توربين التمرير المزدوج: وصف التصميم ، مبدأ التشغيل ، الإيجابيات والسلبيات

2024 مؤلف: Erin Ralphs | [email protected]. آخر تعديل: 2024-02-19 11:52

العيب الرئيسي للمحركات التوربينية مقارنة بخيارات الغلاف الجوي هو الاستجابة الأقل ، نظرًا لحقيقة أن دوران التوربين يستغرق وقتًا معينًا. مع تطوير الشاحن التوربيني ، يطور المصنعون طرقًا مختلفة لتحسين استجابتهم وأدائهم وكفاءتهم. التوربينات اللولبية المزدوجة هي الخيار الأفضل.

الميزات العامة

يشير هذا المصطلح إلى الشواحن التوربينية ذات المدخل المزدوج والمكره المزدوج لعجلة التوربين. منذ ظهور التوربينات الأولى (منذ حوالي 30 عامًا) ، تم تمييزها في خيارات سحب مفتوحة ومنفصلة. هذه الأخيرة هي نظائرها من شاحن توربيني مزدوج التمرير. تحدد أفضل المعلمات استخدامها في الضبط ورياضة السيارات. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدمها بعض المصنّعين في إنتاج السيارات الرياضية مثل Mitsubishi Evo و Subaru Impreza WRX STI و Pontiac Solstice GXP والآخرين

مبدأ التصميم والتشغيل

تختلف التوربينات ذات التمرير المزدوج عن التوربينات التقليدية من خلال وجود عجلة توربينية مزدوجة وجزء مدخل مقسم إلى قسمين. يتكون الجزء المتحرك من تصميم متجانسة ، لكن حجم الشفرات وشكلها وانحناءها يختلف باختلاف القطر. جزء منه مصمم لحمولة صغيرة والآخر لحمل كبير

يعتمد مبدأ تشغيل توربينات التمرير المزدوج على الإمداد المنفصل لغازات العادم بزوايا مختلفة لعجلة التوربين ، اعتمادًا على ترتيب تشغيل الأسطوانات.

تتم مناقشة ميزات التصميم وكيفية عمل توربين التمرير المزدوج بمزيد من التفاصيل أدناه.

مشعب العادم

تصميم مجمع العادم ذو أهمية قصوى لشواحن توربينية مزدوجة التمرير. يعتمد على مفهوم اقتران الأسطوانة لمشعبات السباق ويتم تحديده من خلال عدد الأسطوانات وترتيب إطلاقها. تعمل جميع المحركات رباعية الأسطوانات تقريبًا بترتيب 1-3-4-2. في هذه الحالة ، تجمع إحدى القنوات بين الأسطوانات 1 و 4 ، والأخرى - 2 و 3. في معظم المحركات ذات 6 أسطوانات ، يتم توفير غازات العادم بشكل منفصل عن 1 و 3 و 5 و 2 و 4 و 6 أسطوانات. كاستثناءات ، يجب ملاحظة RB26 و 2JZ. يعملون بالترتيب 1-5-3-6-2-4.

وبالتالي ، بالنسبة لهذه المحركات ، يتم تزاوج 1 ، 2 ، 3 أسطوانات لمروحة واحدة ، 4 ، 5 ، 6 للثانية (يتم تنظيم محركات التوربينات في المخزون بنفس الترتيب). هكذا سميتتتميز المحركات بتصميم مبسط لمشعب العادم ، والذي يجمع الأسطوانات الثلاثة الأولى والأخيرة في قناتين.

بالإضافة إلى توصيل الأسطوانات بترتيب معين ، تعد الميزات الأخرى للمشعب مهمة جدًا. بادئ ذي بدء ، يجب أن يكون لكلتا القناتين نفس الطول ونفس عدد الانحناءات. هذا بسبب الحاجة إلى ضمان نفس الضغط لغازات العادم المزودة. بالإضافة إلى ذلك ، من المهم أن تتوافق شفة التوربين الموجودة على المشعب مع شكل وأبعاد مدخلها. أخيرًا ، لضمان أفضل أداء ، يجب أن يكون التصميم المتشعب متطابقًا بشكل وثيق مع A / R للتوربين.

يتم تحديد الحاجة إلى استخدام مشعب عادم بتصميم مناسب للتوربينات ثنائية اللولب من خلال حقيقة أنه في حالة استخدام مشعب تقليدي ، سيعمل مثل هذا الشاحن التوربيني كواحد من التمرير الفردي. سيُلاحظ الشيء نفسه عند الجمع بين التوربينات أحادية التمرير ومشعب التمرير المزدوج.

تفاعل اندفاعي للاسطوانات

إحدى المزايا المهمة للشواحن التوربينية ثنائية التمرير ، والتي تحدد مزاياها مقارنة بالشاحن التوربيني أحادي التمرير ، هي التقليل أو إزالة التأثير المتبادل للأسطوانات بواسطة نبضات غاز العادم.

من المعروف أنه لكل أسطوانة لتمرير جميع السكتات الدماغية الأربعة ، يجب أن يدور العمود المرفقي 720 درجة. هذا صحيح لكل من المحركات ذات 4 و 12 أسطوانة. ومع ذلك ، إذا تم تدوير العمود المرفقي بمقدار 720 درجة على الأسطوانات الأولى ، فإنهم يكملون دورة واحدة ، ثم12 اسطوانة - جميع الدورات. وبالتالي ، مع زيادة عدد الأسطوانات ، يتم تقليل مقدار دوران العمود المرفقي بين نفس الأشواط لكل أسطوانة. لذلك ، في المحركات ذات 4 أسطوانات ، تحدث شوط الطاقة كل 180 درجة في أسطوانات مختلفة. وينطبق هذا أيضًا على ضربات السحب والضغط والعادم. في المحركات ذات 6 أسطوانات ، تحدث المزيد من الأحداث في دورتين من العمود المرفقي ، وبالتالي فإن نفس الضربات بين الأسطوانات تفصل بينها 120 درجة. بالنسبة للمحركات ذات 8 أسطوانات ، يكون الفاصل الزمني 90 درجة ، للمحركات ذات 12 أسطوانة 60 درجة.

من المعروف أن أعمدة الكامات يمكن أن يكون لها مرحلة من 256 إلى 312 درجة أو أكثر. على سبيل المثال ، يمكننا أن نأخذ محركًا بمراحل 280 درجة عند المدخل والمخرج. عند إطلاق غازات العادم على مثل هذا المحرك رباعي الأسطوانات ، كل 180 درجة ، تفتح صمامات العادم للأسطوانة بمقدار 100 درجة. هذا مطلوب لرفع المكبس من أسفل إلى أعلى مركز ميت أثناء عادم تلك الأسطوانة. مع أمر إطلاق النار 1-3-2-4 للأسطوانة الثالثة ، ستبدأ صمامات العادم في الفتح في نهاية ضربة المكبس. في هذا الوقت ، ستبدأ شوط السحب في الأسطوانة الأولى ، وستبدأ صمامات العادم في الإغلاق. خلال أول 50 درجة من فتح صمامات العادم للأسطوانة الثالثة ، ستفتح صمامات العادم الخاصة بالأسطوانة الأولى ، كما ستبدأ صمامات السحب الخاصة بها في الفتح. وهكذا تتداخل الصمامات بين الاسطوانات.

بعد إزالة غازات العادم من الأسطوانة الأولى ، تغلق صمامات العادم وتبدأ صمامات السحب في الفتح. في الوقت نفسه ، يتم فتح صمامات العادم للأسطوانة الثالثة ، مما يؤدي إلى إطلاق غازات عادم عالية الطاقة. حصة كبيرةيتم استخدام ضغطهم وطاقتهم لتشغيل التوربين ، ويبحث جزء أصغر عن المسار الأقل مقاومة. بسبب الضغط المنخفض لصمامات العادم المغلقة للأسطوانة الأولى مقارنة بمدخل التوربين المتكامل ، يتم إرسال جزء من غازات العادم للأسطوانة الثالثة إلى الأول.

نظرًا لحقيقة أن شوط السحب يبدأ في الأسطوانة الأولى ، يتم تخفيف شحنة السحب بغازات العادم ، مما يؤدي إلى فقد الطاقة. أخيرًا ، تغلق صمامات الأسطوانة الأولى ويرتفع مكبس الأسطوانة الثالثة. بالنسبة للأخير ، يتم التحرير ، ويتكرر الوضع المدروس للأسطوانة 1 عند فتح صمامات العادم للأسطوانة الثانية. وبالتالي ، هناك ارتباك. تظهر هذه المشكلة بشكل أكثر وضوحًا في المحركات ذات 6 و 8 أسطوانات مع فترات شوط العادم بين الأسطوانات 120 و 90 درجة ، على التوالي. في هذه الحالات ، يوجد تداخل أطول لصمامات العادم للأسطوانتين.

نظرًا لاستحالة تغيير عدد الأسطوانات ، يمكن حل هذه المشكلة عن طريق زيادة الفاصل الزمني بين الدورات المتشابهة باستخدام شاحن توربيني. في حالة استخدام توربينين على محركات ذات 6 و 8 أسطوانات ، يمكن دمج الأسطوانات لتشغيل كل منهما. في هذه الحالة ، ستتضاعف الفترات الفاصلة بين أحداث صمام العادم المماثلة. على سبيل المثال ، بالنسبة لـ RB26 ، يمكنك الجمع بين الأسطوانات 1-3 للتوربين الأمامي و 4-6 في الخلف. هذا يلغي التشغيل المتتالي للاسطوانات لتوربين واحد. لذلك ، فإن الفترة الفاصلة بين أحداث صمام العادم لـأسطوانات شاحن توربيني واحد تزداد من 120 إلى 240 درجة

نظرًا لحقيقة أن التوربينات اللولبية المزدوجة بها مشعب عادم منفصل ، فهي بهذا المعنى تشبه نظامًا به شاحنان توربيني. لذلك ، فإن المحركات ذات 4 أسطوانات مع توربينين أو شاحن توربيني مزدوج التمرير لها فاصل 360 درجة بين الأحداث. المحركات ذات 8 أسطوانات بأنظمة تعزيز مماثلة لها نفس التباعد. فترة طويلة جدًا ، تتجاوز مدة رفع الصمام ، تستبعد تداخلها مع أسطوانات توربين واحد.

بهذه الطريقة ، يسحب المحرك مزيدًا من الهواء ويسحب غازات العادم المتبقية عند ضغط منخفض ، وملء الأسطوانات بشحنة أكثر كثافة ونظافة ، مما يؤدي إلى احتراق أكثر كثافة ، مما يحسن الأداء. بالإضافة إلى ذلك ، تسمح الكفاءة الحجمية الأكبر والتنظيف الأفضل باستخدام تأخير اشتعال أعلى للحفاظ على درجات حرارة الأسطوانة القصوى. بفضل هذا ، فإن كفاءة التوربينات المزدوجة اللولب أعلى بنسبة 7-8٪ مقارنة بالتوربينات أحادية التمرير مع كفاءة وقود أفضل بنسبة 5٪.

تتميز الشواحن التوربينية ذات التمرير المزدوج بمتوسط ضغط وكفاءة أعلى للأسطوانة ، ولكن ضغط أسطوانة الذروة المنخفض وضغط المخرج الخلفي ، مقارنة بالشواحن التوربينية أحادية التمرير ، وفقًا لـ Full-Race. تتمتع أنظمة التمرير المزدوج بمزيد من الضغط المرتد عند عدد دورات منخفضة في الدقيقة (تعزيز التعزيز) وأقل عند عدد دورات عالية في الدقيقة (تحسين الأداء). أخيرًا ، يكون المحرك الذي يحتوي على نظام التعزيز هذا أقل حساسية للآثار السلبية للطور العريضأعمدة الكامات.

الأداء

أعلاه كانت المواقف النظرية لعمل توربينات التمرير المزدوج. ما يعطيه هذا في الممارسة يتم تحديده من خلال القياسات. تم إجراء مثل هذا الاختبار بالمقارنة مع الإصدار المفرد بواسطة مجلة DSPORT على Project KA 240SX. يطور محركه KA24DET ما يصل إلى 700 حصان. مع. على عجلات على E85. تم تجهيز المحرك بمشعب عادم Wisecraft Fabrication المخصص وشاحن توربيني Garrett GTX. أثناء الاختبارات ، تم تغيير مبيت التوربينات فقط بنفس قيمة A / R. بالإضافة إلى التغييرات في القدرة وعزم الدوران ، قام المختبرين بقياس الاستجابة عن طريق قياس الوقت للوصول إلى عدد دورات في الدقيقة معين وزيادة الضغط في الترس الثالث في ظل ظروف إطلاق مماثلة.

أظهرت النتائج أفضل أداء لتوربين التمرير المزدوج في جميع أنحاء نطاق rpm بأكمله. أظهر أعلى تفوق في القوة في المدى من 3500 إلى 6000 دورة في الدقيقة. أفضل النتائج ناتجة عن ارتفاع ضغط التعزيز عند نفس عدد الدورات في الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك ، أدى المزيد من الضغط إلى زيادة عزم الدوران ، مقارنة بتأثير زيادة حجم المحرك. كما يظهر بشكل أكثر وضوحًا عند السرعات المتوسطة. في التسارع من 45 إلى 80 م / ساعة (3100-5600 دورة في الدقيقة) ، تفوق التوربين المزدوج اللولب على التمرير الفردي بواحد بمقدار 0.49 ثانية (2.93 مقابل 3.42) ، مما سيعطي فرقًا من ثلاثة أجسام. أي عندما تصل السيارة المزودة بشاحن توربيني ذي إشارة التمرير إلى 80 ميلاً في الساعة ، فإن البديل المزدوج التمرير سيقطع مسافة 3 سيارات إلى الأمام بسرعة 95 ميلاً في الساعة. في نطاق سرعة 60-100 م / ساعة (4200-7000 دورة في الدقيقة) ، تفوق التوربين المزدوج اللولبيتبين أنها أقل أهمية وبلغت 0.23 ثانية (1.75 مقابل 1.98 ثانية) و 5 متر / ساعة (105 مقابل 100 متر / ساعة). من حيث سرعة الوصول إلى ضغط معين ، فإن شاحن توربيني مزدوج التمرير يتقدم على الشاحن التوربيني أحادي التمرير بحوالي 0.6 ثانية. لذلك عند 30 رطل لكل بوصة مربعة يكون الفرق 400 دورة في الدقيقة (5500 مقابل 5100 دورة في الدقيقة).

تم إجراء مقارنة أخرى بواسطة Full Race Motorsports على محرك Ford EcoBoost سعة 2.3 لتر مع توربو BorgWarner EFR. في هذه الحالة ، تمت مقارنة معدل تدفق غاز العادم في كل قناة بواسطة محاكاة الكمبيوتر. بالنسبة للتوربينات ذات اللولب المزدوج ، كان انتشار هذه القيمة يصل إلى 4٪ ، بينما بالنسبة للتوربين أحادي اللولب كان 15٪. توافق أفضل لمعدل التدفق يعني فقدًا أقل للخلط ومزيدًا من الطاقة النبضية لشواحن توربينية مزدوجة التمرير.

إيجابيات وسلبيات

توربينات التمرير المزدوجة تقدم العديد من المزايا مقارنة بالتوربينات اللولبية المفردة. وتشمل هذه:

• زيادة الأداء في جميع أنحاء نطاق المراجعة ؛
• استجابة أفضل
• خسارة خلط أقل ؛
• زيادة الطاقة النبضية لعجلة التوربينات ؛
• تعزيز الكفاءة بشكل أفضل
• المزيد من عزم الدوران السفلي مشابه لنظام التوربو المزدوج ؛
• تقليل توهين شحنة السحب عندما تتداخل الصمامات بين الأسطوانات ؛
• انخفاض درجة حرارة غاز العادم
• تقليل الخسائر الدافعة للمحرك ؛
• تقليل استهلاك الوقود.

العيب الرئيسي هو التعقيد الكبير للتصميم ، مما تسبب في زيادةسعر. بالإضافة إلى ذلك ، عند الضغط العالي بسرعات عالية ، لن يسمح لك فصل تدفق الغاز بالحصول على نفس أداء الذروة كما هو الحال في التوربينات أحادية التمرير.

من الناحية الهيكلية ، تعتبر التوربينات ذات التمرير المزدوج مماثلة للأنظمة التي تحتوي على شاحنين توربينيين (توربو ثنائي وتوربو مزدوج). بالمقارنة معهم ، فإن هذه التوربينات ، على العكس من ذلك ، لها مزايا من حيث التكلفة وبساطة التصميم. تستفيد بعض الشركات المصنعة من ذلك ، مثل BMW ، التي حلت محل نظام التوربو المزدوج في N54B30 1-Series M Coupe بشاحن توربيني مزدوج التمرير على N55B30 M2.

وتجدر الإشارة إلى أن هناك خيارات أكثر تقدمًا من الناحية الفنية للتوربينات ، والتي تمثل أعلى مرحلة من تطورها - الشواحن التوربينية ذات الهندسة المتغيرة. بشكل عام ، لديهم نفس المزايا على التوربينات التقليدية مثل التوربينات المزدوجة ، ولكن إلى حد أكبر. ومع ذلك ، فإن هذه الشاحن التوربيني لها تصميم أكثر تعقيدًا. بالإضافة إلى ذلك ، يصعب إعدادها على محركات لم يتم تصميمها في الأصل لمثل هذه الأنظمة نظرًا لأن وحدة التحكم في المحرك يتم التحكم فيها. أخيرًا ، فإن العامل الرئيسي الذي يسبب الاستخدام السيئ للغاية لهذه التوربينات في محركات البنزين هو التكلفة العالية جدًا لنماذج هذه المحركات. لذلك ، سواء في الإنتاج الضخم أو في الضبط ، فهي نادرة للغاية ، لكنها تستخدم على نطاق واسع في محركات الديزل للمركبات التجارية.

في SEMA 2015 ، كشفت BorgWarner عن تصميم يجمع بين تقنية التمرير المزدوج والتصميم الهندسي المتغير ، التوربينات الهندسية المتغيرة اللولبية المزدوجة. فيهايتم تثبيت المثبط في جزء المدخل المزدوج ، والذي ، حسب الحمل ، يوزع التدفق بين الدفاعات. عند السرعات المنخفضة ، تذهب جميع غازات العادم إلى جزء صغير من الدوار ، ويتم حظر الجزء الكبير ، مما يوفر دورانًا أسرع من التوربينات التقليدية المزدوجة اللولب. مع زيادة الحمل ، يتحرك المخمد تدريجيًا إلى الموضع الأوسط ويوزع التدفق بالتساوي بسرعات عالية ، كما هو الحال في تصميم مزدوج التمرير. وبالتالي ، فإن هذه التقنية ، مثل تقنية الهندسة المتغيرة ، توفر تغييرًا في نسبة A / R اعتمادًا على الحمل ، وتعديل التوربين إلى وضع تشغيل المحرك ، مما يوسع نطاق التشغيل. في الوقت نفسه ، يعتبر التصميم أبسط وأرخص بكثير ، حيث يتم استخدام عنصر متحرك واحد فقط هنا ، ويعمل وفقًا لخوارزمية بسيطة ، ولا يلزم استخدام مواد مقاومة للحرارة. وتجدر الإشارة إلى أنه تم العثور على حلول مماثلة من قبل (على سبيل المثال ، صمام التخزين المؤقت السريع) ، ولكن لسبب ما لم تكتسب هذه التقنية شعبية.

التطبيق

كما هو مذكور أعلاه ، غالبًا ما تستخدم توربينات التمرير المزدوج في السيارات الرياضية ذات الإنتاج الضخم. ومع ذلك ، عند الضبط ، يتم إعاقة استخدامها على العديد من المحركات ذات الأنظمة أحادية التمرير بسبب المساحة المحدودة. هذا يرجع في المقام الأول إلى تصميم الرأس: عند الأطوال المتساوية ، يجب الحفاظ على الانحناءات الشعاعية وخصائص التدفق المقبولة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مسألة الطول والانحناء الأمثل ، وكذلك سمك المادة والجدار. وفقًا لـ Full-Race ، نظرًا لزيادة الكفاءةالتوربينات المزدوجة التمرير ، من الممكن استخدام قنوات ذات قطر أصغر. ومع ذلك ، نظرًا لشكلها المعقد ومدخلها المزدوج ، فإن هذا المجمع على أي حال أكبر وأثقل وأكثر تعقيدًا من المعتاد بسبب العدد الأكبر من الأجزاء. لذلك ، قد لا يتناسب مع مكان قياسي ، ونتيجة لذلك سيكون من الضروري تغيير علبة المرافق. بالإضافة إلى ذلك ، فإن توربينات التمرير المزدوجة نفسها أكبر من التوربينات أحادية التمرير المماثلة. بالإضافة إلى ذلك ، سوف تكون هناك حاجة إلى مصيدة الزيت الأخرى ومصيدة الزيت. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام اثنين من بوابتي العادم (واحد لكل دافع) بدلاً من الأنبوب Y لتحسين الأداء مع بوابات العادم الخارجية لأنظمة التمرير المزدوجة.

على أي حال ، من الممكن تثبيت توربين مزدوج التمرير على VAZ ، واستبداله بشاحن توربيني بورش أحادي التمرير. يكمن الاختلاف في التكلفة ونطاق العمل على إعداد المحرك: إذا كانت المحركات التوربينية التسلسلية ، إذا كان هناك مساحة ، فهذا يكفي عادةً لاستبدال مشعب العادم وبعض الأجزاء الأخرى وإجراء التعديلات ، فإن المحركات التي تعمل بالشفط الطبيعي تتطلب أكثر من ذلك بكثير تدخل جاد للشحن التوربيني. ومع ذلك ، في الحالة الثانية ، يكون الاختلاف في تعقيد التثبيت (ولكن ليس في التكلفة) بين أنظمة التمرير المزدوج والتمرير الفردي غير مهم.

الاستنتاجات

توربينات التمرير المزدوج توفر أداءً واستجابة وكفاءة أفضل من التوربينات أحادية التمرير من خلال فصل غازات العادم إلى عجلة التوربينات المزدوجة والقضاء على تداخل الأسطوانة. لكنقد يكون بناء مثل هذا النظام مكلفًا للغاية. الكل في الكل ، هذا هو الحل الأفضل لزيادة الاستجابة دون التضحية بأقصى أداء للمحركات التوربينية.