توربین اسکرول دوقلو: توضیحات طراحی، اصل عملکرد، مزایا و معایب

2024 نویسنده: Erin Ralphs | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-02-19 14:58

عیب اصلی موتورهای توربوشارژ در مقایسه با گزینه های اتمسفر، پاسخگویی کمتر است، زیرا چرخش توربین زمان خاصی را می گیرد. با توسعه توربوشارژرها، سازندگان در حال توسعه راه های مختلفی برای بهبود پاسخگویی، عملکرد و کارایی خود هستند. توربین‌های اسکرول دوقلو بهترین گزینه هستند.

ویژگی های عمومی

این اصطلاح به توربوشارژرهایی با ورودی دوتایی و پروانه دوتایی چرخ توربین اشاره دارد. از زمان ظهور اولین توربین ها (حدود 30 سال پیش)، آنها به گزینه های ورودی باز و مجزا متمایز شده اند. مورد دوم آنالوگ توربوشارژرهای دوقلو مدرن هستند. بهترین پارامترها استفاده از آنها را در تیونینگ و موتوراسپرت تعیین می کند. علاوه بر این، برخی از تولیدکنندگان از آنها در خودروهای اسپرت تولیدی مانند میتسوبیشی اوو، سوبارو ایمپرزا WRX STI، Pontiac Solstice GXP ودیگران

اصل طراحی و عملکرد

توربین های دوقلو با توربین های معمولی با داشتن یک چرخ توربین دوقلو و یک قسمت ورودی که به دو قسمت تقسیم شده اند متفاوت هستند. روتور یک طرح یکپارچه است، اما اندازه، شکل و انحنای تیغه ها در طول قطر متفاوت است. یک قسمت آن برای یک بار کوچک طراحی شده است، دیگری برای یک بار بزرگ.

اصل عملکرد توربین‌های اسکرول دوقلو بر اساس عرضه جداگانه گازهای خروجی در زوایای مختلف به چرخ توربین، بسته به ترتیب عملکرد سیلندرها است.

ویژگی های طراحی و نحوه عملکرد توربین اسکرول دوقلو با جزئیات بیشتر در زیر مورد بحث قرار گرفته است.

منیفولد اگزوز

طراحی منیفولد اگزوز برای توربوشارژرهای دوقلو از اهمیت اولیه برخوردار است. این بر اساس مفهوم جفت سیلندر منیفولدهای مسابقه است و با تعداد سیلندرها و ترتیب شلیک آنها تعیین می شود. تقریباً تمام موتورهای 4 سیلندر به ترتیب 1-3-4-2 کار می کنند. در این مورد، یک کانال سیلندرهای 1 و 4، دیگری - 2 و 3 را ترکیب می کند. در اکثر موتورهای 6 سیلندر، گازهای خروجی به طور جداگانه از 1، 3، 5 و 2، 4، 6 سیلندر عرضه می شود. به عنوان استثناء، باید به RB26 و 2JZ اشاره کرد. آنها به ترتیب 1-5-3-6-2-4 کار می کنند.

در نتیجه، برای این موتورها، 1، 2، 3 سیلندر برای یک پروانه، 4، 5، 6 برای پروانه دوم جفت می شوند (درایوهای توربین به همان ترتیب در انبار سازماندهی می شوند). بدین ترتیب نامگذاری شده استموتورها با طراحی ساده منیفولد اگزوز متمایز می شوند که سه سیلندر اول و سه سیلندر آخر را در دو کانال ترکیب می کند.

علاوه بر اتصال سیلندرها به ترتیب خاصی، سایر ویژگی های منیفولد بسیار مهم است. اول از همه، هر دو کانال باید دارای طول یکسان و تعداد خم های یکسان باشند. این به دلیل نیاز به اطمینان از فشار یکسان گازهای خروجی عرضه شده است. علاوه بر این، مهم است که فلنج توربین روی منیفولد با شکل و ابعاد ورودی آن مطابقت داشته باشد. در نهایت، برای اطمینان از بهترین عملکرد، طراحی منیفولد باید کاملاً با A/R توربین مطابقت داشته باشد.

نیاز به استفاده از منیفولد اگزوز با طراحی مناسب برای توربین‌های دوقلو با این واقعیت مشخص می‌شود که در مورد استفاده از منیفولد معمولی، چنین توربوشارژر به عنوان یک اسکرول کار می‌کند. همین امر هنگام ترکیب یک توربین تک اسکرول با یک منیفولد دو اسکرول مشاهده خواهد شد.

برهم کنش ضربه ای سیلندرها

یکی از مزایای قابل توجه توربوشارژرهای دو اسکرول که مزایای آنها را نسبت به توربوشارژرهای تک اسکرول مشخص می کند، کاهش یا حذف قابل توجه تأثیر متقابل سیلندرها توسط تکانه های گاز خروجی است.

مشخص است که برای عبور هر سیلندر هر چهار حرکت، میل لنگ باید 720 درجه بچرخد. این موضوع برای موتورهای 4 و 12 سیلندر صدق می کند. با این حال، اگر، هنگامی که میل لنگ روی سیلندرهای اول 720 درجه بچرخد، آنها یک چرخه را کامل کنند، سپس در12 سیلندر - همه چرخه. بنابراین، با افزایش تعداد سیلندرها، میزان چرخش میل لنگ بین ضربات یکسان برای هر سیلندر کاهش می یابد. بنابراین، در موتورهای 4 سیلندر، کورس قدرت هر 180 درجه در سیلندرهای مختلف رخ می دهد. این امر برای ضربه های ورودی، فشرده سازی و اگزوز نیز صادق است. در موتورهای 6 سیلندر، رویدادهای بیشتری در 2 دور میل لنگ رخ می دهد، بنابراین ضربات یکسان بین سیلندرها 120 درجه از هم فاصله دارند. برای موتورهای 8 سیلندر، فاصله 90 درجه، برای موتورهای 12 سیلندر - 60 درجه است.

مشخص است که میل بادامک ها می توانند فازی بین 256 تا 312 درجه یا بیشتر داشته باشند. به عنوان مثال، می توانیم موتوری را با فازهای 280 درجه در ورودی و خروجی بگیریم. هنگام انتشار گازهای خروجی در چنین موتور 4 سیلندر، در هر 180 درجه، دریچه های اگزوز سیلندر به مدت 100 درجه باز می شود. این برای بلند کردن پیستون از پایین به بالا در هنگام خروج اگزوز برای آن سیلندر لازم است. با دستور شلیک 1-3-2-4 برای سیلندر سوم، دریچه های اگزوز در انتهای حرکت پیستون شروع به باز شدن می کنند. در این زمان، کورس ورودی در سیلندر اول آغاز می شود و دریچه های اگزوز شروع به بسته شدن می کنند. در طول 50 درجه اول باز شدن دریچه های خروجی سیلندر سوم، سوپاپ های خروجی سیلندر اول باز می شوند و سوپاپ های ورودی آن نیز شروع به باز شدن می کنند. بنابراین، سوپاپ ها بین سیلندرها همپوشانی دارند.

بعد از حذف گازهای خروجی از سیلندر اول، سوپاپ های خروجی بسته می شوند و سوپاپ های ورودی شروع به باز شدن می کنند. در همان زمان، سوپاپ های اگزوز سیلندر سوم باز می شوند و گازهای خروجی پر انرژی آزاد می شوند. سهم قابل توجهیاز فشار و انرژی آنها برای راندن توربین استفاده می شود و بخش کوچکتری به دنبال مسیری با کمترین مقاومت است. با توجه به فشار کمتر بسته شدن سوپاپ های اگزوز سیلندر اول نسبت به ورودی توربین یکپارچه، بخشی از گازهای خروجی سیلندر سوم به سیلندر اول فرستاده می شود.

با توجه به این واقعیت که سکته ورودی در سیلندر اول شروع می شود، شارژ ورودی با گازهای خروجی رقیق شده و قدرت را از دست می دهد. در نهایت سوپاپ های سیلندر اول بسته می شود و پیستون سوم بالا می رود. برای دومی، آزادسازی انجام می شود و وضعیت در نظر گرفته شده برای سیلندر 1 با باز شدن دریچه های اگزوز سیلندر دوم تکرار می شود. بنابراین، سردرگمی وجود دارد. این مشکل در موتورهای 6 و 8 سیلندر با فواصل کورس اگزوز بین سیلندرها به ترتیب 120 و 90 درجه بیشتر است. در این موارد، همپوشانی طولانی‌تری در سوپاپ‌های اگزوز دو سیلندر وجود دارد.

به دلیل عدم امکان تغییر تعداد سیلندرها، با افزایش فاصله بین سیکل های مشابه با استفاده از توربوشارژر این مشکل حل می شود. در صورت استفاده از دو توربین در موتورهای 6 و 8 سیلندر، می توان سیلندرها را برای به حرکت درآوردن هر یک از آنها ترکیب کرد. در این صورت فواصل بین رویدادهای مشابه دریچه اگزوز دو برابر خواهد شد. به عنوان مثال، برای RB26، می توانید سیلندرهای 1-3 را برای توربین جلو و 4-6 را برای عقب ترکیب کنید. این کار عملکرد پی در پی سیلندرها را برای یک توربین حذف می کند. بنابراین، فاصله بین رویدادهای سوپاپ اگزوز برایسیلندرهای یک توربوشارژر از 120 به 240 درجه افزایش می یابد.

با توجه به اینکه توربین اسکرول دوقلو دارای منیفولد اگزوز مجزا است، از این نظر شبیه به سیستمی با دو توربوشارژر است. بنابراین، موتورهای 4 سیلندر با دو توربین یا یک توربوشارژر دوقلو دارای فاصله 360 درجه بین رویدادها هستند. موتورهای 8 سیلندر با سیستم تقویت مشابه دارای فاصله یکسانی هستند. یک دوره بسیار طولانی، بیش از مدت زمان بالا بردن سوپاپ، همپوشانی آنها را برای سیلندرهای یک توربین مستثنی می کند.

به این ترتیب، موتور هوای بیشتری را به داخل می کشد و گازهای خروجی باقیمانده را با فشار کم بیرون می کشد، سیلندرها را با شارژ متراکم تر و تمیزتر پر می کند و در نتیجه احتراق شدیدتری ایجاد می کند که عملکرد را بهبود می بخشد. علاوه بر این، راندمان حجمی بیشتر و تمیز کردن بهتر امکان استفاده از تاخیر جرقه زنی بالاتر را برای حفظ حداکثر دمای سیلندر فراهم می کند. به همین دلیل، راندمان توربین‌های دوقطبی 7 تا 8 درصد در مقایسه با توربین‌های تک‌اسکرول با 5 درصد راندمان سوخت بهتر است.

بر اساس گزارش Full-Race، توربوشارژرهای دو اسکرولدارای میانگین فشار و راندمان سیلندر بالاتر هستند، اما اوج فشار سیلندر و فشار خروجی کمتری در مقایسه با توربوشارژرهای تک اسکرول دارند. سیستم‌های Twin-scroll فشار برگشتی بیشتری در دورهای پایین (بهبود افزایش) و کمتر در دور بالا (بهبود عملکرد) دارند. در نهایت، موتوری با چنین سیستم تقویتی نسبت به اثرات منفی فاز واید حساسیت کمتری داردمیل بادامک.

عملکرد

در بالا موقعیت‌های نظری عملکرد توربین‌های اسکرول دوقلو بود. آنچه این در عمل می دهد با اندازه گیری ها مشخص می شود. چنین آزمایشی در مقایسه با نسخه تک اسکرول توسط مجله DSPORT بر روی Project KA 240SX انجام شد. KA24DET او تا 700 اسب بخار تولید می کند. با. روی چرخ های E85. این موتور به منیفولد اگزوز سفارشی Wisecraft Fabrication و توربوشارژر Garrett GTX مجهز شده است. در طول آزمایشات، فقط محفظه توربین با همان مقدار A / R تغییر یافت. علاوه بر تغییرات قدرت و گشتاور، آزمایش‌کنندگان با اندازه‌گیری زمان رسیدن به RPM خاص و افزایش فشار در دنده سوم تحت شرایط پرتاب مشابه، پاسخ‌دهی را اندازه‌گیری کردند.

نتایج بهترین عملکرد توربین اسکرول دوقلو را در کل محدوده دور در دقیقه نشان داد. بیشترین برتری را در قدرت در محدوده 3500 تا 6000 دور در دقیقه نشان داد. بهترین نتایج به دلیل افزایش فشار بوست در همان دور در دقیقه است. علاوه بر این، فشار بیشتر باعث افزایش گشتاور می شود که با اثر افزایش حجم موتور قابل مقایسه است. همچنین در سرعت های متوسط بیشتر تلفظ می شود. در شتاب 45 تا 80 متر در ساعت (3100-5600 دور در دقیقه)، توربین دو اسکرول 0.49 ثانیه (2.93 در مقابل 3.42) بهتر از توربین اسکرول دوقلو عمل کرد که اختلاف سه بدنه را به همراه خواهد داشت. یعنی زمانی که خودرویی با توربوشارژر سیگنال اسکرول به سرعت 80 مایل در ساعت می‌رسد، نوع اسکرول دوقلو با سرعت 95 مایل در ساعت، 3 خودرو را جلوتر طی می‌کند. در محدوده سرعت 60-100 متر در ساعت (4200-7000 دور در دقیقه)، برتری توربین دوقلومشخص شد که اهمیت کمتری دارد و به 0.23 ثانیه (1.75 در مقابل 1.98 ثانیه) و 5 m/h (105 در مقابل 100 m/h) رسید. از نظر سرعت رسیدن به فشار معین، یک توربوشارژر دو اسکرول حدود 0.6 ثانیه از یک توربوشارژر تک اسکرول جلوتر است. بنابراین در 30 psi اختلاف 400 دور در دقیقه (5500 در مقابل 5100 دور در دقیقه) است.

مقایسه دیگری توسط Full Race Motorsports در موتور 2.3 لیتری فورد اکوبوست با توربو BorgWarner EFR انجام شد. در این مورد، نرخ جریان گاز خروجی در هر کانال با شبیه سازی کامپیوتری مقایسه شد. برای یک توربین دوقلو، گسترش این مقدار تا 4٪ بود، در حالی که برای یک توربین یک اسکرول 15٪ بود. تطبیق نرخ جریان بهتر به معنای تلفات اختلاط کمتر و انرژی ضربه ای بیشتر برای توربوشارژرهای دوقلو است.

مزایا و معایب

توربین های اسکرول دوقلو مزایای زیادی نسبت به توربین های اسکرول تک دارند. این موارد عبارتند از:

• افزایش عملکرد در سراسر محدوده دور؛
• پاسخگویی بهتر؛
• افت اختلاط کمتر؛
• افزایش انرژی ضربه به چرخ توربین؛
• افزایش کارایی بهتر؛
• گشتاور پایین تر بیشتر شبیه به سیستم توئین توربو؛
• کاهش تضعیف شارژ ورودی هنگام همپوشانی سوپاپ ها بین سیلندرها؛
• کاهش دمای گاز خروجی؛
• کاهش تلفات ضربه موتور؛
• کاهش مصرف سوخت.

عیب اصلی پیچیدگی زیاد طراحی است که باعث افزایشقیمت علاوه بر این، در فشار بالا در سرعت‌های بالا، جداسازی جریان گاز به شما این امکان را نمی‌دهد که عملکرد اوج یکسانی را در یک توربین تک‌اسکرول داشته باشید.

از نظر ساختاری، توربین های دوقلو شبیه به سیستم های دارای دو توربوشارژر (بای توربو و دو توربو) هستند. در مقایسه با آنها، چنین توربین هایی، برعکس، دارای مزیت هایی در هزینه و سادگی طراحی هستند. برخی از سازندگان از این مزیت استفاده می کنند، مانند BMW، که سیستم توربو دوقلو را در N54B30 سری 1 M کوپه با یک توربوشارژر دوقلو در N55B30 M2 جایگزین کرد.

لازم به ذکر است که حتی گزینه های فنی پیشرفته تری برای توربین ها وجود دارد که نشان دهنده بالاترین مرحله توسعه آنها است - توربوشارژرهایی با هندسه متغیر. به طور کلی، آنها نسبت به توربین‌های معمولی مزایای مشابهی دارند، اما تا حد زیادی. با این حال، چنین توربوشارژرهایی طراحی بسیار پیچیده تری دارند. علاوه بر این، نصب آنها بر روی موتورهایی که در اصل برای چنین سیستم هایی طراحی نشده اند، به دلیل این واقعیت که توسط واحد کنترل موتور کنترل می شوند، دشوار است. در نهایت، عامل اصلی که باعث استفاده بسیار ضعیف از این توربین ها در موتورهای بنزینی می شود، هزینه بسیار بالای مدل های چنین موتورهایی است. بنابراین، هم در تولید انبوه و هم در تیونینگ، بسیار نادر هستند، اما به طور گسترده در موتورهای دیزلی خودروهای تجاری استفاده می شوند.

در SEMA 2015، BorgWarner طرحی را رونمایی کرد که ترکیبی از فناوری اسکرول دوقلو با طراحی هندسه متغیر است، توربین هندسه متغیر Scroll Twin. در اویک دمپر در قسمت ورودی دوتایی تعبیه شده است که بسته به بار، جریان را بین پروانه ها توزیع می کند. در سرعت‌های پایین، همه گازهای خروجی به قسمت کوچکی از روتور می‌روند و قسمت بزرگ مسدود می‌شود، که حتی سریع‌تر از توربین‌های متحرک دوقلوی معمولی چرخش می‌کند. همانطور که بار افزایش می یابد، دمپر به تدریج به موقعیت وسط حرکت می کند و جریان را در سرعت های بالا به طور مساوی توزیع می کند، همانطور که در یک طرح استاندارد Twin-scroll وجود دارد. بنابراین، این فناوری، مانند فناوری هندسه متغیر، تغییری در نسبت A/R بسته به بار ایجاد می‌کند و توربین را با حالت کارکرد موتور تنظیم می‌کند که دامنه عملکرد را افزایش می‌دهد. در عین حال، با توجه به طراحی بسیار ساده تر و ارزان تر است، زیرا تنها یک عنصر متحرک در اینجا استفاده می شود که طبق یک الگوریتم ساده کار می کند و استفاده از مواد مقاوم در برابر حرارت مورد نیاز نیست. لازم به ذکر است که قبلاً با راه حل های مشابهی مواجه شده بود (مثلاً شیر قرقره سریع) اما به دلایلی این فناوری محبوبیت پیدا نکرده است.

برنامه

همانطور که در بالا ذکر شد، توربین های دوقلو اغلب در خودروهای اسپرت تولید انبوه استفاده می شوند. با این حال، هنگام تنظیم، استفاده از آنها در بسیاری از موتورها با سیستم های تک اسکرول به دلیل فضای محدود با مشکل مواجه می شود. این در درجه اول به دلیل طراحی هدر است: در طول های مساوی، خم های شعاعی قابل قبول و ویژگی های جریان باید حفظ شود. علاوه بر این، یک سوال در مورد طول و خم بهینه، و همچنین مواد و ضخامت دیوار وجود دارد. به گزارش فول ریس به دلیل کارایی بیشتردر توربین های دوقلو می توان از کانال هایی با قطر کمتر استفاده کرد. با این حال، به دلیل شکل پیچیده و ورودی دوگانه، چنین کلکتوری در هر صورت به دلیل تعداد قطعات بیشتر، بزرگتر، سنگین تر و پیچیده تر از حد معمول است. بنابراین، ممکن است در یک مکان استاندارد قرار نگیرد، در نتیجه نیاز به تعویض میل لنگ خواهد بود. علاوه بر این، خود توربین های دوقطبی بزرگتر از توربین های مشابه تک اسکرول هستند. علاوه بر این، سایر تله‌ها و تله‌های روغن مورد نیاز خواهد بود. علاوه بر این، برای عملکرد بهتر با ضایعات خارجی برای سیستم‌های اسکرول دوقلو، از دو دریچه زباله (یکی در هر پروانه) به جای یک لوله Y استفاده می‌شود.

در هر صورت امکان نصب توربین دوقطبی روی VAZ و جایگزینی آن با توربوشارژر تک اسکرول پورشه وجود دارد. تفاوت در هزینه و دامنه کار برای آماده سازی موتور نهفته است: اگر در موتورهای توربو سریال، در صورت وجود فضا، معمولاً کافی است منیفولد اگزوز و برخی از قطعات دیگر را تعویض کنید و تنظیمات را انجام دهید، در این صورت موتورهای تنفس طبیعی به مقدار بیشتری نیاز دارند. مداخله جدی برای توربوشارژ با این حال، در مورد دوم، تفاوت در پیچیدگی نصب (اما نه در هزینه) بین سیستم‌های اسکرول دوقلو و تک پیمایش ناچیز است.

نتیجه گیری

توربین های دوقلو عملکرد، پاسخگویی و کارایی بهتری نسبت به توربین های تک اسکرول با تقسیم گازهای خروجی به چرخ توربین دوگانه و حذف تداخل سیلندر ارائه می دهند. با این حالساخت چنین سیستمی می تواند بسیار پرهزینه باشد. در مجموع، این بهترین راه حل برای افزایش پاسخگویی بدون به خطر انداختن حداکثر عملکرد برای موتورهای توربو است.