindre del leder efter den mindste modstands vej. På grund af det lavere tryk fra den første cylinders lukkende udstødningsventiler sammenlignet med den integrerede turbineindgang, sendes en del af udstødningsgasserne fra den tredje cylinder til den første.

På grund af det faktum, at indsugningsslaget begynder i den første cylinder, fortyndes indsugningsladningen med udstødningsgasser og mister kraft. Til sidst lukker den første cylinders ventiler, og stemplet på den tredje stiger. For sidstnævnte udføres frigivelsen, og den betragtede situation for cylinder 1 gentages, når den anden cylinders udstødningsventiler åbnes. Der er således forvirring. Dette problem er endnu mere udt alt på 6- og 8-cylindrede motorer med udstødningsslagsintervaller mellem cylindre på henholdsvis 120 og 90°. I disse tilfælde er der en endnu længere overlapning af udstødningsventilerne på de to cylindre.

På grund af umuligheden af at ændre antallet af cylindre, kan dette problem løses ved at øge intervallet mellem lignende cyklusser ved at bruge en turbolader. I tilfælde af brug af to turbiner på 6- og 8-cylindrede motorer, kan cylindre kombineres for at drive hver af dem. I dette tilfælde vil intervallerne mellem lignende udstødningsventilhændelser fordobles. For RB26 kan du for eksempel kombinere cylindre 1-3 for den forreste turbine og 4-6 for den bagerste. Dette eliminerer successiv drift af cylindrene for én turbine. Derfor er intervallet mellem udstødningsventilhændelser forcylindrene på én turbolader stiger fra 120 til 240°.

På grund af det faktum, at twin scroll-turbinen har en separat udstødningsmanifold, ligner den i denne forstand et system med to turboladere. Så 4-cylindrede motorer med to turbiner eller en twin-scroll turbolader har et interval på 360 ° mellem begivenheder. 8-cylindrede motorer med lignende boost-systemer har samme afstand. En meget lang periode, der overstiger varigheden af ventilløftet, udelukker deres overlapning for cylindrene i én turbine.

På denne måde trækker motoren mere luft ind og trækker de resterende udstødningsgasser ud ved lavt tryk, og fylder cylindrene med en tættere og renere ladning, hvilket resulterer i en mere intens forbrænding, hvilket forbedrer ydeevnen. Ydermere tillader større volumetrisk effektivitet og bedre rengøring brugen af en højere tændingsforsinkelse for at opretholde topcylindertemperaturer. Takket være dette er effektiviteten af twin-scroll-turbiner 7-8 % højere sammenlignet med single-scroll-turbiner med en 5 % bedre brændstofeffektivitet.

Twin-scroll turboladere har højere gennemsnitligt cylindertryk og effektivitet, men lavere peak cylindertryk og udløbsmodtryk sammenlignet med single-scroll turboladere, ifølge Full-Race. Twin-scroll-systemer har mere modtryk ved lave omdrejninger (fremmer boost) og mindre ved høje omdrejninger (forbedrer ydeevnen). Endelig er en motor med et sådant boost-system mindre følsom over for de negative effekter af bredfaseknastaksler.

Ydeevne

Ovenfor var de teoretiske positioner for funktionen af twin-scroll-turbiner. Hvad dette giver i praksis, fastslås ved målinger. En sådan test ved sammenligning med single-scroll-versionen blev udført af DSPORT magazine på Project KA 240SX. Hans KA24DET udvikler op til 700 hk. Med. på hjul på E85. Motoren er udstyret med en brugerdefineret Wisecraft Fabrication udstødningsmanifold og en Garrett GTX turbolader. Under testene blev kun turbinehuset skiftet til samme A/R-værdi. Ud over ændringer i kraft og drejningsmoment målte testere reaktionsevnen ved at måle tiden til at nå et bestemt omdrejningstal og øge trykket i tredje gear under lignende lanceringsforhold.

Resultaterne viste den bedste ydeevne for twin-scroll-turbinen gennem hele omdrejningsområdet. Den viste den største overlegenhed i kraft i området fra 3500 til 6000 rpm. De bedste resultater skyldes det højere ladetryk ved samme omdrejningstal. Derudover gav mere tryk en stigning i drejningsmomentet, der kan sammenlignes med effekten af at øge motorens volumen. Det er også mest udt alt ved mellemhastigheder. I acceleration fra 45 til 80 m/t (3100-5600 rpm) klarede twin-scroll-turbinen sig bedre end single-scroll-en med 0,49 s (2,93 vs. 3,42), hvilket vil give en forskel på tre kroppe. Det vil sige, at når en bil med en signal-scroll-turbolader når 80 mph, vil twin-scroll-varianten køre 3 billængder foran med 95 mph. I hastighedsområdet 60-100 m/t (4200-7000 rpm) er twin-scroll-turbinens overlegenhedviste sig at være mindre signifikant og udgjorde 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) og 5 m/t (105 versus 100 m/t). Med hensyn til hastigheden for at nå et bestemt tryk, er en twin-scroll turbolader foran en enkelt-scroll turbolader med omkring 0,6 s. Så ved 30 psi er forskellen 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

En anden sammenligning blev foretaget af Full Race Motorsports på en 2,3L Ford EcoBoost-motor med en BorgWarner EFR-turbo. I dette tilfælde blev udstødningsgasstrømningshastigheden i hver kanal sammenlignet ved computersimulering. For en twin-scroll-mølle var spredningen af denne værdi op til 4%, mens den for en enkelt-scroll-mølle var 15%. Bedre flowhastighedstilpasning betyder mindre blandingstab og mere impulsenergi for twin-scroll turboladere.

Fordele og ulemper

Twin scroll turbiner tilbyder mange fordele i forhold til enkelt scroll turbiner. Disse omfatter:

• øget ydeevne i hele omdrejningsområdet;
• bedre reaktionsevne;
• mindre blandingstab;
• øget impulsenergi til turbinehjulet;
• bedre boost effektivitet;
• mere drejningsmoment i bundenden svarende til dobbeltturbo-system;
• reduktion af dæmpning af indsugningsladningen, når ventiler overlapper mellem cylinderne;
• lavere udstødningsgastemperatur;
• reducer impulstab af motoren;
• reducer brændstofforbruget.

Den største ulempe er designets store kompleksitet, hvilket øgerpris. Derudover vil adskillelsen af gasstrømmen ved højt tryk ved høje hastigheder ikke tillade dig at få den samme topydelse som på en enkelt-scroll turbine.

Strukturelt set er twin-scroll-turbiner analoge med systemer med to turboladere (bi-turbo og twin-turbo). I sammenligning med dem har sådanne turbiner tværtimod fordele med hensyn til omkostninger og enkel design. Nogle producenter drager fordel af dette, såsom BMW, der erstattede twin-turbo-systemet på N54B30 1-serie M Coupe med en twin-scroll turbolader på N55B30 M2.

Det skal bemærkes, at der er endnu mere teknisk avancerede muligheder for turbiner, der repræsenterer det højeste trin i deres udvikling - turboladere med variabel geometri. Generelt har de de samme fordele i forhold til konventionelle møller som twin-scroll, men i højere grad. Sådanne turboladere har dog et meget mere komplekst design. Derudover er de vanskelige at sætte på motorer, der ikke oprindeligt er designet til sådanne systemer, fordi de styres af motorstyringsenheden. Endelig er den vigtigste faktor, der forårsager den ekstremt dårlige brug af disse turbiner på benzinmotorer, de meget høje omkostninger ved modeller til sådanne motorer. Derfor er de både i masseproduktion og ved tuning ekstremt sjældne, men de er meget udbredt på dieselmotorer til erhvervskøretøjer.

Ved SEMA 2015 afslørede BorgWarner et design, der kombinerer twin scroll-teknologi med variabel geometri design, Twin Scroll Variable Geometry Turbine. I hendeder er monteret et spjæld i den dobbelte indløbsdel, som afhængigt af belastningen fordeler flowet mellem løbehjulene. Ved lave hastigheder går alle udstødningsgasserne til en lille del af rotoren, og den store del er blokeret, hvilket giver endnu hurtigere spin-up end en konventionel twin-scroll turbine. Efterhånden som belastningen øges, flytter spjældet sig gradvist til midterpositionen og fordeler flowet jævnt ved høje hastigheder, som i et standard twin-scroll design. Således giver denne teknologi, ligesom variabel geometriteknologi, en ændring i A/R-forholdet afhængigt af belastningen, og tilpasser turbinen til motorens driftstilstand, hvilket udvider driftsområdet. Samtidig er det meget enklere og billigere at overveje designet, da der kun bruges et bevægeligt element her, der arbejder i henhold til en simpel algoritme, og brugen af varmebestandige materialer er ikke påkrævet. Det skal bemærkes, at lignende løsninger er stødt på før (for eksempel hurtig spoleventil), men af en eller anden grund har denne teknologi ikke vundet popularitet.

Application

Som nævnt ovenfor bruges twin-scroll-turbiner ofte på masseproducerede sportsvogne. Men ved tuning er deres brug på mange motorer med single-scroll-systemer hæmmet af begrænset plads. Dette skyldes primært udformningen af skærebordet: ved lige længder skal acceptable radiale bøjninger og strømningsegenskaber opretholdes. Derudover er der et spørgsmål om den optimale længde og bøjning samt materiale og godstykkelse. Ifølge Full-Race på grund af større effektivitettwin-scroll turbiner, er det muligt at bruge kanaler med en mindre diameter. Men på grund af deres komplekse form og dobbelte indløb er en sådan opsamler under alle omstændigheder større, tungere og mere kompliceret end norm alt på grund af det større antal dele. Derfor passer det muligvis ikke på et standardsted, som følge heraf vil det være nødvendigt at ændre krumtaphuset. Derudover er twin-scroll-turbiner selv større end tilsvarende single-scroll-møller. Derudover vil der være behov for anden appepe og oliefælde. Derudover bruges to wastegates (én pr. pumpehjul) i stedet for et Y-rør for bedre ydeevne med eksterne wastegates til twin scroll-systemer.

Under alle omstændigheder er det muligt at installere en twin-scroll turbine på en VAZ og erstatte den med en Porsche single-scroll turbolader. Forskellen ligger i omkostningerne og omfanget af arbejdet med at forberede motoren: hvis på serielle turbomotorer, hvis der er plads, er det norm alt nok at udskifte udstødningsmanifolden og nogle andre dele og foretage justeringer, så kræver naturligt aspirerede motorer meget mere alvorlig indgreb for turboladning. Men i det andet tilfælde er forskellen i installationskompleksitet (men ikke i omkostninger) mellem twin-scroll- og single-scroll-systemer ubetydelig.

Konklusioner

Twin-scroll-turbiner giver bedre ydeevne, reaktionsevne og effektivitet end enkelt-scroll-turbiner ved at opdele udstødningsgasserne til det dobbelte turbinehjul og eliminere cylinderinterferens. Imidlertidat bygge et sådant system kan være meget dyrt. Alt i alt er dette den bedste løsning til at øge reaktionsevnen uden at ofre maksimal ydeevne for turbomotorer.