Twincharger - Twincharger
Twincharger se refiere a un sistema de inducción forzada compuesto que se utiliza en algunos motores de combustión interna de tipo pistón . Es una combinación de un turbocompresor de escape y un sobrealimentador de accionamiento mecánico , cada uno mitigando las debilidades del otro. Un sobrealimentador de accionamiento mecánico ofrece una respuesta excepcional y un rendimiento a bajas revoluciones, ya que no depende de la presurización del colector de escape (suponiendo que sea un sobrealimentador de desplazamiento positivo como el tipo Roots o de doble tornillo y no un sobrealimentador de compresor centrífugo , que no proporciona un impulso sustancial en el rango inferior de RPM). Un turbocompresor dimensionado para mover un gran volumen de aire tiende a responder lentamente a la entrada del acelerador, mientras que un turbo más pequeño y de respuesta más rápida puede no entregar suficiente volumen a través del rango superior de RPM del motor. El inaceptable lapso de tiempo endémico de un turbocompresor grande se neutraliza efectivamente cuando se combina con un sobrealimentador que tiende a generar una presión de sobrealimentación sustancial mucho más rápido en respuesta a la entrada del acelerador. El resultado final es una banda de potencia sin retraso con un par elevado a velocidades más bajas del motor y una mayor potencia en el extremo superior. Por lo tanto, la doble carga es deseable para motores de pequeña cilindrada (como el 1.4TSI de VW ), especialmente aquellos con grandes rpm de funcionamiento, ya que pueden aprovechar una banda de par artificialmente amplia en una amplia gama de velocidades.
Twincharging no se refiere a una disposición de doble turbo en la que se utilizan dos tipos diferentes de compresores.
Descripción técnica
Un sistema de doble carga combina un sobrealimentador y un turbocompresor en una disposición complementaria, con la intención de que la ventaja de un componente compense la desventaja del otro. Hay dos tipos comunes de sistemas de dos cargadores: en serie y en paralelo.
Serie
La disposición en serie, la disposición más común de dos cargadores, está configurada de tal manera que la salida de un compresor (turbo o supercargador) alimenta la entrada de otro. Un sobrealimentador organizado secuencialmente está conectado a un turbocompresor de tamaño mediano a grande. El sobrealimentador proporciona una presión en el colector casi instantánea (eliminando el retraso del turbo , que de otro modo se produciría cuando el turbocompresor no alcanza su velocidad de funcionamiento). Una vez que el turbocompresor ha alcanzado la velocidad de funcionamiento, el supercargador puede continuar agregando aire presurizado a la entrada del turbocompresor (produciendo presiones de admisión elevadas), o se puede desviar y / o desacoplar mecánicamente del tren motriz a través de un embrague electromagnético y una válvula de desvío (aumentando eficiencia del sistema de inducción).
Existen otras configuraciones en serie donde no se emplea ningún sistema de derivación y ambos compresores están en servicio continuo. Como resultado, siempre se produce un impulso compuesto ya que las relaciones de presión de los dos compresores se multiplican, no se suman. En otras palabras, si un turbocompresor que produce 10 psi (0,7 bar) (relación de presión = 1,7) solo entra en un supercargador que también produce 10 psi solo, la presión del colector resultante sería 27 psi (1,9 bar) (PR = 2,8) en lugar de 20 psi (1,4 bar) (PR = 2,3). Esta forma de carga doble en serie permite la producción de presiones de refuerzo que de otro modo serían inalcanzables con otras configuraciones de compresores y serían ineficientes.
Sin embargo, las eficiencias de turbo y supercargador no se multiplican. Por ejemplo, si un turbocompresor con una eficiencia del 70% explotara en un soplador Roots con una eficiencia del 60%, la eficiencia de compresión total estaría en algún punto intermedio. Para calcular esta eficiencia, es necesario hacer los cálculos de las 2 etapas, primero calcular las condiciones de presión y temperatura a la salida de la primera etapa y partiendo de estas para hacer los cálculos para la segunda etapa. Siguiendo el ejemplo anterior, para una primera etapa del turbocompresor (eficiencia del 70%, relación de presión de 1.7) la temperatura alcanzaría los 88.5 ° C (191.3 ° F) después de la primera etapa, para luego ingresar a las raíces (eficiencia de 60 %) y dejar a una temperatura de 186,5 ° C (367,7 ° F). Esta es una eficiencia total del 62%. Un turbocompresor grande que produce 27 psi (1,9 bar) por sí mismo, con una eficiencia adiabática de alrededor del 70%, produciría aire solo a 166 ° C (331 ° F). Además, el costo de energía para impulsar un supercargador es más alto que el de un turbocompresor; si se ignora, se elimina la carga de ejecución de compresión, dejando solo ligeras pérdidas parásitas de rotación de las partes de trabajo del supercargador. El sobrealimentador se puede desconectar aún más eléctricamente (utilizando un embrague electromagnético como los que se utilizan en el VW 1.4TSI o el Toyota 4A-GZE , aunque esto no se debe a que sea un motor de doble carga, sino que está destinado a evitar el sobrealimentador en baja carga. condiciones) que elimina esta pequeña pérdida parasitaria.
Con la doble carga en serie, el turbocompresor puede ser de una variedad de cojinetes de muñón más duraderos y menos costosos , y el sacrificio en la respuesta de impulso está más que compensado por la naturaleza instantánea de los supercargadores de desplazamiento. Si bien el peso y el costo del conjunto del sobrealimentador siempre son un factor, la ineficiencia y el consumo de energía del sobrealimentador se eliminan casi por completo cuando el turbocompresor alcanza las rpm de funcionamiento y el sobrealimentador se desconecta efectivamente mediante la válvula de derivación.
Paralelo
Las disposiciones en paralelo generalmente requieren el uso de una válvula de derivación o desviación para permitir que uno o ambos compresores alimenten el motor. Si no se empleara ninguna válvula y ambos compresores se dirigieran simplemente directamente al colector de admisión, el sobrealimentador soplaría hacia atrás a través del compresor del turbocompresor en lugar de presurizar el colector de admisión, ya que ese sería el camino de menor resistencia. Por lo tanto, se debe emplear una válvula de desvío para ventilar el aire del turbocompresor hasta que haya alcanzado la presión en el colector de admisión. Por lo general, se necesitan controles electrónicos complejos o costosos para garantizar una entrega de energía sin problemas.
Eficiencia
La eficiencia juega un papel muy importante a la hora de decidir si un automóvil es práctico para las tareas diarias o si es más adecuado para los días de pista. Para encontrar un equilibrio entre los dos utilizando un sistema de doble carga, se necesitarán algunas actualizaciones. Las actualizaciones generalmente incluyen la instalación de un Intercooler más grande , una bomba de agua de alto volumen, nuevos sensores para monitorear la presión del aire y el calor, y un sistema de gestión del motor programable.
Lo más tedioso en términos de trabajo físico es la instalación del intercooler. Los intercoolers deben elegirse por aplicación y elevación. Un ejemplo de una aplicación para intercoolers son los vehículos todoterreno. Si se utiliza un sistema de inducción forzada en un vehículo todoterreno, se calentará más simplemente debido al peso. Cuanto más peso se arrastra, más trabajo debe producir el motor. Si el intercooler es un sistema de aire a agua, es imperativo tener una fuente de aire limpia que ingrese a las aletas del núcleo. Dado que esta actualización agrega más refrigerante al sistema, es importante poder mover el refrigerante por todo el sistema.
Para obtener una eficiencia óptima dentro del sistema de enfriamiento, se debe agregar una bomba de agua de alto volumen. Las bombas de agua de alto rendimiento tienen la capacidad de forzar grandes cantidades de agua a través del motor, los supercargadores y los turbocompresores . Las bombas de agua de stock promedio generalmente funcionan a una capacidad de 35 a 50 galones por minuto, según la marca. Si se compra e instala una bomba del mercado de accesorios , puede aumentar esa cifra a 60-85 galones por minuto. Esto mejora la capacidad de enfriamiento de la bomba de agua para el sistema de inducción forzada en un 58%. Para garantizar que la eficiencia de refrigeración se mantenga en su nivel óptimo, se deben establecer una serie de controles y equilibrios.
Debe mantenerse un equilibrio dentro de un motor de combustión interna introducido en un sistema de inducción forzada. Al funcionar como un sistema nervioso para el motor, los motores de combustión modernos tienen sensores eléctricos para mantener todas las funciones funcionando dentro de una cierta zona de tolerancia. Para realizar un seguimiento de todos los sensores del sistema, se implementa un sistema de gestión del motor programable. Esto permite modificar las tolerancias sobre la marcha. Esta ECU también es la base de los controles adaptativos del sistema de inducción forzada. Si uno de los sensores lee que hay demasiado aire en el sistema, el programador puede hacer que el sistema compense automáticamente la deficiencia.
Desventajas
La principal desventaja de agregar cualquier sistema de inducción forzada es la complejidad y el costo de los componentes. Por lo general, para proporcionar una respuesta aceptable, suavidad en el suministro de energía y una ganancia de energía adecuada en un sistema de un solo compresor, se deben utilizar costosos controles electrónicos y / o mecánicos. En un motor de encendido por chispa , también se debe usar una relación de compresión baja si el sobrealimentador produce altos niveles de impulso, anulando parte del beneficio de eficiencia de un desplazamiento bajo.
Disponibilidad comercial
El concepto de doble carga fue utilizado por primera vez por Lancia en 1985 en el coche de rally Lancia Delta S4 Grupo B y su homólogo legal de calle , el Delta S4 Stradale. La idea también fue adaptada con éxito a los coches de carretera de producción de Nissan , en su March Super Turbo . Además, varias empresas han producido kits de dos cargadores del mercado de accesorios para automóviles como Subaru Impreza WRX , Mini Cooper S , Ford Mustang y Toyota MR2 .
El Volkswagen 1.4 TSI es un motor de 1400 cc, utilizado por numerosos automóviles del Grupo VW , que utiliza tanto un turbocompresor como un supercargador, y está disponible con ocho clasificaciones de potencia:
| Poder | Esfuerzo de torsión | Vehículos |
|---|---|---|
| 103 kW (140 PS ; 138 CV ) a 5600 rpm | 220 N⋅m (162 lbf⋅ft ) a 1.500–4.000 rpm | VW Golf V , VW Jetta V y VW Touran |
| 110 kW (150 PS; 148 CV) a 5.800 rpm | 220 N⋅m (162 lbf⋅ft) a 1250 a 4500 rpm | SEAT Ibiza IV |
| 110 kW (150 PS; 148 CV) a 5.800 rpm | 240 N⋅m (177 lbf⋅ft) a 1.500–4.000 rpm | ( Versión GNC ) VW Passat VI , VW Passat VII , VW Touran |
| 110 kW (150 PS; 148 CV) a 5.800 rpm | 240 N⋅m (177 lbf⋅ft) a 1.750–4.000 rpm | VW Sharan II , VW Tiguan , SEAT Alhambra |
| 118 kW (160 PS; 158 CV) a 5.800 rpm | 240 N · m (177 lbf · pie) a 1.500–4.500 rpm | VW Eos , VW Golf VI , VW Jetta VI , VW Scirocco III |
| 125 kW (170 PS; 168 CV) a 6.000 rpm | 240 N · m (177 lbf · pie) a 1.500–4.500 rpm | VW Golf V , VW Jetta V , VW Touran |
| 132 kW (179 PS; 177 CV) a 6.200 rpm | 250 N · m (184 lbf · pie) a 2.000–4.500 rpm | VW Polo V , SEAT Ibiza Cupra , Škoda Fabia II |
| 136 kW (185 PS; 182 CV) a 6.200 rpm | 250 N · m (184 lbf · pie) a 2.000–4.500 rpm | Audi A1 |
Volvo produce un motor de cuatro cilindros en línea de 1969 cc de doble carga que se utiliza en sus modelos T6, T8 y Polestar. El T8 se suma al T6 con un motor eléctrico trasero.
| Poder | Esfuerzo de torsión | Vehículos |
|---|---|---|
| 320 PS (235 kW; 316 CV) a 5.700 rpm | 400 N⋅m (295 lbf⋅ft) a 2200–5,400 rpm | T6 |
| 367 PS (270 kW; 362 CV) a 6.000 rpm | 470 N⋅m (347 lbf⋅ft) a 3100–5 100 rpm | Estrella Polar |
| 408 CV (300 kW; 402 CV) | 640 N · m (472 libras · pie · pie) | T8 (incluido motor eléctrico trasero) |
Jaguar Land Rover produce un motor de seis cilindros en línea de 3.0 litros y doble carga.
| Poder | Esfuerzo de torsión | Vehículos |
|---|---|---|
| 340 PS (250 kW; 335 bph) | 495 N · m (354 libras · pie) | P340 |
| 400 PS (294 kW; 395 bph) | 550 N · m (406 libras · pie) | P400 |
El superdeportivo danés Zenvo ST1 hizo uso de turbocompresor y supercargador en su motor V8 de 6.8 litros.
| Poder | Esfuerzo de torsión | Vehículos |
|---|---|---|
| 1104 caballos de fuerza (823 kW; 1119 PS) a 6900 rpm | 1.430 N⋅m (1.055 lbf⋅ft) a 4.500 rpm | ST1 |
Sistemas alternativos
Sistema anti-lag
El mayor beneficio de Twincharging sobre los sistemas anti-lag en autos de carrera es su confiabilidad. Los sistemas anti-retraso funcionan de dos maneras: haciendo funcionar un AFR muy rico y bombeando aire en el escape para encender el combustible adicional en el colector de escape; o retardando severamente el tiempo de encendido para hacer que el evento de combustión continúe mucho después de que se haya abierto la válvula de escape. Ambos métodos implican la combustión en el colector de escape para mantener la turbina girando, y el calor de esto acortará la vida útil de la turbina en gran medida.
Turbocompresor de geometría variable
Un turbocompresor de geometría variable proporciona una respuesta mejorada a velocidades del motor muy variadas. Con la incidencia variable bajo control electrónico, es posible hacer que la turbina alcance una buena velocidad de funcionamiento rápidamente o a una velocidad del motor más baja sin que disminuya gravemente su utilidad a una velocidad del motor más alta.
Turbocompresor de doble desplazamiento
Un turbocompresor con dos juegos de paletas para dos presiones operativas puede disminuir el retraso operando a diferentes presiones de escape.
Turbocompresores gemelos secuenciales
Los sistemas de turbocompresores secuenciales brindan una manera de disminuir el retraso del turbo sin comprometer la potencia del motor y la potencia máxima de impulso.
Óxido nitroso
El óxido nitroso (N 2 O) se mezcla con el aire entrante, lo que proporciona más oxidante para quemar más combustible y obtener energía adicional cuando un turbocompresor no gira rápidamente. Esto también produce más gases de escape para que el turbocompresor se enrolle rápidamente, proporcionando más oxígeno para la combustión, y el flujo de N 2 O se reduce en consecuencia. El gasto tanto del sistema en sí como del N 2 O consumible puede ser significativo.
Inyección de agua
Para obtener más potencia del motor y aumentar los beneficios de la inducción forzada (mediante turboalimentación o sobrealimentación ), se puede agregar un sistema de inyección de agua del mercado de accesorios al sistema de inducción de los motores de combustión interna de gasolina y diésel.