İkiz kaydırma türbini: tasarım açıklaması, çalışma prensibi, artıları ve eksileri

2024 Yazar: Erin Ralphs | [email protected]. Son düzenleme: 2024-02-19 19:37

Atmosferik seçeneklere kıyasla turboşarjlı motorların ana dezavantajı, türbinin dönmesinin belirli bir zaman alması nedeniyle daha az tepki vermesidir. Turboşarjların geliştirilmesiyle üreticiler, yanıt verme hızlarını, performanslarını ve verimliliklerini artırmak için çeşitli yollar geliştiriyorlar. İkiz kaydırma türbinleri en iyi seçenektir.

Genel Özellikler

Bu terim, türbin çarkının çift girişli ve çift çarklı turboşarjlarını ifade eder. İlk türbinlerin ortaya çıkışından bu yana (yaklaşık 30 yıl önce), açık ve ayrı giriş seçenekleri olarak farklılaştırılmışlardır. İkincisi, modern ikiz kaydırmalı turboşarjların analoglarıdır. En iyi parametreler, bunların tuning ve motor sporlarında kullanımlarını belirler. Ek olarak, bazı üreticiler bunları Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP ve üretim spor otomobillerinde kullanıyor.diğerleri

Tasarım ve çalışma prensibi

Twin-scroll türbinler, ikiz türbin çarkına ve ikiye bölünmüş bir giriş parçasına sahip olarak geleneksel türbinlerden farklıdır. Rotor monolitik bir tasarıma sahiptir, ancak kanatların boyutu, şekli ve eğriliği çap boyunca değişir. Bir kısmı küçük bir yük için, diğeri büyük bir yük için tasarlanmıştır.

İkiz kaydırmalı türbinlerin çalışma prensibi, silindirlerin çalışma sırasına bağlı olarak türbin çarkına farklı açılarda egzoz gazlarının ayrı ayrı beslenmesine dayanır.

Tasarım özellikleri ve ikiz kaydırmalı türbinin nasıl çalıştığı aşağıda daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır.

Egzoz manifoldu

Egzoz manifoldunun tasarımı, ikiz kaydırmalı turboşarjlar için birincil öneme sahiptir. Yarış manifoldlarının silindir kavrama konseptine dayanır ve silindir sayısı ve ateşleme sırasına göre belirlenir. Hemen hemen tüm 4 silindirli motorlar 1-3-4-2 düzeninde çalışır. Bu durumda, bir kanal 1 ve 4 silindirlerini, diğeri - 2 ve 3'ü birleştirir. 6 silindirli motorların çoğunda egzoz gazları 1, 3, 5 ve 2, 4, 6 silindirlerden ayrı olarak sağlanır. İstisna olarak, RB26 ve 2JZ not edilmelidir. 1-5-3-6-2-4 düzeninde çalışırlar.

Sonuç olarak, bu motorlar için, bir çark için 1, 2, 3 silindir, ikincisi için 4, 5, 6 birleştirilir (türbin tahrikleri stokta aynı sırayla düzenlenir). Böylece adlandırılmışmotorlar, ilk üç ve son üç silindiri iki kanalda birleştiren basitleştirilmiş egzoz manifoldu tasarımıyla öne çıkıyor.

Silindirleri belirli bir sırayla bağlamanın yanı sıra manifoldun diğer özellikleri de çok önemlidir. Her şeyden önce, her iki kanalın da aynı uzunlukta ve aynı sayıda bükümde olması gerekir. Bunun nedeni, sağlanan egzoz gazlarının aynı basıncını sağlama ihtiyacıdır. Ayrıca manifold üzerindeki türbin flanşının girişinin şekli ve boyutlarıyla eşleşmesi önemlidir. Son olarak, en iyi performansı sağlamak için manifold tasarımı türbinin A/R'sine yakın olmalıdır.

İkiz kaydırmalı türbinler için uygun tasarımlı bir egzoz manifoldu kullanma ihtiyacı, geleneksel bir manifold kullanılması durumunda, böyle bir turboşarjın tek kaydırmalı olarak çalışacağı gerçeğiyle belirlenir. Aynı durum, tek kaydırmalı bir türbin ile çift kaydırmalı bir manifold birleştirildiğinde de gözlemlenecektir.

Silindirlerin dürtüsel etkileşimi

Tek kaydırmalı turboşarjlara göre avantajlarını belirleyen ikiz kaydırmalı turboşarjların önemli avantajlarından biri, egzoz gazı darbeleriyle silindirlerin karşılıklı etkisinin önemli ölçüde az altılması veya ortadan kaldırılmasıdır.

Her silindirin dört strokun tamamını geçmesi için krank milinin 720 ° dönmesi gerektiği bilinmektedir. Bu hem 4 hem de 12 silindirli motorlar için geçerlidir. Ancak, ilk silindirlerde krank mili 720 ° döndürüldüğünde, bir çevrimi tamamlarlarsa, daha sonra12 silindirli - tüm çevrimler. Böylece silindir sayısı arttıkça her silindir için aynı stroklar arasında krank milinin dönme miktarı azalır. Bu nedenle, 4 silindirli motorlarda, güç stroku farklı silindirlerde her 180 ° 'de bir gerçekleşir. Bu, emme, sıkıştırma ve egzoz vuruşları için de geçerlidir. 6 silindirli motorlarda, krank milinin 2 devrinde daha fazla olay meydana gelir, bu nedenle silindirler arasındaki aynı stroklar 120 ° ayrıdır. 8 silindirli motorlar için aralık 90 °, 12 silindirli motorlar için - 60 °.

Eksantrik millerinin 256 ila 312° veya daha fazla faza sahip olabileceği bilinmektedir. Örneğin giriş ve çıkışta 280° fazlı bir motoru ele alabiliriz. Böyle 4 silindirli bir motorda egzoz gazlarını serbest bırakırken, her 180 ° 'de bir silindirin egzoz valfleri 100 ° açılacaktır. Bu, o silindir için egzoz sırasında pistonu alttan üst ölü noktaya kaldırmak için gereklidir. Üçüncü silindir için 1-3-2-4 ateşleme sırası ile piston strokunun sonunda egzoz valfleri açılmaya başlayacaktır. Bu sırada, ilk silindirde emme stroku başlayacak ve egzoz valfleri kapanmaya başlayacaktır. Üçüncü silindirin egzoz valflerinin ilk 50° açılması sırasında, birinci silindirin egzoz valfleri açılacak ve emme valfleri de açılmaya başlayacaktır. Böylece valfler silindirler arasında üst üste biner.

İlk silindirden egzoz gazları alındıktan sonra egzoz valfleri kapanır ve emme valfleri açılmaya başlar. Aynı zamanda, üçüncü silindirin egzoz valfleri açılır ve yüksek enerjili egzoz gazları açığa çıkar. önemli paybasınçları ve enerjileri türbini çalıştırmak için kullanılır ve daha küçük bir parça en az dirençli yolu arar. Entegre türbin girişine kıyasla birinci silindirin kapama egzoz valflerinin daha düşük basıncı nedeniyle, üçüncü silindirin egzoz gazlarının bir kısmı birinciye gönderilir.

Emme strokunun ilk silindirde başlaması nedeniyle, giriş yükü egzoz gazlarıyla seyreltilerek güç kaybeder. Son olarak, birinci silindirin valfleri kapanır ve üçüncü silindirin pistonu yükselir. İkincisi için, serbest bırakma gerçekleştirilir ve ikinci silindirin egzoz valfleri açıldığında 1. silindir için düşünülen durum tekrarlanır. Dolayısıyla bir karışıklık var. Bu sorun, silindirler arasında sırasıyla 120 ve 90 ° egzoz strok aralığı olan 6 ve 8 silindirli motorlarda daha da belirgindir. Bu durumlarda, iki silindirin egzoz valflerinin çakışması daha da uzun olur.

Silindir sayısını değiştirmenin imkansızlığı nedeniyle, bir turboşarj kullanılarak benzer çevrimler arasındaki aralık artırılarak bu sorun çözülebilir. 6 ve 8 silindirli motorlarda iki türbin kullanılması durumunda, her birini tahrik etmek için silindirler birleştirilebilir. Bu durumda, benzer egzoz valfi olayları arasındaki aralıklar iki katına çıkacaktır. Örneğin, RB26 için ön türbin için 1-3 ve arka türbin için 4-6 silindirlerini birleştirebilirsiniz. Bu, bir türbin için silindirlerin ardışık çalışmasını ortadan kaldırır. Bu nedenle, egzoz valfi olayları arasındaki aralıkbir turboşarjın silindirleri 120'den 240°'ye çıkar.

İkiz sarmal türbinin ayrı bir egzoz manifolduna sahip olması nedeniyle, bu anlamda iki turboşarjlı bir sisteme benzer. Bu nedenle, iki türbinli veya çift kaydırmalı turboşarjlı 4 silindirli motorların olaylar arasında 360 ° aralığı vardır. Benzer boost sistemlerine sahip 8 silindirli motorlar aynı aralığa sahiptir. Valf kaldırma süresini aşan çok uzun bir süre, bir türbinin silindirleri için örtüşmelerini hariç tutar.

Bu şekilde, motor daha fazla hava çeker ve kalan egzoz gazlarını düşük basınçta dışarı çeker, silindirleri daha yoğun ve temiz bir şarjla doldurur, daha yoğun yanma ile sonuçlanır, bu da performansı artırır. Ek olarak, daha yüksek hacimsel verimlilik ve daha iyi temizleme, en yüksek silindir sıcaklıklarını korumak için daha yüksek bir ateşleme gecikmesinin kullanılmasına izin verir. Bu sayede twin-scroll türbinlerin verimliliği, %5 daha iyi yakıt verimliliğine sahip tek scroll türbinlere göre %7-8 daha yüksektir.

Full-Race'e göre Twin-scroll turboşarjlar daha yüksek ortalama silindir basıncına ve verimliliğine, ancak tek scroll turboşarjlara kıyasla daha düşük tepe silindir basıncına ve çıkış geri basıncına sahiptir. Twin-scroll sistemleri, düşük devirde daha fazla (artırmayı teşvik eder) ve yüksek devirde daha az (performansı iyileştirir) karşı basınca sahiptir. Son olarak, böyle bir takviye sistemine sahip bir motor, geniş fazın olumsuz etkilerine karşı daha az duyarlıdır.eksantrik milleri.

Performans

Yukarıda ikiz kaydırmalı türbinlerin işleyişinin teorik konumları vardı. Bunun pratikte verdiği şey ölçümlerle belirlenir. Tek kaydırmalı versiyonla karşılaştırmalı böyle bir test, DSPORT dergisi tarafından Project KA 240SX'te gerçekleştirildi. KA24DET'i 700 hp'ye kadar geliştirir. İle birlikte. E85'te tekerlekler üzerinde. Motor, özel bir Wisecraft Fabrication egzoz manifoldu ve bir Garrett GTX turboşarjı ile donatılmıştır. Testler sırasında sadece türbin gövdesi aynı A/R değerinde değiştirilmiştir. Güç ve tork değişikliklerine ek olarak, test cihazları, benzer başlatma koşulları altında üçüncü viteste belirli RPM'ye ulaşma süresini ölçerek tepki vermeyi ölçtüler.

Sonuçlar, tüm devir aralığı boyunca ikiz kaydırmalı türbinin en iyi performansını gösterdi. 3500 ila 6000 rpm aralığında güçte en büyük üstünlüğü gösterdi. En iyi sonuçlar, aynı devirde daha yüksek takviye basıncından kaynaklanmaktadır. Ek olarak, daha fazla basınç, motorun hacmini artırmanın etkisiyle karşılaştırılabilir bir tork artışı sağladı. Ayrıca en çok orta hızlarda belirgindir. 45'ten 80 m / s'ye (3100-5600 rpm) hızlanmada, ikiz kaydırmalı türbin, tek kaydırmalı türbini 0,49 sn (2,93'e karşı 3,42) geride bıraktı, bu da üç gövde farkı verecek. Yani, sinyal kaydırmalı turboşarjlı bir araba 80 mph'ye ulaştığında, ikiz kaydırmalı varyant 95 mph'de 3 araba uzunluğu ileri gidecektir. 60-100 m/h (4200-7000 rpm) hız aralığında, twin-scroll türbinin üstünlüğüdaha az önemli olduğu ortaya çıktı ve 0.23 s (1.75'e karşı 1.98 s) ve 5 m/sa (105'e karşı 100 m/sa) olarak gerçekleşti. Belirli bir basınca ulaşma hızı açısından, ikiz kaydırmalı bir turboşarj, tek kaydırmalı bir turboşarjdan yaklaşık 0,6 s öndedir. Yani 30 psi'de fark 400 rpm'dir (5500 vs 5100 rpm).

Başka bir karşılaştırma, BorgWarner EFR turbolu 2.3L Ford EcoBoost motorda Full Race Motorsports tarafından yapıldı. Bu durumda, her kanaldaki egzoz gazı akış hızı bilgisayar simülasyonu ile karşılaştırılmıştır. İkiz kaydırmalı türbin için bu değerin yayılması %4'e kadar çıkarken, tek kaydırmalı türbin için bu oran %15'tir. Daha iyi akış hızı eşleşmesi, twin-scroll turboşarjlar için daha az karıştırma kaybı ve daha fazla dürtü enerjisi anlamına gelir.

Artıları ve eksileri

İkiz sarmal türbinler, tek sarmal türbinlere göre birçok avantaj sunar. Bunlar şunları içerir:

• dev aralığı boyunca artan performans;
• daha iyi yanıt verme;
• daha az karıştırma kaybı;
• türbin çarkına artan dürtü enerjisi;
• verimliliği artırın;
• ikiz turbo sisteme benzer daha fazla alt uç torku;
• Silindirler arasında valfler çakıştığında giriş yükü zayıflamasının az altılması;
• düşük egzoz gazı sıcaklığı;
• motorun impuls kayıplarını az altın;
• yakıt tüketimini az altın.

Ana dezavantaj, tasarımın büyük karmaşıklığıdır vefiyat. Ek olarak, yüksek hızlarda yüksek basınçta, gaz akışının ayrılması, tek kaydırmalı bir türbindekiyle aynı en yüksek performansı elde etmenize izin vermez.

Yapısal olarak, ikiz kaydırmalı türbinler, iki turboşarjlı (bi-turbo ve ikiz turbo) sistemlere benzer. Onlarla karşılaştırıldığında, bu tür türbinler, aksine, maliyet ve tasarım basitliği açısından avantajlara sahiptir. N54B30 1-Serisi M Coupe'deki çift turbo sistemini N55B30 M2'deki çift kaydırmalı turboşarj ile değiştiren BMW gibi bazı üreticiler bundan faydalanıyor.

Geliştirmelerinin en yüksek aşamasını temsil eden türbinler için teknik olarak daha da gelişmiş seçeneklerin bulunduğuna dikkat edilmelidir - değişken geometrili turboşarjlar. Genel olarak, geleneksel türbinlere göre ikiz kaydırmalı türbinlerle aynı avantajlara sahiptirler, ancak daha büyük ölçüde. Ancak, bu tür turboşarjlar çok daha karmaşık bir tasarıma sahiptir. Ayrıca, motor kontrol ünitesi tarafından kontrol edildikleri gerçeğinden dolayı, bu tür sistemler için orijinal olarak tasarlanmamış motorlara kurulmaları zordur. Son olarak, bu türbinlerin benzinli motorlarda son derece yetersiz kullanılmasına neden olan ana faktör, bu tür motorlar için modellerin çok yüksek maliyetidir. Bu nedenle hem seri üretimde hem de tuningde son derece nadirdirler ancak ticari araçların dizel motorlarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

SEMA 2015'te BorgWarner, ikiz kaydırma teknolojisini değişken geometri tasarımıyla birleştiren bir tasarım olan İkiz Kaydırma Değişken Geometrili Türbini tanıttı. Onu içindeyüke bağlı olarak akışı çarklar arasında dağıtan çift giriş parçasına bir damper takılıdır. Düşük hızlarda, tüm egzoz gazları rotorun küçük bir kısmına gider ve büyük kısmı bloke olur, bu da geleneksel ikiz kaydırmalı türbinden daha hızlı dönüş sağlar. Yük arttıkça, damper kademeli olarak orta konuma hareket eder ve standart bir ikiz kaydırma tasarımında olduğu gibi akışı yüksek hızlarda eşit olarak dağıtır. Böylece bu teknoloji, değişken geometri teknolojisi gibi, yüke bağlı olarak A/R oranında bir değişiklik sağlayarak, türbini motorun çalışma moduna ayarlayarak çalışma aralığını genişletir. Aynı zamanda tasarımın çok daha basit ve ucuz olduğu düşünüldüğünde, burada sadece bir hareketli eleman kullanıldığı için basit bir algoritmaya göre çalışmakta ve ısıya dayanıklı malzemelerin kullanılmasına gerek kalmamaktadır. Unutulmamalıdır ki daha önce benzer çözümlerle karşılaşılmıştır (örneğin hızlı spool valf), ancak nedense bu teknoloji popülerlik kazanmamıştır.

Uygulama

Yukarıda belirtildiği gibi, çift kaydırmalı türbinler genellikle seri üretilen spor arabalarda kullanılır. Ancak, ayarlarken, tek kaydırmalı sistemlere sahip birçok motorda kullanımları sınırlı alan nedeniyle engellenir. Bu öncelikle başlığın tasarımından kaynaklanmaktadır: eşit uzunluklarda, kabul edilebilir radyal kıvrımlar ve akış özellikleri korunmalıdır. Ek olarak, malzeme ve duvar kalınlığının yanı sıra optimal uzunluk ve bükülme sorunu da vardır. Daha yüksek verimlilik nedeniyle Full-Race'e göretwin scroll türbinlerde daha küçük çaplı kanallar kullanmak mümkündür. Bununla birlikte, karmaşık şekilleri ve çift girişleri nedeniyle, böyle bir toplayıcı, daha fazla sayıda parça nedeniyle her durumda daha büyük, daha ağır ve normalden daha karmaşıktır. Bu nedenle, standart bir yere sığmayabilir, bunun sonucunda karterin değiştirilmesi gerekecektir. Ek olarak, ikiz kaydırmalı türbinlerin kendileri, benzer tek kaydırmalı türbinlerden daha büyüktür. Ek olarak, diğer appipe ve yağ tutucu gerekli olacaktır. Ek olarak, ikiz kaydırma sistemleri için harici atık kapıları ile daha iyi performans için Y-boru yerine iki atık kapısı (pervane başına bir tane) kullanılır.

Her durumda, bir VAZ'a ikiz kaydırmalı türbin takmak ve onu bir Porsche tek kaydırmalı turbo şarj cihazıyla değiştirmek mümkündür. Fark, motorun hazırlanmasındaki işin maliyeti ve kapsamıdır: seri turbo motorlarda, boşluk varsa, genellikle egzoz manifoldunu ve diğer bazı parçaları değiştirmek ve ayarlamalar yapmak yeterlidir, o zaman doğal emişli motorlar çok daha fazlasını gerektirir. turboşarj için ciddi müdahale. Ancak, ikinci durumda, ikiz kaydırmalı ve tek kaydırmalı sistemler arasındaki kurulum karmaşıklığı (maliyet açısından değil) farkı önemsizdir.

Sonuçlar

İkiz kaydırmalı türbinler, egzoz gazlarını çift türbin çarkına bölerek ve silindir etkileşimini ortadan kaldırarak tek kaydırmalı türbinlerden daha iyi performans, tepki ve verimlilik sağlar. Yine deBöyle bir sistemi kurmak çok maliyetli olabilir. Sonuç olarak, turbo motorlar için maksimum performanstan ödün vermeden yanıt verme hızını artırmak için bu en iyi çözümdür.