Twin scroll-turbine: ontwerpbeschrijving, werkingsprincipe, voor- en nadelen

2024 Auteur: Erin Ralphs | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-02-19 18:07

Het belangrijkste nadeel van motoren met turbocompressor in vergelijking met atmosferische opties is een minder reactievermogen, vanwege het feit dat het opstarten van de turbine een bepaalde tijd in beslag neemt. Met de ontwikkeling van turboladers ontwikkelen fabrikanten verschillende manieren om hun reactievermogen, prestaties en efficiëntie te verbeteren. Twin scroll-turbines zijn de beste optie.

Algemene kenmerken

Deze term verwijst naar turboladers met een dubbele inlaat en een dubbele waaier van het turbinewiel. Sinds het verschijnen van de eerste turbines (zo'n 30 jaar geleden) zijn ze gedifferentieerd in open en gescheiden innamemogelijkheden. De laatste zijn analogen van moderne twin-scroll turboladers. De beste parameters bepalen hun gebruik in tuning en autosport. Bovendien gebruiken sommige fabrikanten ze op productiesportwagens zoals Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP enanderen

Ontwerp- en werkingsprincipe

Twin-scroll turbines verschillen van conventionele turbines doordat ze een dubbel turbinewiel hebben en een inlaatgedeelte dat in tweeën is gedeeld. De rotor is van een monolithisch ontwerp, maar de grootte, vorm en kromming van de bladen variëren langs de diameter. Het ene deel is ontworpen voor een kleine lading, het andere voor een grote.

Het werkingsprincipe van twin-scroll turbines is gebaseerd op de afzonderlijke toevoer van uitlaatgassen onder verschillende hoeken naar het turbinewiel, afhankelijk van de volgorde waarin de cilinders werken.

De ontwerpkenmerken en hoe de twin scroll-turbine werkt, worden hieronder in meer detail besproken.

Uitlaatspruitstuk

Het ontwerp van het uitlaatspruitstuk is van primair belang voor twin-scroll turboladers. Het is gebaseerd op het cilinderkoppelingsconcept van race-spruitstukken en wordt bepaald door het aantal cilinders en hun ontstekingsvolgorde. Bijna alle 4-cilindermotoren werken in een 1-3-4-2 volgorde. In dit geval combineert het ene kanaal cilinders 1 en 4, het andere - 2 en 3. Bij de meeste 6-cilindermotoren worden uitlaatgassen afzonderlijk van 1, 3, 5 en 2, 4, 6 cilinders aangevoerd. Als uitzonderingen dienen RB26 en 2JZ te worden vermeld. Ze werken in volgorde 1-5-3-6-2-4.

Daarom zijn voor deze motoren 1, 2, 3 cilinders gekoppeld voor één waaier, 4, 5, 6 voor de tweede (turbineaandrijvingen zijn in dezelfde volgorde in de voorraad gerangschikt). zo genoemdde motoren onderscheiden zich door een vereenvoudigd ontwerp van het uitlaatspruitstuk, dat de eerste drie en de laatste drie cilinders in twee kanalen combineert.

Naast het aansluiten van de cilinders in een bepaalde volgorde, zijn andere kenmerken van het spruitstuk erg belangrijk. Allereerst moeten beide kanalen dezelfde lengte en hetzelfde aantal bochten hebben. Dit vanwege de noodzaak om dezelfde druk van de toegevoerde uitlaatgassen te waarborgen. Daarnaast is het belangrijk dat de turbineflens op het spruitstuk overeenkomt met de vorm en afmetingen van de inlaat. Ten slotte, om de beste prestaties te garanderen, moet het ontwerp van het verdeelstuk nauw worden afgestemd op de A/R van de turbine.

De noodzaak om een uitlaatspruitstuk van een geschikt ontwerp te gebruiken voor twin-scroll turbines wordt bepaald door het feit dat in het geval van gebruik van een conventioneel spruitstuk, een dergelijke turbocompressor zal werken als een single-scroll-turbine. Hetzelfde zal worden waargenomen bij het combineren van een single-scroll turbine met een twin-scroll spruitstuk.

Impulsieve interactie van cilinders

Een van de belangrijke voordelen van twin-scroll turbocompressoren, die hun voordelen ten opzichte van single-scroll-turbocompressoren bepalen, is de significante vermindering of eliminatie van de wederzijdse invloed van cilinders door uitlaatgasimpulsen.

Het is bekend dat om elke cilinder alle vier de slagen te laten slagen, de krukas 720 ° moet draaien. Dit geldt voor zowel 4- als 12-cilindermotoren. Als de krukas echter 720 ° wordt gedraaid op de eerste cilinders, voltooien ze één cyclus en vervolgens12-cilinder - alle cycli. Dus, met een toename van het aantal cilinders, wordt de hoeveelheid rotatie van de krukas tussen dezelfde slagen voor elke cilinder verminderd. Dus bij 4-cilindermotoren vindt de arbeidsslag elke 180° plaats in verschillende cilinders. Dit geldt ook voor inlaat-, compressie- en uitlaatslagen. Bij 6-cilindermotoren vinden meer gebeurtenissen plaats in 2 omwentelingen van de krukas, dus dezelfde slagen tussen de cilinders liggen 120 ° uit elkaar. Voor 8-cilindermotoren is het interval 90 °, voor 12-cilindermotoren - 60 °.

Het is bekend dat nokkenassen een fase van 256 tot 312° of meer kunnen hebben. We kunnen bijvoorbeeld een motor nemen met 280° fasen aan de inlaat en uitlaat. Bij het vrijgeven van uitlaatgassen op zo'n 4-cilinder motor zullen om de 180° de uitlaatkleppen van de cilinder 100° open staan. Dit is nodig om de zuiger van het onderste naar het bovenste dode punt te tillen tijdens de uitlaat voor die cilinder. Met de 1-3-2-4 ontstekingsvolgorde voor de derde cilinder beginnen de uitlaatkleppen aan het einde van de zuigerslag te openen. Op dit moment begint de inlaatslag in de eerste cilinder en beginnen de uitlaatkleppen te sluiten. Tijdens de eerste 50° van de opening van de uitlaatkleppen van de derde cilinder, zullen de uitlaatkleppen van de eerste cilinder openen, en de inlaatkleppen zullen ook beginnen te openen. Zo overlappen de kleppen tussen de cilinders.

Na het verwijderen van uitlaatgassen uit de eerste cilinder, sluiten de uitlaatkleppen en beginnen de inlaatkleppen te openen. Tegelijkertijd gaan de uitlaatkleppen van de derde cilinder open, waardoor energierijke uitlaatgassen vrijkomen. Aanzienlijk aandeelhun druk en energie wordt gebruikt om de turbine aan te drijven, en een kleiner deel zoekt de weg van de minste weerstand. Door de lagere druk van de sluitende uitlaatkleppen van de eerste cilinder in vergelijking met de geïntegreerde turbine-inlaat, wordt een deel van de uitlaatgassen van de derde cilinder naar de eerste gestuurd.

Omdat de inlaatslag in de eerste cilinder begint, wordt de inlaatlading verdund met uitlaatgassen, waardoor vermogen verloren gaat. Ten slotte sluiten de kleppen van de eerste cilinder en gaat de zuiger van de derde omhoog. Voor de laatste wordt de ontgrendeling uitgevoerd en wordt de situatie die voor cilinder 1 is overwogen, herhaald wanneer de uitlaatkleppen van de tweede cilinder worden geopend. Er is dus verwarring. Dit probleem is nog meer uitgesproken bij 6- en 8-cilindermotoren met uitlaatslagintervallen tussen cilinders van respectievelijk 120 en 90 °. In deze gevallen is er een nog langere overlap van de uitlaatkleppen van de twee cilinders.

Vanwege de onmogelijkheid om het aantal cilinders te wijzigen, kan dit probleem worden opgelost door het interval tussen vergelijkbare cycli te vergroten met behulp van een turbocompressor. In het geval van het gebruik van twee turbines op 6- en 8-cilindermotoren, kunnen cilinders worden gecombineerd om ze elk aan te drijven. In dit geval zullen de intervallen tussen vergelijkbare uitlaatklepgebeurtenissen verdubbelen. Voor de RB26 kunt u bijvoorbeeld cilinders 1-3 combineren voor de voorste turbine en 4-6 voor de achterste. Dit elimineert de opeenvolgende werking van de cilinders voor één turbine. Daarom is het interval tussen uitlaatklepgebeurtenissen voor:cilinders van één turbocompressor neemt toe van 120 naar 240°.

Omdat de twin scroll-turbine een apart uitlaatspruitstuk heeft, is het in die zin vergelijkbaar met een systeem met twee turboladers. Dus 4-cilindermotoren met twee turbines of een twin-scroll turbolader hebben een interval van 360° tussen de gebeurtenissen. 8-cilindermotoren met vergelijkbare boostsystemen hebben dezelfde tussenruimte. Een zeer lange periode, die de duur van de kleplichthoogte overschrijdt, sluit hun overlap uit voor de cilinders van één turbine.

Op deze manier zuigt de motor meer lucht aan en worden de resterende uitlaatgassen bij lage druk afgevoerd, waardoor de cilinders met een dichtere en schonere lading worden gevuld, wat resulteert in een intensere verbranding, wat de prestaties verbetert. Bovendien maken een grotere volumetrische efficiëntie en een betere reiniging het gebruik van een hogere ontstekingsvertraging mogelijk om de piekcilindertemperaturen te handhaven. Hierdoor is de efficiëntie van twin-scroll turbines 7-8% hoger in vergelijking met single-scroll turbines met een 5% betere brandstofefficiëntie.

Twin-scroll turbocompressoren hebben een hogere gemiddelde cilinderdruk en efficiëntie, maar een lagere piekcilinderdruk en uitlaattegendruk, vergeleken met single-scroll turbocompressoren, volgens Full-Race. Twin-scroll-systemen hebben meer tegendruk bij laag toerental (bevordert de boost) en minder bij hoog toerental (verbetering van de prestaties). Ten slotte is een motor met zo'n boostsysteem minder gevoelig voor de negatieve effecten van wide-phasenokkenassen.

Prestaties

Hierboven stonden de theoretische standpunten van het functioneren van twin-scroll turbines. Wat dit in de praktijk oplevert, wordt door metingen vastgesteld. Een dergelijke test in vergelijking met de single-scroll-versie werd uitgevoerd door het tijdschrift DSPORT op de Project KA 240SX. Zijn KA24DET ontwikkelt tot 700 pk. Met. op wielen op de E85. De motor is uitgerust met een custom Wisecraft Fabrication uitlaatspruitstuk en een Garrett GTX turbocompressor. Tijdens de tests is alleen het turbinehuis veranderd bij dezelfde A/R-waarde. Naast vermogens- en koppelveranderingen, maten testers het reactievermogen door de tijd te meten om een bepaald toerental te bereiken en de druk op te voeren in de derde versnelling onder vergelijkbare startomstandigheden.

De resultaten toonden de beste prestaties van de twin-scroll-turbine over het hele toerentalbereik. Het vertoonde de grootste superioriteit in vermogen in het bereik van 3500 tot 6000 tpm. De beste resultaten zijn te danken aan de hogere vuldruk bij hetzelfde toerental. Bovendien zorgde meer druk voor een toename van het koppel, vergelijkbaar met het effect van het vergroten van het volume van de motor. Het is ook het meest uitgesproken bij gemiddelde snelheden. Bij een acceleratie van 45 tot 80 m/u (3100-5600 tpm) presteerde de twin-scroll turbine 0,49 s (2,93 vs. 3,42) beter dan de single-scroll turbine, wat een verschil van drie lichamen oplevert. Dat wil zeggen, wanneer een auto met een signaal-scroll-turbocompressor 80 mph bereikt, zal de twin-scroll-variant 3 autolengtes vooruit rijden met 95 mph. In het snelheidsbereik van 60-100 m/u (4200-7000 tpm), de superioriteit van de twin-scroll turbinebleek minder significant en bedroeg 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) en 5 m/h (105 versus 100 m/h). Wat betreft de snelheid waarmee een bepaalde druk wordt bereikt, ligt een twin-scroll-turbocompressor ongeveer 0,6 s voor op een single-scroll-turbocompressor. Dus bij 30 psi is het verschil 400 tpm (5500 vs 5100 tpm).

Een andere vergelijking werd gemaakt door Full Race Motorsports op een 2.3L Ford EcoBoost-motor met een BorgWarner EFR-turbo. In dit geval werd het uitlaatgasdebiet in elk kanaal vergeleken door computersimulatie. Voor een twin-scroll turbine was de spreiding van deze waarde maximaal 4%, terwijl deze voor een single-scroll turbine 15% was. Een betere afstemming van de stroomsnelheid betekent minder mengverlies en meer impulsenergie voor twin-scroll turboladers.

Voors en tegens

Twin scroll turbines bieden veel voordelen ten opzichte van single scroll turbines. Deze omvatten:

• verhoogde prestaties over het hele toerenbereik;
• beter reactievermogen;
• minder mengverlies;
• verhoogde impulsenergie naar het turbinewiel;
• betere efficiëntieverhoging;
• meer koppel aan de onderkant vergelijkbaar met twin-turbo systeem;
• vermindering van inlaatladingverzwakking wanneer kleppen tussen cilinders overlappen;
• lagere uitlaatgastemperatuur;
• impulsverliezen van de motor verminderen;
• brandstofverbruik verminderen.

Het grootste nadeel is de grote complexiteit van het ontwerp, waardoor er meerprijs. Bovendien zorgt de scheiding van de gasstroom bij hoge druk en hoge snelheden ervoor dat u niet dezelfde topprestaties krijgt als bij een single-scroll turbine.

Twin-scroll turbines zijn structureel analoog aan systemen met twee turbocompressoren (bi-turbo en twin-turbo). In vergelijking met hen hebben dergelijke turbines daarentegen voordelen in kosten en eenvoud van ontwerp. Sommige fabrikanten profiteren hiervan, zoals BMW, dat het twin-turbosysteem op de N54B30 1-serie M Coupé verving door een twin-scroll turbocompressor op de N55B30 M2.

Opgemerkt moet worden dat er nog meer technisch geavanceerde opties zijn voor turbines, die het hoogste stadium van hun ontwikkeling vertegenwoordigen: turbocompressoren met variabele geometrie. Over het algemeen hebben ze dezelfde voordelen ten opzichte van conventionele turbines als twin-scroll, maar in grotere mate. Dergelijke turboladers hebben echter een veel complexer ontwerp. Bovendien zijn ze moeilijk in te stellen op motoren die oorspronkelijk niet voor dergelijke systemen zijn ontworpen, omdat ze worden bestuurd door de motorregeleenheid. Ten slotte is de belangrijkste factor die het extreem slechte gebruik van deze turbines op benzinemotoren veroorzaakt, de zeer hoge kosten van modellen voor dergelijke motoren. Daarom zijn ze zowel in massaproductie als in tuning uiterst zeldzaam, maar ze worden veel gebruikt op dieselmotoren van bedrijfsvoertuigen.

Op SEMA 2015 onthulde BorgWarner een ontwerp dat Twin Scroll-technologie combineert met een ontwerp met variabele geometrie, de Twin Scroll Variable Geometry Turbine. In haarin het dubbele inlaatgedeelte is een demper geïnstalleerd die, afhankelijk van de belasting, de stroom over de waaiers verdeelt. Bij lage snelheden gaan alle uitlaatgassen naar een klein deel van de rotor en wordt het grootste deel geblokkeerd, wat een nog snellere spin-up oplevert dan een conventionele twin-scroll turbine. Naarmate de belasting toeneemt, beweegt de demper geleidelijk naar de middenpositie en verdeelt hij de stroom gelijkmatig bij hoge snelheden, zoals in een standaard twin-scroll-ontwerp. Deze technologie zorgt dus, net als technologie met variabele geometrie, voor een verandering in de A / R-verhouding afhankelijk van de belasting, waarbij de turbine wordt aangepast aan de bedrijfsmodus van de motor, waardoor het werkbereik wordt vergroot. Tegelijkertijd is het ontwerp veel eenvoudiger en goedkoper, omdat hier slechts één bewegend element wordt gebruikt, dat werkt volgens een eenvoudig algoritme en het gebruik van hittebestendige materialen niet vereist is. Opgemerkt moet worden dat soortgelijke oplossingen eerder zijn aangetroffen (bijvoorbeeld een snel regelventiel), maar om de een of andere reden is deze technologie niet populair geworden.

Toepassing

Zoals hierboven vermeld, worden twin-scroll-turbines vaak gebruikt op in massa geproduceerde sportwagens. Bij het afstemmen wordt het gebruik ervan op veel motoren met single-scroll-systemen echter belemmerd door beperkte ruimte. Dit komt voornamelijk door het ontwerp van de kop: bij gelijke lengtes moeten acceptabele radiale bochten en stromingseigenschappen worden gehandhaafd. Daarnaast is er een kwestie van de optimale lengte en buiging, evenals het materiaal en de wanddikte. Volgens Full-Race, dankzij grotere efficiëntietwin-scroll turbines, is het mogelijk kanalen met een kleinere diameter te gebruiken. Door hun complexe vorm en dubbele inlaat is een dergelijke collector echter door het grotere aantal onderdelen in ieder geval groter, zwaarder en gecompliceerder dan gebruikelijk. Daarom past het mogelijk niet op een standaard plaats, waardoor het nodig zal zijn om het carter te vervangen. Bovendien zijn twin-scroll-turbines zelf groter dan vergelijkbare single-scroll-turbines. Daarnaast zullen andere appipe en olievanger nodig zijn. Bovendien worden twee wastegates (één per waaier) gebruikt in plaats van een Y-pijp voor betere prestaties met externe wastegates voor twin scroll-systemen.

Het is in ieder geval mogelijk om een twin-scroll turbine op een VAZ te installeren en deze te vervangen door een Porsche single-scroll turbocompressor. Het verschil zit in de kosten en de omvang van het werk aan de voorbereiding van de motor: als er bij seriële turbomotoren ruimte is, is het meestal voldoende om het uitlaatspruitstuk en enkele andere onderdelen te vervangen en aanpassingen aan te brengen, dan hebben motoren met natuurlijke aanzuiging veel meer nodig serieuze interventie voor turbocompressor. In het tweede geval is het verschil in installatiecomplexiteit (maar niet in kosten) tussen twin-scroll- en single-scroll-systemen echter onbeduidend.

Conclusies

Twin-scroll-turbines bieden betere prestaties, reactievermogen en efficiëntie dan single-scroll-turbines door de uitlaatgassen naar het dubbele turbinewiel te splitsen en cilinderinterferentie te elimineren. Echterhet bouwen van zo'n systeem kan erg kostbaar zijn. Al met al is dit de beste oplossing om het reactievermogen te vergroten zonder in te boeten aan maximale prestaties voor turbomotoren.