Твинскрольная турбіна: опис конструкції, принцип дії, плюси і мінуси

Основним недоліком турбованих двигунів у порівнянні з атмосферними варіантами є менша чуйність, обумовлена тим, що розкрутка турбіни займає певний час. З розвитком турбокомпресорів виробники розробляють різні способи підвищення їх чуйності, продуктивності та ефективності. Найбільш оптимальним варіантом є твінскрольние турбіни.

Загальні особливості

Під цим терміном розуміють турбокомпресори зі здвоєною вхідною частиною і подвійний крильчаткою турбінного колеса. З часів появи перших турбін (приблизно 30 років тому) вони були диференційовані на варіанти з відкритим і роздільним впуском. Останні є аналогами сучасних твінскрольних турбокомпресорів. Кращі параметри визначають застосування їх в тюнінгу і автоспорті. До того ж деякі виробники використовують їх на серійних спортивних машинах, таких як Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP та ін.

Конструкція і принцип функціонування

Від звичайних турбін твінскрольние відрізняються здвоєним турбінним колесом і розділеної надвоє вхідною частиною. Ротор має монолітну конструкцію, але розмір, форма і вигин лопатей змінюються по діаметру. Одна його частина розрахована на мале навантаження, інша-на велику.

Принцип роботи твінскрольних турбін заснований на роздільній подачі вихлопних газів під різним кутом на турбінне колесо в залежності від порядку роботи циліндрів.

Далі більш детально розглянуті Конструктивні особливості і те, як працює твинскрольная турбіна.

Випускний колектор

Основне значення для твінскрольних турбокомпресорів має конструкція випускного колектора. Вона заснована на концепції сполучення циліндрів гоночних колекторів і визначається кількістю циліндрів і порядком їх роботи. Майже всі 4-циліндрові мотори функціонують в порядку 1-3-4-2. В даному випадку один канал об`єднує 1 і 4 циліндри, інший-2 і 3. На більшості 6-циліндрових моторів подача вихлопних газів здійснюється окремо з 1, 3, 5 і 2, 4, 6 циліндрів. В якості винятків слід зазначити RB26 і 2JZ. Вони працюють в порядку 1-5-3-6-2-4.

Отже, для даних моторів 1, 2, 3 циліндри сполучають для однієї крильчатки, 4, 5, 6-для другої (в стоці в тому ж порядку організований привід турбін). Таким чином, названі двигуни відрізняються спрощеною конструкцією випускного колектора, що об`єднує в два канали три перших і три останніх циліндра.

Крім з`єднання циліндрів в певному порядку, дуже важливі і інші особливості колектора. Перш за все, обидва канали повинні мати однакову довжину і однакову кількість вигинів. Це обумовлено необхідністю забезпечення однакового тиску подаються вихлопних газів. Крім того, важливо відповідність фланця турбіни на колекторі по формою і розмірами її входу. Нарешті, для забезпечення найкращої продуктивності необхідна точна відповідність конструкції колектора значенню A / R турбіни.

Необхідність застосування для твінскрольних турбін випускного колектора відповідної конструкції визначається тим, що в разі використання звичайного колектора такий турбокомпресор буде працювати як синглскрольний. Те ж саме буде спостерігатися при поєднанні синглскрольной турбіни з колектором для твінскрольной.

Імпульсна взаємодія циліндрів

Одне із значних достоїнств твінскрольних турбокомпресорів, що визначають їх переваги перед сінглскрольнимі, полягає в істотному скороченні або усунення взаємного впливу циліндрів імпульсами відпрацьованих газів.

Відомо, що для проходження кожним циліндром всіх чотирьох тактів колінчастий вал повинен провернутися на 720°. Це справедливо і для 4-і для 12-циліндрових двигунів. Однак якщо при повороті коленвала на 720° на перших циліндри завершать один такт, то на 12-циліндрових-все такти. Таким чином, зі збільшенням кількості циліндрів скорочується величина обертання коленвала між однаковими тактами для кожного циліндра. Так, на 4-циліндрових моторах робочий хід відбувається кожні 180° в різних циліндрах. Це актуально і для тактів впуску, стиснення і випуску. На 6-циліндрових двигунах за 2 обороту коленвала відбувається більше подій, тому однакові такти між циліндрами рознесені на 120°. Для 8-циліндрових моторів інтервал становить 90°, для 12 – циліндрових-60°.

Відомо, що розподільні вали можуть мати фазу від 256 до 312° і більше. Для прикладу можна взяти двигун з фазами 280° на впуску і випуску. При випуску відпрацьованих газів на такому 4-циліндровому моторі кожні 180° випускні клапани циліндра будуть відкриті протягом 100°. Це потрібно для підйому поршня з нижньої у верхню мертву точку під час випуску для даного циліндра. При порядку роботи 1-3-2-4 для третього циліндра випускні клапани почнуть відкриватися при завершенні робочого ходу поршня. В цей час в першому циліндрі почнеться такт впуску, і стануть закриватися випускні клапани. Протягом перших 50 ° відкриття випускних клапанів третього циліндра будуть відкриті випускні клапани першого, а також почнуть відкриватися його впускні клапани. Таким чином, відбувається перекриття клапанів між циліндрами.

Після видалення вихлопних газів з першого циліндра закриваються випускні клапани, і починають відкриватися впускні. У той же час відкриваються випускні клапани третього циліндра, звільняючи високоенергетичні вихлопні гази. Значна частка їх тиску та енергії використовується для приводу турбіни, а менша частина шукає шлях найменшого опору. Зважаючи меншого тиску закриваються випускних клапанів першого циліндра в порівнянні з цільним входом турбіни частина відпрацьованих газів третього циліндра направляється в перший.

З огляду на те, що в першому циліндрі починається впускний такт, впускний заряд розбавляється вихлопними газами, втрачаючи потужність. На завершення клапани першого циліндра закриваються, а поршень третього піднімається. Для останнього здійснюється випуск, і повторюється розглянута для циліндра 1 ситуація, коли відкриваються випускні клапани другого циліндра. Таким чином, спостерігається змішання. Дана проблема ще більше проявляється на 6-і 8-циліндрових моторах при інтервалах такту випуску між циліндрами в 120 і 90° відповідно. У даних випадках спостерігається ще більш тривале перекриття випускних клапанів двох циліндрів.

Зважаючи на неможливість зміни кількості циліндрів дану проблему можна вирішити, збільшивши інтервал між аналогічними тактами шляхом застосування турбокомпресор. У разі використання двох турбін на 6-і 8-циліндрових моторах можна поєднати циліндри для приводу кожної з них. В такому випадку інтервали між аналогічними подіями випускних клапанів подвояться. Наприклад, для RB26 можна поєднати циліндри 1-3 для передньої турбіни і 4-6 для задньої. Таким чином виключається послідовне спрацьовування циліндрів для однієї турбіни. Отже, інтервал між подіями випускних клапанів для циліндрів одного турбокомпресора зростає зі 120 до 240°.

З огляду на те, що твінскрольная турбіна має роздільний Випускний колектор, в даному сенсі вона аналогічна системі з двома турбокомпресорами. Так, 4-циліндрові мотори з двома турбінами або твінскрольним турбокомпресором мають інтервал в 360° між подіями. 8-циліндрові двигуни з подібними системами наддуву мають однаковий інтервал. Дуже тривалий період, що перевищує тривалість підйому клапанів, виключає їх перекриття для циліндрів однієї турбіни.

Таким чином, двигун втягує більше повітря і витягує залишки вихлопних газів з малим тиском, заповнюючи циліндри більш щільним і чистим зарядом, що забезпечує більш інтенсивне згоряння, що підвищує продуктивність. До того ж велика об`ємна ефективність і краще очищення дозволяють використовувати більш високу затримку займання, що підтримує пікову температуру в циліндрах. Завдяки цьому ефективність твінскрольних турбін вище на 7-8% в порівнянні з сінглскрольнимі при кращій на 5% ефективності використання палива.

За даними Full-Race, твінскрольние турбокомпресори в порівнянні з сінглскрольнимі характеризуються великими середніми тиском в циліндрі і ефективністю, але меншими піковим тиском в циліндрі і протитиском на виході. Твінскрольние системи мають більший протитиск на низьких оборотах (сприяє наддуву) і менший на високих (підвищує продуктивність). Нарешті, двигун з такою системою наддуву менш чутливий до негативних ефектів широкофазних розподільних валів.

Продуктивність

Вище були наведені теоретичні положення функціонування твинскрольных турбін. Що це дає на практиці, встановлено вимірами. Таке випробування шляхом порівняння з синглскрольним варіантом було проведено журналом DSPORT на Project KA 240SX. Його KA24DET розвиває до 700 л. з. на колесах на E85. Мотор оснащений кастомним випускним колектором Wisecraft Fabrication і турбокомпресором Garrett GTX. В процесі випробувань міняли тільки корпус турбіни при однаковому значенні A / R. Крім зміни потужності і крутного моменту випробувачі оцінювали чуйність шляхом вимірів часу досягнення певних обертів і тиску наддуву на третій передачі при аналогічних умовах запуску.

Результати продемонстрували кращу продуктивність твінскрольной турбіни у всьому діапазоні оборотів. Найбільшу перевагу по потужності вона показала в інтервалі від 3500 до 6000 об / хв. Кращі результати пояснюються великим тиском наддуву при тих же оборотах. До того ж більший тиск забезпечило приріст крутного моменту, порівнянний з ефектом від підвищення об`єму двигуна. Найбільш яскраво він також проявляється на середніх оборотах. У прискоренні з 45 до 80 м / год (3100-5600 об / хв) твінскрольная турбіна обійшла сінглскрольную на 0,49 з (2,93 з проти 3,42), що дасть різницю в три корпуси. Тобто коли машина з сігнлскрольним турбокомпресором досягне 80 м / год, твінскрольний варіант буде їхати на 3 довжини автомобіля попереду зі швидкістю 95 м / год. У діапазоні швидкостей 60-100 м/год (4200-7000 об / хв) перевага твінскрольной турбіни виявилося менш значним і склало 0,23 з (1,75 проти 1,98 з) і 5 м/год (105 проти 100 м / год). За швидкістю досягнення певного тиску твінскрольний турбокомпресор випереджає сінглскрольний приблизно на 0,6 з. Так, при 30 psi різниця становить 400 об / хв (5500 проти 5100 об / хв).

Ще одне порівняння провели Full Race Motorsports на 2,3 л двигуні Ford EcoBoost з турбіною BorgWarner EFR. В даному випадку шляхом комп`ютерного моделювання була зіставлена швидкість потоку вихлопних газів в кожному каналі. Для твінскрольной турбіни розкид даної величини склав до 4%, в той час як для сінглскрольной-15%. Краща узгодженість швидкостей потоку свідчить про менші втрати при змішуванні і більшої енергії імпульсу для твінскрольних турбокомпресорів.

Переваги і недоліки

Твінскрольние турбіни характеризуються безліччю переваг перед сінглскрольнимі варіантами. До них відносяться:

• підвищена продуктивність у всьому діапазоні оборотів;
• краща чуйність;
• менші втрати при змішуванні;
• підвищена енергія імпульсу на турбінне колесо;
• краща ефективність наддуву;
• більший крутний момент на низах аналогічно системі твін-турбо;
• скорочення ослаблення впускного заряду при перекритті клапанів між циліндрами;
• зниження температури вихлопних газів;
• зниження імпульсних втрат двигуна;
• зниження витрати палива.

Основним недоліком є велика складність конструкції, що обумовлює підвищену вартість. Крім того, при великому тиску на високих оборотах поділ потоку газів не дозволить отримати ту ж пікову продуктивність, що на сінглскрольной турбіні.

Конструктивно твінскрольние турбіни представляють аналог систем з двома турбокомпресорами (бі-турбо і твін-турбо). У порівнянні з ними такі турбіни навпаки мають переваги у вартості і простоті конструкції. Цим користуються деякі виробники, як, наприклад, BMW, яка замінила систему твін-турбо на N54B30 1-Series M Coupe на твінскрольний турбокомпресор на N55B30 M2.

Слід зазначити, що існують ще більш технічно досконалі варіанти турбін, що представляють вищий щабель їх розвитку-турбокомпресори із змінною геометрією. В цілому вони мають ті ж переваги перед звичайними турбінами, що і твінскрольние, але більшою мірою. Однак такі турбокомпресори мають значно складнішу конструкцію. До того ж їх важко налаштувати на не розрахованих спочатку на такі системи моторах з огляду на те, що вони контролюються блоком управління двигуном. Нарешті, основним фактором, що обумовлює вкрай убоге застосування даних турбін на бензинових двигунах, є дуже висока вартість моделей для таких моторів. Тому як в серійному виробництві, так і в тюнінгу вони зустрічаються вкрай рідко, проте широко поширені на дизельних двигунах комерційних машин.

На SEMA 2015 р. BorgWarner була представлена розробка, що поєднує твінскрольную технологію і конструкцію із змінною геометрією-твінскрольная турбіна зі змінною геометрією. В її подвійний вхідний частини встановлена заслінка, яка в залежності від навантаження розподіляє потік по крильчатках. На низьких оборотах всі відпрацьовані газу йдуть на маленьку частину ротора, а велика перекрита, що забезпечує ще більш швидку розкрутку, ніж у звичайної твінскрольной турбіни. З ростом навантаження заслінка поступово переходить в середнє положення і рівномірно розподіляє потік на високих оборотах, як в стандартній твінскрольной конструкції. Таким чином, дана технологія, як і технологія із змінною геометрією, забезпечує зміну співвідношення A/R в залежності від навантаження, підлаштовуючи турбіну під режим роботи двигуна, що розширює робочий діапазон. При цьому розглядаючи конструкція значно простіше і дешевше, так як тут використовується тільки один рухомий елемент, що працює за простим алгоритмом, і не потрібно застосування термостійких матеріалів. Слід зазначити, що подібні рішення зустрічалися і раніше (наприклад, quick spool valve), проте ця технологія з якихось причин не знайшла поширення.

Застосування

Як було зазначено вище, твінскрольние турбіни нерідко застосовуються на серійних спорткарах. Однак при тюнінгу їх використання на багатьох моторах з сінглскрольнимі системами утруднено обмеженим простором. Це обумовлено, перш за все, конструкцією колектора: при рівній довжині необхідно зберегти прийнятні радіальні вигини і характеристики потоку. До того ж стоїть питання оптимальної довжини і вигину, а також матеріалу і товщини стінок. За даними Full-Race, зважаючи на більшу ефективність твінскрольних турбін можливе використання каналів меншого діаметру. Однак внаслідок їх складної форми і подвійного вхідного отвору такий колектор в будь-якому випадку більше, важче і складніше звичайного через більшої кількості деталей. Тому він може не поміститися на стандартне місце, внаслідок чого потрібно міняти картер. До того ж самі твінскрольние турбіни більше аналогічних сінглскрольних. Крім того, будуть потрібні інші аппайп і маслоуловитель. Крім цього, для кращої продуктивності з зовнішніми вестгейтами для твінскрольних систем застосовують два вестгейта (по одному на крильчатку) замість Y-подібної труби.

У будь-якому випадку можлива і установка твінскрольной турбіни на ВАЗ, і заміна їй сінглскрольного турбокомпресора Porsche. Різниця полягає у вартості та обсязі робіт з підготовки двигуна: якщо на серійних турбомоторах при наявності простору зазвичай досить замінити Випускний колектор і деякі інші деталі і зробити настройку, то атмосферні двигуни вимагають для турбування значно більш серйозного втручання. Однак у другому випадку різниця в складності установки (але не у вартості) твінскрольной і сінглскрольной систем несуттєва.

Висновок

Твінскрольние турбіни, завдяки роздільній подачі вихлопних газів на подвійне турбінне колесо і усунення взаємного імпульсного впливу циліндрів, забезпечують кращі продуктивність, чуйність і ефективність в порівнянні з сінглскрольнимі варіантами. Однак створення такої системи може виявитися досить дорогим. В цілому це оптимальне рішення для підвищення чуйності без втрати максимальної продуктивності для турбомоторів.