Основным недостатком турбированных двигателей в сравнении с атмосферными вариантами является меньшая отзывчивость, обусловленная тем, что раскрутка турбины занимает определенное время. С развитием турбокомпрессоров производители разрабатывают различные способы повышения их отзывчивости, производительности и эффективности. Наиболее оптимальным вариантом являются твинскрольные турбины.
Общие особенности
Под данным термином понимают турбокомпрессоры со сдвоенной входной частью и двойной крыльчаткой турбинного колеса. Со времен появления первых турбин (примерно 30 лет назад) они были дифференцированы на варианты с открытым и раздельным впуском. Последние являются аналогами современных твинскрольных турбокомпрессоров. Лучшие параметры определяют применение их в тюнинге и автоспорте. К тому же некоторые производители используют их на серийных спортивных машинах, таких как Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP и др.
Конструкция и принцип функционирования
От обычных турбин твинскрольные отличаются сдвоенным турбинным колесом и разделенной надвое входной частью. Ротор имеет монолитную конструкцию, но размер, форма и изгиб лопастей изменяются по диаметру. Одна его часть рассчитана на малую нагрузку, другая — на большую.
Принцип работы твинскрольных турбин основан на раздельной подаче выхлопных газов под разным углом на турбинное колесо в зависимости от порядка работы цилиндров.
Далее более подробно рассмотрены конструктивные особенности и то, как работает твинскрольная турбина.
Выпускной коллектор
Основное значение для твинскрольных турбокомпрессоров имеет конструкция выпускного коллектора. Она основана на концепции сопряжения цилиндров гоночных коллекторов и определяется количеством цилиндров и порядком их работы. Почти все 4-цилиндровые моторы функционируют в порядке 1-3-4-2. В данном случае один канал объединяет 1 и 4 цилиндры, другой – 2 и 3. На большинстве 6-цилиндровых моторов подача выхлопных газов осуществляется раздельно из 1, 3, 5 и 2, 4, 6 цилиндров. В качестве исключений следует отметить RB26 и 2JZ. Они работают в порядке 1-5-3-6-2-4.
Следовательно, для данных моторов 1, 2, 3 цилиндры сопрягают для одной крыльчатки, 4, 5, 6 – для второй (в стоке в том же порядке организован привод турбин). Таким образом, названные двигатели отличаются упрощенной конструкцией выпускного коллектора, объединяющего в два канала три первых и три последних цилиндра.
Помимо соединения цилиндров в определенном порядке, очень важны и прочие особенности коллектора. Прежде всего, оба канала должны иметь равную длину и одинаковое количество изгибов. Это обусловлено необходимостью обеспечения одинакового давления подаваемых выхлопных газов. Кроме того, важно соответствие фланца турбины на коллекторе по форме и размерам ее входу. Наконец, для обеспечения наилучшей производительности необходимо точное соответствие конструкции коллектора значению A/R турбины.
Необходимость применения для твинскрольных турбин выпускного коллектора соответствующей конструкции определяется тем, что в случае использования обычного коллектора такой турбокомпрессор будет работать как синглскрольный. То же самое будет наблюдаться при совмещении синглскрольной турбины с коллектором для твинскрольной.
Импульсное взаимодействие цилиндров
Одно из значительных достоинств твинскрольных турбокомпрессоров, определяющих их преимущества перед синглскрольными, состоит в существенном сокращении или устранении взаимного влияния цилиндров импульсами отработанных газов.
Известно, что для прохождения каждым цилиндром всех четырех тактов коленчатый вал должен провернуться на 720°. Это справедливо и для 4- и для 12-цилиндровых двигателей. Однако если при повороте коленвала на 720° на первых цилиндры завершат один такт, то на 12-цилиндровых – все такты. Таким образом, с увеличением количества цилиндров сокращается величина вращения коленвала между одинаковыми тактами для каждого цилиндра. Так, на 4-цилиндровых моторах рабочий ход происходит каждые 180° в различных цилиндрах. Это актуально и для тактов впуска, сжатия и выпуска. На 6-цилиндровых двигателях за 2 оборота коленвала происходит больше событий, поэтому одинаковые такты между цилиндрами разнесены на 120°. Для 8-цилиндровых моторов интервал составляет 90°, для 12-цилиндровых – 60°.
Известно, что распредвалы могут иметь фазу от 256 до 312° и более. Для примера можно взять двигатель с фазами 280° на впуске и выпуске. При выпуске отработавших газов на таком 4-цилиндровом моторе каждые 180° выпускные клапаны цилиндра будут открыты на протяжении 100°. Это требуется для подъема поршня из нижней в верхнюю мертвую точку во время выпуска для данного цилиндра. При порядке работы 1-3-2-4 для третьего цилиндра выпускные клапаны начнут открываться при завершении рабочего хода поршня. В это время в первом цилиндре начнется такт впуска, и станут закрываться выпускные клапаны. В течение первых 50° открытия выпускных клапанов третьего цилиндра будут открыты выпускные клапаны первого, а также начнут открываться его впускные клапаны. Таким образом, происходит перекрытие клапанов между цилиндрами.
После удаления выхлопных газов из первого цилиндра закрываются выпускные клапаны, и начинают открываться впускные. В то же время открываются выпускные клапаны третьего цилиндра, освобождая высокоэнергетические выхлопные газы. Значительная доля их давления и энергии используется для привода турбины, а меньшая часть ищет путь наименьшего сопротивления. Ввиду меньшего давления закрывающихся выпускных клапанов первого цилиндра в сравнении с цельным входом турбины часть отработанных газов третьего цилиндра направляется в первый.
Ввиду того, что в первом цилиндре начинается впускной такт, впускной заряд разбавляется выхлопными газами, теряя мощность. В завершение клапаны первого цилиндра закрываются, а поршень третьего поднимается. Для последнего осуществляется выпуск, и повторяется рассмотренная для цилиндра 1 ситуация, когда открываются выпускные клапаны второго цилиндра. Таким образом, наблюдается смешение. Данная проблема еще больше проявляется на 6- и 8-цилиндровых моторах при интервалах такта выпуска между цилиндрами в 120 и 90° соответственно. В данных случаях наблюдается еще более длительное перекрытие выпускных клапанов двух цилиндров.
Ввиду невозможности изменения количества цилиндров данную проблему можно решить, увеличив интервал между аналогичными тактами путем применения турбокомпрессора. В случае использования двух турбин на 6- и 8-цилиндровых моторах можно совместить цилиндры для привода каждой из них. В таком случае интервалы между аналогичными событиями выпускных клапанов удвоятся. Например, для RB26 можно совместить цилиндры 1-3 для передней турбины и 4-6 для задней. Таким образом исключается последовательное срабатывание цилиндров для одной турбины. Следовательно, интервал между событиями выпускных клапанов для цилиндров одного турбокомпрессора возрастает со 120 до 240°.
Ввиду того, что твинскрольная турбина имеет раздельный выпускной коллектор, в данном смысле она аналогична системе с двумя турбокомпрессорами. Так, 4-цилиндровые моторы с двумя турбинами либо твинскрольным турбокомпрессором имеют интервал в 360° между событиями. 8-цилиндровые двигатели с аналогичными системами наддува имеют тот же интервал. Очень длительный период, превышающий продолжительность подъема клапанов, исключает их перекрытие для цилиндров одной турбины.
Таким образом, двигатель втягивает больше воздуха и вытягивает остатки выхлопных газов с малым давлением, заполняя цилиндры более плотным и чистым зарядом, что обеспечивает более интенсивное сгорание, повышающее производительность. К тому же большая объемная эффективность и лучшая очистка позволяют использовать более высокую задержку воспламенения, поддерживающую пиковую температуру в цилиндрах. Благодаря этому эффективность твинскрольных турбин выше на 7-8% в сравнении с синглскрольными при лучшей на 5% эффективности использования топлива.
По данным Full-Race, твинскрольные турбокомпрессоры по сравнению с синглскрольными характеризуются большими средними давлением в цилиндре и эффективностью, но меньшими пиковым давлением в цилиндре и противодавлением на выходе. Твинскрольные системы имеют большее противодавление на низких оборотах (способствующее наддуву) и меньшее на высоких (повышающее производительность). Наконец, двигатель с такой системой наддува менее чувствителен к отрицательным эффектам широкофазных распредвалов.
Производительность
Выше были приведенные теоретические положения функционирования твинскрольных турбин. Что это дает на практике, установлено замерами. Такое испытание путем сравнения с синглскрольным вариантом было проведено журналом DSPORT на Project KA 240SX. Его KA24DET развивает до 700 л. с. на колесах на E85. Мотор оснащен кастомным выпускным коллектором Wisecraft Fabrication и турбокомпрессором Garrett GTX. В процессе испытаний меняли только корпус турбины при одинаковом значении A/R. Помимо изменения мощности и крутящего момента испытатели оценивали отзывчивость путем замеров времени достижения определенных оборотов и давления наддува на третьей передаче при аналогичных условиях запуска.
Результаты продемонстрировали лучшую производительность твинскрольной турбины во всем диапазоне оборотов. Наибольшее превосходство по мощности она показала в интервале от 3500 до 6000 об/мин. Лучшие результаты объясняются большим давлением наддува при тех же оборотах. К тому же большее давление обеспечило прирост крутящего момента, сравнимый с эффектом от повышения объема двигателя. Наиболее ярко он также проявляется на средних оборотах. В ускорении с 45 до 80 м/ч (3100-5600 об/мин) твинскрольная турбина обошла синглскрольную на 0,49 с (2,93 с против 3,42), что даст разницу в три корпуса. То есть когда машина с сигнлскрольным турбокомпрессором достигнет 80 м/ч, твинскрольный вариант будет ехать на 3 длины автомобиля впереди со скоростью 95 м/ч. В диапазоне скоростей 60-100 м/ч (4200-7000 об/мин) превосходство твинскрольной турбины оказалось менее значительным и составило 0,23 с (1,75 против 1,98 с) и 5 м/ч (105 против 100 м/ч). По скорости достижения определенного давления твинскрольный турбокомпрессор опережает синглскрольный примерно на 0,6 с. Так, при 30 psi разница составляет 400 об/мин (5500 против 5100 об/мин).
Еще одно сравнение провели Full Race Motorsports на 2,3 л двигателе Ford EcoBoost с турбиной BorgWarner EFR. В данном случае путем компьютерного моделирования была сопоставлена скорость потока выхлопных газов в каждом канале. Для твинскрольной турбины разброс данной величины составил до 4%, в то время как для синглскрольной – 15%. Лучшая согласованность скоростей потока свидетельствует о меньших потерях при смешивании и большей энергии импульса для твинскрольных турбокомпрессоров.
Достоинства и недостатки
Твинскрольные турбины характеризуются множеством преимуществ перед синглскрольными вариантами. К ним относятся:
- повышенная производительность во всем диапазоне оборотов;
- лучшая отзывчивость;
- меньшие потери при смешивании;
- повышенная энергия импульса на турбинное колесо;
- лучшая эффективность наддува;
- больший крутящий момент на низах аналогично системе твин-турбо;
- сокращение ослабления впускного заряда при перекрытии клапанов между цилиндрами;
- понижение температуры выхлопных газов;
- снижение импульсных потерь двигателя;
- снижение расхода топлива.
Основным недостатком является большая сложность конструкции, обуславливающую повышенную стоимость. Кроме того, при большом давлении на высоких оборотах разделение потока газов не позволит получить ту же пиковую производительность, что на синглскрольной турбине.
Конструктивно твинскрольные турбины представляют аналог систем с двумя турбокомпрессорами (би-турбо и твин-турбо). В сравнении с ними такие турбины наоборот имеют преимущества в стоимости и простоте конструкции. Этим пользуются некоторых производители, как, например, BMW, заменившая систему твин-турбо на N54B30 1-Series M Coupe на твинскрольный турбокомпрессор на N55B30 M2.
Следует отметить, что существуют еще более технически совершенные варианты турбин, представляющие высшую ступень их развития — турбокомпрессоры с изменяемой геометрией. В целом они обладают теми же преимуществами перед обычными турбинами, что и твинскрольные, но в большей степени. Однако такие турбокомпрессоры имеют значительно более сложную конструкцию. К тому же их трудно настроить на не рассчитанных изначально на такие системы моторах ввиду того, что они контролируются блоком управления двигателем. Наконец, основным фактором, обуславливающим крайне скудное применение данных турбин на бензиновых двигателях, является очень высокая стоимость моделей для таких моторов. Поэтому как в серийном производстве, так и в тюнинге они встречаются крайне редко, однако обширно распространены на дизельных двигателях коммерческих машин.
На SEMA 2015 г. BorgWarner была представлена разработка, совмещающая твинскрольную технологию и конструкцию с изменяемой геометрией — твинскрольная турбина с изменяемой геометрией. В ее двойной входной части установлена заслонка, которая в зависимости от нагрузки распределяет поток по крыльчаткам. На низких оборотах все отработанные газу идут на маленькую часть ротора, а большая перекрыта, что обеспечивает еще более быструю раскрутку, чем у обычной твинскрольной турбины. С ростом нагрузки заслонка постепенно переходит в среднее положение и равномерно распределяет поток на высоких оборотах, как в стандартной твинскрольной конструкции. Таким образом, данная технология, как и технология с изменяемой геометрией, обеспечивает изменение соотношения A/R в зависимости от нагрузки, подстраивая турбину под режим работы двигателя, что расширяет рабочий диапазон. При этом рассматривая конструкция значительно проще и дешевле, так как здесь используется только один движущийся элемент, работающий по простому алгоритму, и не требуется применение термостойких материалов. Следует отметить, что подобные решения встречались и ранее (например, quick spool valve), однако эта технология по каким-то причинам не обрела распространения.
Применение
Как было отмечено выше, твинскрольные турбины нередко применяются на серийных спорткарах. Однако при тюнинге их использование на многих моторах с синглскрольными системами затруднено ограниченным пространством. Это обусловлено, прежде всего, конструкцией коллектора: при равной длине необходимо сохранить приемлемые радиальные изгибы и характеристики потока. К тому же стоит вопрос оптимальной длины и изгиба, а также материала и толщины стенок. По данным Full-Race, ввиду большей эффективности твинскрольных турбин возможно использование каналов меньшего диаметра. Однако вследствие их сложной формы и двойного входного отверстия такой коллектор в любом случае больше, тяжелее и сложнее обычного из-за большего количества деталей. Поэтому он может не поместиться на стандартное место, вследствие чего потребуется менять картер. К тому же сами твинскрольные турбины больше аналогичных синглскрольных. Кроме того, потребуются другие аппайп и маслоуловитель. Помимо этого, для лучшей производительности с внешними вестгейтами для твинскрольных систем применяют два вестгейта (по одному на крыльчатку) вместо Y-образной трубы.
В любом случае возможна и установка твинскрольной турбины на ВАЗ, и замена ей синглскрольного турбокомпрессора Porsche. Разница состоит в стоимости и объеме работ по подготовке двигателя: если на серийных турбомоторах при наличии пространства обычно достаточно заменить выпускной коллектор и некоторые прочие детали и сделать настройку, то атмосферные двигатели требуют для турбирования значительно более серьезного вмешательства. Однако во втором случае разница в сложности установки (но не в стоимости) твинскрольной и синглскрольной систем несущественна.
Выводы
Твинскрольные турбины, благодаря раздельной подаче выхлопных газов на двойное турбинное колесо и устранению взаимного импульсного влияния цилиндров, обеспечивают лучшие производительность, отзывчивость и эффективность в сравнении с синглскрольными вариантами. Однако создание такой системы может оказаться весьма дорогостоящим. В целом это оптимальное решение для повышения отзывчивости без потери максимальной производительности для турбомоторов.
