Turbina de rolagem dupla: descrição do projeto, princípio de operação, prós e contras

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Última modificação: 2024-02-19 18:18

A principal desvantagem dos motores turboalimentados em comparação com as opções atmosféricas é a menor capacidade de resposta, devido ao fato de que a rotação da turbina leva um certo tempo. Com o desenvolvimento dos turbocompressores, os fabricantes estão desenvolvendo várias maneiras de melhorar sua capacidade de resposta, desempenho e eficiência. As turbinas de rolagem dupla são a melhor opção.

Características Gerais

Este termo refere-se a turbocompressores com entrada dupla e rotor duplo da roda da turbina. Desde o surgimento das primeiras turbinas (há cerca de 30 anos), elas foram diferenciadas em opções de admissão aberta e separada. Estes últimos são análogos dos modernos turbocompressores twin-scroll. Os melhores parâmetros determinam seu uso em tuning e automobilismo. Além disso, alguns fabricantes os usam em carros esportivos de produção, como Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP eoutros

Princípio de design e operação

As turbinas Twin-scroll diferem das turbinas convencionais por terem uma roda de turbina dupla e uma parte de entrada dividida em duas. O rotor tem um design monolítico, mas o tamanho, a forma e a curvatura das pás variam ao longo do diâmetro. Uma parte é projetada para uma carga pequena, a outra para uma carga grande.

O princípio de funcionamento das turbinas twin-scroll é baseado no fornecimento separado de gases de escape em diferentes ângulos para a roda da turbina, dependendo da ordem de operação dos cilindros.

Os recursos de design e como a turbina de rolagem dupla funciona são discutidos em mais detalhes abaixo.

Coletor de escapamento

O design do coletor de escape é de importância primordial para turbocompressores twin-scroll. Baseia-se no conceito de acoplamento de cilindros de coletores de corrida e é determinado pelo número de cilindros e sua ordem de disparo. Quase todos os motores de 4 cilindros operam na ordem 1-3-4-2. Nesse caso, um canal combina os cilindros 1 e 4, o outro - 2 e 3. Na maioria dos motores de 6 cilindros, os gases de escape são fornecidos separadamente de 1, 3, 5 e 2, 4, 6 cilindros. Como exceções, RB26 e 2JZ devem ser observados. Eles funcionam na ordem 1-5-3-6-2-4.

Conseqüentemente, para esses motores, 1, 2, 3 cilindros são acoplados para um impulsor, 4, 5, 6 para o segundo (os acionamentos das turbinas são organizados no estoque na mesma ordem). Assim denominadoos motores se distinguem por um design simplificado do coletor de escape, que combina os três primeiros e os três últimos cilindros em dois canais.

Além de conectar os cilindros em uma determinada ordem, outras características do manifold são muito importantes. Em primeiro lugar, ambos os canais devem ter o mesmo comprimento e o mesmo número de curvas. Isso se deve à necessidade de garantir a mesma pressão dos gases de escape fornecidos. Além disso, é importante que o flange da turbina no coletor corresponda à forma e às dimensões de sua entrada. Por fim, para garantir o melhor desempenho, o projeto do manifold deve ser compatível com o A/R da turbina.

A necessidade de usar um coletor de escape de projeto apropriado para turbinas twin-scroll é determinada pelo fato de que, no caso de usar um coletor convencional, tal turbocompressor funcionará como single-scroll. O mesmo será observado ao combinar uma turbina single-scroll com um manifold twin-scroll.

Interação impulsiva de cilindros

Uma das vantagens significativas dos turbocompressores twin-scroll, que determinam suas vantagens sobre os single-scroll, é a significativa redução ou eliminação da influência mútua dos cilindros pelos impulsos dos gases de escape.

Sabe-se que para cada cilindro passar todos os quatro tempos, o virabrequim deve girar 720°. Isso vale para motores de 4 e 12 cilindros. No entanto, se, quando o virabrequim é girado em 720 ° nos primeiros cilindros, eles completam um ciclo, então em12 cilindros - todos os ciclos. Assim, com o aumento do número de cilindros, a quantidade de rotação do virabrequim entre os mesmos cursos para cada cilindro é reduzida. Assim, em motores de 4 cilindros, o curso de potência ocorre a cada 180 ° em cilindros diferentes. Isso vale também para os cursos de admissão, compressão e escape. Nos motores de 6 cilindros, mais eventos ocorrem em 2 rotações do virabrequim, de modo que os mesmos cursos entre os cilindros estão separados por 120 °. Para motores de 8 cilindros, o intervalo é de 90 °, para motores de 12 cilindros - 60 °.

Sabe-se que as árvores de cames podem ter uma fase de 256 a 312° ou mais. Por exemplo, podemos tomar um motor com fases de 280° na entrada e na saída. Ao liberar gases de escape em um motor de 4 cilindros, a cada 180 °, as válvulas de escape do cilindro serão abertas em 100 °. Isso é necessário para levantar o pistão do ponto morto inferior ao superior durante a exaustão desse cilindro. Com a ordem de disparo 1-3-2-4 para o terceiro cilindro, as válvulas de escape começarão a abrir no final do curso do pistão. Neste momento, o curso de admissão começará no primeiro cilindro e as válvulas de escape começarão a fechar. Durante os primeiros 50° da abertura das válvulas de escape do terceiro cilindro, as válvulas de escape do primeiro cilindro se abrirão e suas válvulas de admissão também começarão a abrir. Assim, as válvulas se sobrepõem entre os cilindros.

Após a remoção dos gases de escape do primeiro cilindro, as válvulas de escape fecham e as válvulas de admissão começam a abrir. Ao mesmo tempo, as válvulas de escape do terceiro cilindro se abrem, liberando gases de escape de alta energia. Participação significativasua pressão e energia são usadas para acionar a turbina, e uma parte menor está procurando o caminho de menor resistência. Devido à pressão mais baixa das válvulas de escape de fechamento do primeiro cilindro em comparação com a entrada integral da turbina, parte dos gases de escape do terceiro cilindro é enviada para o primeiro.

Devido ao fato de que o curso de admissão começa no primeiro cilindro, a carga de admissão é diluída com os gases de escape, perdendo potência. Finalmente, as válvulas do primeiro cilindro fecham e o pistão do terceiro sobe. Para este último, a liberação é realizada, e a situação considerada para o cilindro 1 é repetida quando as válvulas de escape do segundo cilindro são abertas. Assim, há confusão. Este problema é ainda mais pronunciado em motores de 6 e 8 cilindros com intervalos de curso de escape entre cilindros de 120 e 90 °, respectivamente. Nesses casos, há uma sobreposição ainda maior das válvulas de escape dos dois cilindros.

Devido à impossibilidade de alterar o número de cilindros, este problema pode ser resolvido aumentando o intervalo entre ciclos semelhantes utilizando um turbocompressor. No caso de usar duas turbinas em motores de 6 e 8 cilindros, os cilindros podem ser combinados para acionar cada um deles. Nesse caso, os intervalos entre eventos semelhantes de válvulas de escape dobrarão. Por exemplo, para o RB26, você pode combinar os cilindros 1-3 para a turbina dianteira e 4-6 para a traseira. Isso elimina a operação sucessiva dos cilindros para uma turbina. Portanto, o intervalo entre os eventos da válvula de escape paracilindros de um turbocompressor aumenta de 120 para 240°.

Devido ao fato de a turbina twin scroll ter um coletor de escape separado, neste sentido é semelhante a um sistema com dois turbocompressores. Assim, motores de 4 cilindros com duas turbinas ou turbocompressor twin-scroll têm um intervalo de 360° entre os eventos. Motores de 8 cilindros com sistemas de impulso semelhantes têm o mesmo espaçamento. Um período muito longo, excedendo a duração do levantamento da válvula, exclui sua sobreposição para os cilindros de uma turbina.

Dessa forma, o motor aspira mais ar e retira os gases de escape restantes em baixa pressão, enchendo os cilindros com uma carga mais densa e limpa, resultando em uma combustão mais intensa, o que melhora o desempenho. Além disso, maior eficiência volumétrica e melhor limpeza permitem o uso de um maior atraso de ignição para manter as temperaturas de pico do cilindro. Graças a isso, a eficiência das turbinas twin-scroll é 7-8% maior em comparação com as turbinas single-scroll com uma eficiência de combustível 5% melhor.

Turbocompressores twin-scroll têm maior pressão e eficiência média do cilindro, mas menor pressão de pico do cilindro e contrapressão de saída, em comparação com turbocompressores single-scroll, de acordo com a Full-Race. Os sistemas Twin-scroll têm mais contrapressão em baixas rotações (promovendo aumento) e menos em altas rotações (melhorando o desempenho). Finalmente, um motor com tal sistema de impulso é menos sensível aos efeitos negativos da fase larga.árvores de cames.

Desempenho

Acima estavam as posições teóricas do funcionamento das turbinas twin-scroll. O que isso dá na prática é estabelecido por medições. Tal teste em comparação com a versão single-scroll foi realizado pela revista DSPORT no Projeto KA 240SX. Seu KA24DET desenvolve até 700 hp. Com. sobre rodas no E85. O motor está equipado com um coletor de escape personalizado da Wisecraft Fabrication e um turbocompressor Garrett GTX. Durante os testes, apenas a carcaça da turbina foi trocada no mesmo valor A/R. Além das mudanças de potência e torque, os testadores mediram a capacidade de resposta medindo o tempo para atingir certas RPM e aumentar a pressão na terceira marcha sob condições de lançamento semelhantes.

Os resultados mostraram o melhor desempenho da turbina twin-scroll em toda a faixa de rpm. Ele mostrou a maior superioridade em potência na faixa de 3500 a 6000 rpm. Os melhores resultados são devidos à maior pressão de reforço na mesma rpm. Além disso, mais pressão proporcionou um aumento no torque, comparável ao efeito de aumentar o volume do motor. Também é mais pronunciado em velocidades médias. Na aceleração de 45 a 80 m/h (3100-5600 rpm), a turbina twin-scroll superou a single-scroll em 0,49 s (2,93 vs. 3,42), o que dará uma diferença de três corpos. Ou seja, quando um carro com um turbocompressor de rolagem de sinal atinge 80 mph, a variante de rolagem dupla percorrerá 3 comprimentos de carro à frente a 95 mph. Na faixa de velocidade de 60-100 m/h (4200-7000 rpm), a superioridade da turbina twin-scrollacabou sendo menos significativo e totalizou 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) e 5 m/h (105 versus 100 m/h). Em termos de velocidade para atingir uma certa pressão, um turbocompressor twin-scroll está à frente de um turbocompressor single-scroll em cerca de 0,6 s. Então a 30 psi a diferença é de 400 rpm (5500 vs 5100 rpm).

Outra comparação foi feita pela Full Race Motorsports em um motor Ford EcoBoost 2.3L com um turbo BorgWarner EFR. Neste caso, a vazão dos gases de escape em cada canal foi comparada por simulação computacional. Para uma turbina twin-scroll, o spread desse valor foi de até 4%, enquanto para uma turbina single-scroll foi de 15%. Melhor correspondência de vazão significa menos perda de mistura e mais energia de impulso para turbocompressores twin-scroll.

Prós e contras

Turbinas de rolagem dupla oferecem muitas vantagens em relação às turbinas de rolagem simples. Estes incluem:

• maior desempenho em toda a faixa de rotação;
• melhor capacidade de resposta;
• menor perda de mixagem;
• aumento da energia de impulso para a roda da turbina;
• melhor eficiência de aumento;
• mais torque na extremidade inferior semelhante ao sistema twin-turbo;
• redução da atenuação da carga de admissão quando as válvulas se sobrepõem entre os cilindros;
• menor temperatura dos gases de escape;
• reduzir as perdas por impulso do motor;
• reduzir o consumo de combustível.

A principal desvantagem é a grande complexidade do projeto, causando aumentopreço. Além disso, em alta pressão em altas velocidades, a separação do fluxo de gás não permitirá que você obtenha o mesmo desempenho de pico de uma turbina single-scroll.

Estruturalmente, as turbinas twin-scroll são análogas aos sistemas com dois turbocompressores (bi-turbo e twin-turbo). Em comparação com eles, essas turbinas, pelo contrário, têm vantagens em custo e simplicidade de design. Alguns fabricantes estão aproveitando isso, como a BMW, que substituiu o sistema twin-turbo no N54B30 1-Series M Coupe por um turbocompressor twin-scroll no N55B30 M2.

Deve-se notar que existem opções ainda mais avançadas tecnicamente para turbinas, representando o estágio mais alto de seu desenvolvimento - turbocompressores de geometria variável. Em geral, eles têm as mesmas vantagens sobre turbinas convencionais como twin-scroll, mas em maior medida. No entanto, esses turbocompressores têm um design muito mais complexo. Além disso, eles são difíceis de configurar em motores não projetados originalmente para tais sistemas devido ao fato de serem controlados pela unidade de controle do motor. Finalmente, o principal fator que causa o uso extremamente ruim dessas turbinas em motores a gasolina é o custo muito alto dos modelos para esses motores. Portanto, tanto na produção em massa quanto na afinação, eles são extremamente raros, mas são amplamente utilizados em motores a diesel de veículos comerciais.

Na SEMA 2015, a BorgWarner revelou um projeto que combina a tecnologia de rolagem dupla com o projeto de geometria variável, a turbina de geometria variável Twin Scroll. Nelaum amortecedor é instalado na parte de dupla entrada, que, dependendo da carga, distribui o fluxo entre os impulsores. Em baixas velocidades, todos os gases de escape vão para uma pequena parte do rotor, e a grande parte é bloqueada, o que proporciona uma rotação ainda mais rápida do que uma turbina twin-scroll convencional. À medida que a carga aumenta, o amortecedor se move gradualmente para a posição intermediária e distribui uniformemente o fluxo em altas velocidades, como em um projeto de rolagem dupla padrão. Assim, esta tecnologia, assim como a tecnologia de geometria variável, proporciona uma mudança na relação A/R em função da carga, ajustando a turbina ao modo de operação do motor, o que amplia a faixa de operação. Ao mesmo tempo, considerar o design é muito mais simples e barato, pois apenas um elemento móvel é usado aqui, trabalhando de acordo com um algoritmo simples, e não é necessário o uso de materiais resistentes ao calor. Deve-se notar que soluções semelhantes foram encontradas antes (por exemplo, válvula de carretel rápido), mas por algum motivo essa tecnologia não ganhou popularidade.

Aplicativo

Como mencionado acima, as turbinas twin-scroll são frequentemente usadas em carros esportivos produzidos em massa. No entanto, ao ajustar, seu uso em muitos motores com sistemas single-scroll é dificultado pelo espaço limitado. Isso se deve principalmente ao design do coletor: em comprimentos iguais, curvas radiais aceitáveis e características de fluxo devem ser mantidas. Além disso, há uma questão do comprimento e da curvatura ideais, bem como do material e da espessura da parede. De acordo com a Full-Race, devido à maior eficiênciaturbinas twin-scroll, é possível utilizar canais de menor diâmetro. No entanto, devido à sua forma complexa e entrada dupla, esse coletor é, em qualquer caso, maior, mais pesado e mais complicado do que o habitual devido ao maior número de peças. Portanto, pode não caber em um local padrão, pelo que será necessário trocar o cárter. Além disso, as próprias turbinas twin-scroll são maiores do que as similares single-scroll. Além disso, outro appipe e armadilha de óleo serão necessários. Além disso, duas wastegates (uma por impulsor) são usadas em vez de um tubo em Y para melhor desempenho com wastegates externos para sistemas de rolagem dupla.

Em qualquer caso, é possível instalar uma turbina twin-scroll em um VAZ e substituí-la por um turbocompressor Porsche single-scroll. A diferença está no custo e no escopo do trabalho na preparação do motor: se nos motores turbo de série, se houver espaço, geralmente basta substituir o coletor de escape e algumas outras peças e fazer ajustes, os motores naturalmente aspirados exigem muito mais intervenção séria para turboalimentação. No entanto, no segundo caso, a diferença na complexidade da instalação (mas não no custo) entre os sistemas twin-scroll e single-scroll é insignificante.

Conclusões

Turbinas twin-scroll oferecem melhor desempenho, capacidade de resposta e eficiência do que as turbinas single-scroll, dividindo os gases de escape na roda da turbina dupla e eliminando a interferência do cilindro. No entantoconstruir tal sistema pode ser muito caro. Em suma, esta é a melhor solução para aumentar a capacidade de resposta sem sacrificar o desempenho máximo dos motores turbo.