טורבינת גלילה תאומה: תיאור עיצוב, עקרון הפעולה, יתרונות וחסרונות

2024 מְחַבֵּר: Erin Ralphs | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-02-19 16:07

החיסרון העיקרי של מנועי טורבו בהשוואה לאפשרויות אטמוספריות הוא היענות נמוכה יותר, בשל העובדה שסחרור הטורבינה לוקח זמן מסוים. עם התפתחות מגדשי הטורבו, יצרנים מפתחים דרכים שונות לשיפור ההיענות, הביצועים והיעילות שלהם. טורבינות תאומים הן האפשרות הטובה ביותר.

תכונות כלליות

מונח זה מתייחס למגדשי טורבו עם כניסה כפולה ואימפלר כפול של גלגל הטורבינה. מאז הופעתן של הטורבינות הראשונות (לפני כ-30 שנה), הן הובחנו לאפשרויות יניקה פתוחות ונפרדות. האחרונים הם אנלוגים של מגדשי טורבו מודרניים כפולים. הפרמטרים הטובים ביותר קובעים את השימוש בהם בכוונון ובספורט מוטורי. בנוסף, חלק מהיצרנים משתמשים בהם על מכוניות ספורט בייצור כגון מיצובישי אבו, סובארו אימפרזה WRX STI, פונטיאק סולסטיס GXP ואחרים

עקרון עיצוב ותפעול

טורבינות Twin-scroll נבדלות מטורבינות קונבנציונליות בכך שיש להן גלגל טורבינות כפול וחלק כניסת מחולקים לשניים. הרוטור הוא בעיצוב מונוליטי, אך הגודל, הצורה והקימור של הלהבים משתנים לאורך הקוטר. חלק אחד שלו מיועד לעומס קטן, החלק השני לגדול.

עקרון הפעולה של טורבינות כפולות מגילות מבוסס על אספקה נפרדת של גזי פליטה בזוויות שונות לגלגל הטורבינה, בהתאם לסדר הפעולה של הצילינדרים.

תכונות העיצוב וכיצד פועלת טורבינת הגלילה התאומה נדונו בפירוט רב יותר להלן.

סעפת פליטה

לעיצוב סעפת הפליטה יש חשיבות עיקרית עבור מגדשי טורבו כפולים. הוא מבוסס על תפיסת צימוד הצילינדר של סעפות מירוץ ונקבע על פי מספר הצילינדרים וסדר הירי שלהם. כמעט כל מנועי ה-4 צילינדרים פועלים בסדר 1-3-4-2. במקרה זה, ערוץ אחד משלב צילינדרים 1 ו-4, השני - 2 ו-3. ברוב מנועי 6 צילינדרים, גזי פליטה מסופקים בנפרד מ-1, 3, 5 ו-2, 4, 6 צילינדרים. כיוצאים מן הכלל, יש לציין את RB26 ו-2JZ. הם עובדים לפי הסדר 1-5-3-6-2-4.

כתוצאה מכך, עבור מנועים אלה, 1, 2, 3 צילינדרים משודכים עבור אימפלר אחד, 4, 5, 6 עבור השני (הנעי טורבינה מאורגנים במלאי באותו סדר). כך נקראהמנועים מובחנים בעיצוב פשוט של סעפת הפליטה, המשלב את שלושת הצילינדרים הראשונים ושלושת הצילינדרים האחרונים לשני ערוצים.

בנוסף לחיבור הצילינדרים בסדר מסוים, חשובות מאוד תכונות אחרות של הסעפת. קודם כל, שני הערוצים חייבים להיות בעלי אותו אורך ואותו מספר עיקולים. זאת בשל הצורך להבטיח את אותו לחץ של גזי הפליטה המסופקים. בנוסף, חשוב שאוגן הטורבינה על הסעפת יתאים לצורת ולמידות כניסתה. לבסוף, כדי להבטיח את הביצועים הטובים ביותר, עיצוב סעפת חייב להיות מותאם באופן הדוק ל-A/R של הטורבינה.

הצורך בשימוש בסעפת פליטה בעיצוב מתאים לטורבינות כפולות גלגלים נקבע על ידי העובדה שבמקרה של שימוש בסעפת קונבנציונלית, מגדש טורבו כזה יעבוד כמגילה אחת. אותו הדבר נצפה בעת שילוב של טורבינה חד-מגילה עם סעפת כפולה.

אינטראקציה אימפולסיבית של צילינדרים

אחד היתרונות המשמעותיים של מגדשי טורבו כפולים, הקובעים את היתרונות שלהם על פני מגלילה בודדות, הוא הפחתה או ביטול משמעותי של ההשפעה ההדדית של צילינדרים על ידי דחפי גזי פליטה.

ידוע שכדי שכל צילינדר יעבור את כל ארבעת המהלכים, גל הארכובה חייב להסתובב 720 מעלות. זה נכון גם למנועי 4 וגם 12 צילינדרים. עם זאת, אם, כאשר גל הארכובה מסובב ב-720 מעלות על הצילינדרים הראשונים, הם משלימים מחזור אחד, אז על12 צילינדרים - כל המחזורים. כך, עם עלייה במספר הצילינדרים, מצטמצמת כמות הסיבוב של גל הארכובה בין אותן פעימות לכל צילינדר. אז במנועי 4 צילינדרים, מהלך הכוח מתרחש כל 180 מעלות בצילינדרים שונים. זה נכון גם לתנועות יניקה, דחיסה ופליטה. במנועי 6 צילינדרים, יותר אירועים מתרחשים ב-2 סיבובים של גל הארכובה, כך שאותן המהלכים בין הצילינדרים נמצאים במרחק של 120 מעלות. עבור מנועי 8 צילינדרים, המרווח הוא 90 מעלות, עבור מנועי 12 צילינדרים - 60 מעלות.

ידוע שלגלי זיזים יכולים להיות שלב של 256 עד 312° או יותר. לדוגמה, אנחנו יכולים לקחת מנוע עם פאזות של 280° בכניסה וביציאה. בעת שחרור גזי פליטה על מנוע 4 צילינדרים כזה, כל 180 מעלות, שסתומי הפליטה של הצילינדר יהיו פתוחים למשך 100 מעלות. זה נדרש כדי להרים את הבוכנה מלמטה למרכז המלח העליון במהלך הפליטה של אותו צילינדר. עם פקודת הירי 1-3-2-4 עבור הצילינדר השלישי, שסתומי הפליטה יתחילו להיפתח בתום מהלך הבוכנה. בשלב זה, מהלך היניקה יתחיל בצילינדר הראשון, ושסתומי הפליטה יתחילו להיסגר. במהלך 50° הראשונות של פתיחת שסתומי הפליטה של הצילינדר השלישי, יפתחו שסתומי הפליטה של הצילינדר הראשון, ושסתומי היניקה שלו יתחילו גם הם להיפתח. לפיכך, השסתומים חופפים בין הצילינדרים.

לאחר הוצאת גזי הפליטה מהצילינדר הראשון, שסתומי הפליטה נסגרים ושסתומי היניקה מתחילים להיפתח. במקביל, שסתומי הפליטה של הגליל השלישי נפתחים, ומשחררים גזי פליטה עתירי אנרגיה. נתח משמעותיהלחץ והאנרגיה שלהם משמשים להנעת הטורבינה, וחלק קטן יותר מחפש את הנתיב של ההתנגדות הקטנה ביותר. עקב הלחץ הנמוך יותר של שסתומי הפליטה הסוגרים של הגליל הראשון בהשוואה לכניסת הטורבינה האינטגרלית, חלק מגזי הפליטה של הגליל השלישי נשלחים לראשון.

בשל העובדה שמהלך היניקה מתחיל בצילינדר הראשון, מטען היניקה מדולל בגזי פליטה ומאבד כוח. לבסוף, השסתומים של הגליל הראשון נסגרים והבוכנה של השלישי עולה. עבור האחרון, השחרור מתבצע, והמצב שנחשב עבור צילינדר 1 חוזר על עצמו כאשר שסתומי הפליטה של הצילינדר השני נפתחים. לפיכך, יש בלבול. בעיה זו בולטת עוד יותר במנועי 6 ו-8 צילינדרים עם מרווחי פעולת פליטה בין צילינדרים של 120 ו-90 מעלות, בהתאמה. במקרים אלו, קיימת חפיפה ארוכה אף יותר של שסתומי הפליטה של שני הצילינדרים.

בשל חוסר האפשרות לשנות את מספר הצילינדרים, ניתן לפתור בעיה זו על ידי הגדלת המרווח בין מחזורים דומים על ידי שימוש במגדש טורבו. במקרה של שימוש בשתי טורבינות במנועי 6 ו-8 צילינדרים, ניתן לשלב צילינדרים כדי להניע כל אחד מהם. במקרה זה, המרווחים בין אירועי שסתום פליטה דומים יוכפלו. לדוגמה, עבור RB26, ניתן לשלב צילינדרים 1-3 עבור הטורבינה הקדמית ו-4-6 עבור האחורי. זה מבטל את הפעולה הרצופה של הצילינדרים עבור טורבינה אחת. לכן, המרווח בין אירועי שסתום פליטה עבורצילינדרים של מגדש טורבו אחד גדלים מ-120 ל-240°.

בשל העובדה שלטורבינת הגלילה הטווין יש סעפת פליטה נפרדת, במובן זה היא דומה למערכת עם שני מגדשי טורבו. אז, למנועי 4 צילינדרים עם שתי טורבינות או מגדש טורבו כפול גלילה יש מרווח של 360 מעלות בין אירועים. למנועי 8 צילינדרים עם מערכות דחיפה דומות יש את אותו מרווח. תקופה ארוכה מאוד, העולה על משך הרמת השסתומים, לא כוללת את החפיפה שלהם עבור הצילינדרים של טורבינה אחת.

בדרך זו, המנוע שואב יותר אוויר ושואב את גזי הפליטה הנותרים בלחץ נמוך, וממלא את הצילינדרים במטען צפוף ונקי יותר, וכתוצאה מכך בעירה אינטנסיבית יותר, המשפרת את הביצועים. בנוסף, יעילות נפח גדולה יותר וניקוי טוב יותר מאפשרים שימוש בעיכוב הצתה גבוה יותר כדי לשמור על טמפרטורות שיא של צילינדר. הודות לכך, הנצילות של טורבינות כפולות גלילה גבוהה ב-7-8% בהשוואה לטורבינות חד-גלילה עם יעילות דלק טובה יותר ב-5%.

למגדשי טורבו טווין-גלילה יש לחץ ויעילות ממוצעת גבוהות יותר של צילינדר, אך שיא לחץ צילינדר ולחץ אחורי ליציאה נמוכים יותר, בהשוואה למגדשי טורבו חד-גלילה, לפי Full-Race. למערכות Twin Scroll יש יותר לחץ אחורי בסל"ד נמוך (מקדמת דחיפה) ופחות בסל"ד גבוה (שיפור הביצועים). לבסוף, מנוע עם מערכת דחיפה כזו פחות רגיש להשפעות השליליות של פאזה רחבהגלי זיזים.

ביצועים

למעלה היו העמדות התיאורטיות של תפקודן של טורבינות כפולות מגילות. מה זה נותן בפועל נקבע על ידי מדידות. בדיקה כזו בהשוואה לגרסת הגלילה הבודדת בוצעה על ידי מגזין DSPORT בפרויקט KA 240SX. ה-KA24DET שלו מפתח עד 700 כ"ס. עם. על גלגלים ב-E85. המנוע מצויד בסעפת פליטה מותאמת אישית של Wisecraft Fabrication ומגדש טורבו של Garrett GTX. במהלך הבדיקות, רק בית הטורבינה הוחלף באותו ערך A/R. בנוסף לשינויי ההספק והמומנט, הבודקים מדדו את ההיענות על ידי מדידת הזמן להגיע לסל"ד מסוים ולהגביר את הלחץ בהילוך שלישי בתנאי שיגור דומים.

התוצאות הראו את הביצועים הטובים ביותר של טורבינת הגלילה הכפולה לאורך כל טווח הסל"ד. הוא הראה את העליונות הגדולה ביותר בהספק בטווח שבין 3500 ל-6000 סל"ד. התוצאות הטובות ביותר נובעות מלחץ הדחיפה הגבוה יותר באותו סל"ד. בנוסף, לחץ רב יותר סיפק עלייה במומנט, הדומה להשפעה של הגדלת נפח המנוע. זה גם בולט ביותר במהירויות בינוניות. בתאוצה מ-45 ל-80 מ' לשעה (3100-5600 סל"ד), הטורבינה הכפולה גלילה עלתה על הגלילה הבודדת ב-0.49 שניות (2.93 לעומת 3.42), מה שייתן הבדל של שלושה גופים. כלומר, כאשר מכונית עם מגדש טורבו מגלילה מגיעה ל-80 קמ"ש, גרסת הגלילה הכפולה תיסע 3 אורכי מכונית קדימה במהירות של 95 קמ"ש. בטווח המהירות של 60-100 מ"ש (4200-7000 סל"ד), העליונות של הטורבינה הכפולה.התברר כפחות משמעותי והסתכם ב-0.23 שניות (1.75 מול 1.98 שניות) ו-5 מ"ש (105 מול 100 מ"ש). מבחינת מהירות ההגעה ללחץ מסוים, מגדש טורבו כפול גלילה מקדים מגדש טורבו בודד בכ-0.6 שניות. אז ב-30 psi ההבדל הוא 400 סל"ד (5500 מול 5100 סל"ד).

השוואה נוספת נעשתה על ידי Full Race Motorsports על מנוע 2.3L Ford EcoBoost עם טורבו BorgWarner EFR. במקרה זה, קצב זרימת גזי הפליטה בכל ערוץ הושווה על ידי הדמיית מחשב. עבור טורבינת טווין-מגילה, התפשטות ערך זה הייתה עד 4%, ואילו עבור טורבינה יחידה היא הייתה 15%. התאמת קצב זרימה טובה יותר פירושה פחות אובדן ערבוב ויותר אנרגיית דחף עבור מגדשי טורבו כפולים.

יתרונות וחסרונות

טורבינות טווין גלילה מציעות יתרונות רבים על פני טורבינות גלילה בודדות. אלה כוללים:

• הגברת הביצועים בכל טווח הסיבובים;
• תגובתיות טובה יותר;
• less mixing loss;
• אנרגיית דחף מוגברת לגלגל הטורבינה;
• לשפר את היעילות;
• יותר מומנט בקצה התחתון בדומה למערכת כפול-טורבו;
• הפחתת הנחתה של טעינת היניקה כאשר שסתומים חופפים בין צילינדרים;
• טמפרטורת גז הפליטה נמוכה יותר;
• הפחתת הפסדי דחף של המנוע;
• להפחית את צריכת הדלק.

החיסרון העיקרי הוא המורכבות הגדולה של העיצוב, מה שגורם לעלייהמחיר. בנוסף, בלחץ גבוה במהירויות גבוהות, הפרדת זרימת הגז לא תאפשר לך לקבל את אותם ביצועי שיא כמו בטורבינה חד-גלילה.

מבחינה מבנית, טורבינות כפולות גלילה דומות למערכות עם שני מגדשי טורבו (בי-טורבו ותאום-טורבו). בהשוואה אליהם, לטורבינות כאלה, להיפך, יש יתרונות בעלות ובפשטות התכנון. חלק מהיצרנים מנצלים זאת, כמו ב.מ.וו, שהחליפה את מערכת כפול-טורבו ב-N54B30 1-סדרה M קופה במגדש טורבו כפול-גלילה ב-N55B30 M2.

יש לציין שיש אפשרויות מתקדמות אפילו יותר מבחינה טכנית לטורבינות, המייצגות את השלב הגבוה ביותר בפיתוחן - מגדשי טורבו עם גיאומטריה משתנה. באופן כללי, יש להם את אותם יתרונות על פני טורבינות קונבנציונליות כמו טווין-סקרול, אבל במידה רבה יותר. עם זאת, מגדשי טורבו כאלה יש עיצוב הרבה יותר מורכב. בנוסף, קשה להגדיר אותם על מנועים שלא תוכננו במקור למערכות כאלה, בשל העובדה שהם נשלטים על ידי יחידת בקרת המנוע. לבסוף, הגורם העיקרי שגורם לשימוש הגרוע ביותר בטורבינות אלו במנועי בנזין הוא העלות הגבוהה מאוד של דגמים למנועים כאלה. לכן, הן בייצור המוני והן בתחום הכוונון, הם נדירים ביותר, אך הם נמצאים בשימוש נרחב במנועי דיזל של רכבים מסחריים.

ב-SEMA 2015, BorgWarner חשפה עיצוב המשלב טכנולוגיית טווין גלילה עם עיצוב גיאומטריה משתנה, טורבינת הגיאומטריה המשתנה של Twin Scroll. בָּהבחלק הכניסה הכפול מותקן מנחת, אשר בהתאם לעומס מחלק את הזרימה בין האימפלרים. במהירויות נמוכות, כל גזי הפליטה מגיעים לחלק קטן של הרוטור, וחלקו הגדול חסום, מה שמספק ספין-אפ מהיר אפילו יותר מטורבינת טווין-סקרול קונבנציונלית. ככל שהעומס גדל, הבולם עובר בהדרגה למצב האמצעי ומפזר את הזרימה באופן שווה במהירויות גבוהות, כמו בעיצוב רגיל של טווין-גלילה. לפיכך, טכנולוגיה זו, כמו טכנולוגיית גיאומטריה משתנה, מספקת שינוי ביחס A/R בהתאם לעומס, התאמת הטורבינה למצב הפעולה של המנוע, מה שמרחיב את טווח הפעולה. יחד עם זאת, בהתחשב בעיצוב הוא הרבה יותר פשוט וזול, שכן כאן נעשה שימוש רק באלמנט נע אחד, הפועל על פי אלגוריתם פשוט, ואין צורך בשימוש בחומרים עמידים בחום. יש לציין שכבר נתקלו בפתרונות דומים בעבר (לדוגמה, שסתום סליל מהיר), אך משום מה הטכנולוגיה הזו לא צברה פופולריות.

Application

כפי שצוין לעיל, טורבינות כפולות גלילים משמשות לעתים קרובות במכוניות ספורט בייצור המוני. עם זאת, בעת כוונון, השימוש בהם במנועים רבים עם מערכות עם גלילה בודדת מפריע על ידי מקום מוגבל. זה נובע בעיקר מהעיצוב של הכותרת: באורכים שווים, יש לשמור על כיפופים רדיאליים ומאפייני זרימה מקובלים. בנוסף, ישנה שאלה של האורך והעיקול האופטימליים, כמו גם החומר ועובי הדופן. לפי Full-Race, בשל יעילות רבה יותרטורבינות טווין-גלילה, אפשר להשתמש בערוצים בקוטר קטן יותר. אולם, בשל צורתם המורכבת והכניסה הכפולה, אספן כזה הוא בכל מקרה גדול, כבד ומסובך מהרגיל בשל ריבוי החלקים. לכן, ייתכן שהוא לא יתאים למקום סטנדרטי, וכתוצאה מכך יהיה צורך להחליף את הארכובה. בנוסף, טורבינות כפולות גליל עצמן גדולות יותר מטורבינות דומות עם מגילה אחת. בנוסף, תידרש מלכודת אפי ומלכודת שמן אחרת. בנוסף, נעשה שימוש בשני wastegates (אחד לכל אימפלר) במקום צינור Y לביצועים טובים יותר עם wastegates חיצוניים למערכות טווין גלילה.

בכל מקרה, אפשר להתקין טורבינת טווין-סקרול על VAZ, ולהחליף אותה במגדש טורבו חד-גלילה של פורשה. ההבדל טמון בעלות ובהיקף העבודה על הכנת המנוע: אם במנועי טורבו סדרתיים, אם יש מקום, זה בדרך כלל מספיק להחליף את סעפת הפליטה וכמה חלקים אחרים ולבצע התאמות, אז מנועי שאיבה טבעיים דורשים הרבה יותר התערבות רצינית עבור טעינת טורבו. עם זאת, במקרה השני, ההבדל במורכבות ההתקנה (אך לא בעלות) בין מערכות טווין-גלילה ל-Single-scroll אינו משמעותי.

מסקנות

טורבינות Twin-scroll מספקות ביצועים, היענות ויעילות טובים יותר מטורבינות חד-גלילה על ידי פיצול גזי הפליטה לגלגל הטורבינה הכפולה וביטול הפרעות צילינדר. למרות זאתבניית מערכת כזו עלולה להיות יקרה מאוד. בסך הכל, זהו הפתרון הטוב ביותר להגברת ההיענות מבלי לוותר על ביצועים מקסימליים עבור מנועי טורבו.