Turbina Twin scroll: descrizione del progetto, principio di funzionamento, pro e contro

2024 Autore: Erin Ralphs | [email protected]. Ultima modifica: 2024-02-19 17:04

Lo svantaggio principale dei motori turbo rispetto alle opzioni atmosferiche è la minore reattività, dovuta al fatto che l'avviamento della turbina richiede un certo tempo. Con lo sviluppo dei turbocompressori, i produttori stanno sviluppando vari modi per migliorare la loro reattività, prestazioni ed efficienza. Le turbine a doppia spirale sono l'opzione migliore.

Caratteristiche generali

Questo termine si riferisce ai turbocompressori con doppia aspirazione e doppia girante della girante della turbina. Dalla comparsa delle prime turbine (circa 30 anni fa), sono state differenziate in opzioni di aspirazione aperte e separate. Questi ultimi sono analoghi dei moderni turbocompressori a doppia rotazione. I migliori parametri determinano il loro utilizzo nel tuning e negli sport motoristici. Inoltre, alcuni produttori li utilizzano su auto sportive di serie come Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP e altri

Progetto e principio di funzionamento

Le turbine a doppio scorrimento differiscono dalle turbine convenzionali per avere una girante doppia e una parte di ingresso divisa in due. Il rotore ha un design monolitico, ma le dimensioni, la forma e la curvatura delle pale variano lungo il diametro. Una parte è progettata per un piccolo carico, l' altra per uno grande.

Il principio di funzionamento delle turbine a doppio scorrimento si basa sull'alimentazione separata dei gas di scarico con diverse angolazioni rispetto alla ruota della turbina, a seconda dell'ordine di funzionamento dei cilindri.

Le caratteristiche del design e il funzionamento della turbina a doppia spirale sono discusse più dettagliatamente di seguito.

Collettore di scarico

Il design del collettore di scarico è di primaria importanza per i turbocompressori twin scroll. Si basa sul concetto di accoppiamento dei cilindri dei collettori da corsa ed è determinato dal numero di cilindri e dal loro ordine di accensione. Quasi tutti i motori a 4 cilindri funzionano in un ordine 1-3-4-2. In questo caso, un canale combina i cilindri 1 e 4, l' altro - 2 e 3. Sulla maggior parte dei motori a 6 cilindri, i gas di scarico vengono forniti separatamente da 1, 3, 5 e 2, 4, 6 cilindri. Come eccezioni, si segnalano RB26 e 2JZ. Funzionano nell'ordine 1-5-3-6-2-4.

Di conseguenza, per questi motori, 1, 2, 3 cilindri sono accoppiati per una girante, 4, 5, 6 per la seconda (gli azionamenti della turbina sono organizzati nello stock nello stesso ordine). Così chiamatoi motori si distinguono per un design semplificato del collettore di scarico, che unisce i primi tre e gli ultimi tre cilindri in due canali.

Oltre a collegare i cilindri in un certo ordine, altre caratteristiche del collettore sono molto importanti. Innanzitutto, entrambi i canali devono avere la stessa lunghezza e lo stesso numero di curve. Ciò è dovuto alla necessità di garantire la stessa pressione dei gas di scarico forniti. Inoltre, è importante che la flangia della turbina sul collettore corrisponda alla forma e alle dimensioni del suo ingresso. Infine, per garantire le migliori prestazioni, il design del collettore deve essere strettamente abbinato all'A/R della turbina.

La necessità di utilizzare un collettore di scarico di un design appropriato per le turbine a doppio scorrimento è determinata dal fatto che nel caso di utilizzo di un collettore convenzionale, un tale turbocompressore funzionerà come uno a scorrimento singolo. Lo stesso si osserverà combinando una turbina single-scroll con un collettore twin-scroll.

Interazione impulsiva dei cilindri

Uno dei vantaggi significativi dei turbocompressori twin scroll, che ne determinano i vantaggi rispetto a quelli single scroll, è la significativa riduzione o eliminazione dell'influenza reciproca dei cilindri da parte degli impulsi dei gas di scarico.

È noto che affinché ogni cilindro superi tutti e quattro i tempi, l'albero motore deve ruotare di 720°. Questo vale sia per i motori a 4 che a 12 cilindri. Se invece, ruotando l'albero motore di 720° sui primi cilindri, completano un ciclo, allora su12 cilindri - tutti i cicli. Pertanto, con un aumento del numero di cilindri, la quantità di rotazione dell'albero motore tra le stesse corse per ciascun cilindro viene ridotta. Quindi, sui motori a 4 cilindri, la corsa di potenza avviene ogni 180° in cilindri diversi. Questo vale anche per le corse di aspirazione, compressione e scarico. Sui motori a 6 cilindri, si verificano più eventi in 2 giri dell'albero motore, quindi le stesse corse tra i cilindri sono di 120° l'una dall' altra. Per i motori a 8 cilindri, l'intervallo è 90°, per i motori a 12 cilindri - 60°.

È noto che gli alberi a camme possono avere una fase da 256 a 312° o più. Ad esempio, possiamo prendere un motore con fasi a 280° in ingresso e in uscita. Quando si rilasciano i gas di scarico su un tale motore a 4 cilindri, ogni 180 °, le valvole di scarico del cilindro saranno aperte per 100 °. Ciò è necessario per sollevare il pistone dal punto morto inferiore a quello superiore durante lo scarico di quel cilindro. Con l'ordine di accensione 1-3-2-4 per il terzo cilindro, le valvole di scarico inizieranno ad aprirsi alla fine della corsa del pistone. A questo punto, inizierà la corsa di aspirazione nel primo cilindro e le valvole di scarico inizieranno a chiudersi. Durante i primi 50° dell'apertura delle valvole di scarico del terzo cilindro, si apriranno le valvole di scarico del primo cilindro e inizieranno ad aprirsi anche le sue valvole di aspirazione. Pertanto, le valvole si sovrappongono tra i cilindri.

Dopo la rimozione dei gas di scarico dal primo cilindro, le valvole di scarico si chiudono e le valvole di aspirazione iniziano ad aprirsi. Allo stesso tempo, le valvole di scarico del terzo cilindro si aprono, rilasciando gas di scarico ad alta energia. Quota significativala loro pressione ed energia vengono utilizzate per azionare la turbina e una parte più piccola cerca il percorso di minor resistenza. A causa della minore pressione delle valvole di scarico di chiusura del primo cilindro rispetto all'ingresso integrato della turbina, parte dei gas di scarico del terzo cilindro viene inviata al primo.

A causa del fatto che la corsa di aspirazione inizia nel primo cilindro, la carica di aspirazione viene diluita con i gas di scarico, perdendo potenza. Infine le valvole del primo cilindro si chiudono e il pistone del terzo si alza. Per quest'ultimo si effettua lo sblocco, e la situazione considerata per il cilindro 1 si ripete aprendo le valvole di scarico del secondo cilindro. Quindi, c'è confusione. Questo problema è ancora più pronunciato sui motori a 6 e 8 cilindri con intervalli di corsa allo scarico tra i cilindri rispettivamente di 120 e 90°. In questi casi si ha una sovrapposizione ancora più lunga delle valvole di scarico dei due cilindri.

A causa dell'impossibilità di modificare il numero di cilindri, questo problema può essere risolto aumentando l'intervallo tra cicli simili utilizzando un turbocompressore. Nel caso di utilizzo di due turbine su motori a 6 e 8 cilindri, i cilindri possono essere combinati per azionare ciascuno di essi. In questo caso, gli intervalli tra eventi simili della valvola di scarico raddoppieranno. Ad esempio, per l'RB26, puoi combinare i cilindri 1-3 per la turbina anteriore e 4-6 per quella posteriore. Ciò elimina il successivo funzionamento dei cilindri per una turbina. Pertanto, l'intervallo tra gli eventi della valvola di scarico peri cilindri di un turbocompressore aumentano da 120 a 240°.

A causa del fatto che la turbina twin scroll ha un collettore di scarico separato, in questo senso è simile a un sistema con due turbocompressori. Quindi, i motori a 4 cilindri con due turbine o un turbocompressore twin scroll hanno un intervallo di 360° tra gli eventi. I motori a 8 cilindri con sistemi di sovralimentazione simili hanno la stessa spaziatura. Un periodo molto lungo, superiore alla durata dell'alzata delle valvole, esclude la loro sovrapposizione per i cilindri di una turbina.

In questo modo, il motore aspira più aria ed estrae i gas di scarico rimanenti a bassa pressione, riempiendo i cilindri con una carica più densa e pulita, con conseguente combustione più intensa, che migliora le prestazioni. Inoltre, una maggiore efficienza volumetrica e una migliore pulizia consentono di utilizzare un ritardo di accensione più elevato per mantenere le temperature di picco del cilindro. Grazie a ciò, l'efficienza delle turbine twin-scroll è superiore del 7-8% rispetto alle turbine single-scroll con un'efficienza del carburante migliore del 5%.

I turbocompressori Twin-Scroll hanno una pressione media del cilindro e un'efficienza più elevate, ma una pressione massima del cilindro e una contropressione in uscita inferiori, rispetto ai turbocompressori single-scroll, secondo Full-Race. I sistemi Twin-Scroll hanno una contropressione maggiore ai bassi regimi (promuovendo il boost) e meno agli alti regimi (migliorando le prestazioni). Infine, un motore con un tale sistema di boost è meno sensibile agli effetti negativi della fase ampiaalberi a camme.

Prestazioni

Sopra c'erano le posizioni teoriche del funzionamento delle turbine a doppio scorrimento. Ciò che questo dà in pratica è stabilito dalle misurazioni. Tale test di confronto con la versione single-scroll è stato effettuato dalla rivista DSPORT sul Project KA 240SX. Il suo KA24DET sviluppa fino a 700 CV. Insieme a. su ruote sulla E85. Il motore è dotato di un collettore di scarico personalizzato Wisecraft Fabrication e di un turbocompressore Garrett GTX. Durante i test, è stato cambiato solo l'alloggiamento della turbina con lo stesso valore A / R. Oltre alle variazioni di potenza e coppia, i tester hanno misurato la reattività misurando il tempo necessario per raggiungere determinati giri/min e aumentare la pressione in terza marcia in condizioni di lancio simili.

I risultati hanno mostrato le migliori prestazioni della turbina twin-scroll su tutta la gamma di giri. Ha mostrato la massima superiorità di potenza nella gamma da 3500 a 6000 giri / min. I migliori risultati sono dovuti alla maggiore pressione di sovralimentazione a parità di giri. Inoltre, una maggiore pressione forniva un aumento della coppia, paragonabile all'effetto dell'aumento del volume del motore. È anche più pronunciato a velocità medie. Nell'accelerazione da 45 a 80 m/h (3100-5600 giri/min), la turbina twin-scroll ha superato quella single-scroll di 0,49 s (2,93 vs. 3,42), che darà una differenza di tre corpi. Cioè, quando un'auto con un turbocompressore a scorrimento del segnale raggiunge gli 80 mph, la variante twin-scroll percorrerà 3 lunghezze di auto avanti a 95 mph. Nella gamma di velocità di 60-100 m/h (4200-7000 giri/min), la superiorità della turbina a doppio scorrimentosi è rivelato meno significativo ed è stato pari a 0,23 s (1,75 contro 1,98 s) e 5 m/h (105 contro 100 m/h). In termini di velocità di raggiungimento di una certa pressione, un turbocompressore twin-scroll precede di circa 0,6 s un turbocompressore single-scroll. Quindi a 30 psi la differenza è di 400 giri/min (5500 vs 5100 giri/min).

Un altro confronto è stato fatto da Full Race Motorsports su un motore Ford EcoBoost da 2,3 litri con un turbo BorgWarner EFR. In questo caso, la portata del gas di scarico in ciascun canale è stata confrontata mediante simulazione al computer. Per una turbina twin-scroll, lo spread di questo valore arrivava fino al 4%, mentre per una turbina single-scroll era del 15%. Una migliore corrispondenza della portata significa meno perdite di miscelazione e più energia di impulso per i turbocompressori Twin Scroll.

Pro e contro

Le turbine a spirale gemellare offrono molti vantaggi rispetto alle turbine a spirale singola. Questi includono:

• prestazioni aumentate a tutti i regimi;
• migliore reattività;
• meno perdita di miscelazione;
• energia di impulso aumentata alla ruota della turbina;
• Migliora l'efficienza;
• Più coppia ai bassi regimi simile al sistema biturbo;
• riduzione dell'attenuazione della carica in aspirazione quando le valvole si sovrappongono tra i cilindri;
• temperatura del gas di scarico inferiore;
• ridurre le perdite di impulsi del motore;
• ridurre il consumo di carburante.

Lo svantaggio principale è la grande complessità del design, che ne causa l'aumentoprezzo. Inoltre, ad alta pressione ad alta velocità, la separazione del flusso di gas non consentirà di ottenere le stesse prestazioni di picco di una turbina single-scroll.

Strutturalmente, le turbine twin scroll sono analoghe ai sistemi con due turbocompressori (bi-turbo e twin-turbo). Rispetto a loro, tali turbine, al contrario, presentano vantaggi in termini di costi e semplicità di progettazione. Alcuni produttori ne stanno approfittando, come BMW, che ha sostituito il sistema twin-turbo sull'N54B30 Serie 1 M Coupé con un turbocompressore twin-scroll sull'N55B30 M2.

Va notato che ci sono opzioni tecnicamente ancora più avanzate per le turbine, che rappresentano lo stadio più alto del loro sviluppo: turbocompressori a geometria variabile. In generale, hanno gli stessi vantaggi rispetto alle turbine convenzionali del twin-scroll, ma in misura maggiore. Tuttavia, tali turbocompressori hanno un design molto più complesso. Inoltre, sono difficili da installare su motori non originariamente progettati per tali sistemi in quanto sono comandati dalla centralina motore. Infine, il principale fattore che causa l'uso estremamente scarso di queste turbine sui motori a benzina è il costo molto elevato dei modelli per tali motori. Pertanto, sia nella produzione di massa che nella messa a punto, sono estremamente rari, ma sono ampiamente utilizzati sui motori diesel dei veicoli commerciali.

Al SEMA 2015, BorgWarner ha presentato un design che combina la tecnologia Twin Scroll con un design a geometria variabile, la Twin Scroll Variable Geometry Turbine. In leinella parte a doppia aspirazione è installata una serranda che, a seconda del carico, distribuisce il flusso tra le giranti. A basse velocità, tutti i gas di scarico vanno in una piccola parte del rotore e la parte più grande viene bloccata, il che fornisce uno spin-up ancora più veloce rispetto a una tradizionale turbina a doppio scorrimento. All'aumentare del carico, l'ammortizzatore si sposta gradualmente nella posizione centrale e distribuisce uniformemente il flusso alle alte velocità, come in un design standard a doppio scorrimento. Pertanto, questa tecnologia, come la tecnologia a geometria variabile, fornisce una modifica del rapporto A / R a seconda del carico, adattando la turbina alla modalità di funzionamento del motore, che amplia il campo di funzionamento. Allo stesso tempo, considerare il design è molto più semplice ed economico, poiché qui viene utilizzato un solo elemento mobile, che funziona secondo un semplice algoritmo, e non è richiesto l'uso di materiali resistenti al calore. Va notato che soluzioni simili sono state incontrate in precedenza (ad esempio, distributore rapido), ma per qualche motivo questa tecnologia non ha guadagnato popolarità.

Applicazione

Come notato sopra, le turbine a doppio scorrimento sono spesso utilizzate su auto sportive prodotte in serie. Tuttavia, durante la messa a punto, il loro utilizzo su molti motori con sistemi single-scroll è ostacolato dallo spazio limitato. Ciò è dovuto principalmente al design del collettore: a lunghezze uguali, devono essere mantenute curve radiali e caratteristiche di flusso accettabili. Inoltre, c'è una questione di lunghezza e curvatura ottimali, nonché del materiale e dello spessore della parete. Secondo Full-Race, per una maggiore efficienzaturbine twin-scroll, è possibile utilizzare canali di diametro inferiore. Tuttavia, per la loro forma complessa e il doppio ingresso, un tale collettore risulta comunque più grande, più pesante e più complicato del solito a causa del maggior numero di parti. Pertanto, potrebbe non adattarsi a un luogo standard, per cui sarà necessario sostituire il basamento. Inoltre, le stesse turbine a doppio scorrimento sono più grandi di quelle simili a scorrimento singolo. Inoltre, saranno necessarie altre appipe e separatori d'olio. Inoltre, vengono utilizzati due wastegate (uno per girante) invece di un tubo a Y per prestazioni migliori con wastegate esterni per sistemi a doppia spirale.

In ogni caso, è possibile installare una turbina twin-scroll su un VAZ e sostituirla con un turbocompressore Porsche single-scroll. La differenza sta nel costo e nell'entità del lavoro di preparazione del motore: se sui motori turbo di serie, se c'è spazio, di solito è sufficiente sostituire il collettore di scarico e alcune altre parti e apportare modifiche, i motori aspirati richiedono molto di più serio intervento per turbocompressore. Tuttavia, nel secondo caso, la differenza di complessità di installazione (ma non di costo) tra i sistemi twin-scroll e single-scroll è insignificante.

Conclusioni

Le turbine a doppio scorrimento offrono prestazioni, reattività ed efficienza migliori rispetto alle turbine a scorrimento singolo dividendo i gas di scarico sulla ruota della turbina doppia ed eliminando le interferenze del cilindro. Tuttaviacostruire un tale sistema può essere molto costoso. Tutto sommato, questa è la soluzione migliore per aumentare la reattività senza sacrificare le massime prestazioni per i motori turbo.