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

Основним недоліком турбованих двигунів в 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 твинскрольные турбіни.

Загальні особливості

Під цим терміном розуміють турбокомпресори із 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 твинскрольных турбокомпресорів. Кращі параметри визначають застосування їх у 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 твинскрольные відрізняються подвійним турбінним колесом і розділеної надвоє вхідною частиною. Ротор має монолітну конструкцію, а розмір, форма і вигин лопатей змінюються по діаметру. Одна його частина розрахована на малу навантаження, інша - на більшу.

Принцип роботи твинскрольных турбін заснований на роздільної подачі вихлопних газів під різним кутом на турбінне колесо залежно від порядку роботи циліндрів.

Далі більш докладно розглянуті конструктивні особливості і те, як працює твинскрольная турбіна.

Випускний колектор

Основне значення для твинскрольных турбокомпресорів має конструкція випускного колектора. Вона заснована на концепції з'єднання 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 роздільно 1, 3, 5 і 2, 4, 6 циліндрів. У 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 поєднують 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 поєднує в два каналу три перших та три останніх циліндра.

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

Необхідність застосування для твинскрольных турбін випускного колектора відповідної конструкції визначається тим, що в разі використання звичайного колектора такий турбокомпресор буде працювати як синглскрольный. Те ж саме буде спостерігатися при суміщенні синглскрольной турбіни з колектором для твинскрольной.

Імпульсне взаємодія циліндрів

Одне із значних переваг твинскрольных турбокомпресорів, що визначають їх переваги перед синглскрольными, полягає в істотному скороченні або усуненні 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 – всі 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° у різних циліндрах. Це актуально і для тактів впуску, стиску і випуску. На 6-циліндрових двигунах за 2 оберти колінчастого відбувається більше подій, тому однакові такти між циліндрами рознесені на 120°. Для 8-циліндрових моторів інтервал становить 90°, для 12-циліндрових – 60°.

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

Зважаючи 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. В 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 турбокомпресора. 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°.

Зважаючи на те, що твинскрольная турбіна має роздільний випускний колектор, в цьому сенсі вона аналогічна системі з двома турбокомпресорами. Так, 4-циліндрові двигуни з двома турбінами або твинскрольным турбокомпресором мають інтервал в 360° між подіями. 8-циліндрові двигуни з аналогічними системами наддуву мають той же 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 щільною і чистою зарядом, що забезпечує більш інтенсивне згоряння, що підвищує продуктивність. До того ж велика об'ємна ефективність і краща очищення дозволяють використовувати більш високу затримку займання, підтримуючу пікову температуру в циліндрах. Завдяки цьому ефективність твинскрольных турбін вище на 7-8% в порівнянні з синглскрольными при кращою на 5% ефективності використання палива.

За даними Full-Race, твинскрольные турбокомпресори порівняно з синглскрольными характеризуються великими середніми тиском в циліндрі і ефективністю, але меншими піковим тиском в циліндрі і протитиском на виході. Твинскрольные системи мають більшу протитиск на низьких оборотах (сприяє наддуву) і менше на високих (підвищує продуктивність). Нарешті, двигун з такою системою наддуву менш чутливий до негативних ефектів широкофазных розподільних валів.

Продуктивність

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

Результати продемонстрували кращу продуктивність твинскрольной 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, який можна порівняти з ефектом від підвищення обсягу двигуна. Найбільш яскраво він також проявляється на середніх обертах. В прискоренні з 45 до 80 м/год (3100-5600 об/хв) твинскрольная турбіна обійшла синглскрольную на 0,49 з (2,93 з проти 3,42), що дасть різницю в три корпуси. Тобто коли машина з сигнлскрольным турбокомпресором досягне 80 м/год, твинскрольный варіант буде їхати на 3 довжини автомобіля попереду зі швидкістю 95 м/ч. В діапазоні швидкостей 60-100 м/год (4200-7000 об/хв) перевагу твинскрольной турбіни виявилося менш значним і склало 0,23 с (1,75 проти 1,98 с) та 5 м/ч (105 проти 100 м/год). По швидкості досягнення певного тиску твинскрольный турбокомпресор випереджає синглскрольный приблизно на 0,6 с. 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 двигун Ford EcoBoost з турбіною BorgWarner EFR. В даному випадку шляхом комп'ютерного моделювання була зіставлена швидкість потоку вихлопних газів в кожному каналі. Для твинскрольной турбіни розкид даної величини склав до 4%, в той час як для синглскрольной – 15%. Найкраща узгодженість швидкостей потоку свідчить про менших втратах при змішуванні і більшої енергії імпульсу для твинскрольных турбокомпресорів.

Переваги і недоліки

Твинскрольные турбіни характеризуються безліччю переваг перед синглскрольными варіантами. До них відносяться:

  • підвищена продуктивність у всьому діапазоні оборотів;
  • краща чуйність;
  • менші втрати при змішуванні;
  • підвищена енергія імпульсу на турбінне колесо;
  • найкраща 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, яка обумовлює підвищену вартість. Крім того, при великому тиску на високих обертах поділ потоку газів не дозволить отримати ту ж пікову продуктивність, що на синглскрольной турбіні.

Конструктивно твинскрольные турбіни представляють аналог систем з двома турбокомпресорами (бі-турбо і твін-турбо). У порівнянні з ними такі турбіни навпаки мають переваги в вартості і простоті конструкції. Цим користуються деякі виробники, як, наприклад, BMW, що замінила систему твін-турбо на N54B30 1-Series M Coupe на твинскрольный 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 володіють тими ж перевагами перед звичайними турбінами, що і твинскрольные, але в більшій мірі. Однак такі турбокомпресори мають значно більш складну 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 чинником, що зумовлює 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, однак широко поширені на дизельних двигунах комерційних машин.

На SEMA 2015 р. BorgWarner була представлена розробка, поєднує твинскрольную технологію та конструкцію із змінною геометрією - твинскрольная турбіна із змінною геометрією. В її подвійний вхідної частини встановлена заслінка, яка в залежності від навантаження розподіляє потік по крильчатка. На низьких обертах всі відпрацьовані гази йдуть на маленьку частину ротора, а велика перекрита, що забезпечує ще більш швидку розкрутку, ніж у звичайній твинскрольной турбіни. З ростом навантаження заслінка поступово переходить в середнє положення і рівномірно розподіляє потік на високих обертах, як в стандартній твинскрольной конструкції. Таким чином, дана технологія, як і технологія із змінною геометрією, забезпечує зміна співвідношення A/R в залежності від навантаження, підлаштовуючи під турбіну 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), однак ця технологія з якихось причин не знайшла поширення.

Застосування

Як було зазначено вище, твинскрольные турбіни нерідко застосовуються на серійних спорткарах. Однак при зміні їх використання на багатьох моторах з синглскрольными системами утруднено обмеженим простором. Це обумовлено, насамперед, 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 більшої ефективності твинскрольных турбін можливе використання каналів меншого діаметру. Проте внаслідок складної форми та подвійного вхідного отвору такий колектор у будь-якому разі більше, важче і складніше звичайного з-за більшої кількості деталей. Тому він може не поміститися на стандартне місце, внаслідок чого потрібно міняти картер. До того ж самі твинскрольные турбіни більше аналогічних синглскрольных. Крім того, будуть потрібні інші аппайп і маслоуловитель. Крім цього, для кращої продуктивності з зовнішніми вестгейтами для твинскрольных систем застосовують два вестгейта (по одному на крильчатку) замість Y-образної труби.

У будь-якому випадку можлива й установка твинскрольной турбіни на ВАЗ, і заміна їй синглскрольного турбокомпресора Porsche. Різниця полягає в вартість і обсяг робіт по підготовці двигуна: якщо на серійних турбомоторах при наявності простору зазвичай достатньо замінити випускний колектор і деякі інші деталі і зробити налаштування, атмосферні двигуни вимагають для турбування значно більш серйозного втручання. Однак у другому випадку різниця у складності установки (але не у вартості) твинскрольной і синглскрольной систем несуттєва.

Висновки

Твинскрольные турбіни, завдяки роздільній подачі вихлопних газів на подвійне турбінне колесо і усунення взаємного імпульсного впливу циліндрів, забезпечують кращу продуктивність, чуйність і ефективність у порівнянні з синглскрольными варіантами. Проте створення такої системи може виявитися досить дорогим. В цілому це оптимальне рішення для підвищення чутливості без втрати максимальної продуктивності для турбомоторів.