Turbina twin-scroll: konstrukcja, zasada działania, wady i zalety

Główna wada silniki z turbodoładowaniem mniejsza szybkość reakcji w porównaniu z wariantami atmosferycznymi, co wynika z faktu, że uruchomienie turbiny zajmuje trochę czasu. Wraz z rozwojem turbosprężarek, producenci opracowują różne sposoby dla poprawy szybkości reakcji, wydajności i efektywności. Najlepszą opcją jest turbosprężarka twin-scroll.

Cechy ogólne

Termin ten odnosi się do turbosprężarek z podwójnym wlotem i podwójnym wirnikiem turbiny. Od czasu pierwszych turbin (około 30 lat temu) rozróżnia się je na warianty z otwartym i dzielonym wlotem. Te ostatnie są odpowiednikami współczesnych turbosprężarek twin-scroll. Najlepsze parametry określają ich zastosowanie w tuningu i motorsporcie. Ponadto niektórzy producenci stosują je w produkcyjnych samochodach sportowych, takich jak Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP itp.

Projekt i funkcja

To co odróżnia turbiny dwuślimakowe od standardowych turbin to podwójna kierownica turbiny i dzielony wlot. Wirnik ma solidną konstrukcję, ale wielkość, kształt i krzywizna łopatek różnią się średnicą. jedna część jest przeznaczona do małego obciążenia, druga do dużego obciążenia.

Zasada działania turbin typu twin-scroll polega na podawaniu spalin pod różnymi kątami do kierownicy turbiny, w zależności od kolejności cylindrów.

Poniżej przedstawiono bardziej szczegółowe wyjaśnienie cech konstrukcyjnych i sposobu działania turbiny typu twin-scroll.

Kolektor wydechowy

Podstawowe znaczenie dla turbosprężarek twin-scroll ma konstrukcja kolektora wydechowego. Opiera się ona na koncepcji połączenia cylindrów kolektora wyścigowego i jest określana przez liczbę cylindrów i kolejność ich pracy. Prawie wszystkie silniki 4-cylindrowe pracują w kolejności 1-3-4-2. W tym przypadku jeden kanał łączy 1 i 4 cylindry, a drugi kanał łączy 2 i 3 cylindry. W większości silników 6-cylindrowych, spaliny są prowadzone oddzielnie z cylindrów 1, 3, 5 oraz 2, 4, 6. Wyjątkiem są RB26 i 2JZ. Działają one w kolejności 1-5-3-6-2-4.

W związku z tym w tych silnikach 1, 2, 3 cylindry są skojarzone dla jednego wirnika, 4, 5, 6 - dla drugiego (w magazynie napęd turbiny jest ułożony w tej samej kolejności). Dlatego też silniki te mają uproszczoną konstrukcję kolektora wydechowego, łączącego pierwsze trzy i ostatnie trzy cylindry w dwa kanały.

Oprócz połączenia cylindrów w określonej kolejności, bardzo ważne są inne cechy rozdzielacza. Przede wszystkim oba kanały muszą mieć jednakową długość i taką samą liczbę załamań. Wynika to z konieczności zapewnienia takiego samego ciśnienia dla gazów spalinowych. Ponadto ważne jest, aby dopasować kołnierz turbiny do kolektora poprzez kształt i wymiary jego wlot. Wreszcie, aby uzyskać najlepszą wydajność, konstrukcja kolektora musi dokładnie odpowiadać wartości A/R turbiny.

Potrzeba odpowiednio zaprojektowanego kolektora wydechowego dla twinscrottos wynika z faktu, że turbosprężarka twinscrope zachowywałaby się jak turbosprężarka singlescrope, gdyby zastosowano konwencjonalny kolektor wydechowy. Podobnie będzie w przypadku połączenia turbiny jednopłaszczyznowej z kolektorem dla turbiny dwupłaszczyznowej.

Impulsowe oddziaływanie cylindrów

Jedną z wielkich zalet turbosprężarek twin-scroll w stosunku do turbosprężarek single-scroll jest to, że wzajemne oddziaływanie cylindrów jest znacznie zredukowane lub wyeliminowane przez impulsy wydechowe.

Wiadomo, że wał korbowy musi obracać się o 720°, aby każdy cylinder mógł wykonać wszystkie cztery suwy. Dotyczy to również silników 4-cylindrowych i 12-cylindrowych. Jednak podczas gdy obrót wału korbowego o 720° zakończy jeden suw na pierwszym cylindrze, wszystkie suwy na 12 cylindrach. Tak więc wraz ze wzrostem liczby cylindrów zmniejsza się ilość obrotów wału korbowego pomiędzy tymi samymi suwami dla każdego cylindra. Na przykład w silnikach 4-cylindrowych skok występuje co 180° w poszczególnych cylindrach. Dotyczy to również suwu ssania, sprężania i wydechu. W silnikach 6-cylindrowych więcej zdarzeń występuje na 2 obroty wału korbowego, tak że te same suwy między cylindrami są oddalone od siebie o 120°. Odstęp wynosi 90° dla silników 8-cylindrowych i 60° dla silników 12-cylindrowych.

Wiadomo, że wałki rozrządu mogą być fazowane od 256° do 312° lub więcej. Weźmy przykład silnika z 280° fazą wlotu i wylotu. Podczas wydechu w tym 4-cylindrowym silniku zawory wydechowe cylindrów są otwarte o 100° co 180°. Jest to konieczne do podniesienia tłoka z najniższego do najwyższego punktu martwego podczas fazy wydechu cylindra. W kolejności pracy 1-3-2-4 zawory wydechowe trzeciego cylindra zaczną się otwierać pod koniec skoku tłoka. W tym czasie pierwszy cylinder rozpocznie suw dolotu, a zawory wydechowe zamkną się. Podczas pierwszych 50° otwarcia zaworów wydechowych trzeciego cylindra, zawory wydechowe pierwszego cylindra otworzą się, a zawory wlotowe trzeciego cylindra zaczną się otwierać. W ten sposób zawory między cylindrami są zamknięte.

Gdy spaliny zostaną odprowadzone z pierwszego cylindra, zawory wydechowe zamykają się, a zawory dolotowe zaczynają się otwierać. Jednocześnie otwierają się zawory wydechowe trzeciego cylindra, uwalniając wysokoenergetyczne spaliny. Duża część ich ciśnienia i energii jest wykorzystywana do napędzania turbiny, podczas gdy mniejsza część szuka drogi najmniejszego oporu. Ze względu na niższe ciśnienie zamykających się zaworów wydechowych pierwszego cylindra w porównaniu z wlotem turbiny, część spalin trzeciego cylindra jest kierowana do pierwszego cylindra.

Gdy cykl dolotowy rozpoczyna się w pierwszym cylindrze, ładunek dolotowy zostaje rozcieńczony przez spaliny, tracąc moc. W końcu zawory pierwszego cylindra zamykają się i tłok trzeciego cylindra podnosi się. W przypadku tego ostatniego przeprowadza się wydech i sytuacja rozpatrywana dla cylindra 1 powtarza się po otwarciu zaworów wydechowych drugiego cylindra. W związku z tym obserwuje się mieszanie. Problem jest jeszcze bardziej wyraźny w przypadku silników 6- i 8-cylindrowych, gdy odległość między cylindrami w cyklu wydechowym wynosi odpowiednio 120° i 90°. W tych przypadkach obserwuje się jeszcze dłuższe nakładanie się zaworów wydechowych obu cylindrów.

Ponieważ nie jest możliwa zmiana liczby cylindrów, problem ten można rozwiązać poprzez zwiększenie odstępu między podobnymi uderzeniami poprzez użycie turbosprężarki . W przypadku podwójnych turbin w silnikach 6 i 8 cylindrowych możliwe jest połączenie cylindrów do napędu każdego. W takim przypadku odstępy między podobnymi zdarzeniami w zaworach wydechowych zostaną podwojone. W przypadku RB26, na przykład, cylindry 1-3 dla przedniej turbiny i cylindry 4-6 dla tylnej turbiny mogą być połączone. Wyklucza to sekwencyjne wyzwalanie cylindrów dla pojedynczej turbiny. W związku z tym odstęp pomiędzy zdarzeniami na zaworze wydechowym dla cylindrów z pojedynczą turbosprężarką wzrasta ze 120° do 240°.

Ze względu na fakt, że turbina twin-scroll posiada oddzielny kolektor wydechowy, w tym sensie jest ona podobna do układu z podwójnym turbodoładowaniem. W przypadku silników 4-cylindrowych z dwiema turbosprężarkami lub podwójną turbosprężarką odstęp między zdarzeniami wynosi 360. Silniki ośmiocylindrowe z podobnymi systemami doładowania mają taki sam odstęp czasu. Bardzo długi czas wzniosu zaworów zapobiega nakładaniu się zaworów dla cylindrów jednej turbosprężarki.

Silnik zasysa więcej powietrza i odprowadza pozostałe spaliny pod niskim ciśnieniem, napełniając cylindry gęstszym i czystszym ładunkiem, co skutkuje intensywniejszym spalaniem i zwiększeniem wydajności. Ponadto większa sprawność objętościowa i lepsze dopracowanie umożliwiają zastosowanie większego opóźnienia zapłonu, co pozwala utrzymać szczytowe temperatury w cylindrach. W rezultacie turbiny twinscrope są o 7-8% bardziej wydajne od turbin singlescrope, przy 5% lepszej efektywności paliwowej.

Według Full-Race, turbosprężarki twinscrotted charakteryzują się wyższymi średnimi ciśnieniami w cylindrze i sprawnością, ale niższymi szczytowymi ciśnieniami w cylindrze i ciśnieniem wstecznym niż turbosprężarki singlelescrotted. W systemie twinskim występuje większe ciśnienie wsteczne przy niskich prędkościach (co zwiększa boost) i mniejsze przy wysokich prędkościach (co zwiększa osiągi). Wreszcie silnik z takim doładowaniem jest mniej wrażliwy na negatywne skutki działania wałków rozrządu o szerokich fazach rozrządu.

Wydajność

Powyżej znajdowały się teoretyczne pozycja pracy turbiny typu twin-scroll. Co to daje w praktyce, ustala się na podstawie pomiarów. Test został przeprowadzony przez magazyn DSPORT na samochodzie Project KA 240SX. KA24DET rozwija moc do 700 KM. с. przy kołach E85. Silnik został wyposażony w niestandardowy kolektor wydechowy Wisecraft Fabrication oraz turbosprężarkę Garrett GTX. Podczas testów zmieniono jedynie obudowę turbo, stosując ten sam A/R. Oprócz zmian w mocy i momencie obrotowym, testerzy mierzyli reaktywność mierząc czas osiągnięcia danej prędkości obrotowej i ciśnienia doładowania na trzecim biegu w tych samych warunkach początkowych.

Wyniki wykazały lepszą wydajność turbiny twin-scroll w całym zakresie obrotów. Największą przewagę mocy wykazał między 3,500 a 6,000 obr. Lepsze wyniki przypisano wyższemu ciśnieniu doładowania przy tych samych obrotach. Ponadto wyższe ciśnienie prowadziło do wzrostu momentu obrotowego porównywalnego z efektem zwiększonej pojemności skokowej silnika. Jest on również najbardziej odczuwalny przy średnich obrotach. W przyspieszeniu od 45 do 80mph (3100-5600rpm), twinscrotted turbo pokonało singlescrotted turbo o 0.49s (2.93s vs 3.42s), co daje różnicę trzech kadłubów. To znaczy, że kiedy samochód z "signlscrotted turbo" osiąga 80mph, wersja z "twinscrotted" wyprzedza go o 3 długości samochodu przy 95mph. W zakresie prędkości 60-100mph (4,200-7,000rpm), wyższość twinscrotted turbo była mniej znacząca przy 0.23s (1.75 vs 1.98s) i 5mph (105 vs 100mph). Turbosprężarka twinscrope przewyższa turbosprężarkę singlelescrope o około 0,6 s pod względem szybkości osiągnięcia określonego ciśnienia. Tak więc, przy 30 psi różnica wynosi 400 rpm (5,500 vs 5,100 rpm).

Inne porównanie zostało przeprowadzone przez Full Race Motorsports na 2,3-litrowym silniku Ford EcoBoost z turbo BorgWarner EFR. W tym przypadku prędkość spalin w każdym kanale została porównana za pomocą symulacji komputerowej. Dla turbiny dwuślimakowej zmienność ta wynosiła do 4%, natomiast dla turbiny jednoślimakowej 15%. Lepsze dopasowanie natężenia przepływu oznacza mniejsze straty mieszania i większą energię skoku w turbosprężarkach twinscroll.

Zalety i wady

Turbiny typu Twin-scroll mają wiele zalet w porównaniu z wariantami single-scroll. Należą do nich:

• wyższa wydajność w całym zakresie prędkości;
• lepszą reakcję;
• mniejsze straty przy mieszaniu;
• wyższa energia impulsu na jedno koło turbiny;
• lepiej zwiększyć wydajność;
• Mniejszy moment obrotowy, podobny do układu twin-turbo;
• mniejszy luz ładunku dolotowego, gdy zawory są nakładane na siebie w cylindrach;
• niższa temperatura spalin;
• niższe straty impulsów w silniku;
• niższe zużycie paliwa.

Główną wadą jest większa złożoność, która powoduje wyższe koszty. Ponadto, przy wyższym ciśnieniu przy wysokich obrotach, rozdzielenie przepływu gazu nie będzie dawało takiej samej szczytowej wydajności jak w przypadku turbiny jednowałowej.

Turbiny typu twin-scroll są strukturalnie podobne do układów z podwójnym turbodoładowaniem (bi-turbo i twin-turbo). Natomiast turbiny te mają zalety w zakresie kosztów i prostoty konstrukcji. Niektórzy producenci to wykorzystują, jak np. BMW, które w modelu N54B30 serii 1 M Coupe zastąpiło układ twin-turbo turbosprężarką twin-scroll w modelu N55B30 M2.

Należy zaznaczyć, że istnieją jeszcze bardziej zaawansowane technicznie warianty turbo, reprezentujące najwyższy etap ich rozwoju - turbosprężarki o zmiennej geometrii. Generalnie oferują one te same zalety co twin turbo, ale w większym stopniu. Takie turbosprężarki są jednak znacznie bardziej złożone. Ponadto są one trudne do skonfigurowania na silnikach, które nie zostały pierwotnie zaprojektowane dla takich systemów, ze względu na fakt, że są one sterowane przez jednostkę sterującą silnika. Wreszcie, głównym czynnikiem przyczyniającym się do niezwykle rzadkiego stosowania tych turbin w silnikach benzynowych jest bardzo wysoki koszt modeli do takich silników. Z tego powodu są one niezwykle rzadkie zarówno w produkcji seryjnej, jak i w tuningu, ale szeroko rozpowszechnione w silnikach Diesla pojazdów użytkowych.

Na targach SEMA 2015 r. BorgWarner wprowadził rozwiązanie łączące technologię twinscroch z konstrukcją o zmiennej geometrii - twinscroch Turbina o zmiennej geometrii. Posiada przepustnicę w swojej podwójnej sekcji wlotowej, która rozdziela przepływ na wirniki w zależności od obciążenia. Przy niskich prędkościach, wszystkie spaliny trafiają do małej części wirnika, a większa część jest wyłączona, co pozwala na jeszcze szybsze przyspieszenie niż w przypadku konwencjonalnej turbiny twin-scroll. Przy rosnącym obciążeniu przepustnica stopniowo przechodzi do pozycji środkowej i równomiernie rozprowadza przepływ przy wysokich obrotach, jak w standardowej konstrukcji twinscrope. Tak więc ta technologia, podobnie jak technologia zmiennej geometrii, pozwala na zmianę stosunku A/R w zależności od obciążenia, dostosowując turbinę do silnika i tym samym rozszerzając zakres pracy. Konstrukcja jest znacznie prostsza i tańsza, ponieważ wykorzystuje tylko jeden element napędowy, działa według prostego algorytmu i nie wymaga stosowania materiałów odpornych na działanie wysokich temperatur. Należy zauważyć, że podobne rozwiązania były dostępne już wcześniej (np. szybkie zawory suwakowe), ale z jakiegoś powodu technologia ta nie stała się powszechna.

Aplikacja

Jak wspomniano powyżej, turbiny typu twin-scroll są często stosowane w samochodach sportowych. Jednak w przypadku tuningu ich zastosowanie w wielu silnikach z układami jednowałowymi jest utrudnione przez ograniczoną przestrzeń. Wynika to głównie z konstrukcji rozdzielacza: przy równych długościach konieczne jest zachowanie dopuszczalnych ugięć promieniowych i charakterystyki przepływu. Pozostaje jeszcze kwestia optymalnej długości i wygięcia, a także materiału i grubości ścian. Według Full-Race, ze względu na wyższą wydajność turbin dwuślimakowych, możliwe są mniejsze kanały otworowe. Jednak ze względu na skomplikowany kształt i podwójny otwór wlotowy, kolektor taki jest w każdym przypadku większy, cięższy i bardziej skomplikowany niż kolektor konwencjonalny ze względu na większą liczbę elementów składowych. W związku z tym może nie pasować do standardowego siedzenia, więc trzeba zmienić karter. Dodatkowo, turbiny twin-scroll są większe niż równoważne im turbiny single-scroll. Ponadto wymagałoby to zastosowania innego rurociągu górnego i łapacza oleju. Ponadto systemy twinscrope wykorzystują dwie zasuwy zachodnie (po jednej na wirnik) zamiast rury Y, co zapewnia lepszą wydajność w przypadku zewnętrznych zakłóceń.

W każdym razie można też zamontować w VAZ-ie turbo twinowe i zastąpić je jednopłaszczyznową turbosprężarką Porsche. Różnica polega na kosztach i ilości pracy związanej z przygotowaniem silnika: podczas gdy w seryjnych silnikach z turbodoładowaniem, jeśli jest dostępne miejsce, zwykle wystarczy wymienić kolektor wydechowy i kilka innych części oraz dokonać regulacji, silniki atmosferyczne wymagają znacznie poważniejszej interwencji przy turbodoładowaniu. W drugim przypadku różnica w złożoności instalacji (ale nie w kosztach) między systemami twinscrottle i singlecrottle jest jednak nieznaczna.

Wnioski

Turbiny z podwójną przepustnicą, dzięki oddzieleniu spalin do podwójnej kierownicy turbiny i wyeliminowaniu wzajemnego wpływu impulsów z cylindrów, oferują lepsze osiągi, reakcję i wydajność w porównaniu z wariantami z pojedynczą przepustnicą. Jednak budowa takiego systemu może być bardzo kosztowna. Ogólnie rzecz biorąc, jest to optymalne rozwiązanie dla poprawy responsywności bez utraty maksymalna wydajność dla silników turbo.