Twin scroll turbine: descripció del disseny, principi de funcionament, pros i contres

2024 Autora: Erin Ralphs | [email protected]. Última modificació: 2024-02-19 12:50

El principal desavantatge dels motors turbo en comparació amb les opcions atmosfèriques és la menor capacitat de resposta, a causa del fet que la rotació de la turbina triga un cert temps. Amb el desenvolupament dels turbocompressors, els fabricants estan desenvolupant diverses maneres de millorar la seva capacitat de resposta, rendiment i eficiència. Les turbines de doble espiral són la millor opció.

Funcions generals

Aquest terme es refereix als turbocompressors amb doble entrada i doble impulsor de la roda de la turbina. Des de l'aparició de les primeres turbines (fa uns 30 anys), s'han diferenciat en opcions d'admissió obertes i separades. Aquests últims són anàlegs dels moderns turbocompressors de doble desplaçament. Els millors paràmetres determinen el seu ús en el tuning i el motorsport. A més, alguns fabricants els utilitzen en cotxes esportius de producció com Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP i altres

Principi de disseny i funcionament

Les turbines de doble espiral es diferencien de les turbines convencionals per tenir una roda de turbina doble i una part d'entrada dividida en dos. El rotor és de disseny monolític, però la mida, la forma i la curvatura de les pales varien al llarg del diàmetre. Una part està dissenyada per a una petita càrrega i l' altra per a una gran.

El principi de funcionament de les turbines de doble espiral es basa en el subministrament separat de gasos d'escapament a diferents angles de la roda de la turbina, depenent de l'ordre de funcionament dels cilindres.

Les característiques de disseny i el funcionament de la turbina de doble espiral es discuteixen amb més detall a continuació.

Colector d'escapament

El disseny del col·lector d'escapament és de primordial importància per als turbocompressors de doble desplaçament. Es basa en el concepte d'acoblament de cilindres dels col·lectors de carreres i està determinat pel nombre de cilindres i el seu ordre d'encesa. Gairebé tots els motors de 4 cilindres funcionen en un ordre 1-3-4-2. En aquest cas, un canal combina els cilindres 1 i 4, l' altre - 2 i 3. A la majoria de motors de 6 cilindres, els gasos d'escapament es subministren per separat dels 1, 3, 5 i 2, 4, 6 cilindres. Com a excepcions, cal destacar RB26 i 2JZ. Funcionen en ordre 1-5-3-6-2-4.

En conseqüència, per a aquests motors, s'acoblen 1, 2, 3 cilindres per a un impulsor, 4, 5, 6 per al segon (els accionaments de la turbina s'organitzen a l'estoc en el mateix ordre). Anomenat aixíels motors es distingeixen per un disseny simplificat del col·lector d'escapament, que combina els tres primers i els darrers tres cilindres en dos canals.

A més de connectar els cilindres en un ordre determinat, són molt importants altres característiques del col·lector. En primer lloc, els dos canals han de tenir la mateixa longitud i el mateix nombre de corbes. Això es deu a la necessitat d'assegurar la mateixa pressió dels gasos d'escapament subministrats. A més, és important que la brida de la turbina del col·lector coincideixi amb la forma i les dimensions de la seva entrada. Finalment, per garantir el millor rendiment, el disseny del col·lector s'ha d'ajustar molt a l'A/R de la turbina.

La necessitat d'utilitzar un col·lector d'escapament d'un disseny adequat per a les turbines de doble espiral ve determinada pel fet que, en el cas d'utilitzar un col·lector convencional, aquest turbocompressor funcionarà com un de simple espiral. El mateix s'observarà quan es combinen una turbina d'un sol espiral amb un col·lector de doble espiral.

Interacció impulsiva de cilindres

Un dels avantatges significatius dels turbocompressors de doble espiral, que determinen els seus avantatges respecte als d'una sola voluta, és la reducció o eliminació significativa de la influència mútua dels cilindres pels impulsos dels gasos d'escapament.

Se sap que perquè cada cilindre passi els quatre temps, el cigonyal ha de girar 720 °. Això és cert tant per a motors de 4 com per a 12 cilindres. Tanmateix, si, quan el cigonyal es gira 720 ° als primers cilindres, completen un cicle, llavors12 cilindres - tots els cicles. Així, amb un augment del nombre de cilindres, es redueix la quantitat de gir del cigonyal entre les mateixes curses per a cada cilindre. Així, en els motors de 4 cilindres, la carrera de potència es produeix cada 180 ° en diferents cilindres. Això també és cert per als cops d'admissió, compressió i escapament. En els motors de 6 cilindres, es produeixen més esdeveniments en 2 revolucions del cigonyal, de manera que els mateixos traços entre els cilindres estan separats de 120 °. Per als motors de 8 cilindres, l'interval és de 90 °, per als motors de 12 cilindres - 60 °.

Se sap que els arbres de lleves poden tenir una fase de 256 a 312° o més. Per exemple, podem agafar un motor amb fases de 280° a l'entrada i la sortida. Quan s'alliberen gasos d'escapament en un motor de 4 cilindres, cada 180 °, les vàlvules d'escapament del cilindre estaran obertes a 100 °. Això és necessari per aixecar el pistó des de baix cap a d alt del punt mort durant l'escapament d'aquest cilindre. Amb l'ordre de tret 1-3-2-4 per al tercer cilindre, les vàlvules d'escapament començaran a obrir-se al final de la carrera del pistó. En aquest moment, la carrera d'admissió començarà al primer cilindre i les vàlvules d'escapament començaran a tancar-se. Durant els primers 50° d'obertura de les vàlvules d'escapament del tercer cilindre, s'obriran les vàlvules d'escapament del primer cilindre i també es començaran a obrir les seves vàlvules d'admissió. Així, les vàlvules se superposen entre els cilindres.

Després de l'eliminació dels gasos d'escapament del primer cilindre, les vàlvules d'escapament es tanquen i les d'admissió comencen a obrir-se. Al mateix temps, les vàlvules d'escapament del tercer cilindre s'obren, alliberant gasos d'escapament d' alta energia. Quota importantla seva pressió i energia s'utilitzen per impulsar la turbina, i una part més petita busca el camí de menor resistència. A causa de la menor pressió de les vàlvules d'escapament de tancament del primer cilindre en comparació amb l'entrada integral de la turbina, part dels gasos d'escapament del tercer cilindre s'envien al primer.

A causa que la carrera d'admissió comença en el primer cilindre, la càrrega d'admissió es dilueix amb els gasos d'escapament, perdent potència. Finalment, les vàlvules del primer cilindre es tanquen i el pistó del tercer puja. Per a aquest últim, es realitza l'alliberament i es repeteix la situació considerada per al cilindre 1 quan s'obren les vàlvules d'escapament del segon cilindre. Per tant, hi ha confusió. Aquest problema és encara més pronunciat en motors de 6 i 8 cilindres amb intervals de carrera d'escapament entre cilindres de 120 i 90 °, respectivament. En aquests casos, hi ha una superposició encara més llarga de les vàlvules d'escapament dels dos cilindres.

A causa de la impossibilitat de canviar el nombre de cilindres, aquest problema es pot resoldre augmentant l'interval entre cicles similars utilitzant un turbocompressor. En el cas d'utilitzar dues turbines en motors de 6 i 8 cilindres, es poden combinar cilindres per impulsar cadascun d'ells. En aquest cas, els intervals entre esdeveniments similars de la vàlvula d'escapament es duplicaran. Per exemple, per a l'RB26, podeu combinar els cilindres 1-3 per a la turbina davantera i 4-6 per a la posterior. Això elimina el funcionament successiu dels cilindres d'una turbina. Per tant, l'interval entre els esdeveniments de la vàlvula d'escapament perels cilindres d'un turbocompressor augmenta de 120 a 240°.

A causa del fet que la turbina twin scroll té un col·lector d'escapament independent, en aquest sentit és similar a un sistema amb dos turbocompressors. Així, els motors de 4 cilindres amb dues turbines o un turbocompressor de doble desplaçament tenen un interval de 360 ° entre esdeveniments. Els motors de 8 cilindres amb sistemes de propulsió similars tenen la mateixa distància. Un període molt llarg, que supera la durada de l'elevació de la vàlvula, exclou la seva superposició per als cilindres d'una turbina.

D'aquesta manera, el motor aspira més aire i extreu els gasos d'escapament restants a baixa pressió, omplint els cilindres amb una càrrega més densa i neta, donant lloc a una combustió més intensa, que millora el rendiment. A més, una major eficiència volumètrica i una millor neteja permeten l'ús d'un major retard d'encesa per mantenir les temperatures màximes del cilindre. Gràcies a això, l'eficiència de les turbines de doble espiral és un 7-8% més gran en comparació amb les turbines de simple espiral amb una eficiència de combustible un 5% millor.

Els turbocompressors de doble desplaçament tenen una pressió i una eficiència mitjanes més altes del cilindre, però una pressió màxima del cilindre i una contrapressió de sortida més baixes, en comparació amb els turbocompressors d'un sol desplaçament, segons Full-Race. Els sistemes de doble desplaçament tenen més contrapressió a baixes rpm (afavorint l'impuls) i menys a altes rpm (millorant el rendiment). Finalment, un motor amb aquest sistema d'impuls és menys sensible als efectes negatius de la fase amplaarbres de lleves.

Rendiment

A d alt hi havia les posicions teòriques del funcionament de les turbines de doble espiral. El que això dóna a la pràctica s'estableix mitjançant mesures. Aquesta prova en comparació amb la versió d'un sol desplaçament va ser realitzada per la revista DSPORT al Projecte KA 240SX. El seu KA24DET desenvolupa fins a 700 CV. Amb. sobre rodes a l'E85. El motor està equipat amb un col·lector d'escapament Wisecraft Fabrication personalitzat i un turbocompressor Garrett GTX. Durant les proves, només es va canviar la carcassa de la turbina amb el mateix valor A/R. A més dels canvis de potència i parell, els provadors van mesurar la capacitat de resposta mesurant el temps per assolir certes RPM i augmentar la pressió en tercera marxa en condicions de llançament similars.

Els resultats van mostrar el millor rendiment de la turbina de doble espiral en tot el rang de rpm. Va mostrar la major superioritat en potència en el rang de 3500 a 6000 rpm. Els millors resultats es deuen a la pressió de sobrealimentació més alta a les mateixes rpm. A més, més pressió proporcionava un augment del parell, comparable a l'efecte d'augmentar el volum del motor. També és més pronunciat a velocitats mitjanes. En acceleracions de 45 a 80 m/h (3100-5600 rpm), la turbina de doble espiral va superar la de simple voluta en 0,49 s (2,93 vs. 3,42), cosa que donarà una diferència de tres cossos. És a dir, quan un cotxe amb un turbocompressor de desplaçament de senyal arriba a 80 mph, la variant de doble desplaçament viatjarà 3 llargs de cotxe per davant a 95 mph. En el rang de velocitat de 60-100 m/h (4200-7000 rpm), la superioritat de la turbina de doble espiralva resultar ser menys significatiu i va ascendir a 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) i 5 m/h (105 versus 100 m/h). Pel que fa a la velocitat d'assolir una determinada pressió, un turbocompressor de doble desplaçament està per davant d'un turbocompressor d'un sol desplaçament en uns 0,6 s. Així, a 30 psi, la diferència és de 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

Full Race Motorsports va fer una altra comparació amb un motor Ford EcoBoost de 2,3 L amb un turbo BorgWarner EFR. En aquest cas, es va comparar el cabal de gas d'escapament a cada canal mitjançant simulació per ordinador. Per a una turbina de doble espiral, la propagació d'aquest valor va ser de fins a un 4%, mentre que per a una turbina de voluta única era del 15%. Una millor concordança del cabal significa menys pèrdues de mescla i més energia d'impuls per als turbocompressors de doble desplaçament.

Pros i contres

Les turbines de doble espiral ofereixen molts avantatges respecte a les turbines de voluta simple. Aquests inclouen:

• augment del rendiment en tot el rang de revolucions;
• millor capacitat de resposta;
• menys pèrdua de mescla;
• augment de l'energia d'impuls a la roda de la turbina;
• millor augmenta l'eficiència;
• més parell inferior similar al sistema de doble turbo;
• reducció de l'atenuació de la càrrega d'admissió quan les vàlvules se solapen entre cilindres;
• temperatura més baixa dels gasos d'escapament;
• reduir les pèrdues d'impuls del motor;
• redueix el consum de combustible.

El principal desavantatge és la gran complexitat del disseny, que provoca un augmentpreu. A més, a alta pressió a altes velocitats, la separació del flux de gas no us permetrà obtenir el mateix rendiment màxim que en una turbina de voluta única.

Estructuralment, les turbines twin-scroll són anàlogues als sistemes amb dos turbocompressors (bi-turbo i twin-turbo). En comparació amb elles, aquestes turbines, per contra, tenen avantatges en cost i simplicitat de disseny. Alguns fabricants n'estan aprofitant, com ara BMW, que va substituir el sistema de doble turbo a l'N54B30 Sèrie 1 M Coupe per un turbocompressor de doble desplaçament a l'N55B30 M2.

Cal tenir en compte que hi ha opcions encara més avançades tècnicament per a les turbines, que representen l'etapa més alta del seu desenvolupament: turbocompressors de geometria variable. En general, tenen els mateixos avantatges respecte a les turbines convencionals que les twin-scroll, però en major mesura. No obstant això, aquests turbocompressors tenen un disseny molt més complex. A més, són difícils de configurar en motors no dissenyats originalment per a aquests sistemes a causa del fet que estan controlats per la unitat de control del motor. Finalment, el principal factor que provoca el mal ús d'aquestes turbines en motors de gasolina és el cost altíssim dels models per a aquests motors. Per tant, tant en la producció en massa com en l'afinació, són extremadament rars, però s'utilitzen àmpliament en motors dièsel de vehicles comercials.

A la SEMA 2015, BorgWarner va presentar un disseny que combina la tecnologia de desplaçament doble amb un disseny de geometria variable, la turbina de geometria variable Twin Scroll. En la sevaA la part de doble entrada s'instal·la un amortidor que, en funció de la càrrega, distribueix el cabal entre els impulsors. A baixes velocitats, tots els gasos d'escapament van a una petita part del rotor i la gran part està bloquejada, la qual cosa proporciona un gir encara més ràpid que una turbina de doble espiral convencional. A mesura que augmenta la càrrega, l'amortidor es mou gradualment a la posició mitjana i distribueix uniformement el flux a altes velocitats, com en un disseny estàndard de doble desplaçament. Així, aquesta tecnologia, com la tecnologia de geometria variable, proporciona un canvi en la relació A/R en funció de la càrrega, ajustant la turbina al mode de funcionament del motor, la qual cosa amplia el rang de funcionament. Al mateix temps, tenint en compte que el disseny és molt més senzill i barat, ja que aquí només s'utilitza un element mòbil, que funciona segons un algorisme senzill i no es requereix l'ús de materials resistents a la calor. Cal tenir en compte que abans s'han trobat solucions similars (per exemple, una vàlvula de bobina ràpida), però per alguna raó aquesta tecnologia no ha guanyat popularitat.

Aplicació

Com s'ha indicat anteriorment, les turbines de doble espiral s'utilitzen sovint en cotxes esportius de producció en massa. Tanmateix, quan s'ajusta, el seu ús en molts motors amb sistemes de desplaçament únic es veu obstaculitzat per l'espai limitat. Això es deu principalment al disseny de la capçalera: a la mateixa longitud, s'han de mantenir les característiques de flux i corbes radials acceptables. A més, hi ha una qüestió de la longitud i la corba òptimes, així com el material i el gruix de la paret. Segons Full-Race, per una major eficiènciaturbines twin-scroll, és possible utilitzar canals de menor diàmetre. No obstant això, per la seva forma complexa i la seva doble entrada, aquest col·lector és en tot cas més gran, més pesat i més complicat de l'habitual a causa del major nombre de peces. Per tant, pot ser que no encaixi en un lloc estàndard, de manera que caldrà canviar el cárter. A més, les turbines de doble espiral són més grans que les similars d'un sol espiral. A més, caldrà un altre apipe i trampa d'oli. A més, s'utilitzen dues portes de descàrrega (una per impulsor) en lloc d'una canonada en Y per obtenir un millor rendiment amb les portes de descàrrega externes per als sistemes de desplaçament doble.

En qualsevol cas, és possible instal·lar una turbina de doble espiral en un VAZ i substituir-la per un turbocompressor Porsche single-scroll. La diferència rau en el cost i l'abast del treball per preparar el motor: si en els motors turbo en sèrie, si hi ha espai, normalment n'hi ha prou amb substituir el col·lector d'escapament i algunes altres peces i fer ajustos, els motors d'aspiració natural requereixen molt més. intervenció seriosa per a la sobrealimentació. Tanmateix, en el segon cas, la diferència en la complexitat de la instal·lació (però no en el cost) entre els sistemes de doble desplaçament i els sistemes d'un sol desplaçament és insignificant.

Conclusions

Les turbines de doble espiral ofereixen un millor rendiment, capacitat de resposta i eficiència que les turbines d'un sol rotllo dividint els gasos d'escapament a la roda de la turbina doble i eliminant la interferència del cilindre. malgrat aixòconstruir aquest sistema pot ser molt costós. Amb tot, aquesta és la millor solució per augmentar la capacitat de resposta sense sacrificar el màxim rendiment dels motors turbo.