Twin-Scroll-Turbine: Konstruktionsbeschreibung, Funktionsprinzip, Vor- und Nachteile

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-02-19 13:27

Der Hauptnachteil von Turbomotoren im Vergleich zu atmosphärischen Optionen ist das geringere Ansprechverh alten, da das Hochdrehen der Turbine eine gewisse Zeit dauert. Mit der Entwicklung von Turboladern entwickeln Hersteller verschiedene Möglichkeiten, um deren Ansprechverh alten, Leistung und Effizienz zu verbessern. Twin-Scroll-Turbinen sind die beste Option.

Allgemeine Funktionen

Dieser Begriff bezieht sich auf Turbolader mit einem doppelten Einlass und einem doppelten Laufrad des Turbinenrads. Seit dem Erscheinen der ersten Turbinen (vor ca. 30 Jahren) wird zwischen offenen und getrennten Ansaugmöglichkeiten unterschieden. Letztere sind Analoga moderner Twin-Scroll-Turbolader. Die besten Parameter bestimmen ihren Einsatz im Tuning und Motorsport. Darüber hinaus verwenden einige Hersteller sie bei Seriensportwagen wie Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP undandere

Aufbau und Funktionsprinzip

Twin-Scroll-Turbinen unterscheiden sich von herkömmlichen Turbinen durch ein Zwillingsturbinenrad und einen zweigeteilten Einlassteil. Der Rotor ist monolithisch aufgebaut, jedoch variieren Größe, Form und Krümmung der Schaufeln entlang des Durchmessers. Ein Teil davon ist für eine kleine Ladung ausgelegt, der andere für eine große.

Das Funktionsprinzip von Twin-Scroll-Turbinen basiert auf der getrennten Zufuhr von Abgasen in unterschiedlichen Winkeln zum Turbinenrad, abhängig von der Reihenfolge der Betätigung der Zylinder.

Auf die Konstruktionsmerkmale und die Funktionsweise der Twin-Scroll-Turbine wird weiter unten näher eingegangen.

Auspuffkrümmer

Bei Twin-Scroll-Turboladern ist vor allem die Gest altung des Abgaskrümmers von Bedeutung. Es basiert auf dem Zylinderkopplungskonzept von Rennkrümmern und wird durch die Anzahl der Zylinder und deren Zündfolge bestimmt. Fast alle 4-Zylinder-Motoren arbeiten in der Reihenfolge 1-3-4-2. In diesem Fall kombiniert ein Kanal die Zylinder 1 und 4, der andere - 2 und 3. Bei den meisten 6-Zylinder-Motoren werden die Abgase getrennt von 1, 3, 5 und 2, 4, 6 Zylindern zugeführt. Als Ausnahmen sind RB26 und 2JZ zu beachten. Sie arbeiten in der Reihenfolge 1-5-3-6-2-4.

Folglich werden bei diesen Motoren 1, 2, 3 Zylinder für ein Laufrad gepaart, 4, 5, 6 für das zweite (Turbinenantriebe sind im Lager in der gleichen Reihenfolge organisiert). So benanntDie Motoren zeichnen sich durch ein vereinfachtes Design des Abgaskrümmers aus, der die ersten drei und die letzten drei Zylinder in zwei Kanälen zusammenfasst.

Neben dem Anschließen der Zylinder in einer bestimmten Reihenfolge sind andere Eigenschaften des Verteilers sehr wichtig. Zunächst einmal müssen beide Kanäle die gleiche Länge und die gleiche Anzahl an Biegungen haben. Dies liegt an der Notwendigkeit, den gleichen Druck der zugeführten Abgase sicherzustellen. Außerdem ist es wichtig, dass der Turbinenflansch am Krümmer zu Form und Abmessungen seines Einlasses passt. Um die beste Leistung zu gewährleisten, muss das Krümmerdesign schließlich genau auf das A/R der Turbine abgestimmt sein.

Die Notwendigkeit, für Twin-Scroll-Turbinen einen Abgaskrümmer entsprechender Bauart zu verwenden, ergibt sich aus der Tatsache, dass bei Verwendung eines konventionellen Krümmers ein solcher Turbolader als Single-Scroll-Turbolader arbeitet. Dasselbe gilt für die Kombination einer Single-Scroll-Turbine mit einem Twin-Scroll-Krümmer.

Impulsive Wechselwirkung der Zylinder

Einer der wesentlichen Vorteile von Twin-Scroll-Turboladern, die ihre Vorteile gegenüber Single-Scroll-Turboladern bestimmen, ist die deutliche Reduzierung oder Eliminierung der gegenseitigen Beeinflussung der Zylinder durch Abgasimpulse.

Es ist bekannt, dass sich die Kurbelwelle um 720 ° drehen muss, damit jeder Zylinder alle vier Takte durchlaufen kann. Dies gilt sowohl für 4- als auch für 12-Zylinder-Motoren. Wenn jedoch die Kurbelwelle bei den ersten Zylindern um 720 ° gedreht wird, vollenden sie einen Zyklus, dann weiter12-Zylinder - alle Zyklen. Somit wird mit einer Erhöhung der Anzahl von Zylindern der Rotationsbetrag der Kurbelwelle zwischen den gleichen Takten für jeden Zylinder reduziert. Bei 4-Zylinder-Motoren tritt der Arbeitstakt also alle 180 ° in verschiedenen Zylindern auf. Dies gilt auch für Ansaug-, Verdichtungs- und Ausstoßtakte. Bei 6-Zylinder-Motoren treten bei 2 Umdrehungen der Kurbelwelle mehr Ereignisse auf, sodass die gleichen Takte zwischen den Zylindern 120 ° voneinander entfernt sind. Bei 8-Zylinder-Motoren beträgt das Intervall 90 °, bei 12-Zylinder-Motoren - 60 °.

Es ist bekannt, dass Nockenwellen eine Phase von 256 bis 312° oder mehr haben können. Als Beispiel können wir einen Motor mit 280°-Phasen am Einlass und Auslass nehmen. Beim Ablassen von Abgasen an einem solchen 4-Zylinder-Motor werden alle 180 ° die Auslassventile des Zylinders um 100 ° geöffnet. Dies ist erforderlich, um den Kolben während des Auslassens für diesen Zylinder vom unteren zum oberen Totpunkt anzuheben. Bei der Zündreihenfolge 1-3-2-4 für den dritten Zylinder beginnen sich die Auslassventile am Ende des Kolbenhubs zu öffnen. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Ansaugtakt im ersten Zylinder und die Auslassventile beginnen sich zu schließen. Während der ersten 50° der Öffnung der Auslassventile des dritten Zylinders öffnen sich die Auslassventile des ersten Zylinders und seine Einlassventile beginnen sich ebenfalls zu öffnen. Dadurch überschneiden sich die Ventile zwischen den Zylindern.

Nach dem Entfernen der Abgase aus dem ersten Zylinder schließen die Auslassventile und die Einlassventile beginnen sich zu öffnen. Gleichzeitig öffnen die Auslassventile des dritten Zylinders und setzen energiereiche Abgase frei. Bedeutender Anteilihr Druck und ihre Energie werden zum Antrieb der Turbine genutzt, ein kleinerer Teil sucht sich den Weg des geringsten Widerstands. Durch den geringeren Druck der schließenden Auslassventile des ersten Zylinders im Vergleich zum integrierten Turbineneinlass wird ein Teil der Abgase des dritten Zylinders zum ersten geleitet.

Da der Ansaugtakt im ersten Zylinder beginnt, wird die Ansaugladung mit Abgasen verdünnt und verliert an Leistung. Schließlich schließen die Ventile des ersten Zylinders und der Kolben des dritten steigt. Bei letzterem wird die Freigabe durchgeführt und die für Zylinder 1 betrachtete Situation wiederholt sich, wenn die Auslassventile des zweiten Zylinders geöffnet werden. Somit herrscht Verwirrung. Dieses Problem ist bei 6- und 8-Zylinder-Motoren mit Auslasshubintervallen zwischen den Zylindern von 120 bzw. 90° noch ausgeprägter. In diesen Fällen kommt es zu einer noch längeren Überschneidung der Auslassventile der beiden Zylinder.

Aufgrund der Unmöglichkeit, die Anzahl der Zylinder zu ändern, kann dieses Problem gelöst werden, indem das Intervall zwischen ähnlichen Zyklen durch Verwendung eines Turboladers verlängert wird. Bei der Verwendung von zwei Turbinen bei 6- und 8-Zylinder-Motoren können die Zylinder kombiniert werden, um jeden von ihnen anzutreiben. In diesem Fall verdoppeln sich die Intervalle zwischen ähnlichen Auslassventilereignissen. Beim RB26 können Sie beispielsweise die Zylinder 1-3 für die vordere Turbine und 4-6 für die hintere kombinieren. Dadurch entfällt der sukzessive Betrieb der Zylinder für eine Turbine. Daher ist das Intervall zwischen Auslassventilereignissen zZylinder eines Turboladers erhöht sich von 120 auf 240°.

Aufgrund der Tatsache, dass die Twin-Scroll-Turbine über einen separaten Abgaskrümmer verfügt, ähnelt sie in diesem Sinne einem System mit zwei Turboladern. So haben 4-Zylinder-Motoren mit zwei Turbinen oder einem Twin-Scroll-Turbolader ein Intervall von 360 ° zwischen den Ereignissen. 8-Zylinder-Motoren mit ähnlichen Boost-Systemen haben den gleichen Abstand. Ein sehr langer Zeitraum, der über die Dauer des Ventilhubs hinausgeht, schließt deren Überschneidung für die Zylinder einer Turbine aus.

Auf diese Weise saugt der Motor mehr Luft an und saugt die verbleibenden Abgase mit niedrigem Druck aus, wodurch die Zylinder mit einer dichteren und saubereren Ladung gefüllt werden, was zu einer intensiveren Verbrennung führt, die die Leistung verbessert. Darüber hinaus ermöglichen ein größerer volumetrischer Wirkungsgrad und eine bessere Reinigung die Verwendung einer höheren Zündverzögerung, um Spitzenzylindertemperaturen aufrechtzuerh alten. Dadurch ist der Wirkungsgrad von Twin-Scroll-Turbinen um 7-8 % höher im Vergleich zu Single-Scroll-Turbinen mit einer um 5 % besseren Kraftstoffeffizienz.

Twin-Scroll-Turbolader haben laut Full-Race im Vergleich zu Single-Scroll-Turboladern einen höheren durchschnittlichen Zylinderdruck und Wirkungsgrad, aber einen niedrigeren Zylinderspitzendruck und Auslassgegendruck. Twin-Scroll-Systeme haben mehr Gegendruck bei niedrigen Drehzahlen (Förderung des Ladedrucks) und weniger bei hohen Drehzahlen (Verbesserung der Leistung). Schließlich ist ein Motor mit einem solchen Boost-System weniger empfindlich gegenüber den negativen Auswirkungen der BreitphaseNockenwellen.

Leistung

Oben waren die theoretischen Positionen der Funktionsweise von Twin-Scroll-Turbinen. Was dies in der Praxis ergibt, wird durch Messungen ermittelt. Einen solchen Vergleichstest mit der Single-Scroll-Version hat das DSPORT Magazin am Project KA 240SX durchgeführt. Sein KA24DET entwickelt bis zu 700 PS. Mit. auf Rädern beim E85. Der Motor ist mit einem Custom Wisecraft Fabrication Auspuffkrümmer und einem Garrett GTX Turbolader ausgestattet. Bei den Tests wurde lediglich das Turbinengehäuse bei gleichem A/R-Wert gewechselt. Zusätzlich zu Leistungs- und Drehmomentänderungen maßen die Tester das Ansprechverh alten, indem sie die Zeit maßen, um eine bestimmte Drehzahl und den Ladedruck im dritten Gang unter ähnlichen Startbedingungen zu erreichen.

Die Ergebnisse zeigten die beste Leistung der Twin-Scroll-Turbine über den gesamten Drehzahlbereich. Die größte Leistungsüberlegenheit zeigte er im Bereich von 3500 bis 6000 U/min. Die besten Ergebnisse sind auf den höheren Ladedruck bei gleicher Drehzahl zurückzuführen. Darüber hinaus sorgte mehr Druck für eine Erhöhung des Drehmoments, vergleichbar mit der Wirkung einer Vergrößerung des Motorvolumens. Es ist auch am ausgeprägtesten bei mittleren Geschwindigkeiten. Bei der Beschleunigung von 45 auf 80 m / h (3100-5600 U / min) übertraf die Twin-Scroll-Turbine die Single-Scroll-Turbine um 0,49 s (2,93 vs. 3,42), was einen Unterschied von drei Körpern ergibt. Das heißt, wenn ein Auto mit einem Signal-Scroll-Turbolader 80 Meilen pro Stunde erreicht, fährt die Twin-Scroll-Variante 3 Autolängen voraus mit 95 Meilen pro Stunde. Im Drehzahlbereich von 60-100 m/h (4200-7000 U/min) zeigt die Überlegenheit der Twin-Scroll-Turbineerwies sich als weniger signifikant und betrug 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) und 5 m/h (105 versus 100 m/h). In Bezug auf die Geschwindigkeit zum Erreichen eines bestimmten Drucks ist ein Twin-Scroll-Turbolader einem Single-Scroll-Turbolader um etwa 0,6 s voraus. Bei 30 psi beträgt der Unterschied also 400 U/min (5500 vs. 5100 U/min).

Ein weiterer Vergleich wurde von Full Race Motorsports an einem 2,3-Liter-Ford EcoBoost-Motor mit einem BorgWarner EFR-Turbo durchgeführt. In diesem Fall wurde die Abgasströmungsrate in jedem Kanal durch Computersimulation verglichen. Bei einer Twin-Scroll-Anlage beträgt die Streuung dieses Wertes bis zu 4 %, bei einer Single-Scroll-Anlage 15 %. Eine bessere Anpassung der Durchflussrate bedeutet weniger Mischungsverluste und mehr Impulsenergie für Twin-Scroll-Turbolader.

Vor- und Nachteile

Twin-Scroll-Turbinen bieten viele Vorteile gegenüber Single-Scroll-Turbinen. Dazu gehören:

• Leistungssteigerung im gesamten Drehzahlbereich;
• bessere Reaktionsfähigkeit;
• weniger Mischungsverlust;
• erhöhte Impulsenergie zum Turbinenrad;
• bessere Boost-Effizienz;
• mehr Drehmoment am unteren Ende ähnlich wie bei einem Twin-Turbo-System;
• Reduzierung der Ansaugladungsdämpfung bei Ventilüberschneidung zwischen den Zylindern;
• niedrigere Abgastemperatur;
• Impulsverluste des Motors reduzieren;
• Kraftstoffverbrauch senken.

Der Hauptnachteil ist die große Komplexität des Designs, was zu einer Erhöhung führtPreis. Darüber hinaus ermöglicht Ihnen die Trennung des Gasstroms bei hohem Druck und hohen Geschwindigkeiten nicht, die gleiche Spitzenleistung wie bei einer Single-Scroll-Turbine zu erzielen.

Twin-Scroll-Turbinen sind strukturell analog zu Systemen mit zwei Turboladern (Bi-Turbo und Twin-Turbo). Im Vergleich dazu haben solche Turbinen im Gegenteil Kostenvorteile und einfache Konstruktion. Einige Hersteller nutzen dies aus, wie beispielsweise BMW, das das Twin-Turbo-System des N54B30 1er M Coupé durch einen Twin-Scroll-Turbolader des N55B30 M2 ersetzt hat.

Es sei darauf hingewiesen, dass es noch technisch fortschrittlichere Optionen für Turbinen gibt, die die höchste Stufe ihrer Entwicklung darstellen - Turbolader mit variabler Geometrie. Im Allgemeinen haben sie gegenüber konventionellen Turbinen die gleichen Vorteile wie Twin-Scroll-Turbinen, jedoch in größerem Umfang. Solche Turbolader sind jedoch wesentlich komplexer aufgebaut. Außerdem sind sie aufgrund der Ansteuerung durch das Motorsteuergerät an Motoren, die ursprünglich nicht für solche Systeme ausgelegt sind, schwierig einzurichten. Schließlich sind die sehr hohen Kosten von Modellen für solche Motoren der Hauptgrund für die äußerst schlechte Verwendung dieser Turbinen bei Benzinmotoren. Daher sind sie sowohl in der Massenproduktion als auch im Tuning äußerst selten, werden jedoch häufig bei Dieselmotoren von Nutzfahrzeugen eingesetzt.

Auf der SEMA 2015 stellte BorgWarner ein Design vor, das die Twin-Scroll-Technologie mit einem Design mit variabler Geometrie kombiniert, die Twin-Scroll-Turbine mit variabler Geometrie. In ihrim doppelten einlaufteil ist eine klappe eingebaut, die je nach last die strömung auf die laufräder verteilt. Bei niedrigen Drehzahlen strömen alle Abgase zu einem kleinen Teil des Rotors, und der große Teil wird blockiert, was ein noch schnelleres Hochdrehen als bei einer herkömmlichen Twin-Scroll-Turbine ermöglicht. Mit zunehmender Last bewegt sich der Dämpfer allmählich in die Mittelstellung und verteilt den Durchfluss bei hohen Geschwindigkeiten gleichmäßig, wie bei einem Standard-Twin-Scroll-Design. Somit sorgt diese Technologie ebenso wie die Variable-Geometrie-Technologie für eine lastabhängige Änderung des A/R-Verhältnisses, wodurch die Turbine an den Betriebsmodus des Motors angepasst wird, was den Betriebsbereich erweitert. Gleichzeitig ist die Betrachtung des Designs viel einfacher und billiger, da hier nur ein bewegliches Element verwendet wird, das nach einem einfachen Algorithmus arbeitet, und die Verwendung von hitzebeständigen Materialien nicht erforderlich ist. Es sollte beachtet werden, dass ähnliche Lösungen bereits früher gefunden wurden (z. B. Schnellschieberventil), aber aus irgendeinem Grund hat diese Technologie keine Popularität erlangt.

Bewerbung

Wie oben erwähnt, werden Twin-Scroll-Turbinen häufig in Seriensportwagen eingesetzt. Beim Tuning wird ihr Einsatz bei vielen Motoren mit Single-Scroll-Systemen jedoch durch begrenzte Platzverhältnisse erschwert. Dies liegt in erster Linie an der Gest altung des Sammlers: Bei gleichen Längen müssen akzeptable radiale Biegungen und Strömungseigenschaften aufrechterh alten werden. Außerdem stellt sich die Frage nach der optimalen Länge und Biegung, sowie dem Material und der Wandstärke. Laut Full-Race aufgrund der höheren EffizienzTwin-Scroll-Turbinen ist es möglich, Kanäle mit kleinerem Durchmesser zu verwenden. Aufgrund ihrer komplexen Form und des doppelten Einlasses ist ein solcher Sammler jedoch aufgrund der größeren Anzahl von Teilen in jedem Fall größer, schwerer und komplizierter als gewöhnlich. Daher passt es möglicherweise nicht an einen Standardort, wodurch das Kurbelgehäuse ausgetauscht werden muss. Außerdem sind Twin-Scroll-Turbinen selbst größer als ähnliche Single-Scroll-Turbinen. Außerdem werden andere Appipe und Ölabscheider benötigt. Außerdem werden zwei Wastegates (eines pro Laufrad) anstelle eines Y-Rohrs verwendet, um die Leistung bei externen Wastegates für Twin-Scroll-Systeme zu verbessern.

In jedem Fall ist es möglich, eine Twin-Scroll-Turbine in einen VAZ einzubauen und sie durch einen Porsche-Single-Scroll-Turbolader zu ersetzen. Der Unterschied liegt im Aufwand und Arbeitsumfang der Motorvorbereitung: Reicht es bei Serien-Turbomotoren, sofern Platz vorhanden ist, in der Regel, den Abgaskrümmer und einige andere Teile auszutauschen und Anpassungen vorzunehmen, dann benötigen Saugmotoren deutlich mehr schwerwiegender Eingriff für die Turboaufladung. Im zweiten Fall ist der Unterschied in der Installationskomplexität (aber nicht in den Kosten) zwischen Twin-Scroll- und Single-Scroll-Systemen jedoch unbedeutend.

Schlussfolgerungen

Twin-Scroll-Turbinen bieten eine bessere Leistung, Reaktionsfähigkeit und Effizienz als Single-Scroll-Turbinen, indem sie die Abgase auf das Doppelturbinenrad aufteilen und Zylinderstörungen eliminieren. JedochDer Aufbau eines solchen Systems kann sehr kostspielig sein. Alles in allem ist dies die beste Lösung, um das Ansprechverh alten zu verbessern, ohne die maximale Leistung für Turbomotoren zu opfern.