Tua bin cuộn đôi: mô tả thiết kế, nguyên lý hoạt động, ưu và nhược điểm

2024 Tác giả: Erin Ralphs | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-02-19 19:58

Nhược điểm chính của động cơ tăng áp so với các tùy chọn khí quyển là khả năng đáp ứng kém hơn, do quá trình quay của tuabin mất một thời gian nhất định. Với sự phát triển của bộ tăng áp, các nhà sản xuất đang phát triển nhiều cách khác nhau để cải thiện khả năng đáp ứng, hiệu suất và hiệu quả của chúng. Tua bin cuộn đôi là lựa chọn tốt nhất.

Tính năng chung

Thuật ngữ này dùng để chỉ bộ tăng áp với một đầu vào kép và một bánh công tác kép của bánh tuabin. Kể từ khi xuất hiện những tuabin đầu tiên (khoảng 30 năm trước), chúng đã được phân biệt thành các lựa chọn cửa nạp mở và riêng biệt. Loại thứ hai là tương tự của bộ tăng áp cuộn kép hiện đại. Các thông số tốt nhất xác định việc sử dụng chúng trong điều chỉnh và đua xe thể thao. Ngoài ra, một số nhà sản xuất còn sử dụng chúng trên các mẫu xe thể thao sản xuất như Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP vànhững người khác

Nguyên lý thiết kế và hoạt động

Tua bin cuộn kép khác với tuabin thông thường ở chỗ có bánh tua bin đôi và phần đầu vào được chia đôi. Rôto có thiết kế nguyên khối, nhưng kích thước, hình dạng và độ cong của các cánh thay đổi theo đường kính. Một phần của nó được thiết kế cho tải trọng nhỏ, phần kia dành cho tải trọng lớn.

Nguyên tắc hoạt động của tuabin cuộn đôi dựa trên việc cung cấp riêng biệt khí thải ở các góc khác nhau vào bánh tuabin, tùy thuộc vào thứ tự hoạt động của các xi lanh.

Các tính năng thiết kế và cách hoạt động của tuabin cuộn đôi sẽ được thảo luận chi tiết hơn bên dưới.

Ống xả

Thiết kế của ống xả có tầm quan trọng hàng đầu đối với bộ tăng áp cuộn kép. Nó dựa trên khái niệm khớp nối xi lanh của các ống góp xe đua và được xác định bởi số lượng xi lanh và thứ tự bắn của chúng. Hầu hết tất cả các động cơ 4 xi-lanh hoạt động theo thứ tự 1-3-4-2. Trong trường hợp này, một kênh kết hợp các xi lanh 1 và 4, kênh còn lại - 2 và 3. Trên hầu hết các động cơ 6 xi lanh, khí thải được cung cấp riêng biệt từ các xi lanh 1, 3, 5 và 2, 4, 6. Như các trường hợp ngoại lệ, RB26 và 2JZ cần được lưu ý. Chúng hoạt động theo thứ tự 1-5-3-6-2-4.

Do đó, đối với các động cơ này, 1, 2, 3 xi lanh được phối ghép cho một bánh công tác, 4, 5, 6 cho bánh công tác thứ hai (các bộ truyền động tuabin được sắp xếp trong kho theo thứ tự giống nhau). Như vậy được đặt tênCác động cơ được phân biệt bởi thiết kế đơn giản của ống xả, kết hợp ba xi lanh đầu tiên và ba xi lanh cuối cùng thành hai kênh.

Ngoài việc kết nối các xi lanh theo một thứ tự nhất định, các tính năng khác của ống góp rất quan trọng. Trước hết, cả hai kênh phải có cùng độ dài và cùng một số khúc cua. Điều này là do sự cần thiết phải đảm bảo cùng một áp suất của các khí thải được cung cấp. Ngoài ra, điều quan trọng là mặt bích tuabin trên ống góp phải phù hợp với hình dạng và kích thước của đầu vào của nó. Cuối cùng, để đảm bảo hiệu suất tốt nhất, thiết kế ống góp phải phù hợp chặt chẽ với A / R của tuabin.

Nhu cầu sử dụng ống xả có thiết kế thích hợp cho tuabin cuộn đôi được xác định bởi thực tế là trong trường hợp sử dụng ống góp thông thường, bộ tăng áp như vậy sẽ hoạt động như một cuộn đơn. Điều tương tự cũng sẽ được quan sát khi kết hợp tuabin một cuộn với một ống góp cuộn đôi.

Tương tác xung động của xi lanh

Một trong những ưu điểm đáng kể của bộ tăng áp cuộn kép, quyết định ưu điểm của chúng so với loại cuộn đơn, là giảm đáng kể hoặc loại bỏ ảnh hưởng lẫn nhau của các xi lanh do xung khí xả.

Được biết, để mỗi xi lanh vượt qua cả 4 hành trình thì trục khuỷu phải quay 720 °. Điều này đúng với cả động cơ 4 và 12 xi-lanh. Tuy nhiên, nếu khi trục khuỷu quay 720 ° trên các xi lanh đầu tiên, chúng hoàn thành một chu kỳ, sau đó tiếp tục12-xi lanh - tất cả các chu kỳ. Do đó, với việc tăng số lượng xi lanh, lượng quay của trục khuỷu giữa các hành trình giống nhau đối với mỗi xi lanh sẽ giảm. Vì vậy, trên động cơ 4 xi lanh, hành trình công suất xảy ra cứ 180 ° trong các xi lanh khác nhau. Điều này cũng đúng với hành trình nạp, nén và xả. Trên động cơ 6 xi lanh, nhiều sự kiện xảy ra hơn trong 2 vòng quay của trục khuỷu, do đó các hành trình giống nhau giữa các xi lanh cách nhau 120 °. Đối với động cơ 8 xi-lanh, khoảng thời gian là 90 °, đối với động cơ 12 xi-lanh - 60 °.

Được biết, trục cam có thể có pha từ 256 đến 312 ° hoặc hơn. Ví dụ, chúng ta có thể lấy một động cơ có pha 280 ° ở đầu vào và đầu ra. Khi xả khí thải trên động cơ 4 xi lanh như vậy, cứ 180 °, van xả của xi lanh sẽ mở 100 °. Điều này là cần thiết để nâng piston từ tâm chết dưới lên trên trong quá trình xả cho xi lanh đó. Với thứ tự bắn 1-3-2-4 cho xi lanh thứ ba, các van xả sẽ bắt đầu mở khi kết thúc hành trình piston. Tại thời điểm này, hành trình nạp sẽ bắt đầu trong xi lanh thứ nhất, và các van xả sẽ bắt đầu đóng lại. Trong 50 ° đầu tiên của việc mở các van xả của xi lanh thứ ba, các van xả của xi lanh thứ nhất sẽ mở và các van nạp của nó cũng bắt đầu mở. Do đó, các van chồng lên nhau giữa các xi lanh.

Sau khi loại bỏ khí thải ra khỏi xi lanh thứ nhất, các van xả đóng lại và các van nạp bắt đầu mở. Đồng thời, van xả của xi lanh thứ ba mở ra, giải phóng khí thải năng lượng cao. Chia sẻ đáng kểáp suất và năng lượng của chúng được sử dụng để điều khiển tuabin, và một phần nhỏ hơn đang tìm kiếm con đường có ít lực cản nhất. Do áp suất đóng van xả của xi lanh thứ nhất thấp hơn so với đầu vào của tuabin tích hợp, một phần khí thải của xi lanh thứ ba được đưa đến ống xả thứ nhất.

Do hành trình nạp bắt đầu ở xi lanh thứ nhất, lượng nạp bị pha loãng với khí thải, mất công suất. Cuối cùng, các van của xi lanh thứ nhất đóng lại và piston của xi lanh thứ ba tăng lên. Đối với loại thứ hai, việc nhả được thực hiện và tình huống được xem xét đối với xi lanh 1 được lặp lại khi các van xả của xi lanh thứ hai được mở. Như vậy, có sự nhầm lẫn. Vấn đề này thậm chí còn rõ ràng hơn trên động cơ 6 và 8 xi-lanh với khoảng hành trình xả giữa các xi-lanh tương ứng là 120 và 90 °. Trong những trường hợp này, có sự chồng chéo dài hơn của các van xả của hai xi lanh.

Do không thể thay đổi số lượng xi lanh, vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách tăng khoảng thời gian giữa các chu kỳ tương tự bằng cách sử dụng bộ tăng áp. Trong trường hợp sử dụng hai tuabin trên động cơ 6 và 8 xi lanh, các xi lanh có thể được kết hợp để truyền động cho từng loại. Trong trường hợp này, khoảng thời gian giữa các sự kiện van xả tương tự sẽ tăng gấp đôi. Ví dụ, đối với RB26, bạn có thể kết hợp xi lanh 1-3 cho tuabin phía trước và 4-6 cho phía sau. Điều này giúp loại bỏ hoạt động liên tiếp của các xi lanh đối với một tuabin. Do đó, khoảng thời gian giữa các sự kiện van xả đối vớixi lanh của một bộ tăng áp tăng từ 120 đến 240 °.

Do tuabin cuộn đôi có một ống xả riêng, theo nghĩa này, nó tương tự như một hệ thống có hai bộ tăng áp. Vì vậy, động cơ 4 xi-lanh với hai tuabin hoặc một bộ tăng áp cuộn kép có khoảng thời gian giữa các sự kiện là 360 °. Động cơ 8 xi-lanh có hệ thống tăng áp tương tự có cùng khoảng cách. Một khoảng thời gian rất dài, vượt quá thời gian nâng van, không bao gồm sự chồng chéo của chúng đối với các xi lanh của một tuabin.

Bằng cách này, động cơ hút nhiều không khí hơn và hút các khí thải còn lại ở áp suất thấp, làm đầy các xi-lanh với lượng điện đặc hơn và sạch hơn, dẫn đến quá trình đốt cháy mạnh mẽ hơn, giúp cải thiện hiệu suất. Ngoài ra, hiệu suất thể tích lớn hơn và làm sạch tốt hơn cho phép sử dụng độ trễ đánh lửa cao hơn để duy trì nhiệt độ tối đa của xi lanh. Nhờ đó, hiệu suất của tuabin cuộn đôi cao hơn 7-8% so với tuabin cuộn đơn với hiệu suất nhiên liệu tốt hơn 5%.

Bộ tăng áp cuộn kép có áp suất và hiệu suất xi lanh trung bình cao hơn, nhưng áp suất xi lanh cực đại và áp suất ngược đầu ra thấp hơn so với bộ tăng áp cuộn đơn, theo Full-Race. Hệ thống cuộn kép có nhiều áp suất ngược hơn ở vòng tua thấp (thúc đẩy tăng tốc) và ít hơn ở vòng tua cao (cải thiện hiệu suất). Cuối cùng, động cơ có hệ thống tăng áp như vậy ít nhạy cảm hơn với các tác động tiêu cực của pha rộngtrục cam.

Hiệu suất

Trên đây là các vị trí lý thuyết về hoạt động của tuabin cuộn đôi. Những gì điều này mang lại trong thực tế được thiết lập bằng các phép đo. Một thử nghiệm như vậy bằng cách so sánh với phiên bản cuộn đơn đã được tạp chí DSPORT thực hiện trên Project KA 240SX. KA24DET của anh ấy phát triển lên đến 700 mã lực. Với. trên bánh xe trên E85. Động cơ được trang bị ống xả Wisecraft Chế tạo tùy chỉnh và bộ tăng áp Garrett GTX. Trong các thử nghiệm, chỉ có vỏ tuabin được thay đổi ở cùng giá trị A / R. Ngoài những thay đổi về công suất và mô-men xoắn, những người thử nghiệm đã đo khả năng phản hồi bằng cách đo thời gian để đạt đến RPM nhất định và tăng áp suất ở bánh răng thứ ba trong các điều kiện khởi động tương tự.

Kết quả cho thấy hiệu suất tốt nhất của tuabin cuộn đôi trong toàn bộ dải vòng / phút. Nó cho thấy sức mạnh vượt trội lớn nhất trong dải vòng tua từ 3500 đến 6000 vòng / phút. Kết quả tốt nhất là do áp suất tăng cao hơn ở cùng vòng tua máy. Ngoài ra, áp suất nhiều hơn làm tăng mô-men xoắn, có thể so sánh với tác động của việc tăng thể tích của động cơ. Nó cũng rõ rệt nhất ở tốc độ trung bình. Ở gia tốc từ 45 đến 80 m / h (3100-5600 vòng / phút), tuabin cuộn đôi hoạt động tốt hơn cuộn đơn 0,49 s (2,93 so với 3,42), sẽ tạo ra sự khác biệt là ba thân. Tức là, khi một chiếc xe có bộ tăng áp cuộn tín hiệu đạt vận tốc 80 dặm / giờ, thì biến thể cuộn kép sẽ di chuyển 3 đoạn đường phía trước với vận tốc 95 dặm / giờ. Ở dải tốc độ 60-100 m / h (4200-7000 vòng / phút), tính ưu việt của tuabin cuộn képhóa ra ít đáng kể hơn và lên tới 0,23 s (1,75 so với 1,98 s) và 5 m / h (105 so với 100 m / h). Xét về tốc độ đạt đến một áp suất nhất định, bộ tăng áp cuộn kép đi trước bộ tăng áp cuộn đơn khoảng 0,6 s. Vì vậy, ở 30 psi sự khác biệt là 400 vòng / phút (5500 so với 5100 vòng / phút).

Một so sánh khác được thực hiện bởi Full Race Motorsports trên động cơ Ford EcoBoost 2.3L với turbo BorgWarner EFR. Trong trường hợp này, tốc độ dòng khí thải trong mỗi kênh được so sánh bằng mô phỏng máy tính. Đối với tuabin cuộn đôi, mức chênh lệch của giá trị này lên đến 4%, trong khi đối với tuabin một cuộn là 15%. Khả năng khớp tốc độ dòng chảy tốt hơn có nghĩa là ít mất trộn hơn và nhiều năng lượng xung hơn cho bộ tăng áp cuộn kép.

Ưu và nhược điểm

Tua bin cuộn đôi mang lại nhiều ưu điểm hơn so với tuabin cuộn đơn. Chúng bao gồm:

• tăng hiệu suất trong suốt dải vòng quay;
• khả năng đáp ứng tốt hơn;
• trộn ít hao hụt;
• tăng xung năng lượng đến bánh tuabin;
• tăng hiệu quả tốt hơn;
• thêm mô-men xoắn cuối phía dưới tương tự như hệ thống tăng áp kép;
• giảm suy hao phí nạp khi các van chồng lên nhau giữa các xi lanh;
• giảm nhiệt độ khí thải;
• giảm tổn thất xung của động cơ;
• giảm tiêu hao nhiên liệu.

Nhược điểm chính là độ phức tạp lớn của thiết kế, làm tănggiá bán. Ngoài ra, ở áp suất cao ở tốc độ cao, sự phân tách của dòng khí sẽ không cho phép bạn có được hiệu suất cao nhất như trên tuabin một cuộn.

Về mặt cấu tạo, tuabin cuộn kép tương tự như hệ thống có hai bộ tăng áp (bi-turbo và twin-turbo). Ngược lại, so với chúng, những tuabin như vậy có lợi thế về giá thành và thiết kế đơn giản. Một số nhà sản xuất đang tận dụng lợi thế này, chẳng hạn như BMW, đã thay thế hệ thống tăng áp kép trên N54B30 1-Series M Coupe bằng bộ tăng áp cuộn kép trên N55B30 M2.

Cần lưu ý rằng thậm chí còn có nhiều tùy chọn kỹ thuật tiên tiến hơn cho tuabin, thể hiện giai đoạn phát triển cao nhất của chúng - bộ tăng áp với hình dạng thay đổi. Nhìn chung, chúng có cùng ưu điểm so với tuabin thông thường như tua bin kép, nhưng ở một mức độ lớn hơn. Tuy nhiên, những bộ tăng áp như vậy có thiết kế phức tạp hơn nhiều. Ngoài ra, chúng rất khó cài đặt trên các động cơ không được thiết kế ban đầu cho các hệ thống như vậy do thực tế là chúng được điều khiển bởi bộ phận điều khiển động cơ. Cuối cùng, yếu tố chính gây ra việc sử dụng cực kỳ kém hiệu quả của các tuabin này trên động cơ xăng là giá thành của các mẫu động cơ như vậy rất cao. Do đó, cả trong sản xuất hàng loạt và điều chỉnh, chúng đều cực kỳ hiếm, nhưng chúng được sử dụng rộng rãi trên động cơ diesel của xe thương mại.

Tại SEMA 2015, BorgWarner đã trình làng một thiết kế kết hợp công nghệ cuộn kép với thiết kế hình học biến đổi, Tuabin hình học biến đổi kép. Trong cô ấymột van điều tiết được lắp đặt trong phần đầu vào kép, tùy thuộc vào tải, phân phối dòng chảy giữa các cánh quạt. Ở tốc độ thấp, tất cả khí thải đi đến một phần nhỏ của rôto và phần lớn bị chặn lại, điều này cung cấp tốc độ quay nhanh hơn cả tuabin cuộn đôi thông thường. Khi tải tăng lên, van điều tiết dần dần di chuyển đến vị trí giữa và phân bổ đều dòng chảy ở tốc độ cao, như trong thiết kế cuộn đôi tiêu chuẩn. Do đó, công nghệ này, giống như công nghệ hình học biến thiên, cung cấp sự thay đổi tỷ lệ A / R tùy thuộc vào tải, điều chỉnh tua-bin theo chế độ hoạt động của động cơ, giúp mở rộng phạm vi hoạt động. Đồng thời, xét về thiết kế thì đơn giản và rẻ hơn nhiều, vì ở đây chỉ sử dụng một phần tử chuyển động, làm việc theo một thuật toán đơn giản và không cần sử dụng vật liệu chịu nhiệt. Cần lưu ý rằng các giải pháp tương tự đã từng gặp phải trước đây (ví dụ, van ống nhanh), nhưng vì một số lý do mà công nghệ này chưa được phổ biến.

Đơn

Như đã nói ở trên, tuabin cuộn đôi thường được sử dụng trên những chiếc xe thể thao sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, khi điều chỉnh, việc sử dụng chúng trên nhiều động cơ với hệ thống cuộn đơn bị cản trở bởi không gian hạn chế. Điều này chủ yếu là do thiết kế của tiêu đề: ở độ dài bằng nhau, phải duy trì các đoạn uốn hướng tâm có thể chấp nhận được và các đặc tính dòng chảy. Ngoài ra, có một câu hỏi về chiều dài và độ uốn cong tối ưu, cũng như vật liệu và độ dày của tường. Theo Full-Race, do hiệu quả cao hơntuabin cuộn đôi, có thể sử dụng các kênh có đường kính nhỏ hơn. Tuy nhiên, do hình dạng phức tạp và đầu vào kép, bộ sưu tập như vậy trong mọi trường hợp đều lớn hơn, nặng hơn và phức tạp hơn bình thường do số lượng bộ phận nhiều hơn. Do đó, nó có thể không phù hợp với một nơi tiêu chuẩn, do đó sẽ cần phải thay đổi cacte. Ngoài ra, bản thân các tuabin cuộn đôi cũng lớn hơn các tuabin cuộn đơn tương tự. Ngoài ra, cần phải có các dụng cụ khác và bẫy dầu. Ngoài ra, hai ống xả (một ống cho mỗi cánh quạt) được sử dụng thay cho ống chữ Y để có hiệu suất tốt hơn với các ống thải bên ngoài cho hệ thống cuộn đôi.

Trong mọi trường hợp, có thể lắp tuabin cuộn kép trên VAZ và thay thế nó bằng bộ tăng áp cuộn đơn của Porsche. Sự khác biệt nằm ở chi phí và phạm vi công việc chuẩn bị động cơ: nếu trên động cơ turbo nối tiếp, nếu còn chỗ, thường chỉ đủ để thay thế ống xả và một số bộ phận khác và thực hiện các điều chỉnh, thì động cơ hút khí tự nhiên đòi hỏi nhiều hơn thế. can thiệp nghiêm trọng cho tăng áp. Tuy nhiên, trong trường hợp thứ hai, sự khác biệt về độ phức tạp của cài đặt (nhưng không phải về chi phí) giữa hệ thống cuộn đôi và cuộn đơn là không đáng kể.

Kết luận

Tua bin cuộn đôi mang lại hiệu suất, khả năng đáp ứng và hiệu quả tốt hơn so với tuabin cuộn đơn bằng cách tách khí thải đến bánh tua bin kép và loại bỏ nhiễu xi lanh. Tuy nhiênxây dựng một hệ thống như vậy có thể rất tốn kém. Nhìn chung, đây là giải pháp tốt nhất để tăng khả năng đáp ứng mà không làm giảm hiệu suất tối đa cho động cơ turbo.