Twinscroll турбина: описание на конструкцията, принцип на действие, предимства и недостатъци

Основният недостатък на двигатели с турбокомпресор В сравнение с атмосферните варианти реактивността е по-ниска, тъй като турбината се нуждае от повече време за стартиране. С развитието на турбокомпресорите производителите разработват по различни начини за подобряване на тяхната отзивчивост, производителност и ефективност. Най-добрият вариант е турбината twin-scroll.

Общи характеристики

Този термин описва турбокомпресори с двойна входна секция и двойно работно колело на турбинното колело. От появата на първите турбокомпресори (преди около 30 години) те се разграничават на варианти с отворен и с разделен всмукателен отвор. Последните са аналог на съвременните twin-scroll турбокомпресори. Най-добрите им експлоатационни характеристики водят до използването им в тунинга и моторните спортове. Освен това някои производители ги използват при серийни спортни автомобили, като Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP и др.

Дизайн и функция

Турбината с два въжета се различава от стандартната турбина по двойното си турбинно колело и по входната преграда. Роторът е с масивна конструкция, но размерът, формата и извивката на лопатките варират в диаметър. Едната част е предназначена за ниско натоварване, а другата - за високо натоварване.

Принципът на двувинтовите турбини се основава на подаването на отработените газове под различен ъгъл към турбинното колело в зависимост от реда на цилиндрите.

По-долу е представено по-подробно обяснение на конструкцията и работата на турбината с две спирали.

Изпускателен колектор

Основният проблем при турбокомпресорите twin-scroll е конструкцията на изпускателния колектор. Това се основава на концепцията за свързване на цилиндрите на състезателен колектор и се определя от броя на цилиндрите и реда, в който те работят. Почти всички 4-цилиндрови двигатели работят в последователност 1-3-4-2. В този случай единият канал обединява цилиндри 1 и 4, а другият - цилиндри 2 и 3. При повечето 6-цилиндрови двигатели отработените газове се отвеждат отделно от цилиндри 1, 3, 5 и 2, 4, 6. Изключение правят RB26 и 2JZ. Те работят в последователност 1-5-3-6-2-4.

Следователно при тези двигатели цилиндрите 1, 2, 3 са свързани с едното работно колело, а 4, 5, 6 - с второто (в заводския ред задвижването на турбината е разположено по същия начин). Поради това тези двигатели се характеризират с опростена конструкция на изпускателния колектор, която обединява първите три и последните три цилиндъра в два канала.

В допълнение към свързването на цилиндрите в определен ред, други характеристики на колектора също са много важни. На първо място, двете тръби трябва да са с еднаква дължина и да имат еднакъв брой огъвания. Това е необходимо, за да се постигне същото налягане на отработените газове. Също така е важно фланецът на турбината да съответства на форма и размери на входа му. И накрая, за да се постигне най-добра производителност, дизайнът на колектора трябва да съответства точно на A/R на турбината.

Необходимостта от подходящо проектиран изпускателен колектор за турбина с двойно дроселиране се определя от факта, че ако се използва конвенционален колектор, турбокомпресорът ще се държи като турбина с единично дроселиране. Същото важи и за турбина с два винта, която е комбинирана с колектор с два винта.

Взаимодействие с импулсен цилиндър

Едно от големите предимства на турбокомпресорите twin-scroll в сравнение с турбокомпресорите single-scroll е, че взаимното влияние на импулсите на отработените газове върху цилиндрите е значително намалено или елиминирано.

Известно е, че за да може всеки цилиндър да премине през четирите такта, коляновият вал трябва да се завърти на 720°. това важи и за 4- и 12-цилиндрови двигатели. Въпреки това, докато при първото завъртане на коляновия вал на 720° се извършва един цикъл, при 12-цилиндровите двигатели се извършват всички тактове. Поради това увеличаването на броя на цилиндрите намалява количеството на въртене на коляновия вал между едни и същи ходове за всеки цилиндър. При 4-цилиндровите двигатели, например, на всеки 180° в различните цилиндри. Това се отнася и за всмукателния, компресионния и изпускателния ход. При 6-цилиндровите двигатели на 2 оборота на коляновия вал се случват повече събития, така че едни и същи ходове между цилиндрите са на разстояние 120°. Интервалът е 90° за 8-цилиндрови двигатели и 60° за 12-цилиндрови двигатели.

Известно е, че разпределителните валове могат да бъдат фазирани от 256° до 312° и повече. Като пример, да вземем двигател с входна и изходна фаза от 280°. При изпускане на такъв 4-цилиндров двигател на всеки 180° изпускателните клапани на цилиндрите се отварят за 100°. Това е необходимо, за да се повдигне буталото от ниския до високия мъртъв център по време на тази последователност на буталото. При последователността на работа 1-3-2-4 изпускателните клапани на третия цилиндър започват да се отварят в края на хода на буталото. В този момент ще започне всмукателният ход на първия цилиндър и изпускателните клапани ще започнат да се затварят. През първите 50° от отварянето на изпускателните клапани на третия цилиндър изпускателните клапани на първия цилиндър се отварят, а всмукателните клапани на третия цилиндър започват да се отварят. По този начин се затварят клапаните между цилиндрите.

Когато отработените газове са изведени от първия цилиндър, изпускателните клапани се затварят, а всмукателните започват да се отварят. В същото време изпускателните клапани на третия цилиндър се отварят и изпускат високоенергийните отработени газове. Значителна част от налягането и енергията им се използва за задвижване на турбината, а по-малка част търси пътя на най-малкото съпротивление. Тъй като налягането на затваряне на изпускателните клапани на първия цилиндър е по-ниско от това на входа на турбината, част от изпускателните газове от третия цилиндър се насочват към първия цилиндър.

Когато цикълът на всмукване започва в първия цилиндър, всмукателният заряд се разрежда от отработените газове, като се губи. Накрая клапаните на първия цилиндър се затварят, а буталото на третия цилиндър се издига. При последния се извършва изпускане и се повтаря ситуацията, описана за цилиндър 1, когато изпускателните клапани на втория цилиндър се отварят. По този начин се наблюдава смесване. Проблемът е още по-силно изразен при 6- и 8-цилиндрови двигатели, когато интервалите между цилиндрите са съответно 120 и 90°. В тези случаи се наблюдава още по-дълго припокриване между изпускателните клапани на двата цилиндъра.

Тъй като не е възможно да се промени броят на цилиндрите, този проблем може да бъде решен чрез увеличаване на интервала между подобни ходове чрез прилагане на турбокомпресор. Ако в 6- и 8-цилиндров двигател се използват две турбини, е възможно да се комбинират цилиндрите за задвижване на всяка турбина. В този случай интервалите между подобни събития на изпускателния клапан ще се удвоят. Например при RB26 е възможно да се комбинират цилиндри 1-3 за предната турбина и цилиндри 4-6 за задната турбина. По този начин се елиминира последователното задействане на цилиндрите за един турбокомпресор. Следователно интервалът между събитията на изпускателния клапан за цилиндрите на един турбокомпресор се увеличава от 120° на 240°.

Тъй като двойната турбина има отделен изпускателен колектор, в този смисъл тя е подобна на система с два турбокомпресора. Например при 4-цилиндрови двигатели с два турбокомпресора или турбокомпресори twin-scroll интервалът между събитията е 360°. 8-цилиндровите двигатели с подобни системи за нагнетяване имат същия интервал. Много дългото време за повдигане на клапаните не позволява те да се припокриват в цилиндрите на един турбокомпресор.

По този начин двигателят вкарва повече въздух и извлича останалите отработени газове с по-малко налягане, като запълва цилиндрите с по-плътен и по-чист заряд, който осигурява по-интензивно изгаряне, което повишава производителността. Освен това по-високата обемна ефективност и по-доброто почистване позволяват използването на по-голямо закъснение на запалването, което поддържа максимални температури в цилиндъра. Следователно турбините Twin-Scroll са със 7-8% по-ефективни от турбините Single-Scroll и с 5% по-добра горивна ефективност.

Според Full-Race турбокомпресорите twin-scroll се характеризират с по-високи средни налягания в цилиндъра и ефективност в сравнение с турбокомпресорите single-scroll, но с по-ниски пикови налягания в цилиндъра и противоналягане. Системата с двоен дросел има по-голямо противоналягане при ниски обороти (повишаване на налягането) и по-малко при високи обороти (повишаване на производителността). И накрая, двигателят с такъв компресор е по-малко чувствителен към отрицателните ефекти на широкофазните разпределителни валове.

Изпълнение

Горните теоретични данни оперативни провизии турбокомпресори twin-scroll. Какво дава това на практика, се установява чрез измервания. Този тест е извършен от списание DSPORT на проекта KA 240SX в сравнение с варианта с един спирален цилиндър. Нейният KA24DET развива до 700 к.с. с. на колелата при E85. Двигателят е оборудван с изпускателен колектор по поръчка на Wisecraft Fabrication и турбокомпресор Garrett GTX. По време на изпитването е сменен само корпусът на турбината, като е използван същият A/R. В допълнение към вариациите в мощността и въртящия момент, тестващите оцениха отзивчивостта, като измериха времето за достигане на определени обороти и налягането на форсиране на трета предавка при сходни условия на стартиране.

Резултатите показват по-добра работа на турбокомпресора twin-scroll в целия диапазон на оборотите. Той има най-добра мощност между 3500 и 6000 об/мин. По-добрите резултати се дължат на по-високото налягане на форсиране при същите обороти. Освен това по-високото налягане е довело до повишаване на въртящия момент, сравнимо с ефекта от увеличения работен обем на двигателя. То е най-силно изразено и при средни скорости. При ускорението от 45 до 80 мили в час (3100 до 5600 об./мин) турбокомпресорът с два винта побеждава турбокомпресора с един винт с 0,49 сек (2,93 сек срещу 3,42 сек), което дава разлика от три случая. Това означава, че когато автомобилът с турбокомпресор с един двигател достигне 80 км/ч, версията с двоен двигател ще измине три автомобилни дължини напред с 95 км/ч. В скоростния диапазон 60-100 мили в час (4200-7000 об./мин.) превъзходството на турбината twin-scroll е по-малко значимо при 0,23 сек (1,75 срещу 1,98 сек) и 5 мили в час (105 срещу 100 мили в час). Турбокомпресорът с двойно дроселиране превъзхожда турбокомпресора с единично дроселиране с около 0,6 сек по отношение на скоростта, с която достига определено налягане. Така при 30 psi разликата е 400 об/мин (5500 срещу 5100 об/мин).

Друго сравнение е направено от Full Race Motorsports на 2,3-литров двигател Ford EcoBoost с турбокомпресор BorgWarner EFR. В този случай скоростта на отработените газове във всеки от каналите е сравнена с помощта на компютърна симулация. При турбината twin-scroll отклонението е до 4%, докато при турбината single-scroll то е 15%. по-добра кохерентност на скоростта на потока, което показва по-ниски загуби от смесване и по-висока енергия на наплива за турбокомпресори с двойно дроселиране.

Предимства и недостатъци

twin-scroll турбините имат много предимства пред single-scroll вариантите. Те включват:

• подобрена производителност в целия диапазон на скоростта
• по-добра отзивчивост;
• по-ниски загуби при смесване;
• Увеличаване на импулсната енергия към турбинното колело;
• по-добра ефективност;
• по-висок въртящ момент в ниските обороти по същия начин, както при системата с две турбини;
• Намалено затихване на всмукателния заряд при затваряне на клапаните между цилиндрите;
• понижаване на температурата на отработените газове;
• по-ниски импулсни загуби на двигателя;
• по-нисък разход на гориво.

Основният недостатък е по-голямата сложност на конструкцията, което води до по-високи разходи. Освен това при високо налягане и високи обороти разделянето на газовия поток няма да доведе до същата върхова производителност като при турбината с един спирален цилиндър.

Twin-Scroll турбините са структурно подобни на системите с два турбокомпресора (би-турбо и twin-turbo). За разлика от тях тези турбини имат предимства по отношение на цената и простотата на конструкцията. Някои производители се възползват от това, например BMW, което замени системата twin-turbo на N54B30 M Coupe на Серия 1 с twin-scroll турбокомпресор на N55B30 M2.

Трябва да се отбележи, че все още съществуват технически по-съвършени версии на турбините, които представляват най-високия етап от тяхното развитие - турбокомпресори с променлива геометрия. Като цяло те предлагат същите предимства пред конвенционалните турбокомпресори като турбокомпресорите twin-scroll, но в по-голяма степен. Тези турбокомпресори обаче са значително по-сложни. Освен това е трудно да се инсталират в двигатели, които първоначално не са били проектирани за такива системи, тъй като се управляват от блока за управление на двигателя. И накрая, основният фактор, който допринася за много слабото използване на тези турбини в бензиновите двигатели, е много високата цена на моделите за такива двигатели. Поради това те се срещат рядко в серийното производство или при тунинг, но са много често срещани при дизеловите двигатели на търговски превозни средства.

На SEMA 2015. BorgWarner представи разработка, съчетаваща технологията twin-scroll и дизайна с променлива геометрия - twin-scroll Турбина с променлива геометрия. В двойната си входна част тя има демпфер, който в зависимост от натоварването разпределя потока към работните колела. При ниска скорост всички изгорели газове се насочват към малка част от ротора, а голямата част се изключва, което позволява още по-бързо ускорение, отколкото при конвенционалната турбина с две спирали. С увеличаване на натоварването демпферът постепенно се придвижва към средно положение и разпределя равномерно потока при високи скорости на двигателя, както при стандартната конструкция twin-scroll. Подобно на технологията с променлива геометрия, тази технология променя съотношението A/R в зависимост от натоварването и адаптира турбината към двигателя, като по този начин разширява работния диапазон. Конструкцията е значително по-опростена и по-евтина, тъй като използва само един задвижващ елемент, който работи по прост алгоритъм, и не изисква използването на топлоустойчиви материали. Трябва да се отбележи, че подобни решения са се срещали и преди (напр. бързодействащи вентили), но по някаква причина тази технология не е получила широко разпространение.

Приложения

Както беше споменато по-горе, турбините twin-scroll често се използват в серийните спортни автомобили. В случая на тунинг обаче използването им в много двигатели с едновалови системи е възпрепятствано от ограниченото пространство. Това се дължи главно на конструкцията на колектора: при еднакви дължини е необходимо да се поддържат приемливи радиални отклонения и характеристики на потока. Съществува и въпросът за оптималната дължина и огъване, както и за материала и дебелини на стените. Според Full-Race, поради по-високата ефективност на турбините с два винта, са възможни по-малки канали. Въпреки това, поради сложната си форма и двойния вход, такъв колектор е по-голям, по-тежък и по-сложен от конвенционален колектор поради по-големия брой части. Поради това той може да не се побере в стандартната седалка и да се наложи смяна на картера. Освен това турбините twin-scroll са по-големи от еквивалентните турбини single-scroll. Освен това са необходими различен възходящ ход и маслоуловител. Освен това при системите с два винта се използват две западни врати (по една на работно колело) вместо Y-образен тръбопровод за по-добра производителност с външни западни врати.

Във всеки случай е възможно на VAZ да се монтира турбокомпресор twin-scroll и да се замени с турбокомпресор Porsche single-scroll. Разликата се състои в разходите и обема на работата, свързана с подготовката на двигателя: докато при серийните турбодвигатели, когато има място, обикновено е достатъчно да се подменят изпускателният колектор и някои други части и да се направят настройки, атмосферните двигатели изискват значително по-широка намеса за турбопълнене. Във втория случай обаче разликата в сложността на монтажа (но не и в разходите) на системите с две въжета и тези с едно въже е незначителна.

Заключения

Турбокомпресорите с двойна дроселова клапа, благодарение на отделния поток на отработените газове към двойното турбинно колело и елиминирането на взаимните импулси на цилиндрите, предлагат по-добри характеристики, отзивчивост и ефективност в сравнение с вариантите с единична дроселова клапа. Изграждането на такава система обаче може да бъде много скъпо. Като цяло това е оптималното решение за подобряване на отзивчивостта без загуба на максимална производителност за турбодвигатели.