Twin scroll-turbine: ontwerpbeskrywing, werkingsbeginsel, voor- en nadele

2024 Outeur: Erin Ralphs | [email protected]. Laas verander: 2024-02-19 11:43

Die grootste nadeel van turbo-aangejaagde enjins in vergelyking met atmosferiese opsies is minder reaksie, as gevolg van die feit dat die draai van die turbine 'n sekere tyd neem. Met die ontwikkeling van turbo-aanjaers ontwikkel vervaardigers verskeie maniere om hul responsiwiteit, werkverrigting en doeltreffendheid te verbeter. Twin scroll turbines is die beste opsie.

Algemene kenmerke

Hierdie term verwys na turbo-aanjaers met 'n dubbele inlaat en 'n dubbele stuwer van die turbinewiel. Sedert die verskyning van die eerste turbines (sowat 30 jaar gelede), is hulle in oop en aparte inlaatopsies gedifferensieer. Laasgenoemde is analoë van moderne dubbelrol-turbo-aanjaers. Die beste parameters bepaal hul gebruik in tuning en motorsport. Daarbenewens gebruik sommige vervaardigers dit op produksiesportmotors soos Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP enander

Ontwerp- en werkingsbeginsel

Twin-scroll-turbines verskil van konvensionele turbines deur 'n dubbelturbinewiel en 'n inlaatdeel wat in twee gedeel is. Die rotor is van 'n monolitiese ontwerp, maar die grootte, vorm en kromming van die lemme verskil langs die deursnee. Een deel daarvan is ontwerp vir 'n klein vrag, die ander vir 'n groot een.

Die werkingsbeginsel van dubbelrol-turbines is gebaseer op die afsonderlike toevoer van uitlaatgasse teen verskillende hoeke na die turbinewiel, afhangende van die volgorde van werking van die silinders.

Die ontwerpkenmerke en hoe die dubbelrol-turbine werk, word hieronder in meer besonderhede bespreek.

Uitlaatspruitstuk

Die ontwerp van die uitlaatspruitstuk is van primêre belang vir dubbelrol-turbo-aanjaers. Dit is gebaseer op die silinderkoppelkonsep van resiesspruitstukke en word bepaal deur die aantal silinders en hul afvuurvolgorde. Byna alle 4-silinder enjins werk in 'n 1-3-4-2 volgorde. In hierdie geval kombineer een kanaal silinders 1 en 4, die ander - 2 en 3. Op die meeste 6-silinder enjins word uitlaatgasse apart van 1, 3, 5 en 2, 4, 6 silinders voorsien. As uitsonderings moet RB26 en 2JZ gelet word. Hulle werk in volgorde 1-5-3-6-2-4.

Gevolglik, vir hierdie motors, word 1, 2, 3 silinders vir een waaier gekoppel, 4, 5, 6 vir die tweede (turbine-aandrywings word in dieselfde volgorde in die voorraad georganiseer). So genoemdie enjins word gekenmerk deur 'n vereenvoudigde ontwerp van die uitlaatspruitstuk, wat die eerste drie en laaste drie silinders in twee kanale kombineer.

Benewens die koppeling van die silinders in 'n sekere volgorde, is ander kenmerke van die spruitstuk baie belangrik. Eerstens moet beide kanale dieselfde lengte en dieselfde aantal buigings hê. Dit is as gevolg van die behoefte om dieselfde druk van die verskafde uitlaatgasse te verseker. Daarbenewens is dit belangrik dat die turbineflens op die spruitstuk ooreenstem met die vorm en afmetings van sy inlaat. Ten slotte, om die beste werkverrigting te verseker, moet die spruitstukontwerp nou ooreenstem met die A/R van die turbine.

Die behoefte om 'n uitlaatspruitstuk van 'n gepaste ontwerp vir dubbelrol-turbines te gebruik, word bepaal deur die feit dat in die geval van die gebruik van 'n konvensionele spruitstuk, so 'n turboaanjaer as 'n enkelrol-turbine sal werk. Dieselfde sal waargeneem word wanneer 'n enkelrol-turbine met 'n dubbelrol-spruitstuk gekombineer word.

Impulsiewe interaksie van silinders

Een van die beduidende voordele van dubbelrol-turbo-aanjaers, wat hul voordele bo enkelrol-aanjaers bepaal, is die aansienlike vermindering of uitskakeling van die wedersydse invloed van silinders deur uitlaatgasimpulse.

Dit is bekend dat vir elke silinder om al vier hale te slaag, die krukas 720 ° moet draai. Dit geld vir beide 4- en 12-silinder-enjins. As die krukas egter met 720° op die eerste silinders gedraai word, hulle een siklus voltooi, dan op12-silinder - alle siklusse. Dus, met 'n toename in die aantal silinders, word die hoeveelheid rotasie van die krukas tussen dieselfde beroertes vir elke silinder verminder. Dus, op 4-silinder enjins vind die kragslag elke 180 ° in verskillende silinders plaas. Dit geld ook vir inlaat-, kompressie- en uitlaatslae. Op 6-silinder-enjins vind meer gebeurtenisse plaas in 2 omwentelinge van die krukas, so dieselfde hale tussen die silinders is 120 ° uitmekaar. Vir 8-silinder-enjins is die interval 90 °, vir 12-silinder-enjins - 60 °.

Dit is bekend dat nokasse 'n fase van 256 tot 312° of meer kan hê. Ons kan byvoorbeeld 'n enjin met 280° fases by die inlaat en uitlaat neem. Wanneer uitlaatgasse op so 'n 4-silinder enjin vrygestel word, sal die uitlaatkleppe van die silinder elke 180 ° oop wees vir 100 °. Dit is nodig om die suier van onder na bo dooie punt te lig tydens die uitlaat van daardie silinder. Met die 1-3-2-4 afvuurorde vir die derde silinder, sal die uitlaatkleppe aan die einde van die suierslag begin oopmaak. Op hierdie tydstip sal die inlaatslag in die eerste silinder begin, en die uitlaatkleppe sal begin toemaak. Gedurende die eerste 50° van die opening van die uitlaatkleppe van die derde silinder, sal die uitlaatkleppe van die eerste silinder oopmaak, en sy inlaatkleppe sal ook begin oopmaak. Dus oorvleuel die kleppe tussen die silinders.

Na die verwydering van uitlaatgasse uit die eerste silinder, maak die uitlaatkleppe toe en begin die inlaatkleppe oopmaak. Terselfdertyd gaan die uitlaatkleppe van die derde silinder oop, wat hoë-energie-uitlaatgasse vrystel. Beduidende aandeelhul druk en energie word gebruik om die turbine aan te dryf, en 'n kleiner deel soek die pad van minste weerstand. As gevolg van die laer druk van die sluiting van die uitlaatkleppe van die eerste silinder in vergelyking met die integrale turbine-inlaat, word 'n deel van die uitlaatgasse van die derde silinder na die eerste gestuur.

As gevolg van die feit dat die inlaatslag in die eerste silinder begin, word die inlaatlading met uitlaatgasse verdun, wat krag verloor. Uiteindelik sluit die kleppe van die eerste silinder en die suier van die derde styg. Vir laasgenoemde word die vrystelling uitgevoer, en die situasie wat vir silinder 1 oorweeg word, word herhaal wanneer die uitlaatkleppe van die tweede silinder oopgemaak word. Daar is dus verwarring. Hierdie probleem is selfs meer uitgesproke by 6- en 8-silinder-enjins met uitlaatslag-intervalle tussen silinders van onderskeidelik 120 en 90 °. In hierdie gevalle is daar 'n selfs langer oorvleueling van die uitlaatkleppe van die twee silinders.

Weens die onmoontlikheid om die aantal silinders te verander, kan hierdie probleem opgelos word deur die interval tussen soortgelyke siklusse te verhoog deur 'n turboaanjaer te gebruik. In die geval van die gebruik van twee turbines op 6- en 8-silinder-enjins, kan silinders gekombineer word om elkeen van hulle aan te dryf. In hierdie geval sal die intervalle tussen soortgelyke uitlaatklepgebeurtenisse verdubbel. Byvoorbeeld, vir die RB26 kan jy silinders 1-3 vir die voorste turbine en 4-6 vir die agterste kombineer. Dit skakel die opeenvolgende werking van die silinders vir een turbine uit. Daarom is die interval tussen uitlaatklep gebeure virsilinders van een turboaanjaer verhoog van 120 tot 240°.

Weens die feit dat die dubbelrol-turbine 'n aparte uitlaatspruitstuk het, is dit in hierdie sin soortgelyk aan 'n stelsel met twee turbo-aanjaers. Dus, 4-silinder-enjins met twee turbines of 'n dubbelrol-turbo-aanjaer het 'n interval van 360 ° tussen gebeurtenisse. 8-silinder enjins met soortgelyke hupstootstelsels het dieselfde spasiëring. 'n Baie lang tydperk wat die duur van die klephyser oorskry, sluit hul oorvleueling vir die silinders van een turbine uit.

Op hierdie manier trek die enjin meer lug in en onttrek die oorblywende uitlaatgasse teen lae druk, wat die silinders vul met 'n digter en skoner lading, wat lei tot meer intense verbranding, wat werkverrigting verbeter. Boonop laat groter volumetriese doeltreffendheid en beter skoonmaak die gebruik van 'n hoër ontstekingsvertraging toe om pieksilindertemperature te handhaaf. Danksy dit is die doeltreffendheid van dubbelrol-turbines 7-8% hoër in vergelyking met enkelrol-turbines met 'n 5% beter brandstofdoeltreffendheid.

Twin-scroll-turbo-aanjaers het hoër gemiddelde silinderdruk en doeltreffendheid, maar laer pieksilinderdruk en uitlaat-terugdruk, in vergelyking met enkelrol-turbo-aanjaers, volgens Full-Race. Twin-scroll-stelsels het meer terugdruk by lae rpm (bevorder hupstoot) en minder by hoë rpm (verbetering van werkverrigting). Ten slotte, 'n enjin met so 'n hupstootstelsel is minder sensitief vir die negatiewe uitwerking van wye fasenokasse.

Performance

Hierbo was die teoretiese posisies van die werking van dubbelrol-turbines. Wat dit in die praktyk gee, word deur metings vasgestel. So 'n toets in vergelyking met die enkelrol-weergawe is deur die tydskrif DSPORT op die Project KA 240SX uitgevoer. Sy KA24DET ontwikkel tot 700 pk. Met. op wiele op die E85. Die motor is toegerus met 'n pasgemaakte Wisecraft Fabrication-uitlaatspruitstuk en 'n Garrett GTX-turboaanjaer. Tydens die toetse is slegs die turbinebehuising teen dieselfde A/R-waarde verander. Benewens krag- en wringkragveranderings, het toetsers responsiwiteit gemeet deur die tyd te meet om sekere RPM te bereik en druk in derde rat te verhoog onder soortgelyke lanseringstoestande.

Die resultate het die beste werkverrigting van die dubbelrol-turbine deur die hele rpm-reeks getoon. Dit het die grootste superioriteit in krag getoon in die reeks van 3500 tot 6000 rpm. Die beste resultate is te danke aan die hoër hupdruk by dieselfde rpm. Daarbenewens het meer druk 'n toename in wringkrag verskaf, vergelykbaar met die effek van die verhoging van die volume van die enjin. Dit word ook die meeste uitgespreek teen medium spoed. In versnelling van 45 tot 80 m/h (3100-5600 rpm) het die dubbelrol-turbine met 0,49 s (2,93 vs. 3,42) beter as die enkelrol-turbine gevaar, wat 'n verskil van drie liggame sal gee. Dit wil sê, wanneer 'n motor met 'n sein-rol-turboaanjaer 80 mph bereik, sal die tweeling-scroll-variant 3 motorlengtes vorentoe beweeg teen 95 mph. In die spoedreeks van 60-100 m/h (4200-7000 rpm), die superioriteit van die dubbelrol-turbineblyk minder betekenisvol te wees en beloop 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) en 5 m/h (105 versus 100 m/h). Wat die spoed van die bereiking van 'n sekere druk betref, is 'n dubbelrol-turbo-aanjaer ongeveer 0,6 s voor 'n enkelrol-turbo-aanjaer. Dus by 30 psi is die verskil 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

Nog 'n vergelyking is gemaak deur Full Race Motorsports op 'n 2.3L Ford EcoBoost-enjin met 'n BorgWarner EFR-turbo. In hierdie geval is die uitlaatgasvloeitempo in elke kanaal deur rekenaarsimulasie vergelyk. Vir 'n dubbelrol-turbine was die verspreiding van hierdie waarde tot 4%, terwyl dit vir 'n enkelrol-turbine 15% was. Beter vloeitempo-passing beteken minder mengverlies en meer impulsenergie vir dubbelrol-turbo-aanjaers.

Voor- en nadele

Tweelingrol-turbines bied baie voordele bo enkelrol-turbines. Dit sluit in:

• verhoogde werkverrigting regdeur die toere-reeks;
• beter reaksie;
• minder mengverlies;
• verhoogde impulsenergie na die turbinewiel;
• beter hupstoot doeltreffendheid;
• meer wringkrag aan die onderkant soortgelyk aan dubbelturbostelsel;
• vermindering van inlaatladingverswakking wanneer kleppe tussen silinders oorvleuel;
• laer uitlaatgastemperatuur;
• verminder impulsverliese van die motor;
• verminder brandstofverbruik.

Die grootste nadeel is die groot kompleksiteit van die ontwerp, wat veroorsaak dat verhoogprys. Daarbenewens, by hoë druk teen hoë snelhede, sal die skeiding van die gasvloei jou nie toelaat om dieselfde piekverrigting as op 'n enkelrol-turbine te kry nie.

Struktureel is dubbel-scroll-turbines analoog aan stelsels met twee turbo-aanjaers (bi-turbo en dubbel-turbo). In vergelyking met hulle, het sulke turbines, inteendeel, voordele in koste en eenvoud van ontwerp. Sommige vervaardigers trek voordeel hiervan, soos BMW, wat die tweelingturbo-stelsel op die N54B30 1-reeks M-koepee vervang het met 'n dubbelrol-turbo-aanjaer op die N55B30 M2.

Daar moet kennis geneem word dat daar selfs meer tegnies gevorderde opsies vir turbines is, wat die hoogste stadium van hul ontwikkeling verteenwoordig - turbo-aanjaers met veranderlike geometrie. Oor die algemeen het hulle dieselfde voordele bo konvensionele turbines as twin-scroll, maar in 'n groter mate. Sulke turbo-aanjaers het egter 'n baie meer komplekse ontwerp. Boonop is hulle moeilik om op te stel op motors wat nie oorspronklik vir sulke stelsels ontwerp is nie as gevolg van die feit dat hulle deur die enjinbeheereenheid beheer word. Laastens, die belangrikste faktor wat die uiters swak gebruik van hierdie turbines op petrolenjins veroorsaak, is die baie hoë koste van modelle vir sulke enjins. Daarom, beide in massaproduksie en in tuning, is hulle uiters skaars, maar hulle word wyd gebruik op dieselenjins van kommersiële voertuie.

By SEMA 2015 het BorgWarner 'n ontwerp onthul wat twin scroll-tegnologie kombineer met veranderlike geometrie-ontwerp, die Twin Scroll Variable Geometry Turbine. In haar'n demper word in die dubbele inlaatgedeelte geïnstalleer, wat, afhangend van die las, die vloei tussen die waaiers versprei. Met lae snelhede gaan al die uitlaatgasse na 'n klein deel van die rotor, en die groot deel word geblokkeer, wat selfs vinniger opspin as 'n konvensionele dubbelrol-turbine bied. Soos die vrag toeneem, beweeg die demper geleidelik na die middelposisie en versprei die vloei eweredig teen hoë spoed, soos in 'n standaard tweelingrol-ontwerp. Dus, hierdie tegnologie, soos veranderlike geometrie tegnologie, verskaf 'n verandering in die A / R-verhouding na gelang van die las, die turbine aan te pas by die enjin se bedryfsmodus, wat die bedryfsreeks vergroot. Terselfdertyd is die oorweging van die ontwerp baie eenvoudiger en goedkoper, aangesien slegs een bewegende element hier gebruik word, wat volgens 'n eenvoudige algoritme werk, en die gebruik van hittebestande materiale is nie nodig nie. Daar moet kennis geneem word dat soortgelyke oplossings al voorheen teëgekom is (byvoorbeeld, vinnige spoelklep), maar om een of ander rede het hierdie tegnologie nie gewild geword nie.

Aansoek

Soos hierbo genoem, word dubbelrol-turbines dikwels op massavervaardigde sportmotors gebruik. Wanneer dit egter ingestel word, word die gebruik daarvan op baie motors met enkelrolstelsels deur beperkte spasie belemmer. Dit is hoofsaaklik as gevolg van die ontwerp van die kopstuk: by gelyke lengtes moet aanvaarbare radiale buigings en vloei-eienskappe gehandhaaf word. Daarbenewens is daar 'n kwessie van die optimale lengte en buiging, sowel as die materiaal en wanddikte. Volgens Full-Race, as gevolg van groter doeltreffendheiddubbelrol-turbines, is dit moontlik om kanale met 'n kleiner deursnee te gebruik. As gevolg van hul komplekse vorm en dubbele inlaat is so 'n versamelaar egter in elk geval groter, swaarder en meer ingewikkeld as gewoonlik as gevolg van die groter aantal onderdele. Daarom pas dit moontlik nie op 'n standaard plek nie, as gevolg daarvan sal dit nodig wees om die krukas te verander. Daarbenewens is dubbelrol-turbines self groter as soortgelyke enkelrol-turbines. Daarbenewens sal ander aap- en olieval benodig word. Daarbenewens word twee wastegates (een per waaier) gebruik in plaas van 'n Y-pyp vir beter werkverrigting met eksterne wastegates vir twin scroll-stelsels.

Dit is in elk geval moontlik om 'n dubbelrol-turbine op 'n VAZ te installeer, en dit te vervang met 'n Porsche-enkelrol-turbo-aanjaer. Die verskil lê in die koste en omvang van die werk met die voorbereiding van die enjin: as op seriële turbo-enjins, as daar spasie is, is dit gewoonlik genoeg om die uitlaatspruitstuk en 'n paar ander onderdele te vervang en aanpassings te maak, dan benodig natuurlik geaspireerde enjins baie meer ernstige ingryping vir turbo-aanjaging. In die tweede geval is die verskil in installasiekompleksiteit (maar nie in koste nie) tussen dubbelrol- en enkelrolstelsels egter onbeduidend.

Gevolgtrekkings

Twin-scroll-turbines bied beter werkverrigting, responsiwiteit en doeltreffendheid as enkel-scroll-turbines deur die uitlaatgasse na die dubbelturbinewiel te verdeel en silinderinterferensie uit te skakel. Egterdie bou van so 'n stelsel kan baie duur wees. Al met al is dit die beste oplossing om reaksie te verhoog sonder om maksimum werkverrigting vir turbo-enjins in te boet.