Twin scroll turbine: paglalarawan ng disenyo, prinsipyo ng pagpapatakbo, mga kalamangan at kahinaan

2024 May -akda: Erin Ralphs | [email protected]. Huling binago: 2024-02-19 19:28

Ang pangunahing kawalan ng mga turbocharged na makina kumpara sa mga opsyon sa atmospera ay hindi gaanong tumutugon, dahil sa katotohanan na ang pag-ikot ng turbine ay tumatagal ng isang tiyak na oras. Sa pagbuo ng mga turbocharger, ang mga tagagawa ay gumagawa ng iba't ibang paraan upang mapabuti ang kanilang pagtugon, pagganap at kahusayan. Ang mga twin scroll turbine ay ang pinakamagandang opsyon.

Mga Pangkalahatang Tampok

Ang terminong ito ay tumutukoy sa mga turbocharger na may double inlet at double impeller ng turbine wheel. Mula nang lumitaw ang mga unang turbine (mga 30 taon na ang nakakaraan), ang mga ito ay naiba sa bukas at hiwalay na mga opsyon sa paggamit. Ang huli ay mga analogue ng modernong twin-scroll turbocharger. Tinutukoy ng pinakamahusay na mga parameter ang kanilang paggamit sa pag-tune at motorsport. Bilang karagdagan, ginagamit ng ilang mga tagagawa ang mga ito sa produksyon ng mga sports car tulad ng Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP atiba

Prinsipyo ng disenyo at pagpapatakbo

Ang Twin-scroll turbines ay naiiba sa mga conventional turbine sa pamamagitan ng pagkakaroon ng twin turbine wheel at isang inlet na bahagi na nahahati sa dalawa. Ang rotor ay monolitikong disenyo, ngunit ang laki, hugis at kurbada ng mga blades ay nag-iiba sa diameter. Ang isang bahagi nito ay idinisenyo para sa isang maliit na karga, ang isa pa para sa isang malaki.

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng twin-scroll turbines ay nakabatay sa hiwalay na supply ng mga exhaust gas sa iba't ibang anggulo sa turbine wheel, depende sa pagkakasunud-sunod ng pagpapatakbo ng mga cylinder.

Ang mga feature ng disenyo at kung paano gumagana ang twin scroll turbine ay tinatalakay nang mas detalyado sa ibaba.

Exhaust manifold

Ang disenyo ng exhaust manifold ay pangunahing kahalagahan para sa twin-scroll turbocharger. Ito ay batay sa cylinder coupling concept ng racing manifolds at tinutukoy ng bilang ng cylinders at ang kanilang firing order. Halos lahat ng 4-cylinder engine ay gumagana sa 1-3-4-2 order. Sa kasong ito, pinagsasama ng isang channel ang mga cylinder 1 at 4, ang isa pa - 2 at 3. Sa karamihan ng mga 6-cylinder engine, ang mga maubos na gas ay ibinibigay nang hiwalay mula sa 1, 3, 5 at 2, 4, 6 na mga cylinder. Bilang mga pagbubukod, dapat tandaan ang RB26 at 2JZ. Nagtatrabaho sila sa pagkakasunud-sunod 1-5-3-6-2-4.

Dahil dito, para sa mga motor na ito, ang 1, 2, 3 cylinder ay pinagsama para sa isang impeller, 4, 5, 6 para sa pangalawa (ang mga turbine drive ay nakaayos sa stock sa parehong pagkakasunud-sunod). Kaya pinangalananang mga makina ay nakikilala sa pamamagitan ng pinasimpleng disenyo ng exhaust manifold, na pinagsasama ang unang tatlo at huling tatlong cylinder sa dalawang channel.

Bilang karagdagan sa pagkonekta sa mga cylinder sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod, ang iba pang mga tampok ng manifold ay napakahalaga. Una sa lahat, ang parehong mga channel ay dapat na may parehong haba at parehong bilang ng mga liko. Ito ay dahil sa pangangailangan upang matiyak ang parehong presyon ng ibinibigay na mga gas na tambutso. Bilang karagdagan, mahalaga na ang turbine flange sa manifold ay tumutugma sa hugis at sukat ng pumapasok nito. Panghuli, upang matiyak ang pinakamahusay na pagganap, ang manifold na disenyo ay dapat na malapit na tumugma sa A/R ng turbine.

Ang pangangailangang gumamit ng exhaust manifold ng angkop na disenyo para sa twin-scroll turbines ay tinutukoy ng katotohanan na sa kaso ng paggamit ng conventional manifold, ang naturang turbocharger ay gagana bilang isang solong-scroll. Ang parehong ay mapapansin kapag pinagsama ang isang single-scroll turbine sa isang twin-scroll manifold.

Impulsive interaction ng mga cylinder

Ang isa sa mga makabuluhang bentahe ng twin-scroll turbocharger, na tumutukoy sa kanilang mga pakinabang kumpara sa single-scroll, ay ang makabuluhang pagbawas o pag-aalis ng magkaparehong impluwensya ng mga cylinder sa pamamagitan ng exhaust gas impulses.

Alam na para sa bawat silindro na makapasa sa lahat ng apat na stroke, ang crankshaft ay dapat umikot ng 720 °. Ito ay totoo para sa parehong 4- at 12-silindro na makina. Gayunpaman, kung, kapag ang crankshaft ay pinaikot ng 720 ° sa mga unang cylinder, nakumpleto nila ang isang cycle, pagkatapos ay sa12-silindro - lahat ng cycle. Kaya, na may pagtaas sa bilang ng mga cylinder, ang halaga ng pag-ikot ng crankshaft sa pagitan ng parehong mga stroke para sa bawat silindro ay nabawasan. Kaya, sa mga 4-silindro na makina, ang power stroke ay nangyayari tuwing 180 ° sa iba't ibang mga silindro. Ito ay totoo para sa intake, compression at exhaust stroke din. Sa 6-cylinder engine, mas maraming kaganapan ang nagaganap sa 2 revolutions ng crankshaft, kaya ang parehong mga stroke sa pagitan ng mga cylinder ay 120 ° ang pagitan. Para sa 8-cylinder engine, ang pagitan ay 90 °, para sa 12-cylinder engine - 60 °.

Nalalaman na ang mga camshaft ay maaaring magkaroon ng phase na 256 hanggang 312° o higit pa. Halimbawa, maaari tayong kumuha ng makina na may 280° phase sa pasukan at labasan. Kapag naglalabas ng mga tambutso sa naturang 4-silindro na makina, bawat 180 °, ang mga balbula ng tambutso ng silindro ay magbubukas sa 100 °. Ito ay kinakailangan upang iangat ang piston mula sa ibaba hanggang sa itaas na patay na sentro sa panahon ng tambutso para sa cylinder na iyon. Sa 1-3-2-4 firing order para sa ikatlong silindro, magsisimulang bumukas ang mga balbula ng tambutso sa dulo ng piston stroke. Sa oras na ito, magsisimula ang intake stroke sa unang silindro, at magsisimulang magsara ang mga balbula ng tambutso. Sa unang 50° ng pagbubukas ng mga balbula ng tambutso ng ikatlong silindro, magbubukas ang mga balbula ng tambutso ng unang silindro, at magsisimula ring bumukas ang mga intake valve nito. Kaya, ang mga balbula ay nagsasapawan sa pagitan ng mga cylinder.

Pagkatapos tanggalin ang mga gas na tambutso mula sa unang silindro, magsasara ang mga balbula ng tambutso at magsisimulang bumukas ang mga balbula ng intake. Kasabay nito, bumukas ang mga balbula ng tambutso ng ikatlong silindro, na naglalabas ng mga gas na tambutso na may mataas na enerhiya. Makabuluhang bahagiang kanilang presyon at enerhiya ay ginagamit upang himukin ang turbine, at ang isang mas maliit na bahagi ay naghahanap ng landas na hindi gaanong lumalaban. Dahil sa mas mababang presyon ng pagsasara ng mga balbula ng tambutso ng unang silindro kumpara sa integral turbine inlet, ang bahagi ng mga gas na tambutso ng ikatlong silindro ay ipinapadala sa una.

Dahil sa katotohanan na ang intake stroke ay nagsisimula sa unang cylinder, ang intake charge ay diluted na may mga exhaust gas, na nawawalan ng lakas. Sa wakas, ang mga balbula ng unang silindro ay nagsasara at ang piston ng pangatlo ay tumataas. Para sa huli, ang paglabas ay isinasagawa, at ang sitwasyon na isinasaalang-alang para sa silindro 1 ay paulit-ulit kapag ang mga balbula ng tambutso ng pangalawang silindro ay binuksan. Kaya, mayroong pagkalito. Ang problemang ito ay mas malinaw sa 6- at 8-silindro na makina na may mga pagitan ng tambutso sa pagitan ng mga cylinder na 120 at 90 °, ayon sa pagkakabanggit. Sa mga kasong ito, mayroong mas mahabang overlap ng mga exhaust valve ng dalawang cylinder.

Dahil sa imposibilidad na baguhin ang bilang ng mga cylinder, malulutas ang problemang ito sa pamamagitan ng pagpapataas ng pagitan sa pagitan ng magkatulad na mga cycle sa pamamagitan ng paggamit ng turbocharger. Sa kaso ng paggamit ng dalawang turbine sa 6- at 8-silindro na makina, ang mga silindro ay maaaring pagsamahin upang himukin ang bawat isa sa kanila. Sa kasong ito, ang mga agwat sa pagitan ng mga katulad na kaganapan sa balbula ng tambutso ay doble. Halimbawa, para sa RB26, maaari mong pagsamahin ang mga cylinder 1-3 para sa front turbine at 4-6 para sa likuran. Tinatanggal nito ang sunud-sunod na operasyon ng mga cylinder para sa isang turbine. Samakatuwid, ang agwat sa pagitan ng mga kaganapan sa balbula ng tambutso para saang mga cylinder ng isang turbocharger ay tumataas mula 120 hanggang 240°.

Dahil sa katotohanan na ang twin scroll turbine ay may hiwalay na exhaust manifold, sa ganitong kahulugan ito ay katulad ng isang sistema na may dalawang turbocharger. Kaya, ang 4-cylinder engine na may dalawang turbine o twin-scroll turbocharger ay may pagitan na 360 ° sa pagitan ng mga kaganapan. Ang mga 8-cylinder engine na may katulad na mga boost system ay may parehong espasyo. Ang isang napakahabang panahon, na lumalampas sa tagal ng pag-angat ng balbula, ay hindi kasama ang kanilang pagsasanib para sa mga cylinder ng isang turbine.

Sa ganitong paraan, ang makina ay kumukuha ng mas maraming hangin at inilalabas ang natitirang mga gas na tambutso sa mababang presyon, na pinupuno ang mga cylinder ng mas siksik at mas malinis na singil, na nagreresulta sa mas matinding pagkasunog, na nagpapahusay sa pagganap. Bilang karagdagan, ang mas mataas na volumetric na kahusayan at mas mahusay na paglilinis ay nagbibigay-daan sa paggamit ng isang mas mataas na pagkaantala sa pag-aapoy upang mapanatili ang pinakamataas na temperatura ng silindro. Dahil dito, ang kahusayan ng twin-scroll turbines ay 7-8% na mas mataas kumpara sa single-scroll turbine na may 5% na mas mahusay na fuel efficiency.

Ang mga twin-scroll turbocharger ay may mas mataas na average na cylinder pressure at kahusayan, ngunit mas mababa ang peak cylinder pressure at outlet back pressure, kumpara sa mga single-scroll turbocharger, ayon sa Full-Race. Ang mga twin-scroll system ay may mas maraming backpressure sa mababang rpm (nagpo-promote ng boost) at mas mababa sa mataas na rpm (nagpapabuti ng pagganap). Sa wakas, ang isang makina na may ganitong boost system ay hindi gaanong sensitibo sa mga negatibong epekto ng malawak na yugtocamshafts.

Pagganap

Sa itaas ay ang mga teoretikal na posisyon ng paggana ng twin-scroll turbines. Ang ibinibigay nito sa pagsasanay ay itinatag ng mga sukat. Ang nasabing pagsubok sa pamamagitan ng paghahambing sa solong-scroll na bersyon ay isinagawa ng DSPORT magazine sa Project KA 240SX. Ang kanyang KA24DET ay bubuo ng hanggang 700 hp. Sa. sa mga gulong sa E85. Ang motor ay nilagyan ng custom na Wisecraft Fabrication exhaust manifold at isang Garrett GTX turbocharger. Sa panahon ng mga pagsubok, tanging ang pabahay ng turbine ang binago sa parehong halaga ng A / R. Bilang karagdagan sa mga pagbabago sa power at torque, sinusukat ng mga tester ang pagiging tumutugon sa pamamagitan ng pagsukat sa oras upang maabot ang ilang partikular na RPM at palakasin ang pressure sa ikatlong gear sa ilalim ng mga katulad na kondisyon ng paglulunsad.

Ang mga resulta ay nagpakita ng pinakamahusay na pagganap ng twin-scroll turbine sa buong saklaw ng rpm. Nagpakita ito ng pinakamalaking kahusayan sa kapangyarihan sa saklaw mula 3500 hanggang 6000 rpm. Ang pinakamahusay na mga resulta ay dahil sa mas mataas na boost pressure sa parehong rpm. Bilang karagdagan, ang mas maraming presyon ay nagbigay ng pagtaas sa metalikang kuwintas, na maihahambing sa epekto ng pagtaas ng dami ng makina. Ito rin ay pinaka binibigkas sa katamtamang bilis. Sa acceleration mula 45 hanggang 80 m / h (3100-5600 rpm), ang twin-scroll turbine ay nalampasan ang single-scroll one sa pamamagitan ng 0.49 s (2.93 vs. 3.42), na magbibigay ng pagkakaiba ng tatlong katawan. Iyon ay, kapag ang isang kotse na may signal-scroll turbocharger ay umabot sa 80 mph, ang twin-scroll na variant ay maglalakbay ng 3 haba ng kotse sa unahan sa 95 mph. Sa hanay ng bilis na 60-100 m/h (4200-7000 rpm), ang superiority ng twin-scroll turbinenaging hindi gaanong makabuluhan at umabot sa 0.23 s (1.75 kumpara sa 1.98 s) at 5 m/h (105 kumpara sa 100 m/h). Sa mga tuntunin ng bilis ng pag-abot sa isang tiyak na presyon, ang isang twin-scroll turbocharger ay nauuna sa isang solong-scroll turbocharger ng mga 0.6 s. Kaya sa 30 psi ang pagkakaiba ay 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

Ang isa pang paghahambing ay ginawa ng Full Race Motorsports sa isang 2.3L Ford EcoBoost engine na may BorgWarner EFR turbo. Sa kasong ito, ang rate ng daloy ng maubos na gas sa bawat channel ay inihambing sa pamamagitan ng computer simulation. Para sa isang twin-scroll turbine, ang pagkalat ng halagang ito ay hanggang sa 4%, habang para sa isang solong-scroll turbine ito ay 15%. Ang mas mahusay na pagtutugma ng rate ng daloy ay nangangahulugan ng mas kaunting pagkawala ng paghahalo at mas maraming impulse energy para sa mga twin-scroll turbocharger.

Mga kalamangan at kahinaan

Ang Twin scroll turbines ay nag-aalok ng maraming pakinabang kaysa sa single scroll turbine. Kabilang dito ang:

• tumaas na performance sa buong hanay ng rev;
• mas mahusay na pagtugon;
• mas kaunting pagkawala ng paghahalo;
• tumaas na impulse energy sa turbine wheel;
• mas mahusay na pagpapalakas ng kahusayan;
• more bottom end torque na katulad ng twin-turbo system;
• pagbawas ng intake charge attenuation kapag nagsasapawan ang mga valve sa pagitan ng mga cylinder;
• ibaba ang temperatura ng tambutso;
• bawasan ang pagkawala ng salpok ng motor;
• bawasan ang pagkonsumo ng gasolina.

Ang pangunahing kawalan ay ang mahusay na pagiging kumplikado ng disenyo, na nagdudulot ng pagtaaspresyo. Bilang karagdagan, sa mataas na presyon sa mataas na bilis, ang paghihiwalay ng daloy ng gas ay hindi magbibigay-daan sa iyong makuha ang parehong peak performance tulad ng sa isang solong-scroll turbine.

Sa istruktura, ang twin-scroll turbine ay kahalintulad ng mga system na may dalawang turbocharger (bi-turbo at twin-turbo). Sa paghahambing sa kanila, ang gayong mga turbine, sa kabaligtaran, ay may mga pakinabang sa gastos at pagiging simple ng disenyo. Sinasamantala ito ng ilang manufacturer, gaya ng BMW, na pinalitan ang twin-turbo system sa N54B30 1-Series M Coupe ng twin-scroll turbocharger sa N55B30 M2.

Dapat tandaan na may mga mas advanced na teknikal na opsyon para sa mga turbine, na kumakatawan sa pinakamataas na yugto ng kanilang pag-unlad - mga turbocharger na may variable na geometry. Sa pangkalahatan, ang mga ito ay may parehong mga pakinabang sa mga maginoo na turbine bilang twin-scroll, ngunit sa isang mas malaking lawak. Gayunpaman, ang mga naturang turbocharger ay may mas kumplikadong disenyo. Bilang karagdagan, mahirap silang i-set up sa mga motor na hindi orihinal na idinisenyo para sa mga naturang sistema dahil sa ang katunayan na ang mga ito ay kinokontrol ng yunit ng kontrol ng engine. Sa wakas, ang pangunahing salik na nagiging sanhi ng napakahirap na paggamit ng mga turbine na ito sa mga makina ng gasolina ay ang napakataas na halaga ng mga modelo para sa mga naturang makina. Samakatuwid, pareho sa mass production at sa pag-tune, ang mga ito ay napakabihirang, ngunit ang mga ito ay malawakang ginagamit sa mga diesel engine ng mga komersyal na sasakyan.

Sa SEMA 2015, inilabas ng BorgWarner ang isang disenyo na pinagsasama ang teknolohiya ng twin scroll sa variable na disenyo ng geometry, ang Twin Scroll Variable Geometry Turbine. Sa kanyaang isang damper ay naka-install sa double inlet na bahagi, na, depende sa pag-load, ay namamahagi ng daloy sa mga impeller. Sa mababang bilis, ang lahat ng mga gas na tambutso ay napupunta sa isang maliit na bahagi ng rotor, at ang malaking bahagi ay naharang, na nagbibigay ng mas mabilis na pag-ikot kaysa sa isang maginoo na twin-scroll turbine. Habang tumataas ang load, unti-unting gumagalaw ang damper sa gitnang posisyon at pantay na namamahagi ng daloy sa mataas na bilis, tulad ng sa isang karaniwang disenyo ng twin-scroll. Kaya, ang teknolohiyang ito, tulad ng variable na geometry technology, ay nagbibigay ng pagbabago sa A/R ratio depende sa load, pagsasaayos ng turbine sa operating mode ng engine, na nagpapalawak sa operating range. Kasabay nito, kung isasaalang-alang ang disenyo ay mas simple at mas mura, dahil isang gumagalaw na elemento lamang ang ginagamit dito, nagtatrabaho ayon sa isang simpleng algorithm, at ang paggamit ng mga materyales na lumalaban sa init ay hindi kinakailangan. Dapat tandaan na ang mga katulad na solusyon ay nakatagpo na dati (halimbawa, quick spool valve), ngunit sa ilang kadahilanan ay hindi naging popular ang teknolohiyang ito.

Application

Tulad ng nabanggit sa itaas, ang twin-scroll turbine ay kadalasang ginagamit sa mass-produced na mga sports car. Gayunpaman, kapag nag-tune, ang kanilang paggamit sa maraming mga motor na may mga single-scroll system ay nahahadlangan ng limitadong espasyo. Pangunahin ito dahil sa disenyo ng header: sa pantay na haba, ang mga katanggap-tanggap na radial bends at mga katangian ng daloy ay dapat mapanatili. Bilang karagdagan, mayroong isang katanungan ng pinakamainam na haba at liko, pati na rin ang materyal at kapal ng pader. Ayon sa Full-Race, dahil sa higit na kahusayantwin-scroll turbines, posibleng gumamit ng mga channel ng mas maliit na diameter. Gayunpaman, dahil sa kanilang kumplikadong hugis at double inlet, ang naturang kolektor ay sa anumang kaso ay mas malaki, mas mabigat at mas kumplikado kaysa sa karaniwan dahil sa mas maraming bilang ng mga bahagi. Samakatuwid, maaaring hindi ito magkasya sa isang karaniwang lugar, bilang isang resulta kung saan kakailanganing baguhin ang crankcase. Bilang karagdagan, ang mga twin-scroll turbin mismo ay mas malaki kaysa sa mga katulad na single-scroll. Bilang karagdagan, kakailanganin ang iba pang appipe at oil trap. Bilang karagdagan, dalawang wastegate (isa sa bawat impeller) ang ginagamit sa halip na isang Y-pipe para sa mas mahusay na performance sa mga panlabas na wastegate para sa twin scroll system.

Sa anumang kaso, posibleng mag-install ng twin-scroll turbine sa isang VAZ, at palitan ito ng Porsche single-scroll turbocharger. Ang pagkakaiba ay nakasalalay sa gastos at saklaw ng trabaho sa paghahanda ng makina: kung sa mga serial turbo engine, kung mayroong espasyo, kadalasan ay sapat na upang palitan ang exhaust manifold at ilang iba pang mga bahagi at gumawa ng mga pagsasaayos, kung gayon ang mga natural na aspirated na makina ay nangangailangan ng higit pa malubhang interbensyon para sa turbocharging. Gayunpaman, sa pangalawang kaso, ang pagkakaiba sa pagiging kumplikado ng pag-install (ngunit hindi sa gastos) sa pagitan ng twin-scroll at single-scroll system ay hindi gaanong mahalaga.

Mga Konklusyon

Ang Twin-scroll turbine ay nagbibigay ng mas mahusay na performance, responsiveness at episyente kaysa sa single-scroll turbines sa pamamagitan ng paghahati ng mga exhaust gas sa dual turbine wheel at pag-aalis ng cylinder interference. Gayunpamanang pagtatayo ng ganitong sistema ay maaaring maging lubhang magastos. Sa kabuuan, ito ang pinakamahusay na solusyon upang mapataas ang kakayahang tumugon nang hindi sinasakripisyo ang maximum na performance para sa mga turbo engine.