Turbina twin-scroll: zasnova, načelo delovanja, prednosti in slabosti

Glavna pomanjkljivost motorji s turbinskim polnilnikom manjša odzivnost v primerjavi z atmosferskimi različicami - to je posledica časa, ki ga turbina potrebuje za zagon. Z razvojem turbinskih polnilnikov proizvajalci razvijajo različne metode izboljšati njihovo odzivnost, uspešnost in učinkovitost. Najboljša možnost je twin-scroll turbina.

Skupne značilnosti

Ta izraz se nanaša na turbinske polnilnike z dvojnim vstopnim in dvojnim rotorjem turbinskega kolesa. Od uvedbe prvih turbin (pred približno 30 leti) so se razlikovale med različicami z odprtim in deljenim dovodom. Slednji so twin-scroll analogije sodobnih twin-scroll turbinskih polnilnikov. Najboljše nastavitve določajo njihovo uporabo v tuningu in motošportu. Poleg tega jih nekateri proizvajalci uporabljajo pri serijskih športnih avtomobilih, kot so Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP in drugi.

Oblikovanje in delovanje

Turbina z dvema vijakoma se od običajnih turbin razlikuje po tem, da ima dvojno turbinsko kolo in razdeljen dovodni del. Rotor je monolitne konstrukcije, vendar se velikost, oblika in ukrivljenost lopatic razlikujejo po premeru. En del je zasnovan za majhno obremenitev, drugi pa za veliko obremenitev.

Načelo delovanja turbin twin-scroll temelji na ločenem dovajanju izpušnih plinov pod različnimi koti na turbinsko kolo, odvisno od vrstnega reda valjev.

V nadaljevanju si podrobneje oglejte značilnosti zasnove in delovanje twin-scroll turbine.

izpušni kolektor

Ključnega pomena pri turbinskih polnilnikih z dvema vijakoma je zasnova izpušnega kolektorja. Ta temelji na konceptu medsebojnega povezovanja valjev dirkalnega razdelilnika in je odvisen od števila valjev in vrstnega reda njihovega delovanja. Skoraj vsi štirivaljni motorji delujejo v zaporedju 1-3-4-2. V tem primeru en kanal povezuje valji 1 in 4, drugi kanal pa valji 2 in 3. Pri večini šestvaljnih motorjev so izpušni plini vodeni ločeno iz valjev 1, 3 in 5 ter iz valjev 2, 4 in 6. Izjemi sta RB26 in 2JZ. Delujejo v zaporedju 1-5-3-6-2-4.

Zato so pri teh motorjih valji 1, 2, 3 združeni z enim rotorjem in valji 4, 5, 6 z drugim rotorjem (v serijski različici je turbinski pogon organiziran v enakem vrstnem redu). Za te motorje je torej značilna poenostavljena zasnova izpušnega kolektorja, ki združuje prve tri in zadnje tri valje v dva kanala.

Poleg povezave valjev v določenem vrstnem redu so zelo pomembne tudi druge značilnosti razdelilnika. Najprej morata biti oba kanala enako dolga in imeti enako število ovinkov. Tako je treba zagotoviti enak tlak v izpušnih plinih. Pomembno je tudi, da se prirobnica turbine na razdelilniku ujema s prirobnico oblika in dimenzije njegov vhod. Da bi dosegli najboljšo zmogljivost, mora zasnova razdelilnika natančno ustrezati vrednosti A/R turbine.

Potreba po ustrezno zasnovanem izpušnem kolektorju za turbine z dvojnim krakerjem je pogojena z dejstvom, da bi takšen turbinski polnilnik v primeru običajnega kolektorja deloval kot turbinski polnilnik z enojnim krakerjem. Enako velja za kombinacijo turbin z enim spiralnim valjem in twinscroll razdelilnikom.

interakcija impulznega valja

Ena od pomembnih prednosti dvocevnih turbinskih polnilnikov, ki določa njihove prednosti pred enovijačnimi turbinskimi polnilniki, je znatno zmanjšanje ali odprava medsebojnega vpliva valjev z impulzi izpušnih plinov.

Znano je, da se mora ročična gred zavrteti za 720°, da vsak valj opravi vse štiri takte. To velja za štiri- in dvanajstvaljne motorje. Medtem ko pri prvem motorju vrtenje ročične gredi za 720° opravi en takt, pri 12-valjnem motorju opravi vse takte. Tako se z večanjem števila valjev vrtenje ročične gredi med enakimi hodi za vsak valj skrajšuje. Tako se pri štirivaljnih motorjih v različnih valjih vsakih 180° pojavi en hod. To velja tudi za sesalni, kompresijski in izpušni hod. Pri šestvaljnih motorjih se na 2 obrata ročične gredi zgodi več stvari, zato so enaki gibi med valji oddaljeni 120°. Interval je 90° za 8-valjne motorje in 60° za 12-valjne motorje.

Znano je, da so odmične gredi lahko fazne pri 256° do 312° in več. Na primer, vzemimo motor z 280° vstopno in izstopno fazo. Pri izpuščanju izpušnih plinov takšnega štirivaljnega motorja se izpušni ventili valjev vsakih 180° odprejo za 100°. To je potrebno, da se bat med izpuhom v tem valju dvigne od najnižjega do najvišjega mrtvega tečaja. V zaporedju 1-3-2-4 se izpušni ventili tretjega valja odprejo na koncu hoda bata. Takrat se v prvem valju začne sesalni cikel, izpušni ventili pa se zaprejo. Med prvimi 50° odpiranja deblokirnih ventilov tretjega valja se odprejo deblokirni ventili prvega valja in vstopni ventili prvega valja se začnejo odpirati. S tem se zaprejo ventili med valji.

Ko so izpušni plini odstranjeni iz prvega valja, se izpušni ventili zaprejo, sesalni ventili pa se začnejo odpirati. Hkrati se odprejo izpušni ventili tretjega valja, pri čemer se sprostijo visokoenergijski izpušni plini. Velik del njihovega tlaka in energije se uporabi za pogon turbine, manjši del pa išče pot najmanjšega upora. Zaradi nižjega tlaka zapiranja izpušnih ventilov prvega valja v primerjavi z vstopnim tlakom turbine se del izpušnih plinov tretjega valja preusmeri v prvi valj.

Ko se sesalni cikel začne v prvem valju, se sesalna polnitev razredči z izpušnimi plini, zaradi česar se zmanjša moč. Na koncu se ventili prvega valja zaprejo, bat tretjega valja pa se dvigne. Pri slednjem se izpuh izvede in situacija, opisana za valj 1, se ponovi, ko se odprejo izpušni ventili drugega valja. Tako pride do učinka mešanja. Težava je še bolj izrazita pri šest- in osemvaljnih motorjih, kadar so razmiki med valji v izpušnem ciklu 120° oziroma 90°. V teh primerih se izpušni ventili obeh valjev prekrivajo še dlje.

Ker števila valjev ni mogoče spremeniti, lahko to težavo rešimo tako, da povečamo razmik med podobnimi gibi z uporabo turbinski polnilnik. V primeru dvojnih turbin pri šest- in osemvaljnih motorjih lahko valje združite tako, da poganjajo vsakega od njih. V tem primeru bi se intervali med podobnimi dogodki izpušnega ventila podvojili. Za RB26 lahko na primer združite valje 1-3 za sprednjo turbino in valje 4-6 za zadnjo turbino. To preprečuje zaporedno vžiganje valjev enega turbo motorja. Posledično se interval med dogodki izpušnega ventila za valje enega turbopolnilnika poveča s 120° na 240°.

Ker ima twin-scroll turbina ločen izpušni kolektor, je v tem pogledu podobna sistemu z dvema turbinama. Na primer pri štirivaljnih motorjih z dvema turbinskima polnilnikoma ali turbinskimi polnilniki twin-scroll je razmik med dogodki 360°. 8-valjni motorji s podobnimi sistemi polnilnikov imajo enak interval. Zelo dolg čas dviga ventilov preprečuje prekrivanje pri istih valjih s turbinskim polnilnikom.

Na ta način motor vsrka več zraka, preostale izpušne pline pa odvaja pod nizkim tlakom, tako da valje napolni z gostejšo in čistejšo polnitvijo, kar povzroči intenzivnejše izgorevanje, ki poveča zmogljivost. Poleg tega večji volumski izkoristek in boljša prefinjenost omogočata uporabo večje zakasnitve vžiga, ki ohranja najvišje temperature v valju. Turbine Twin-Scroll so zato za 7-8 odstotkov učinkovitejše od turbin Single-Scroll in imajo do 5 odstotkov boljši izkoristek goriva.

Po podatkih podjetja Full-Race sta za turbinske polnilnike twin-scroll značilna višji povprečni tlak v valju in učinkovitost v primerjavi s turbinskimi polnilniki single-scroll, vendar nižji najvišji tlak v valju in protitlak na izhodu. Pri sistemu z dvojnim kronometrom je protitlak večji pri nizki hitrosti (kar povečuje povečanje tlaka) in manjši pri visoki hitrosti (kar povečuje zmogljivost). Poleg tega je motor s takšnim polnilnikom manj občutljiv na negativne učinke širokofaznih odmičnih gredi.

Uspešnost

Zgoraj so bili teoretični delovni položaj turbin twin-scroll. Kaj to pomeni v praksi, se ugotovi z merjenjem. Ta preskus je opravila revija DSPORT na vozilu Project KA 240SX in ga primerjala z različico z eno gredjo. KA24DET razvije do 700 KM. с. na kolesih na E85. Motor je opremljen z izpušnim kolektorjem po meri družbe Wisecraft Fabrication in turbinskim polnilnikom Garrett GTX. Pri preskusih je bilo zamenjano le ohišje turbine z enakim A/R. Poleg razlik v moči in navoru so testerji ocenili tudi odzivnost z merjenjem časa za doseganje določenih vrtljajev in tlaka tlaka v tretji prestavi v enakih zagonskih pogojih.

Rezultati kažejo, da je turbinski motor z dvojnim krotenjem boljši v celotnem območju vrtljajev. Največja prednost moči se je pokazala med 3.500 in 6.000 vrtljaji na minuto. Boljši rezultati so posledica višjega tlaka pri enakih vrtljajih. Poleg tega je višji tlak povzročil povečanje navora, ki je bilo primerljivo z učinkom povečane prostornine motorja. Prav tako je najbolj izrazit pri srednjih vrtljajih. Pri pospeševanju od 45 do 80 km/h (3100-5600 vrtljajev na minuto) je turbo z dvojnim dušilnikom za 0,49 s boljši od turbo z enojnim dušilnikom (2,93 s proti 3,42 s), kar pomeni razliko treh konjskih moči. To pomeni, da ko avtomobil z turbinskim motorjem z dvojnim dušilnikom doseže hitrost 80 km/h, je različica z dvojnim dušilnikom pri hitrosti 95 km/h tri avtomobilske dolžine pred njim. V hitrostnem območju 60-100 km/h (4200-7000 vrt/min) je bila prednost turbine twin-scroll manjša pri 0,23 s (1,75 proti 1,98 s) in 5 km/h (105 proti 100 km/h). Pri hitrosti doseganja določenega tlaka je turbinski polnilnik twin-scroll za približno 0,6 sekunde boljši od turbinskega polnilnika single-scroll. Tako je pri 30 psi razlika 400 vrtljajev na minuto (5500 proti 5100 vrtljajev na minuto).

Druga primerjava je bila narejena v podjetju Full Race Motorsports na 2,3-litrskem motorju Ford EcoBoost s turbopolnilnikom BorgWarner EFR. V tem primeru je bila hitrost pretoka izpušnih plinov v vsakem kanalu primerjana z računalniško simulacijo. Pri turbini z dvema lopaticama je bilo odstopanje le 4 %, pri turbini z eno lopatico pa 15 %. Boljša usklajenost pretokov pomeni manjše izgube pri mešanju in večjo energijo zagona za turbopolnilnike z dvojnim kronometrom.

Prednosti in slabosti

Turbine Twinscroll imajo številne prednosti v primerjavi z različicami Singlescroll. Ti vključujejo:

• boljše delovanje v celotnem območju vrtljajev;
• boljša odzivnost;
• Manjše izgube pri mešanju;
• Povečana impulzna energija za turbinsko kolo;
• boljša učinkovitost;
• večji navor v nizkih vrtljajih, podobno kot pri sistemu z dvema turbinama;
• spodnji del sesalnega polnila se sprosti, ko so ventili med valji zaprti;
• nižja temperatura izpušnih plinov;
• Zmanjšajo se impulzne izgube motorja;
• manjša poraba goriva.

Glavna pomanjkljivost je večja zapletenost zasnove, kar pomeni višje stroške. Poleg tega pri visokem tlaku in visokih vrtljajih na minuto ločitev plinskega toka ne omogoča enake največje zmogljivosti kot pri enojni valjčni turbini.

Turbine Twin-Scroll so strukturno podobne sistemom z dvema turbinama (bi-turbo in twin-turbo). Nasprotno pa imajo takšne turbine prednost pri stroških in preprostosti zasnove. To uporabljajo nekateri proizvajalci, na primer BMW, ki je sistem z dvema turbinama v kupeju N54B30 serije 1 M Coupe zamenjal s sistemom z dvema turbinama v kupeju N55B30 M2.

Omeniti je treba, da obstajajo še tehnično naprednejše različice turbin, ki predstavljajo najvišjo stopnjo njihovega razvoja - turbinski polnilniki s spremenljivo geometrijo. Na splošno imajo v primerjavi z običajnimi turbinami enake prednosti kot turbinski polnilniki twin-scroll, vendar v večji meri. Vendar so takšni turbinski polnilniki precej bolj zapleteni. Poleg tega jih je težje namestiti na motorje, ki prvotno niso bili zasnovani za take sisteme, saj jih nadzoruje krmilna enota motorja. Glavni dejavnik za izjemno redko uporabo teh turbin v bencinskih motorjih je zelo visoka cena modelov za take motorje. Zato so izredno redki, tako v serijski proizvodnji kot pri tuningu, vendar so zelo razširjeni pri dizelskih motorjih gospodarskih vozil.

Na sejmu SEMA 2015 je bil glavni razlog za večjo izpopolnjenost turbopolnilnika razvoj nove geometrije. BorgWarner je predstavil razvoj, ki združuje tehnologijo dvojnega vijaka in zasnovo s spremenljivo geometrijo - dvojni vijak turbina s spremenljivo geometrijo. V dvojnem vhodu ima loputo, ki razporedi tok na rotorje glede na obremenitev. pri nizkih vrtljajih gredo vsi izpušni plini v manjši del rotorja, večji del pa je zaprt, kar omogoča še hitrejše pospeševanje kot pri običajni turbini twin-scroll. Z naraščajočo obremenitvijo se blažilnik postopoma premakne v srednji položaj in enakomerno porazdeli pretok pri višjih vrtljajih motorja kot pri standardni zasnovi twin-scroll. Tako ta tehnologija, podobno kot tehnologija spremenljive geometrije, omogoča spreminjanje razmerja A/R glede na obremenitev, s čimer se turbina prilagaja načinu delovanja motorja in s tem podaljšuje območje delovanja. Vendar je zasnova bistveno preprostejša in cenejša, saj uporablja le en gibljivi element, ki deluje po preprostem algoritmu in ne zahteva uporabe toplotno odpornih materialov. Opozoriti je treba, da so se podobne rešitve pojavljale že prej (npr. ventili s hitrim navijanjem), vendar se ta tehnologija iz nekega razloga ni razširila.

Aplikacija

Kot smo že omenili, se twin-scroll turbine pogosto uporabljajo v serijskih športnih avtomobilih. Vendar pa je njihova uporaba v številnih motorjih z enojno gredjo omejena zaradi omejenega prostora pri uglaševanju. To je predvsem posledica zasnove kolektorja: pri enakih dolžinah je treba ohraniti sprejemljive radialne odklone in značilnosti pretoka. Vprašanje je tudi optimalna dolžina in upogib ter material in debelina stene. Po podatkih iz študije Full-Race je zaradi večje učinkovitosti turbin z dvema vijakoma mogoče uporabiti kanale z manjšim premerom. Vendar je zaradi zapletene oblike in dvojne vstopne odprtine takšen razdelilnik v vsakem primeru večji, težji in zapletenejši od običajnega zaradi večjega števila delov. Zato se morda ne bo prilegal standardnemu sedežu, zato je treba zamenjati karter. Turbine twin-scroll so tudi večje od turbin single-scroll. Poleg tega bi potrebovali drugačno zgornjo cev in lovilec olja. Poleg tega se pri sistemih twinscrope namesto cevi Y uporabljata dve zahodni vratci (eno na rotor) za boljšo učinkovitost pri zunanjih vestigatah.

V vsakem primeru je mogoče v vozilo VAZ vgraditi turbinski polnilnik twin-scroll ali ga nadomestiti s Porschejevim turbinskim polnilnikom single-scroll. Razlika je v stroških in obsegu dela za pripravo motorja: medtem ko pri serijskih turbo motorjih, če je na voljo prostor, običajno zadostuje zamenjava izpušnega kolektorja in nekaterih drugih delov ter izvedba nastavitev, je pri atmosferskih motorjih za turbinsko polnjenje potreben bistveno obsežnejši poseg. V drugem primeru pa je razlika v težavnosti vgradnje (ne pa tudi v stroških) med dvo- in enovijačnimi sistemi zanemarljiva.

Sklepi

Turbine Twin-Scroll z ločitvijo izpušnih plinov do turbinskega kolesa in odpravo medsebojnega impulznega vpliva valjev zagotavljajo boljšo zmogljivost, odzivnost in učinkovitost v primerjavi z različicami z enim valjem. Vendar je lahko izgradnja takega sistema zelo draga. Na splošno je to optimalna rešitev za izboljšanje odzivnosti brez izgube največja zmogljivost za motorje s turbinskim polnilnikom.