Siekiant maksimaliai padidinti turbininių vidaus degimo variklių tūrinį naudingumo koeficientą ir pereinamąjį atsaką, išmetamųjų dujų kinetinės energijos valdymas yra itin svarbus. Šiuolaikinės priverstinio įpūtimo sistemos remiasi sudėtingomis turbinos korpuso geometrijomis, kad būtų sumažintas neigiamas pulsacijų interferencijos poveikis – ypač atgalinio slėgio šuoliai, kuriuos sukelia persidengiantys gretimų cilindrų išmetimo vožtuvų ciklai. Šiame straipsnyje nagrinėjami skaičiuojamosios skysčių mechanikos (CFD) skirtumai ir mechaninės „Twin-Scroll“ bei „Dual-Volute“ architektūrų pasekmės.
Modeliuodami išmetimo kolektoriaus slėgio bangas, inžinieriai naudoja nestacionarias Reynolds'o vidurkio Navier-Stokes (URANS) simuliacijas. Pagrindinis tikslas – išlaikyti slėgio impulsų energiją (paprastai siekiančią 1,5–3,0 bar piko metu), jiems keliaujant per kolektorių ir patenkant į turbinos sraigtą. Mūsų baziniuose CFD modeliuose pastebime, kad impulsų interferencija – dažnai vadinama „kryžminiu trikdžiu“ (angl. cross-talk) – gali padidinti cilindro galvutės išmetimo temperatūrą iki 45 laipsnių Celsijaus, jei srautai nėra tinkamai atskirti. Tiksliam modeliavimui reikalingas didesnis nei 15 milijonų elementų tinklelio tankis sraigto „liežuvėlio“ zonoje, kad būtų galima tiksliai numatyti srauto atsiskleidimą ir antrinius srauto nuostolius.
„Twin-Scroll“ konstrukcija atskiria išmetimo impulsus sujungdama cilindrus, kurių išmetimo ciklai nepersidengia (pvz., 4 cilindrų variklyje sujungiant 1-4 ir 2-3 cilindrus). Šis erdvinis atskyrimas leidžia turbinai tiesiogiai panaudoti impulsų energiją turbinos rato mentėms.
„Dual-Volute“ konstrukcijos pasižymi ryškesniu atskyrimu, dažnai turinčios du visiškai nepriklausomus spiralinius takus, vedančius į turbinos ratą, atskirtus vientisa pertvara, kuri tęsiasi arčiau įėjimo menčių nei standartinėse „Twin-Scroll“ sistemose. Pagrindinis pranašumas čia yra „vidinio trumpojo jungimo“ sumažinimas – kai slėgis prasiskverbia iš vieno sraigto į kitą prie „liežuvėlio“ galiuko.
Iš techninių specifikacijų gauti duomenys rodo, kad tarpas tarp sraigto „liežuvėlio“ ir turbinos rato įėjimo menčių (tarpelis tarp menčių galų) turi būti griežtai kontroliuojamas. Standartiniai OEM tarpai šiuose didelio našumo korpusuose dažnai išlaikomi nuo 0,8 mm iki 1,2 mm. Remiantis standartiniais bandymų stendo protokolais, šių tolerancijų viršijimas net 0,3 mm lemia išmatuojamą 3 % masės srauto galimybių sumažėjimą.
Laboratorinėje aplinkoje šias sistemas analizuojantys inžinieriai dažnai lygina jas pagal jautrumą vožtuvų sinchronizacijai (timing).
Nors „Twin-Scroll“ išlieka gamybinių transporto priemonių pramonės standartu dėl subalansuoto kainos ir našumo santykio, „Dual-Volute“ architektūros siūlo pranašesnę kontrolę aukšto našumo lenktyniniams varikliams, kur impulsų energijos taupymas yra absoliutus prioritetas. Konstruktoriams CFD simuliacijos patvirtina, kad sraigto ploto ir spindulio santykis (A/R) yra toks pat svarbus, kaip ir korpuso tipas. Gerai suderintas 0,82 A/R „Dual-Volute“ korpusas nuosekliai lenks 1,05 A/R „Twin-Scroll“ įrenginį pagal pereinamąjį įpūtimo atsaką, su sąlyga, kad kolektoriaus konstrukcija yra optimizuota minimaliam impulsų atspindžiui.
Beveik geometrijos, išmetamųjų dujų dinamikos ir turbinos rato sukimosi inercijos sąveikai reikalingas tikslus Wastegate pavaros kalibravimas (Wastegate Actuator Calibration), ypač pereinant tarp dvigubo srauto takų BorgWarner EFR 8374 arba Garrett G-Series G30-770 dvigubo srauto korpuse. Inžinieriai turi atsižvelgti į pneumatinės pavaros histerezę, nes slėgio svyravimai tarp dviejų srautų gali sukelti subtilias svyravimo jungties osciliacijas, dėl kurių padidėja nepastovus slėgis ir nereguliarios veleno greičio svyravimai. Elektroninių pavarų naudojimas (EWA – Electronic Wastegate Actuators) leidžia aukšto dažnio PWM valdymą (iki 500 Hz), suteikiant ECM galimybę kompensuoti momentinius slėgio skirtumus moduliuojant apėjimo vožtuvo padėtį dar prieš turbinos greičiui nukrypstant nuo numatytos kreivės, taip sumažinant parazitinius nuostolius, būdingus tradiciniams pneumatiniams sprendimams.
Kalbant apie ilgalaikį patikimumą aukštos EGT (išmetamųjų dujų temperatūros) aplinkoje, gedimų analizė dažnai atskleidžia didelį tepalo kokso susidarymą CHRA (centrinio korpuso besisukančio agregato) viduje, naudojant sintetinius tepalus, kurie neatlaiko oksidacinės degradacijos temperatūroje, viršijančioje 250 laipsnių Celsijaus. Dviejų spiralių (dual-volute) pritaikymuose šilumos perdavimas turbinos velenui sukelia lokalizuotą šiluminę plėtimąsi, keičiant kritinius rotoriaus dinaminius tarpus. Aukštos temperatūros, nikelio lydinio turbinų ratų (Inconel 713C) naudojimas yra standartas, tačiau pagrindinis gedimo režimas dažnai būna ašinio guolio susidėvėjimas dėl netinkamo alyvos tiekimo slėgio, kuris paprastai nurodomas 3,5–5,0 bar esant darbinės temperatūrai. Ardant, technikai turi matuoti ašinį laisvumą (axial play) indikatoriumi; tokio preciziško agregato kaip Garrett 849849-5002S, vertės viršijančios 0,08 mm rodo, kad hidrodinaminė plėvelė suiro, todėl kyla pavojus katastrofiškai rato-korpuso sąlyčiui trumpalaikių apkrovų šuolių metu.
Kintamos geometrijos purkštuko (VGN – Variable Geometry Nozzle) sistemų diegimas kartu su dvigubo srauto architektūra sukuria papildomą sudėtingumą valdant menčių jungties (linkage) trintį. Kai suodžiai kaupiasi ant mentelių pivotų – reiškinys, kurį sustiprina EGR recirkuliacija – mechanizmo aktyvavimui reikalinga jėga padidėja, sukeliant „per didelio slėgio“ (over-boost) sąlygas staigiai paspaudus akceleratorių. Techninės priežiūros protokolai tokioms sistemoms kaip Holset HE351VE reikalauja periodiškai valyti mentelių žiedo mazgą specialiomis nukalkinimo tirpikliais, kad judėjimas išliktų OEM nurodytame atsparumo diapazone, nuo 15 iki 20 Niutonų. Bet koks purkštuko mazgo įstrigimas ne tik neleidžia tiksliai paversti impulsų energijos, bet taip pat gali sukelti mechaninį nuovargį pavaros varikliui, todėl būtina visiškai ardyti korpusą, siekiant atkurti atskirų srauto sektorių srauto atitikimo charakteristikas.