Двойна спирална турбина: описание на дизайна, принцип на действие, плюсове и минуси

2024 Автор: Erin Ralphs | [email protected]. Последно модифициран: 2024-02-19 12:21

Основният недостатък на двигателите с турбокомпресор в сравнение с атмосферните опции е по-ниската отзивчивост, поради факта, че завъртането на турбината отнема определено време. С развитието на турбокомпресорите производителите разработват различни начини за подобряване на тяхната отзивчивост, производителност и ефективност. Двойните спирални турбини са най-добрият вариант.

Общи характеристики

Този термин се отнася за турбокомпресори с двоен вход и двойно работно колело на турбинното колело. От появата на първите турбини (преди около 30 години) те са били диференцирани на отворен и отделен всмукателен вариант. Последните са аналози на съвременните турбокомпресори с двоен скрол. Най-добрите параметри определят тяхното използване в тунинга и моторния спорт. В допълнение, някои производители ги използват при серийни спортни автомобили като Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP идруги

Дизайн и принцип на работа

Турбините с двоен скрол се различават от конвенционалните турбини по това, че имат двойно турбинно колело и входяща част, разделена на две. Роторът е с монолитен дизайн, но размерът, формата и кривината на лопатките варират по диаметъра. Едната част от него е предназначена за малък товар, другата за голям.

Принципът на работа на двуспиралните турбини се основава на разделното подаване на отработени газове под различни ъгли към турбинното колело, в зависимост от реда на работа на цилиндрите.

Конструкционните характеристики и как работи двойната спирална турбина са обсъдени по-подробно по-долу.

Изпускателен колектор

Дизайнът на изпускателния колектор е от първостепенно значение за двуспиралните турбокомпресори. Той се основава на концепцията за свързване на цилиндъра на състезателните колектори и се определя от броя на цилиндрите и реда на тяхното запалване. Почти всички 4-цилиндрови двигатели работят в ред 1-3-4-2. В този случай единият канал съчетава цилиндъри 1 и 4, другият - 2 и 3. При повечето 6-цилиндрови двигатели изгорелите газове се подават отделно от 1, 3, 5 и 2, 4, 6 цилиндъра. Като изключения трябва да се отбележат RB26 и 2JZ. Те работят в ред 1-5-3-6-2-4.

Следователно за тези двигатели 1, 2, 3 цилиндъра са свързани за едно работно колело, 4, 5, 6 за второто (турбинните задвижвания са организирани в запаса в същия ред). Така нареченадвигателите се отличават с опростен дизайн на изпускателния колектор, който комбинира първите три и последните три цилиндъра в два канала.

В допълнение към свързването на цилиндрите в определен ред, други характеристики на колектора са много важни. На първо място, и двата канала трябва да имат еднаква дължина и същия брой завои. Това се дължи на необходимостта от осигуряване на същото налягане на подаваните отработени газове. Освен това е важно фланецът на турбината на колектора да съответства на формата и размерите на неговия вход. И накрая, за да се гарантира най-добрата производителност, дизайнът на колектора трябва да бъде тясно съобразен с A/R на турбината.

Необходимостта от използване на изпускателен колектор с подходящ дизайн за двуспирални турбини се определя от факта, че в случай на използване на конвенционален колектор, такъв турбокомпресор ще работи като едноспирален. Същото ще се наблюдава при комбиниране на едноспирална турбина с двуспирален колектор.

Импулсивно взаимодействие на цилиндрите

Едно от съществените предимства на двуспиралните турбокомпресори, които определят техните предимства пред едноспиралните, е значителното намаляване или елиминиране на взаимното влияние на цилиндрите от импулсите на отработените газове.

Известно е, че за да премине всеки цилиндър и четирите хода, коляновият вал трябва да се върти на 720°. Това важи както за 4-, така и за 12-цилиндрови двигатели. Ако обаче, когато коляновият вал се завърти на 720 ° на първите цилиндъри, те завършат един цикъл, след това на12-цилиндров - всички цикли. По този начин, с увеличаване на броя на цилиндрите, количеството на въртене на коляновия вал между същите ходове за всеки цилиндър се намалява. Така че, при 4-цилиндрови двигатели, ходът на мощността се случва на всеки 180 ° в различни цилиндри. Това важи и за всмукателния, компресионния и изпускателния ход. При 6-цилиндрови двигатели се случват повече събития при 2 оборота на коляновия вал, така че същите ходове между цилиндрите са на 120 ° един от друг. За 8-цилиндрови двигатели интервалът е 90°, за 12-цилиндрови двигатели - 60°.

Известно е, че разпределителните валове могат да имат фаза от 256 до 312° или повече. Например можем да вземем двигател с 280° фази на вход и изход. При изпускане на отработени газове на такъв 4-цилиндров двигател, на всеки 180 °, изпускателните клапани на цилиндъра ще бъдат отворени за 100 °. Това е необходимо за повдигане на буталото от долната до горната мъртва точка по време на изпускане на този цилиндър. С реда на запалване 1-3-2-4 за трети цилиндър, изпускателните клапани ще започнат да се отварят в края на хода на буталото. По това време всмукателният ход ще започне в първия цилиндър и изпускателните клапани ще започнат да се затварят. По време на първите 50° от отварянето на изпускателните клапани на третия цилиндър, изпускателните клапани на първия цилиндър ще се отворят и неговите всмукателни клапани също ще започнат да се отварят. Така клапаните се припокриват между цилиндрите.

След отстраняването на отработените газове от първия цилиндър, изпускателните клапани се затварят и всмукателните започват да се отварят. В същото време изпускателните клапани на третия цилиндър се отварят, отделяйки високоенергийни отработени газове. Значителен дялтяхното налягане и енергия се използват за задвижване на турбината, а по-малка част търси пътя на най-малкото съпротивление. Поради по-ниското налягане на затварящите изпускателни клапани на първия цилиндър в сравнение с интегралния вход на турбината, част от изгорелите газове на третия цилиндър се изпращат към първия.

Поради факта, че всмукателният ход започва в първия цилиндър, всмукателният заряд се разрежда с отработени газове, губи мощност. Накрая клапаните на първия цилиндър се затварят и буталото на третия се издига. За последното се извършва освобождаването и разглежданата ситуация за цилиндър 1 се повтаря, когато изпускателните клапани на втория цилиндър се отворят. Така се получава объркване. Този проблем е още по-изразен при 6- и 8-цилиндрови двигатели с интервали на изпускателния ход между цилиндрите съответно 120 и 90 °. В тези случаи има още по-дълго припокриване на изпускателните клапани на двата цилиндъра.

Поради невъзможността за промяна на броя на цилиндрите, този проблем може да бъде решен чрез увеличаване на интервала между подобни цикли чрез използване на турбокомпресор. В случай на използване на две турбини на 6- и 8-цилиндрови двигатели, цилиндрите могат да бъдат комбинирани за задвижване на всеки от тях. В този случай интервалите между подобни събития на изпускателния клапан ще се удвоят. Например за RB26 можете да комбинирате цилиндри 1-3 за предната турбина и 4-6 за задната. Това елиминира последователната работа на цилиндрите за една турбина. Следователно интервалът между събитията на изпускателния клапан зацилиндрите на един турбокомпресор се увеличава от 120 до 240°.

Поради факта, че двуспиралната турбина има отделен изпускателен колектор, в този смисъл тя е подобна на система с два турбокомпресора. Така че, 4-цилиндровите двигатели с две турбини или турбокомпресор с двоен спирал имат интервал от 360 ° между събитията. 8-цилиндровите двигатели с подобни системи за усилване имат същото разстояние. Много дълъг период, надвишаващ продължителността на повдигане на клапана, изключва тяхното припокриване за цилиндрите на една турбина.

По този начин двигателят изтегля повече въздух и изтегля останалите отработени газове при ниско налягане, запълвайки цилиндрите с по-плътен и по-чист заряд, което води до по-интензивно изгаряне, което подобрява производителността. В допълнение, по-голямата обемна ефективност и по-доброто почистване позволяват използването на по-голямо забавяне на запалването за поддържане на пикови температури на цилиндъра. Благодарение на това ефективността на двуспиралните турбини е 7-8% по-висока в сравнение с едноспиралните турбини с 5% по-добра горивна ефективност.

Турбокомпресорите с двоен скрол имат по-високо средно налягане и ефективност в цилиндъра, но по-ниско пиково налягане в цилиндъра и изходно противоналягане, в сравнение с турбокомпресорите с единичен скрол, според Full-Race. Системите с двоен скрол имат по-голямо обратно налягане при ниски обороти (насърчаване на усилване) и по-малко при високи обороти (подобряване на производителността). И накрая, двигател с такава система за усилване е по-малко чувствителен към негативните ефекти на широкофазнияразпределителни валове.

Изпълнение

По-горе бяха теоретичните позиции за функционирането на турбините с двоен скрол. Какво дава това на практика се установява чрез измервания. Такъв тест в сравнение с версията с единично превъртане беше извършен от списание DSPORT на Project KA 240SX. Неговият KA24DET развива до 700 к.с. С. на колела на E85. Двигателят е оборудван с персонализиран изпускателен колектор Wisecraft Fabrication и турбокомпресор Garrett GTX. По време на тестовете само корпусът на турбината беше сменен при същата A / R стойност. В допълнение към промените в мощността и въртящия момент, тестери измерват отзивчивостта, като измерват времето за достигане на определени обороти и усилване на налягането на трета предавка при подобни условия на стартиране.

Резултатите показаха най-добрата производителност на двуспиралната турбина в целия диапазон на оборотите в минута. Той показа най-голямо превъзходство в мощността в диапазона от 3500 до 6000 оборота в минута. Най-добрите резултати се дължат на по-високото налягане на усилване при същите обороти. В допълнение, по-голямото налягане осигури увеличение на въртящия момент, сравнимо с ефекта от увеличаване на обема на двигателя. Освен това е най-силно изразен при средни скорости. При ускорение от 45 до 80 m / h (3100-5600 rpm) двуспиралната турбина превъзхожда едноспиралната с 0,49 s (2,93 срещу 3,42), което ще даде разлика от три тела. Тоест, когато автомобил с турбокомпресор със сигнален скрол достигне 80 mph, вариантът с двоен скрол ще пътува 3 дължини на автомобила напред със 95 mph. В диапазона на скоростта от 60-100 m/h (4200-7000 rpm), превъзходството на двуспиралната турбинасе оказа по-малко значимо и възлиза на 0,23 s (1,75 срещу 1,98 s) и 5 m/h (105 срещу 100 m/h). По отношение на скоростта на достигане на определено налягане турбокомпресорът с двоен спирал изпреварва едноспиралния турбокомпресор с около 0,6 s. Така че при 30 psi разликата е 400 rpm (5500 срещу 5100 rpm).

Друго сравнение беше направено от Full Race Motorsports на 2.3L Ford EcoBoost двигател с BorgWarner EFR турбо. В този случай скоростта на потока на отработените газове във всеки канал беше сравнена чрез компютърна симулация. За двуспирална турбина разпределението на тази стойност е до 4%, докато за едноспирална турбина е 15%. По-доброто съвпадение на дебита означава по-малко загуби при смесване и повече импулсна енергия за турбокомпресори с двоен спирал.

Плюсове и минуси

Двойните спирални турбини предлагат много предимства пред едноспиралните турбини. Те включват:

• повишена производителност в целия диапазон на оборотите;
• по-добра отзивчивост;
• по-малко загуба при смесване;
• увеличена импулсна енергия към турбинното колело;
• по-добро повишаване на ефективността;
• повече въртящ момент в долния край, подобен на системата с двойно турбо;
• намаляване на затихването на входящия заряд, когато клапаните се припокриват между цилиндрите;
• по-ниска температура на отработените газове;
• намалете импулсните загуби на двигателя;
• намалете разхода на гориво.

Основният недостатък е голямата сложност на дизайна, което води до увеличаванецена. Освен това, при високо налягане при високи скорости, разделянето на газовия поток няма да ви позволи да получите същата върхова производителност, както при едноспирална турбина.

Структурно турбините с двоен скрол са аналогични на системите с два турбокомпресора (би-турбо и двойно-турбо). В сравнение с тях, такива турбини, напротив, имат предимства в цената и простотата на дизайна. Някои производители се възползват от това, като BMW, което замени системата с двойно турбо на N54B30 1-Series M Coupe с турбокомпресор с двоен спирал на N55B30 M2.

Трябва да се отбележи, че има още по-усъвършенствани технически опции за турбини, представляващи най-високия етап от тяхното развитие - турбокомпресори с променлива геометрия. Като цяло, те имат същите предимства пред конвенционалните турбини като twin-scroll, но в по-голяма степен. Такива турбокомпресори обаче имат много по-сложен дизайн. В допълнение, те са трудни за настройка на двигатели, които първоначално не са проектирани за такива системи, поради факта, че се управляват от блока за управление на двигателя. И накрая, основният фактор, причиняващ изключително лошото използване на тези турбини при бензинови двигатели, е много високата цена на моделите за такива двигатели. Следователно, както в масовото производство, така и в тунинга, те са изключително редки, но се използват широко при дизелови двигатели на търговски превозни средства.

На SEMA 2015, BorgWarner представи дизайн, който съчетава технологията с двоен скрол с дизайн с променлива геометрия, Twin Scroll Variable Geometry Turbine. В неяв двойната входна част е монтиран амортисьор, който в зависимост от натоварването разпределя потока между работните колела. При ниски скорости всички отработени газове отиват към малка част от ротора, а голямата част е блокирана, което осигурява дори по-бързо въртене от конвенционалната турбина с двоен спирал. С увеличаване на натоварването амортисьорът постепенно се придвижва в средно положение и равномерно разпределя потока при високи скорости, както при стандартен двуспирален дизайн. По този начин тази технология, подобно на технологията с променлива геометрия, осигурява промяна в съотношението A / R в зависимост от натоварването, настройвайки турбината към режима на работа на двигателя, което разширява работния диапазон. В същото време, като се има предвид, че дизайнът е много по-прост и по-евтин, тъй като тук се използва само един движещ се елемент, работещ по прост алгоритъм и не се изисква използването на топлоустойчиви материали. Трябва да се отбележи, че подобни решения са се срещали и преди (например бърз шпулен клапан), но по някаква причина тази технология не е придобила популярност.

Заявление

Както беше отбелязано по-горе, турбините с двоен скрол често се използват в масово произвежданите спортни автомобили. Въпреки това, при настройка, използването им на много двигатели със системи с единично превъртане е затруднено от ограниченото пространство. Това се дължи преди всичко на конструкцията на колектора: при равни дължини трябва да се поддържат приемливи радиални завои и характеристики на потока. Освен това възниква въпросът за оптималната дължина и огъване, както и за материала и дебелината на стената. Според Full-Race, поради по-голяма ефективностдвуспирални турбини, е възможно да се използват канали с по-малък диаметър. Въпреки това, поради сложната си форма и двоен вход, такъв колектор във всеки случай е по-голям, по-тежък и по-сложен от обикновено поради по-големия брой части. Поради това може да не се побере на стандартно място, в резултат на което ще се наложи смяна на картера. Освен това самите двуспирални турбини са по-големи от подобните с единичен скрол. Освен това ще са необходими други уловители и уловители за масло. В допълнение, два изпускателни отвора (по един на работно колело) се използват вместо Y-тръба за по-добра производителност с външни изпускателни отвори за системи с двоен скрол.

Във всеки случай е възможно да се монтира двуспирална турбина на VAZ и да се замени с турбокомпресор Porsche с единичен скрол. Разликата се крие в цената и обхвата на работата по подготовката на двигателя: ако на серийни турбо двигатели, ако има място, обикновено е достатъчно да смените изпускателния колектор и някои други части и да направите настройки, тогава атмосферните двигатели изискват много повече сериозна намеса за турбокомпресор. Въпреки това, във втория случай разликата в сложността на инсталацията (но не и в цената) между системите с двоен и единичен скрол е незначителна.

Заключения

Двойните спирални турбини осигуряват по-добра производителност, отзивчивост и ефективност от едноспиралните турбини, като разделят изгорелите газове към колелото с двойна турбина и елиминират смущенията в цилиндъра. въпреки товаизграждането на такава система може да бъде много скъпо. Като цяло, това е най-доброто решение за увеличаване на отзивчивостта, без да се жертва максимална производителност за турбо двигателите.