Twin scroll turbine : description de la conception, principe de fonctionnement, avantages et inconvénients

2024 Auteur: Erin Ralphs | [email protected]. Dernière modifié: 2024-02-19 15:43

Le principal inconvénient des moteurs turbocompressés par rapport aux options atmosphériques est leur moindre réactivité, en raison du fait que la mise en rotation de la turbine prend un certain temps. Avec le développement des turbocompresseurs, les constructeurs développent différentes manières d'améliorer leur réactivité, leurs performances et leur efficacité. Les turbines à double spirale sont la meilleure option.

Caractéristiques générales

Ce terme fait référence aux turbocompresseurs à double entrée et à double roue de turbine. Depuis l'apparition des premières turbines (il y a environ 30 ans), elles ont été différenciées en options d'admission ouverte et séparée. Ces derniers sont des analogues des turbocompresseurs modernes à double volute. Les meilleurs paramètres déterminent leur utilisation dans le tuning et le sport automobile. De plus, certains fabricants les utilisent sur des voitures de sport de série telles que Mitsubishi Evo, Subaru Impreza WRX STI, Pontiac Solstice GXP etautres

Conception et principe de fonctionnement

Les turbines Twin-Scroll se distinguent des turbines conventionnelles par la présence d'une roue de turbine double et d'une partie d'entrée divisée en deux. Le rotor est de conception monolithique, mais la taille, la forme et la courbure des pales varient selon le diamètre. Une partie est conçue pour une petite charge, l'autre pour une grande.

Le principe de fonctionnement des turbines twin-scroll repose sur l'alimentation séparée des gaz d'échappement sous différents angles par rapport à la roue de turbine, en fonction de l'ordre de fonctionnement des cylindres.

Les caractéristiques de conception et le fonctionnement de la turbine à double volute sont discutés plus en détail ci-dessous.

Collecteur d'échappement

La conception du collecteur d'échappement est primordiale pour les turbocompresseurs à double volute. Il est basé sur le concept de couplage de cylindres des collecteurs de course et est déterminé par le nombre de cylindres et leur ordre d'allumage. Presque tous les moteurs 4 cylindres fonctionnent dans un ordre 1-3-4-2. Dans ce cas, un canal combine les cylindres 1 et 4, l'autre - 2 et 3. Sur la plupart des moteurs 6 cylindres, les gaz d'échappement sont alimentés séparément des 1, 3, 5 et 2, 4, 6 cylindres. Comme exceptions, RB26 et 2JZ doivent être notés. Ils fonctionnent dans l'ordre 1-5-3-6-2-4.

En conséquence, pour ces moteurs, 1, 2, 3 cylindres sont accouplés pour une roue, 4, 5, 6 pour la seconde (les entraînements à turbine sont organisés dans le stock dans le même ordre). Ainsi nomméles moteurs se distinguent par une conception simplifiée du collecteur d'échappement, qui combine les trois premiers et les trois derniers cylindres en deux canaux.

En plus de connecter les cylindres dans un certain ordre, d'autres caractéristiques du collecteur sont très importantes. Tout d'abord, les deux canaux doivent avoir la même longueur et le même nombre de coudes. Cela est dû à la nécessité d'assurer la même pression des gaz d'échappement fournis. De plus, il est important que la bride de la turbine sur le collecteur corresponde à la forme et aux dimensions de son entrée. Enfin, pour garantir les meilleures performances, la conception du collecteur doit être étroitement adaptée à l'A/R de la turbine.

La nécessité d'utiliser un collecteur d'échappement d'une conception appropriée pour les turbines à double volute est déterminée par le fait que dans le cas de l'utilisation d'un collecteur conventionnel, un tel turbocompresseur fonctionnera comme un turbocompresseur à volute unique. La même chose sera observée lors de la combinaison d'une turbine à simple volute avec un collecteur à double volute.

Interaction impulsive des cylindres

L'un des avantages significatifs des turbocompresseurs à double volute, qui déterminent leurs avantages par rapport aux turbocompresseurs à volute simple, est la réduction significative ou l'élimination de l'influence mutuelle des cylindres par les impulsions des gaz d'échappement.

On sait que pour que chaque cylindre passe les quatre temps, le vilebrequin doit tourner de 720°. Cela est vrai pour les moteurs 4 et 12 cylindres. Cependant, si, lorsque le vilebrequin est tourné de 720 ° sur les premiers cylindres, ils effectuent un cycle, alors sur12 cylindres - tous cycles. Ainsi, avec une augmentation du nombre de cylindres, la quantité de rotation du vilebrequin entre les mêmes courses pour chaque cylindre est réduite. Ainsi, sur les moteurs 4 cylindres, la course motrice se produit tous les 180 ° dans différents cylindres. Cela vaut également pour les courses d'admission, de compression et d'échappement. Sur les moteurs 6 cylindres, plus d'événements se produisent en 2 tours de vilebrequin, donc les mêmes coups entre les cylindres sont espacés de 120°. Pour les moteurs 8 cylindres, l'intervalle est de 90 °, pour les moteurs 12 cylindres - 60 °.

On sait que les arbres à cames peuvent avoir une phase de 256 à 312° ou plus. Par exemple, on peut prendre un moteur avec des phases à 280° en entrée et en sortie. Lors de la libération des gaz d'échappement sur un tel moteur 4 cylindres, tous les 180°, les soupapes d'échappement du cylindre seront ouvertes à 100°. Ceci est nécessaire pour soulever le piston du point mort bas au point mort haut pendant l'échappement de ce cylindre. Avec l'ordre d'allumage 1-3-2-4 pour le troisième cylindre, les soupapes d'échappement commenceront à s'ouvrir à la fin de la course du piston. À ce moment, la course d'admission commencera dans le premier cylindre et les soupapes d'échappement commenceront à se fermer. Pendant les premiers 50° de l'ouverture des soupapes d'échappement du troisième cylindre, les soupapes d'échappement du premier cylindre s'ouvriront, et ses soupapes d'admission commenceront également à s'ouvrir. Ainsi, les soupapes se chevauchent entre les cylindres.

Après l'évacuation des gaz d'échappement du premier cylindre, les soupapes d'échappement se ferment et les soupapes d'admission commencent à s'ouvrir. Dans le même temps, les soupapes d'échappement du troisième cylindre s'ouvrent, libérant des gaz d'échappement à haute énergie. Part importanteleur pression et leur énergie sont utilisées pour entraîner la turbine, et une plus petite partie recherche le chemin de moindre résistance. En raison de la pression plus faible des soupapes d'échappement de fermeture du premier cylindre par rapport à l'entrée de turbine intégrée, une partie des gaz d'échappement du troisième cylindre est envoyée au premier.

Du fait que la course d'admission commence dans le premier cylindre, la charge d'admission est diluée avec les gaz d'échappement, perdant de la puissance. Enfin, les soupapes du premier cylindre se ferment et le piston du troisième monte. Pour ce dernier, le desserrage est effectué, et la situation considérée pour le cylindre 1 se répète lorsque les soupapes d'échappement du deuxième cylindre sont ouvertes. Ainsi, il y a confusion. Ce problème est encore plus prononcé sur les moteurs 6 et 8 cylindres avec des intervalles de course d'échappement entre les cylindres de 120 et 90 °, respectivement. Dans ces cas, il y a un chevauchement encore plus long des soupapes d'échappement des deux cylindres.

En raison de l'impossibilité de changer le nombre de cylindres, ce problème peut être résolu en augmentant l'intervalle entre des cycles similaires en utilisant un turbocompresseur. Dans le cas de l'utilisation de deux turbines sur des moteurs 6 et 8 cylindres, les cylindres peuvent être combinés pour entraîner chacun d'eux. Dans ce cas, les intervalles entre des événements de soupape d'échappement similaires doubleront. Par exemple, pour le RB26, vous pouvez combiner les cylindres 1-3 pour la turbine avant et 4-6 pour l'arrière. Ceci élimine le fonctionnement successif des cylindres pour une turbine. Par conséquent, l'intervalle entre les événements de soupape d'échappement pourcylindres d'un turbocompresseur passe de 120 à 240°.

Du fait que la turbine à double volute a un collecteur d'échappement séparé, elle est en ce sens similaire à un système à deux turbocompresseurs. Ainsi, les moteurs 4 cylindres à deux turbines ou à turbocompresseur twin-scroll ont un intervalle de 360° entre les événements. Les moteurs 8 cylindres avec des systèmes de suralimentation similaires ont le même espacement. Une très longue période, supérieure à la durée de la levée des soupapes, exclut leur chevauchement pour les cylindres d'une même turbine.

De cette façon, le moteur aspire plus d'air et aspire les gaz d'échappement restants à basse pression, remplissant les cylindres d'une charge plus dense et plus propre, ce qui entraîne une combustion plus intense, ce qui améliore les performances. De plus, une plus grande efficacité volumétrique et un meilleur nettoyage permettent l'utilisation d'un délai d'allumage plus élevé pour maintenir les températures maximales du cylindre. Grâce à cela, l'efficacité des turbines à double volute est de 7 à 8 % supérieure à celle des turbines à volute unique avec un rendement énergétique supérieur de 5 %.

Les turbocompresseurs à double volute ont une pression de cylindre et une efficacité moyennes plus élevées, mais une pression de cylindre maximale et une contre-pression de sortie inférieures, par rapport aux turbocompresseurs à volute simple, selon Full-Race. Les systèmes à double volute ont plus de contre-pression à bas régime (favorisant la suralimentation) et moins à haut régime (améliorant les performances). Enfin, un moteur doté d'un tel système de suralimentation est moins sensible aux effets négatifs de la phase largearbres à cames.

Performance

Ci-dessus se trouvaient les positions théoriques du fonctionnement des turbines à double volute. Ce que cela donne en pratique est établi par des mesures. Un tel test par comparaison avec la version single-scroll a été réalisé par le magazine DSPORT sur le Project KA 240SX. Son KA24DET développe jusqu'à 700 ch. Avec. sur roues sur la E85. Le moteur est équipé d'un collecteur d'échappement personnalisé Wisecraft Fabrication et d'un turbocompresseur Garrett GTX. Lors des essais, seul le carter de turbine a été changé à la même valeur A/R. En plus des changements de puissance et de couple, les testeurs ont mesuré la réactivité en mesurant le temps nécessaire pour atteindre un certain régime et la pression de suralimentation en troisième vitesse dans des conditions de lancement similaires.

Les résultats ont montré les meilleures performances de la turbine à double volute sur toute la plage de régime. Il a montré la plus grande supériorité de puissance dans la plage de 3500 à 6000 tr/min. Les meilleurs résultats sont dus à la pression de suralimentation plus élevée au même régime. De plus, plus de pression a fourni une augmentation du couple, comparable à l'effet de l'augmentation du volume du moteur. Il est également plus prononcé à vitesse moyenne. En accélération de 45 à 80 m/h (3100-5600 tr/min), la turbine twin-scroll surclasse celle single-scroll de 0,49 s (2,93 vs 3,42), ce qui donnera une différence de trois corps. Autrement dit, lorsqu'une voiture équipée d'un turbocompresseur à défilement de signal atteint 80 mph, la variante à double volute parcourra 3 longueurs de voiture à 95 mph. Dans la plage de vitesse de 60-100 m/h (4200-7000 rpm), la supériorité de la turbine twin-scrolls'avèrent moins importantes et s'élèvent à 0,23 s (1,75 versus 1,98 s) et 5 m/h (105 versus 100 m/h). En termes de vitesse d'atteinte d'une certaine pression, un turbocompresseur à double volute est en avance sur un turbocompresseur à volute simple d'environ 0,6 s. Donc, à 30 psi, la différence est de 400 tr/min (5 500 contre 5 100 tr/min).

Une autre comparaison a été faite par Full Race Motorsports sur un moteur Ford EcoBoost de 2,3 L avec un turbo BorgWarner EFR. Dans ce cas, le débit de gaz d'échappement dans chaque canal a été comparé par simulation informatique. Pour une turbine à double volute, la dispersion de cette valeur était de 4 %, alors que pour une turbine à volute simple, elle était de 15 %. Une meilleure adaptation du débit signifie moins de perte de mélange et plus d'énergie d'impulsion pour les turbocompresseurs à double volute.

Pour et contre

Les turbines à double spirale offrent de nombreux avantages par rapport aux turbines à simple spirale. Ceux-ci incluent:

• performances accrues sur toute la plage de régime;
• meilleure réactivité;
• moins de perte de mélange;
• augmentation de l'énergie d'impulsion vers la roue de turbine;
• meilleure efficacité de boost;
• plus de couple à bas régime similaire au système bi-turbo;
• réduction de l'atténuation de la charge d'admission lorsque les soupapes se chevauchent entre les cylindres;
• baisser la température des gaz d'échappement;
• réduire les pertes d'impulsions du moteur;
• réduire la consommation de carburant.

Le principal inconvénient est la grande complexité de la conception, entraînant une augmentationle prix. De plus, à haute pression à haut régime, la séparation du flux gazeux ne vous permettra pas d'obtenir les mêmes performances de pointe que sur une turbine single-scroll.

Structurellement, les turbines à double volute sont analogues aux systèmes à deux turbocompresseurs (bi-turbo et bi-turbo). En comparaison avec elles, de telles turbines présentent au contraire des avantages en termes de coût et de simplicité de conception. Certains constructeurs en profitent, comme BMW, qui a remplacé le système bi-turbo du N54B30 Série 1 M Coupé par un turbocompresseur à double volute sur le N55B30 M2.

Il convient de noter qu'il existe des options encore plus avancées techniquement pour les turbines, représentant le stade le plus élevé de leur développement - les turbocompresseurs à géométrie variable. En général, elles présentent les mêmes avantages par rapport aux turbines conventionnelles que les twin-scroll, mais dans une plus large mesure. Cependant, de tels turbocompresseurs ont une conception beaucoup plus complexe. De plus, ils sont difficiles à mettre en place sur des moteurs non prévus à l'origine pour de tels systèmes du fait qu'ils sont pilotés par le calculateur moteur. Enfin, le principal facteur à l'origine de la très mauvaise utilisation de ces turbines sur les moteurs à essence est le coût très élevé des modèles pour de tels moteurs. Par conséquent, à la fois dans la production de masse et dans le réglage, ils sont extrêmement rares, mais ils sont largement utilisés sur les moteurs diesel des véhicules utilitaires.

Au SEMA 2015, BorgWarner a dévoilé une conception qui combine la technologie à double volute avec une conception à géométrie variable, la turbine à géométrie variable à double volute. En elleun amortisseur est installé dans la partie à double entrée qui, en fonction de la charge, répartit le débit entre les roues. À bas régime, tous les gaz d'échappement vont dans une petite partie du rotor, et la grande partie est bloquée, ce qui permet une mise en rotation encore plus rapide qu'une turbine à double volute classique. Au fur et à mesure que la charge augmente, le registre se déplace progressivement vers la position médiane et répartit uniformément le débit à des vitesses élevées, comme dans une conception standard à double volute. Ainsi, cette technologie, comme la technologie à géométrie variable, prévoit une variation du rapport A/R en fonction de la charge, ajustant la turbine au mode de fonctionnement du moteur, ce qui élargit la plage de fonctionnement. Dans le même temps, la conception est beaucoup plus simple et moins chère, car un seul élément mobile est utilisé ici, fonctionnant selon un algorithme simple, et l'utilisation de matériaux résistants à la chaleur n'est pas nécessaire. Il convient de noter que des solutions similaires ont déjà été rencontrées (par exemple, un distributeur à tiroir rapide), mais pour une raison quelconque, cette technologie n'a pas gagné en popularité.

Demande

Comme indiqué ci-dessus, les turbines à double volute sont souvent utilisées sur les voitures de sport produites en série. Cependant, lors du réglage, leur utilisation sur de nombreux moteurs avec des systèmes à simple volute est entravée par un espace limité. Ceci est principalement dû à la conception du collecteur: à longueurs égales, des courbures radiales et des caractéristiques d'écoulement acceptables doivent être maintenues. De plus, il y a une question de longueur et de courbure optimales, ainsi que de matériau et d'épaisseur de paroi. Selon Full-Race, en raison d'une plus grande efficacitéturbines twin-scroll, il est possible d'utiliser des canaux de plus petit diamètre. Cependant, du fait de leur forme complexe et de leur double entrée, un tel collecteur est de toute façon plus gros, plus lourd et plus compliqué que d'habitude du fait du plus grand nombre de pièces. Par conséquent, il peut ne pas tenir dans un endroit standard, à la suite de quoi il sera nécessaire de changer le carter. De plus, les turbines à double volute elles-mêmes sont plus grandes que les turbines similaires à volute unique. De plus, d'autres appipe et piège à huile seront nécessaires. De plus, deux soupapes de décharge (une par turbine) sont utilisées à la place d'un tuyau en Y pour de meilleures performances avec des soupapes de décharge externes pour les systèmes à double spirale.

Dans tous les cas, il est possible d'installer une turbine à double volute sur un VAZ, et de la remplacer par un turbocompresseur Porsche à volute simple. La différence réside dans le coût et l'étendue des travaux de préparation du moteur: si sur les moteurs turbo de série, s'il y a de la place, il suffit généralement de remplacer le collecteur d'échappement et certaines autres pièces et de faire des ajustements, alors les moteurs à aspiration naturelle nécessitent beaucoup plus intervention sérieuse pour la suralimentation. Cependant, dans le second cas, la différence de complexité d'installation (mais pas de coût) entre les systèmes à double volute et à volute unique est insignifiante.

Conclusions

Les turbines à double volute offrent de meilleures performances, réactivité et efficacité que les turbines à volute simple en divisant les gaz d'échappement vers la roue de turbine double et en éliminant les interférences des cylindres. Cependantconstruire un tel système peut être très coûteux. Dans l'ensemble, c'est la meilleure solution pour augmenter la réactivité sans sacrifier les performances maximales des moteurs turbo.