Turbina scroll doble: descripción del diseño, principio de funcionamiento, pros y contras

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Última modificación: 2024-02-19 14:10

La principal desventaja de los motores turboalimentados en comparación con las opciones atmosféricas es la menor capacidad de respuesta, debido al hecho de que el giro de la turbina tarda cierto tiempo. Con el desarrollo de los turbocompresores, los fabricantes están desarrollando varias formas de mejorar su capacidad de respuesta, rendimiento y eficiencia. Las turbinas Twin Scroll son la mejor opción.

Características generales

Este término se refiere a los turbocompresores con doble entrada y doble impulsor de la rueda de la turbina. Desde la aparición de las primeras turbinas (hace unos 30 años), se han diferenciado en opciones de toma abierta y separada. Estos últimos son análogos de los modernos turbocompresores de doble entrada. Los mejores parámetros determinan su uso en tuning y automovilismo. Además, algunos fabricantes los usan en autos deportivos de producción como Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP yotros

Diseño y principio de funcionamiento

Las turbinas Twin-scroll se diferencian de las turbinas convencionales por tener una rueda de turbina gemela y una parte de entrada dividida en dos. El rotor tiene un diseño monolítico, pero el tamaño, la forma y la curvatura de las palas varían a lo largo del diámetro. Una parte está diseñada para una carga pequeña y la otra para una grande.

El principio de funcionamiento de las turbinas twin-scroll se basa en el suministro separado de gases de escape en diferentes ángulos a la rueda de la turbina, según el orden de funcionamiento de los cilindros.

Las características de diseño y el funcionamiento de la turbina de doble espiral se analizan con más detalle a continuación.

Colector de escape

El diseño del colector de escape es de primordial importancia para los turbocompresores de doble entrada. Se basa en el concepto de acoplamiento de cilindros de los colectores de carreras y está determinado por el número de cilindros y su orden de encendido. Casi todos los motores de 4 cilindros funcionan en orden 1-3-4-2. En este caso, un canal combina los cilindros 1 y 4, el otro, 2 y 3. En la mayoría de los motores de 6 cilindros, los gases de escape se suministran por separado de 1, 3, 5 y 2, 4, 6 cilindros. Como excepciones, cabe señalar RB26 y 2JZ. Trabajan en el orden 1-5-3-6-2-4.

En consecuencia, para estos motores, 1, 2, 3 cilindros están acoplados para un impulsor, 4, 5, 6 para el segundo (las unidades de turbina están organizadas en stock en el mismo orden). Así llamadolos motores se distinguen por un diseño simplificado del colector de escape, que combina los tres primeros y los últimos tres cilindros en dos canales.

Además de conectar los cilindros en un cierto orden, otras características del colector son muy importantes. En primer lugar, ambos canales deben tener la misma longitud y el mismo número de curvas. Esto se debe a la necesidad de garantizar la misma presión de los gases de escape suministrados. Además, es importante que la brida de la turbina en el colector coincida con la forma y las dimensiones de su entrada. Finalmente, para garantizar el mejor rendimiento, el diseño del colector debe coincidir estrechamente con el A/R de la turbina.

La necesidad de utilizar un colector de escape de un diseño apropiado para turbinas twin-scroll viene determinada por el hecho de que en el caso de utilizar un colector convencional, dicho turbocompresor funcionará como uno single-scroll. Lo mismo se observará al combinar una turbina de un solo cabezal con un colector de doble cabezal.

Interacción impulsiva de cilindros

Una de las ventajas significativas de los turbocompresores de doble entrada, que determinan sus ventajas sobre los de entrada simple, es la reducción o eliminación significativa de la influencia mutua de los cilindros por los impulsos de los gases de escape.

Se sabe que para que cada cilindro pase los cuatro tiempos, el cigüeñal debe girar 720°. Esto es cierto para los motores de 4 y 12 cilindros. Sin embargo, si, cuando el cigüeñal gira 720 ° en los primeros cilindros, completan un ciclo, entonces en12 cilindros - todos los ciclos. Así, con un aumento en el número de cilindros, se reduce la cantidad de rotación del cigüeñal entre las mismas carreras para cada cilindro. Entonces, en los motores de 4 cilindros, la carrera de potencia ocurre cada 180 ° en diferentes cilindros. Esto también es cierto para las carreras de admisión, compresión y escape. En los motores de 6 cilindros, ocurren más eventos en 2 revoluciones del cigüeñal, por lo que las mismas carreras entre los cilindros están separadas 120 °. Para motores de 8 cilindros, el intervalo es de 90 °, para motores de 12 cilindros, de 60 °.

Se sabe que los árboles de levas pueden tener una fase de 256 a 312° o más. Por ejemplo, podemos tomar un motor con fases de 280° en la entrada y salida. Al liberar gases de escape en un motor de 4 cilindros de este tipo, cada 180 °, las válvulas de escape del cilindro estarán abiertas 100 °. Esto es necesario para levantar el pistón desde el punto muerto inferior al superior durante el escape de ese cilindro. Con el orden de encendido 1-3-2-4 para el tercer cilindro, las válvulas de escape comenzarán a abrirse al final de la carrera del pistón. En este momento, la carrera de admisión comenzará en el primer cilindro y las válvulas de escape comenzarán a cerrarse. Durante los primeros 50° de apertura de las válvulas de escape del tercer cilindro, se abrirán las válvulas de escape del primer cilindro, y también comenzarán a abrirse sus válvulas de admisión. Por lo tanto, las válvulas se superponen entre los cilindros.

Después de eliminar los gases de escape del primer cilindro, las válvulas de escape se cierran y las válvulas de admisión comienzan a abrirse. Al mismo tiempo, se abren las válvulas de escape del tercer cilindro, liberando gases de escape de alta energía. Participación significativasu presión y energía se utiliza para impulsar la turbina, y una parte más pequeña busca el camino de menor resistencia. Debido a la menor presión de las válvulas de escape de cierre del primer cilindro en comparación con la entrada integral de la turbina, parte de los gases de escape del tercer cilindro se envían al primero.

Debido a que la carrera de admisión comienza en el primer cilindro, la carga de admisión se diluye con los gases de escape, perdiendo potencia. Finalmente, las válvulas del primer cilindro se cierran y el pistón del tercero sube. Para este último, se realiza el desbloqueo, y se repite la situación considerada para el cilindro 1 cuando se abren las válvulas de escape del segundo cilindro. Por lo tanto, hay confusión. Este problema es aún más pronunciado en motores de 6 y 8 cilindros con intervalos de carrera de escape entre cilindros de 120 y 90 °, respectivamente. En estos casos, hay una superposición aún mayor de las válvulas de escape de los dos cilindros.

Debido a la imposibilidad de cambiar el número de cilindros, este problema puede resolverse aumentando el intervalo entre ciclos similares mediante el uso de un turbocompresor. En el caso de utilizar dos turbinas en motores de 6 y 8 cilindros, se pueden combinar cilindros para accionar cada una de ellas. En este caso, los intervalos entre eventos similares de la válvula de escape se duplicarán. Por ejemplo, para el RB26, puede combinar los cilindros 1-3 para la turbina delantera y 4-6 para la trasera. Esto elimina la operación sucesiva de los cilindros para una turbina. Por lo tanto, el intervalo entre los eventos de la válvula de escape paracilindros de un turbocargador aumenta de 120 a 240°.

Debido al hecho de que la turbina de doble espiral tiene un colector de escape separado, en este sentido es similar a un sistema con dos turbocompresores. Entonces, los motores de 4 cilindros con dos turbinas o un turbocargador twin-scroll tienen un intervalo de 360° entre eventos. Los motores de 8 cilindros con sistemas de refuerzo similares tienen el mismo espacio. Un período muy largo, que exceda la duración de la elevación de la válvula, excluye su superposición para los cilindros de una turbina.

De esta manera, el motor aspira más aire y extrae los gases de escape restantes a baja presión, llenando los cilindros con una carga más densa y limpia, lo que resulta en una combustión más intensa, lo que mejora el rendimiento. Además, una mayor eficiencia volumétrica y una mejor limpieza permiten el uso de un mayor retardo de encendido para mantener las temperaturas máximas del cilindro. Gracias a esto, la eficiencia de las turbinas de doble entrada es entre un 7 y un 8 % superior en comparación con las turbinas de entrada única, con una eficiencia de combustible un 5 % mayor.

Los turbocompresores Twin-scroll tienen una mayor presión y eficiencia promedio del cilindro, pero una presión máxima del cilindro y una contrapresión de salida más bajas, en comparación con los turbocompresores de un solo scroll, según Full-Race. Los sistemas Twin-scroll tienen más contrapresión a bajas revoluciones (promoviendo el impulso) y menos a altas revoluciones (mejorando el rendimiento). Finalmente, un motor con un sistema de refuerzo de este tipo es menos sensible a los efectos negativos de la fase ancha.árboles de levas.

Rendimiento

Arriba estaban las posiciones teóricas del funcionamiento de las turbinas twin-scroll. Lo que esto da en la práctica se establece mediante mediciones. Tal prueba en comparación con la versión de desplazamiento único fue realizada por la revista DSPORT en el Proyecto KA 240SX. Su KA24DET desarrolla hasta 700 hp. Con. sobre ruedas en la E85. El motor está equipado con un colector de escape personalizado Wisecraft Fabrication y un turbocompresor Garrett GTX. Durante las pruebas, solo se cambió la carcasa de la turbina al mismo valor A/R. Además de los cambios de potencia y par, los evaluadores midieron la capacidad de respuesta midiendo el tiempo para alcanzar ciertas RPM y aumentar la presión en tercera marcha en condiciones de arranque similares.

Los resultados mostraron el mejor rendimiento de la turbina de doble entrada en todo el rango de rpm. Mostró la mayor superioridad en potencia en el rango de 3500 a 6000 rpm. Los mejores resultados se deben a la mayor presión de sobrealimentación a las mismas rpm. Además, más presión proporcionó un aumento en el par, comparable al efecto de aumentar el volumen del motor. También es más pronunciado a velocidades medias. En aceleración de 45 a 80 m/h (3100-5600 rpm), la turbina twin-scroll superó a la de single-scroll en 0,49 s (2,93 vs. 3,42), lo que dará una diferencia de tres cuerpos. Es decir, cuando un automóvil con un turbocompresor de desplazamiento de señal alcanza las 80 mph, la variante de desplazamiento doble viajará 3 automóviles por delante a 95 mph. En el rango de velocidad de 60-100 m/h (4200-7000 rpm), la superioridad de la turbina twin-scrollresultó ser menos significativo y ascendió a 0,23 s (1,75 frente a 1,98 s) y 5 m/h (105 frente a 100 m/h). En términos de la velocidad para alcanzar una determinada presión, un turbocompresor de doble entrada está por delante de un turbocompresor de entrada única en aproximadamente 0,6 s. Entonces, a 30 psi, la diferencia es de 400 rpm (5500 frente a 5100 rpm).

Full Race Motorsports hizo otra comparación con un motor Ford EcoBoost de 2.3L con un turbo BorgWarner EFR. En este caso, la tasa de flujo de gases de escape en cada canal se comparó mediante simulación por computadora. Para una turbina twin-scroll, la dispersión de este valor fue de hasta un 4%, mientras que para una turbina single-scroll fue del 15%. Una mejor coincidencia de caudal significa menos pérdida de mezcla y más energía de impulso para los turbocompresores twin-scroll.

Pros y contras

Las turbinas de doble espiral ofrecen muchas ventajas sobre las turbinas de una sola espiral. Estos incluyen:

• mayor rendimiento en todo el rango de revoluciones;
• mejor capacidad de respuesta;
• menos pérdida de mezcla;
• mayor energía de impulso a la rueda de la turbina;
• mejor aumento de la eficiencia;
• más torque en el extremo inferior similar al sistema biturbo;
• reducción de la atenuación de la carga de admisión cuando las válvulas se superponen entre cilindros;
• menor temperatura de los gases de escape;
• reducir las pérdidas de impulso del motor;
• reducir el consumo de combustible.

La principal desventaja es la gran complejidad del diseño, lo que provoca un aumentoprecio. Además, a alta presión a altas velocidades, la separación del flujo de gas no le permitirá obtener el mismo rendimiento máximo que en una turbina de un solo scroll.

Estructuralmente, las turbinas twin-scroll son análogas a los sistemas con dos turbocompresores (bi-turbo y twin-turbo). En comparación con ellos, tales turbinas, por el contrario, tienen ventajas en costo y simplicidad de diseño. Algunos fabricantes se están aprovechando de esto, como BMW, que reemplazó el sistema biturbo en el N54B30 1-Series M Coupe con un turbocargador twin-scroll en el N55B30 M2.

Cabe señalar que existen opciones aún más avanzadas técnicamente para turbinas, que representan la etapa más alta de su desarrollo: turbocompresores con geometría variable. En general, tienen las mismas ventajas sobre las turbinas convencionales que las twin-scroll, pero en mayor medida. Sin embargo, tales turbocompresores tienen un diseño mucho más complejo. Además, son difíciles de instalar en motores no diseñados originalmente para tales sistemas debido al hecho de que están controlados por la unidad de control del motor. Finalmente, el factor principal que causa el uso extremadamente pobre de estas turbinas en motores de gasolina es el costo muy alto de los modelos para tales motores. Por lo tanto, tanto en la producción en masa como en la puesta a punto, son extremadamente raros, pero se usan ampliamente en los motores diesel de los vehículos comerciales.

En SEMA 2015, BorgWarner presentó un diseño que combina la tecnología de desplazamiento doble con un diseño de geometría variable, la turbina de geometría variable de desplazamiento doble. En suEn la parte de doble entrada se instala una compuerta que, en función de la carga, reparte el caudal entre los impulsores. A bajas velocidades, todos los gases de escape van a una pequeña parte del rotor y la mayor parte se bloquea, lo que proporciona un giro aún más rápido que una turbina de doble entrada convencional. A medida que aumenta la carga, el amortiguador se mueve gradualmente a la posición media y distribuye uniformemente el flujo a altas velocidades, como en un diseño estándar de doble entrada. Así, esta tecnología, al igual que la tecnología de geometría variable, proporciona un cambio en la relación A/R en función de la carga, ajustando la turbina al modo de funcionamiento del motor, lo que amplía el rango de funcionamiento. Al mismo tiempo, considerar el diseño es mucho más simple y económico, ya que aquí solo se usa un elemento móvil, que funciona de acuerdo con un algoritmo simple, y no se requiere el uso de materiales resistentes al calor. Cabe señalar que se han encontrado soluciones similares antes (por ejemplo, válvula de corredera rápida), pero por alguna razón esta tecnología no ha ganado popularidad.

Solicitud

Como se mencionó anteriormente, las turbinas de doble entrada se usan a menudo en autos deportivos producidos en masa. Sin embargo, durante el ajuste, su uso en muchos motores con sistemas de desplazamiento único se ve obstaculizado por el espacio limitado. Esto se debe principalmente al diseño del cabezal: a longitudes iguales, se deben mantener curvas radiales y características de flujo aceptables. Además, existe la cuestión de la longitud y curvatura óptimas, así como del material y el grosor de la pared. Según Full-Race, por mayor eficienciaturbinas twin-scroll, es posible utilizar canales de menor diámetro. Sin embargo, debido a su forma compleja y doble entrada, dicho colector es en cualquier caso más grande, más pesado y más complicado de lo habitual debido al mayor número de piezas. Por lo tanto, es posible que no encaje en un lugar estándar, por lo que será necesario cambiar el cárter. Además, las propias turbinas de doble entrada son más grandes que las similares de entrada única. Además, se requerirán otros tubos y trampas de aceite. Además, se utilizan dos válvulas de descarga (una por impulsor) en lugar de una tubería en Y para un mejor rendimiento con válvulas de descarga externas para sistemas de doble espiral.

En cualquier caso, es posible instalar una turbina de doble entrada en un VAZ y reemplazarla con un turbocompresor Porsche de entrada única. La diferencia radica en el costo y el alcance del trabajo en la preparación del motor: si en los motores turbo de serie, si hay espacio, generalmente es suficiente reemplazar el colector de escape y algunas otras partes y hacer ajustes, entonces los motores de aspiración natural requieren mucho más. intervención seria para la turboalimentación. Sin embargo, en el segundo caso, la diferencia en la complejidad de la instalación (pero no en el costo) entre los sistemas de doble entrada y de entrada única es insignificante.

Conclusiones

Las turbinas de doble entrada brindan mejor rendimiento, capacidad de respuesta y eficiencia que las turbinas de entrada simple al dividir los gases de escape en la rueda de la turbina doble y eliminar la interferencia del cilindro. Sin embargoconstruir un sistema de este tipo puede ser muy costoso. Con todo, esta es la mejor solución para aumentar la capacidad de respuesta sin sacrificar el máximo rendimiento de los motores turbo.