Turbin gulir kembar: deskripsi desain, prinsip operasi, pro dan kontra

2024 Pengarang: Erin Ralphs | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-02-19 17:02

Kelemahan utama mesin turbocharged dibandingkan dengan opsi atmosfer adalah kurang responsif, karena putaran turbin membutuhkan waktu tertentu. Dengan pengembangan turbocharger, produsen mengembangkan berbagai cara untuk meningkatkan daya tanggap, kinerja, dan efisiensinya. Turbin gulir kembar adalah pilihan terbaik.

Fitur Umum

Istilah ini mengacu pada turbocharger dengan saluran masuk ganda dan impeler ganda pada roda turbin. Sejak kemunculan turbin pertama (sekitar 30 tahun yang lalu), turbin telah dibedakan menjadi opsi intake terbuka dan terpisah. Yang terakhir adalah analog dari turbocharger twin-scroll modern. Parameter terbaik menentukan penggunaannya dalam tuning dan motorsport. Selain itu, beberapa pabrikan menggunakannya pada mobil sport produksi seperti Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP danlainnya

Desain dan prinsip operasi

Turbin gulir kembar berbeda dari turbin konvensional dengan memiliki roda turbin kembar dan bagian saluran masuk yang terbagi dua. Rotor memiliki desain monolitik, tetapi ukuran, bentuk, dan kelengkungan bilah bervariasi sepanjang diameter. Satu bagian dirancang untuk beban kecil, yang lain untuk beban besar.

Prinsip pengoperasian turbin twin-scroll didasarkan pada pasokan gas buang yang terpisah pada sudut yang berbeda ke roda turbin, tergantung pada urutan pengoperasian silinder.

Fitur desain dan cara kerja turbin gulir kembar dibahas lebih rinci di bawah ini.

Manifold buang

Desain manifold buang sangat penting untuk turbocharger twin-scroll. Ini didasarkan pada konsep kopling silinder manifold balap dan ditentukan oleh jumlah silinder dan urutan pembakarannya. Hampir semua mesin 4 silinder beroperasi dalam urutan 1-3-4-2. Dalam hal ini, satu saluran menggabungkan silinder 1 dan 4, yang lain - 2 dan 3. Pada sebagian besar mesin 6 silinder, gas buang disuplai secara terpisah dari 1, 3, 5 dan 2, 4, 6 silinder. Sebagai pengecualian, RB26 dan 2JZ harus diperhatikan. Mereka bekerja dalam urutan 1-5-3-6-2-4.

Akibatnya, untuk motor ini, 1, 2, 3 silinder dikawinkan untuk satu impeller, 4, 5, 6 untuk yang kedua (penggerak turbin diatur dalam stok dalam urutan yang sama). Dinamakan demikianmesinnya dibedakan oleh desain manifold buang yang disederhanakan, yang menggabungkan tiga silinder pertama dan tiga silinder terakhir menjadi dua saluran.

Selain menghubungkan silinder dalam urutan tertentu, fitur lain dari manifold sangat penting. Pertama-tama, kedua saluran harus memiliki panjang yang sama dan jumlah tikungan yang sama. Ini karena kebutuhan untuk memastikan tekanan yang sama dari gas buang yang dipasok. Selain itu, penting bahwa flensa turbin pada manifold sesuai dengan bentuk dan dimensi saluran masuknya. Terakhir, untuk memastikan kinerja terbaik, desain manifold harus disesuaikan dengan A/R turbin.

Kebutuhan untuk menggunakan manifold buang dengan desain yang sesuai untuk turbin twin-scroll ditentukan oleh fakta bahwa dalam kasus penggunaan manifold konvensional, turbocharger seperti itu akan bekerja sebagai single-scroll. Hal yang sama akan diamati ketika menggabungkan turbin single-scroll dengan twin-scroll manifold.

Interaksi impulsif silinder

Salah satu keuntungan yang signifikan dari turbocharger gulung kembar, yang menentukan keunggulannya dibandingkan yang gulung tunggal, adalah pengurangan atau penghapusan yang signifikan dari pengaruh timbal balik silinder oleh impuls gas buang.

Diketahui bahwa untuk setiap silinder untuk melewati keempat langkah, poros engkol harus berputar 720 °. Ini berlaku untuk mesin 4 dan 12 silinder. Namun, jika, ketika poros engkol diputar 720 ° pada silinder pertama, mereka menyelesaikan satu siklus, maka pada12 silinder - semua siklus. Jadi, dengan bertambahnya jumlah silinder, jumlah putaran poros engkol antara langkah yang sama untuk setiap silinder berkurang. Jadi, pada mesin 4 silinder, langkah tenaga terjadi setiap 180 ° di silinder yang berbeda. Ini berlaku untuk langkah masuk, kompresi, dan buang juga. Pada mesin 6 silinder, lebih banyak kejadian terjadi pada 2 putaran poros engkol, sehingga langkah yang sama antara silinder terpisah 120°. Untuk mesin 8 silinder, intervalnya adalah 90 °, untuk mesin 12 silinder - 60 °.

Telah diketahui bahwa camshaft dapat memiliki fase 256 hingga 312° atau lebih. Misalnya, kita dapat mengambil mesin dengan fase 280 ° di inlet dan outlet. Saat melepaskan gas buang pada mesin 4 silinder seperti itu, setiap 180 °, katup buang silinder akan terbuka 100 °. Ini diperlukan untuk mengangkat piston dari titik mati bawah ke atas selama pembuangan untuk silinder itu. Dengan urutan pembakaran 1-3-2-4 untuk silinder ketiga, katup buang akan mulai membuka pada akhir langkah piston. Pada saat ini, langkah masuk akan dimulai di silinder pertama, dan katup buang akan mulai menutup. Selama 50 ° pertama pembukaan katup buang silinder ketiga, katup buang silinder pertama akan terbuka, dan katup masuknya juga akan mulai terbuka. Dengan demikian, katup tumpang tindih di antara silinder.

Setelah pembuangan gas buang dari silinder pertama, katup buang menutup dan katup masuk mulai terbuka. Pada saat yang sama, katup buang silinder ketiga terbuka, melepaskan gas buang berenergi tinggi. Bagian yang signifikantekanan dan energinya digunakan untuk menggerakkan turbin, dan sebagian kecil lagi mencari jalur dengan hambatan paling kecil. Karena tekanan yang lebih rendah dari katup buang penutup silinder pertama dibandingkan dengan saluran masuk turbin integral, sebagian gas buang dari silinder ketiga dikirim ke yang pertama.

Karena fakta bahwa langkah masuk dimulai di silinder pertama, muatan masuk diencerkan dengan gas buang, kehilangan tenaga. Akhirnya, katup silinder pertama menutup dan piston silinder ketiga naik. Untuk yang terakhir, pelepasan dilakukan, dan situasi yang dipertimbangkan untuk silinder 1 diulang ketika katup buang dari silinder kedua dibuka. Dengan demikian, ada kebingungan. Masalah ini bahkan lebih menonjol pada mesin 6 dan 8 silinder dengan interval langkah buang antara silinder masing-masing 120 dan 90 °. Dalam kasus ini, ada tumpang tindih yang lebih panjang dari katup buang kedua silinder.

Karena ketidakmungkinan mengubah jumlah silinder, masalah ini dapat diselesaikan dengan meningkatkan interval antara siklus serupa dengan menggunakan turbocharger. Dalam hal menggunakan dua turbin pada mesin 6 dan 8 silinder, silinder dapat digabungkan untuk menggerakkan masing-masing. Dalam hal ini, interval antara kejadian katup buang yang serupa akan berlipat ganda. Misalnya, untuk RB26, Anda dapat menggabungkan silinder 1-3 untuk turbin depan dan 4-6 untuk belakang. Ini menghilangkan operasi berturut-turut dari silinder untuk satu turbin. Oleh karena itu, interval antara kejadian katup buang untuksilinder satu turbocharger meningkat dari 120 menjadi 240 °.

Karena turbin gulir kembar memiliki manifold buang terpisah, dalam hal ini mirip dengan sistem dengan dua turbocharger. Jadi, mesin 4 silinder dengan dua turbin atau turbocharger twin-scroll memiliki interval 360 ° antar kejadian. Mesin 8 silinder dengan sistem boost serupa memiliki jarak yang sama. Periode yang sangat lama, melebihi durasi pengangkatan katup, tidak termasuk tumpang tindihnya untuk silinder satu turbin.

Dengan cara ini, mesin menarik lebih banyak udara dan mengeluarkan sisa gas buang pada tekanan rendah, mengisi silinder dengan muatan yang lebih padat dan bersih, menghasilkan pembakaran yang lebih intens, yang meningkatkan kinerja. Selain itu, efisiensi volumetrik yang lebih besar dan pembersihan yang lebih baik memungkinkan penggunaan penundaan pengapian yang lebih tinggi untuk mempertahankan suhu silinder puncak. Berkat ini, efisiensi turbin gulung kembar menjadi 7-8% lebih tinggi dibandingkan dengan turbin gulung tunggal dengan efisiensi bahan bakar 5% lebih baik.

Twin-scroll turbocharger memiliki tekanan dan efisiensi silinder rata-rata yang lebih tinggi, tetapi tekanan silinder puncak dan tekanan balik outlet lebih rendah, dibandingkan dengan turbocharger single-scroll, menurut Full-Race. Sistem twin-scroll memiliki lebih banyak tekanan balik pada rpm rendah (meningkatkan dorongan) dan lebih sedikit pada rpm tinggi (meningkatkan kinerja). Akhirnya, mesin dengan sistem dorongan seperti itu kurang sensitif terhadap efek negatif fase lebarcamshaft.

Kinerja

Di atas adalah posisi teoritis dari fungsi turbin twin-scroll. Apa yang diberikan ini dalam praktik ditentukan oleh pengukuran. Pengujian semacam itu dibandingkan dengan versi gulir tunggal dilakukan oleh majalah DSPORT pada Proyek KA 240SX. KA24DET-nya berkembang hingga 700 hp. Dengan. di atas roda di E85. Motor ini dilengkapi dengan exhaust manifold custom Wisecraft Fabrication dan turbocharger Garrett GTX. Selama pengujian, hanya rumah turbin yang diubah pada nilai A / R yang sama. Selain perubahan tenaga dan torsi, penguji mengukur responsivitas dengan mengukur waktu untuk mencapai RPM tertentu dan meningkatkan tekanan pada gigi ketiga dalam kondisi peluncuran yang serupa.

Hasilnya menunjukkan kinerja terbaik dari turbin twin-scroll di seluruh rentang rpm. Itu menunjukkan keunggulan terbesar dalam kekuatan di kisaran 3500 hingga 6000 rpm. Hasil terbaik adalah karena tekanan boost yang lebih tinggi pada rpm yang sama. Selain itu, lebih banyak tekanan memberikan peningkatan torsi, sebanding dengan efek peningkatan volume mesin. Ini juga paling menonjol pada kecepatan sedang. Pada akselerasi dari 45 hingga 80 m / jam (3100-5600 rpm), turbin gulungan ganda mengungguli turbin gulungan tunggal dengan 0,49 s (2,93 vs 3,42), yang akan memberikan perbedaan tiga badan. Artinya, ketika mobil dengan turbocharger signal-scroll mencapai 80 mph, varian twin-scroll akan menempuh jarak 3 mobil di depan dengan kecepatan 95 mph. Dalam rentang kecepatan 60-100 m/jam (4200-7000 rpm), keunggulan turbin gulungan kembarternyata kurang signifikan dan berjumlah 0,23 detik (1,75 berbanding 1,98 detik) dan 5 m/jam (105 berbanding 100 m/jam). Dalam hal kecepatan mencapai tekanan tertentu, turbocharger twin-scroll berada di depan turbocharger single-scroll sekitar 0,6 detik. Jadi di 30 psi bedanya 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

Perbandingan lain dibuat oleh Full Race Motorsports pada mesin Ford EcoBoost 2.3L dengan turbo BorgWarner EFR. Dalam hal ini, laju aliran gas buang di setiap saluran dibandingkan dengan simulasi komputer. Untuk turbin twin-scroll spread nilai ini mencapai 4%, sedangkan untuk turbin single-scroll sebesar 15%. Pencocokan laju aliran yang lebih baik berarti lebih sedikit kehilangan pencampuran dan lebih banyak energi impuls untuk turbocharger twin-scroll.

Pro dan kontra

Turbin gulir kembar menawarkan banyak keuntungan dibandingkan turbin gulir tunggal. Ini termasuk:

• peningkatan performa sepanjang rentang putaran;
• respons lebih baik;
• mengurangi kehilangan pencampuran;
• meningkatkan energi impuls ke roda turbin;
• meningkatkan efisiensi;
• lebih banyak torsi ujung bawah mirip dengan sistem twin-turbo;
• pengurangan redaman biaya asupan ketika katup tumpang tindih antara silinder;
• suhu gas buang lebih rendah;
• mengurangi rugi-rugi impuls motor;
• mengurangi konsumsi bahan bakar.

Kelemahan utama adalah kompleksitas desain yang besar, menyebabkan peningkatanharga. Selain itu, pada tekanan tinggi pada kecepatan tinggi, pemisahan aliran gas tidak akan memungkinkan Anda untuk mendapatkan performa puncak yang sama seperti pada turbin single-scroll.

Secara struktural, turbin gulir kembar dianalogikan dengan sistem dengan dua turbocharger (bi-turbo dan twin-turbo). Dibandingkan dengan mereka, turbin semacam itu, sebaliknya, memiliki keunggulan dalam biaya dan kesederhanaan desain. Beberapa pabrikan memanfaatkannya, seperti BMW, yang mengganti sistem twin-turbo pada N54B30 1-Series M Coupe dengan turbocharger twin-scroll pada N55B30 M2.

Perlu dicatat bahwa ada opsi turbin yang lebih maju secara teknis, yang mewakili tahap tertinggi pengembangannya - turbocharger dengan geometri variabel. Secara umum, mereka memiliki keunggulan yang sama dibandingkan turbin konvensional seperti twin-scroll, tetapi pada tingkat yang lebih besar. Namun, turbocharger semacam itu memiliki desain yang jauh lebih kompleks. Selain itu, mereka sulit dipasang pada motor yang awalnya tidak dirancang untuk sistem seperti itu karena fakta bahwa mereka dikendalikan oleh unit kontrol mesin. Akhirnya, faktor utama yang menyebabkan penggunaan turbin ini sangat buruk pada mesin bensin adalah biaya model yang sangat tinggi untuk mesin tersebut. Oleh karena itu, baik dalam produksi massal maupun dalam penyetelan, sangat jarang, tetapi banyak digunakan pada mesin diesel kendaraan komersial.

Pada SEMA 2015, BorgWarner meluncurkan desain yang menggabungkan teknologi gulir kembar dengan desain geometri variabel, Turbin Geometri Variabel Gulir Kembar. Di dalam diaperedam dipasang di bagian saluran masuk ganda, yang, tergantung pada beban, mendistribusikan aliran di antara impeler. Pada kecepatan rendah, semua gas buang masuk ke sebagian kecil rotor, dan sebagian besar terhalang, yang memberikan putaran lebih cepat daripada turbin gulungan kembar konvensional. Saat beban meningkat, peredam secara bertahap bergerak ke posisi tengah dan mendistribusikan aliran secara merata pada kecepatan tinggi, seperti pada desain gulungan kembar standar. Dengan demikian, teknologi ini, seperti teknologi geometri variabel, memberikan perubahan rasio A / R tergantung pada beban, menyesuaikan turbin dengan mode operasi mesin, yang memperluas jangkauan operasi. Pada saat yang sama, mengingat desainnya jauh lebih sederhana dan lebih murah, karena hanya satu elemen bergerak yang digunakan di sini, bekerja sesuai dengan algoritma sederhana, dan penggunaan bahan tahan panas tidak diperlukan. Perlu dicatat bahwa solusi serupa telah ditemukan sebelumnya (misalnya, katup spool cepat), tetapi untuk beberapa alasan teknologi ini belum mendapatkan popularitas.

Aplikasi

Seperti disebutkan di atas, turbin twin-scroll sering digunakan pada mobil sport yang diproduksi secara massal. Namun, saat tuning, penggunaannya pada banyak motor dengan sistem single-scroll terhambat oleh keterbatasan ruang. Ini terutama karena desain header: pada panjang yang sama, tikungan radial yang dapat diterima dan karakteristik aliran harus dipertahankan. Selain itu, ada pertanyaan tentang panjang dan tikungan yang optimal, serta bahan dan ketebalan dinding. Menurut Full-Race, karena efisiensi yang lebih besarturbin twin-scroll, dimungkinkan untuk menggunakan saluran dengan diameter lebih kecil. Namun, karena bentuknya yang kompleks dan saluran masuk ganda, kolektor semacam itu bagaimanapun juga lebih besar, lebih berat dan lebih rumit dari biasanya karena jumlah bagian yang lebih banyak. Oleh karena itu, mungkin tidak muat di tempat standar, akibatnya bak mesin perlu diganti. Selain itu, turbin twin-scroll sendiri lebih besar dari yang serupa single-scroll. Selain itu, appipe dan oil trap lainnya akan diperlukan. Selain itu, dua wastegate (satu per impeller) digunakan sebagai pengganti Y-pipe untuk kinerja yang lebih baik dengan wastegate eksternal untuk sistem twin scroll.

Bagaimanapun, dimungkinkan untuk memasang turbin gulir ganda pada VAZ, dan menggantinya dengan turbocharger gulir tunggal Porsche. Perbedaannya terletak pada biaya dan ruang lingkup pekerjaan persiapan mesin: jika pada mesin turbo serial, jika ada ruang, biasanya cukup untuk mengganti manifold buang dan beberapa bagian lain dan melakukan penyesuaian, maka mesin naturally aspirated membutuhkan lebih banyak. intervensi serius untuk turbocharging. Namun, dalam kasus kedua, perbedaan dalam kerumitan instalasi (tetapi tidak dalam biaya) antara sistem gulir-ganda dan gulir-tunggal tidak signifikan.

Kesimpulan

Turbin gulir ganda memberikan kinerja, responsivitas, dan efisiensi yang lebih baik daripada turbin gulir tunggal dengan memisahkan gas buang ke roda turbin ganda dan menghilangkan gangguan silinder. Namunmembangun sistem seperti itu bisa sangat mahal. Secara keseluruhan, ini adalah solusi terbaik untuk meningkatkan responsivitas tanpa mengorbankan performa maksimal untuk mesin turbo.