Twinskrolová turbína: popis konstrukce, princip činnosti, klady a zápory

Hlavní nevýhodou přeplňovaných motorů ve srovnání s atmosférickými variantami je menší odezva, vzhledem k tomu, že roztočení turbíny trvá určitou dobu. S vývojem turbodmychadel výrobci vyvíjejí různé způsoby zlepšit jejich citlivost, výkon a efektivitu. Nejoptimálnější možností jsou turbíny twinscroll.

Běžné funkce

Tento termín označuje turbodmychadla s dvojitou vstupní částí a dvojitým oběžným kolem turbínového kola. Od prvních turbín (asi před 30 lety) byly diferencovány na varianty s otevřeným a rozděleným sáním. Posledně jmenované jsou analogy moderních turbodmychadel twinscreen. Nejlepší parametry určují jejich použití v ladění a motoristickém sportu. Někteří výrobci je navíc používají na sériových sportovních strojích, jako jsou Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP atd.

Konstrukce a princip fungování

Od běžných turbín se twinscroll liší dvojitým turbínovým kolem a rozdělenou vstupní částí na dvě části. Rotor má monolitickou konstrukci, ale velikost, tvar a ohyb lopatek se liší v průměru. Jedna část je určena pro malé zatížení, druhá pro velké zatížení.

Princip fungování turbín twinscroll je založen na samostatném přívodu výfukových plynů v různých úhlech na turbínové kolo v závislosti na pořadí provozu válců.

Dále jsou podrobněji popsány konstrukční prvky a jak funguje turbína twinscroll.

Sběrné výfukové potrubí

Hlavní význam pro turbodmychadla twinscreen je konstrukce výfukového potrubí. Je založen na konceptu párování válců závodních kolektorů a je určen počtem válců a pořadí jejich provozu. Téměř všechny čtyřválcové motory fungují v pořadí 1-3-4-2. V tomto případě jeden kanál kombinuje 1 a 4 válce, druhý-2 a 3. U většiny šestiválcových motorů se přívod výfukových plynů provádí odděleně od 1, 3, 5 a 2, 4, 6 válců. Jako výjimky je třeba poznamenat rb26 a 2JZ. Pracují v pořadí 1-5-3-6-2-4.

Proto pro tyto motory jsou 1, 2, 3 válce spárovány pro jedno oběžné kolo, 4, 5, 6 pro druhé (pohon turbín je uspořádán ve stejném pořadí v odtoku). Pojmenované motory se tak vyznačují zjednodušenou konstrukcí výfukového potrubí kombinujícího tři první a tři poslední válce do dvou kanálů.

Kromě připojení válců v určitém pořadí jsou velmi důležité i další vlastnosti kolektoru. Za prvé, oba kanály musí mít stejnou délku a stejný počet ohybů. To je způsobeno potřebou zajistit stejný tlak dodávaných výfukových plynů. Kromě toho je důležité přizpůsobit přírubu turbíny na rozdělovači podle tvaru a velikosti její vchod. A konečně, aby byl zajištěn nejlepší výkon, je nutná přesná shoda konstrukce kolektoru s hodnotou turbíny a / R.

Potřeba použití vhodného konstrukčního výfukového potrubí pro turbíny twinscroll je určena skutečností, že v případě použití konvenčního kolektoru bude takový turbodmychadlo fungovat jako singlscroll. Totéž bude pozorováno při kombinaci turbíny singlscreen s kolektorem pro twinscreen.

Pulzní interakce válců

Jednou z významných výhod turbodmychadel twinscreen, které určují jejich výhody oproti singlscreenům, je podstatné snížení nebo odstranění vzájemného vlivu válců impulsy výfukových plynů.

Je známo, že aby každý válec prošel všemi čtyřmi pruhy, musí se klikový hřídel otočit o 720°. To platí i pro čtyřválcové a dvanáctiválcové motory. Pokud však při otáčení klikového hřídele o 720° na prvních válcích dokončí jeden takt, pak na 12 válcích-všechny pruhy. Se zvyšujícím se počtem válců se tedy snižuje množství otáčení klikového hřídele mezi stejnými pruhy pro každý válec. U čtyřválcových motorů je tedy zdvih každých 180° v různých válcích. To platí i pro sací, kompresní a výfukové pruhy. U šestiválcových motorů dochází k více událostem za 2 otáčky klikového hřídele, takže stejné míry mezi válci jsou od sebe vzdáleny 120°. U 8válcových motorů je interval 90°, u 12válcových motorů-60°.

Je známo, že vačkové hřídele mohou mít fázi 256 až 312° nebo více. Například si můžete vzít motor s fázemi 280° na sání a výfuku. Když jsou výfukové plyny uvolňovány na takovém čtyřválcovém motoru, každých 180° budou výfukové ventily válce otevřeny po dobu 100°. To je vyžadováno pro zvedání pístu ze spodní strany do horní úvrati během uvolnění pro daný válec. Při provozu 1-3-2-4 pro třetí válec se výfukové ventily začnou otevírat po dokončení zdvihu pístu. V tuto chvíli začne v prvním válci sací cyklus a výfukové ventily se začnou uzavírat. Během prvních 50° otevření výfukových ventilů třetího válce se otevřou výfukové ventily prvního a začnou se otevírat jeho sací ventily. Dochází tedy k překrývání ventilů mezi válci.

Po odstranění výfukových plynů z prvního válce se uzavírají výfukové ventily a sací ventily se začínají otevírat. Současně se otevírají výfukové ventily třetího válce, které uvolňují vysokoenergetické výfukové plyny. Významná část jejich tlaku a energie se používá k pohonu turbíny a menší část hledá cestu nejmenšího odporu. Vzhledem k menšímu tlaku uzavíratelných výfukových ventilů prvního válce ve srovnání s jednodílným vstupem turbíny je část výfukových plynů třetího válce směrována do prvního.

Vzhledem k zahájení sacího zdvihu v prvním válci je sací náboj zředěn výfukovými plyny a ztrácí energii. Na konci se ventily prvního válce zavřou a třetí píst se zvedne. U posledně jmenovaného se provádí uvolnění a situace uvažovaná pro válec 1 se opakuje, když se otevřou výfukové ventily druhého válce. Je tedy pozorováno míchání. Tento problém se dále projevuje u šestiválcových a osmiválcových motorů v intervalech výfukového zdvihu mezi válci 120 a 90° . V těchto případech dochází k ještě delšímu překrývání výfukových ventilů dvou válců.

Vzhledem k nemožnosti změny počtu válců lze tento problém vyřešit zvýšením intervalu mezi podobnými pruhy použitím turbokompresor. V případě použití dvou turbín na šestiválcových a osmiválcových motorech je možné kombinovat válce pro pohon každé z nich. V tomto případě se intervaly mezi podobnými událostmi výfukových ventilů zdvojnásobí. Například pro rb26 lze kombinovat válce 1-3 pro přední turbínu a 4-6 pro zadní turbínu. Tím je vyloučeno postupné spouštění válců pro jednu turbínu. Interval mezi událostmi výfukových ventilů pro válce jednoho turbodmychadla se proto zvyšuje ze 120 na 240°.

Protože turbína twinscroll má samostatné výfukové potrubí, je v tomto smyslu podobná systému se dvěma turbodmychadly. Čtyřválcové motory se dvěma turbínami nebo turbodmychadlem twinscroll mají mezi událostmi interval 360° . 8válcové motory s podobnými přeplňovacími systémy mají stejný interval. Velmi dlouhá doba delší než doba zdvihu ventilů vylučuje jejich překrytí pro válce jedné turbíny.

Tímto způsobem motor nasává více vzduchu a čerpá zbytky výfukových plynů s nízkým tlakem a plní válce hustším a čistším nábojem, což umožňuje intenzivnější spalování, které zvyšuje výkon. Kromě toho větší objemová účinnost a lepší čištění umožňují vyšší zpoždění vznícení, které udržuje špičkovou teplotu ve válcích. Díky tomu je účinnost turbín twinscreen vyšší o 7-8% ve srovnání se singlscreen s lepší 5% palivovou účinností.

Podle Full-Race jsou turbodmychadla twinscroll ve srovnání s singlscrollovými turbodmychadly charakterizována větším středním tlakem ve válci a účinností, ale menším špičkovým tlakem ve válci a protitlakem na výstupu. Twinkrolové systémy mají větší protitlak při nízkých otáčkách (podporující přeplňování) a nižší při vysokých otáčkách (zvyšující výkon). A konečně, motor s takovým přeplňovacím systémem je méně citlivý na negativní účinky širokoúhlých vačkových hřídelů.

Výkon

Výše uvedené byly teoretické provozní ustanovení twinscroll turbíny. Co to v praxi dává, je nastaveno na měření. Takový test porovnáním s variantou singlscreen byl proveden časopisem DSPORT na projektu KA 240sx. Jeho KA24DET vyvíjí až 700 L. s. na kolech na E85. Motor je vybaven vlastním výfukovým potrubím Wisecraft Fabrication a turbodmychadlem Garrett GTX. Během zkušebního procesu byla změněna pouze skříň turbíny při stejné hodnotě A / R. Kromě změny výkonu a točivého momentu hodnotili testeři citlivost měřením doby dosažení určitých otáček a plnicího tlaku na třetím rychlostním stupni za podobných podmínek startu.

Výsledky ukázaly lepší výkon turbíny twinscreen v celém rozsahu otáček. Největší výkonovou převahu vykázala v intervalech 3500 až 6000 ot./min. Nejlepší výsledky jsou vysvětleny velkým plnicím tlakem při stejných otáčkách. Kromě toho větší tlak poskytl zvýšení točivého momentu srovnatelné s účinkem zvýšení objemu motoru. Nejvýrazněji se projevuje také při středních otáčkách. Při zrychlení ze 45 na 80 m/h (3100-5600 ot. / min) se turbína twinscroll posunula o 0,49 s (2,93 s oproti 3,42), což by přineslo rozdíl tří trupů. To znamená, že když auto se signálním turbodmychadlem dosáhne 80 m / h, varianta twinscroll bude jezdit 3 délky vozu vpředu rychlostí 95 m / h. V rozsahu rychlostí 60-100 m/h (4200-7000 ot./min) se převaha turbíny twinscreen ukázala jako méně významná a byla 0,23 s (1,75 vs. 1,98 s) a 5 m/h (105 vs. 100 m / h). Pokud jde o rychlost dosažení určitého tlaku, turbodmychadlo twinscroll překonává singlscroll asi o 0,6 s. Takže při 30 psi je rozdíl 400 ot / min (5500 vs 5100 ot/min).

Další srovnání provedlo Full Race Motorsports s motorem Ford EcoBoost o objemu 2,3 litru s turbínou BorgWarner EFR. V tomto případě byla počítačová simulace porovnána s průtokem výfukových plynů v každém kanálu. Pro turbínu twinscroll byla rozptyl této hodnoty až 4%, zatímco pro singlscroll-15%. Lepší konzistence průtoků naznačuje menší ztráty při míchání a větší pulzní energii pro turbodmychadla twinscreen.

Výhody a nevýhody

Turbíny twinscroll se vyznačují mnoha výhodami oproti variantám singlscroll. Patří mezi ně:

• zvýšený výkon v celém rozsahu otáček;
• lepší citlivost;
• menší ztráty při míchání;
• zvýšená energie hybnosti na turbínové kolo;
• lepší účinnost přeplňování;
• větší točivý moment na dně je podobný systému Twin-Turbo;
• snížení útlumu sacího náboje při překrývání ventilů mezi válci;
• snížení teploty výfukových plynů;
• snížení impulsních ztrát motoru;
• snížení spotřeby paliva.

Hlavní nevýhodou je velká složitost konstrukce, která způsobuje zvýšené náklady. Kromě toho při vysokých tlacích při vysokých otáčkách separace toku plynů zabrání dosažení stejného špičkového výkonu jako u turbíny singlscreen.

Strukturálně představují turbíny twinscroll Analog systémů se dvěma turbodmychadly (bi-turbo a twin-turbo). Ve srovnání s nimi mají takové turbíny naopak výhody v nákladech a jednoduchosti konstrukce. Někteří výrobci to používají, například BMW, které nahradilo systém twin-turbo N54B30 1-Series M Coupe turbodmychadlem twinscreen na n55b30 M2.

Je třeba poznamenat, že existují ještě technicky vyspělejší varianty turbín, které představují nejvyšší stupeň jejich vývoje-turbodmychadla s proměnlivou geometrií. Celkově mají stejné výhody oproti běžným turbínám jako twinscreen, ale ve větší míře. Takové turbodmychadla však mají výrazně složitější design. Kromě toho je obtížné je nakonfigurovat na motorech, které nejsou původně navrženy pro takové systémy, protože jsou řízeny řídicí jednotkou motoru. A konečně, hlavním faktorem, který způsobuje extrémně vzácné použití těchto turbín na benzínových motorech, jsou velmi vysoké náklady na modely pro takové motory. Proto jsou v sériové výrobě i ladění extrémně vzácné, ale u dieselových motorů komerčních strojů jsou rozsáhlé.

Na SEMA 2015. BorgWarner byl představen vývoj kombinující twinscrollovou technologii a variabilní geometrický design-twinscroll turbína s proměnlivou geometrií. Ve své dvojité vstupní části je instalována klapka, která v závislosti na zatížení distribuuje tok přes oběžná kola. Při nízkých otáčkách jde veškerý odpadní plyn do malé části rotoru a velký je uzavřen, což umožňuje ještě rychlejší roztočení než u běžné turbíny twinscreen. Se zvyšujícím se zatížením klapka postupně přechází do střední polohy a rovnoměrně rozděluje tok při vysokých otáčkách, jako ve standardní konstrukci twinscreen. Tato technologie, stejně jako technologie s proměnlivou geometrií, tedy umožňuje změnu poměru a / R v závislosti na zatížení přizpůsobením turbíny provoznímu režimu motoru, což rozšiřuje provozní rozsah. Při pohledu na design je mnohem jednodušší a levnější, protože se zde používá pouze jeden pohyblivý prvek pracující podle jednoduchého algoritmu a není nutné používat materiály odolné vůči teplu. Je třeba poznamenat, že podobná řešení se již dříve vyskytla (například Quick spool valve), ale tato technologie z nějakého důvodu nenašla distribuci.

Uplatnění

Jak bylo uvedeno výše, turbíny twinscroll se často používají na sériových sportovních vozech. Při ladění je však jejich použití na mnoha motorech s dvouhlavňovými systémy omezeno omezeným prostorem. To je způsobeno především konstrukcí kolektoru: při stejné délce je nutné zachovat přijatelné radiální křivky a charakteristiky toku. Kromě toho je otázkou optimální délky a ohybu, jakož i materiálu a tloušťky stěn. Podle Full-Race je vzhledem k vyšší účinnosti turbín twinscreen možné použít kanály s menším průměrem. Vzhledem ke svému složitému tvaru a dvojitému vstupu je však takové potrubí v každém případě větší, těžší a těžší než obvykle kvůli více dílům. Proto se nemusí vejít na standardní sedadlo, v důsledku čehož budete muset vyměnit klikovou skříň. Kromě toho jsou samotné turbíny twinscroll větší než podobné singlscrollové turbíny. Kromě toho budou vyžadovány další přídavné zařízení a Odlučovač oleje. Kromě toho se pro lepší výkon s vnějšími Westgate pro twinscroll systémy používají dva Westgate (jeden na oběžné kolo) místo y-trubky.

V každém případě je možné nainstalovat turbínu twinscroll na VAZ a nahradit ji turbodmychadlem Porsche. Rozdíl spočívá v nákladech a objemu prací na přípravě motoru: pokud u sériových turbomotorů v přítomnosti prostoru obvykle stačí vyměnit výfukové potrubí a některé další části a provést nastavení, pak atmosférické motory vyžadují pro turbodmychadlo mnohem závažnější zásah. Ve druhém případě je však rozdíl ve složitosti instalace (ale ne v nákladech) twinscrollových a singlscrollových systémů bezvýznamný.

Závěry

Twinscroll turbíny, díky oddělenému přívodu výfukových plynů na dvojité turbínové kolo a eliminaci vzájemného pulzního vlivu válců, poskytují lepší výkon, odezvu a účinnost ve srovnání s singlscrollovými variantami. Vytvoření takového systému však může být velmi nákladné. Celkově je to optimální řešení pro zvýšení citlivosti bez ztráty maximální výkon pro turbomotory.