Sistema Twin Turbo
Contingut
Si un motor dièsel està equipat amb una turbina per defecte, el motor de gasolina pot prescindir fàcilment d’un turbocompressor. Tot i això, a la indústria automobilística moderna, un turbocompressor per a un cotxe ja no es considera exòtic (es descriu detalladament quin tipus de mecanisme és i com funciona) en un altre article).
A la descripció d'alguns models de cotxes nous, s'esmenten biturbo o twin turbo. Considerem quin tipus de sistema és, com funciona, com es poden connectar els compressors. Al final de la revisió, parlarem dels pros i els contres d’un twin turbo.
Què és Twin Turbo?
Comencem per la terminologia. La frase biturbo sempre significarà que, en primer lloc, es tracta d'un tipus de motor turboalimentat i, en segon lloc, l'esquema d'injecció forçada d'aire als cilindres inclourà dues turbines. La diferència entre biturbo i twin-turbo és que en el primer cas s'utilitzen dues turbines diferents, i en el segon són iguals. Per què, ho descobrirem una mica més tard.
El desig d’assolir la superioritat en les carreres ha portat els fabricants d’automòbils a buscar maneres de millorar el rendiment d’un motor de combustió interna estàndard sense intervencions dràstiques en el seu disseny. I la solució més eficaç va ser la introducció d’un bufador d’aire addicional, a causa del qual entra més volum als cilindres i augmenta l’eficiència de la unitat.
Aquells que han conduït un cotxe amb un motor de turbina almenys una vegada a la vida van notar que fins que el motor no gira fins a una velocitat determinada, la dinàmica d’aquest cotxe és lenta, per dir-ho suaument. Però tan bon punt el turbo comença a funcionar, la capacitat de resposta del motor augmenta, com si l’òxid nitrós hagi entrat als cilindres.
La inèrcia d’aquestes instal·lacions va fer que els enginyers pensessin a crear una altra modificació de les turbines. Inicialment, la finalitat d’aquests mecanismes era precisament eliminar aquest efecte negatiu, que afectava l’eficiència del sistema d’admissió (llegiu-ne més) en una altra ressenya).
Amb el pas del temps, es va començar a utilitzar el turboaliment per reduir el consum de combustible, però alhora augmentar el rendiment del motor de combustió interna. La instal·lació us permet ampliar el rang de parell. La turbina clàssica augmenta la velocitat del flux d’aire. A causa d’això, un volum més gran entra al cilindre que el de l’aspirat i la quantitat de combustible no canvia.
A causa d’aquest procés, augmenta la compressió, que és un dels paràmetres clau que afecten la potència del motor (llegiu la informació sobre com mesurar-la) aquí). Amb el pas del temps, els aficionats a la sintonització de vehicles no van quedar satisfets amb l’equipament de fàbrica, de manera que les empreses de modernització de vehicles esportius van començar a utilitzar diferents mecanismes que injecten aire als cilindres. Gràcies a la introducció d’un sistema de pressurització addicional, els especialistes van aconseguir ampliar el potencial dels motors.
Com a nova evolució del turbo per a motors, va aparèixer el sistema Twin Turbo. En comparació amb una turbina clàssica, aquesta unitat permet treure encara més potència del motor de combustió interna i proporciona un potencial addicional per als entusiastes de la sintonització automàtica per modernitzar el seu vehicle.
Com funciona Twin Turbo?
Un motor d'aspiració natural convencional funciona segons el principi de la captació d'aire fresc mitjançant un buit creat per pistons a la via d'admissió. A mesura que el flux es mou al llarg del recorregut, hi entra una petita quantitat de gasolina (en el cas d'un motor de gasolina), si es tracta d'un cotxe de carburador o s'injecta combustible a causa del funcionament de l'injector (llegiu més sobre què tipus de subministrament forçat de combustible).
La compressió en aquest motor depèn directament dels paràmetres de les bieles, el volum del cilindre, etc. Pel que fa a una turbina convencional, que treballa sobre el flux de gasos d’escapament, el seu impulsor augmenta l’aire que entra als cilindres. Això augmenta l'eficiència del motor, ja que s'allibera més energia durant la combustió de la mescla aire-combustible i augmenta el parell.
Twin turbo funciona de manera similar. Només en aquest sistema s’elimina l’efecte de la “reflexió” del motor mentre l’hélice de la turbina gira. Això s’aconsegueix instal·lant un mecanisme addicional. Un petit compressor accelera l’acceleració de la turbina. Quan el conductor prem el pedal del gas, aquest cotxe s’accelera més ràpidament, ja que el motor reacciona gairebé a l’instant a l’acció del conductor.
Val a dir que el segon mecanisme d’aquest sistema pot tenir un disseny i un principi de funcionament diferents. En una versió més avançada, es produeix una turbina més petita amb un flux de gasos d’escapament menys fort, que augmenta el flux d’entrada a velocitats més baixes i no cal girar el motor de combustió interna fins al límit.
Aquest sistema funcionarà segons el següent esquema. Quan el motor s’engega, mentre el cotxe està parat, la unitat funciona al ralentí. A la via d’admissió es forma un moviment natural d’aire fresc a causa del buit dels cilindres. Aquest procés és facilitat per una petita turbina que comença a girar a baixes revolucions. Aquest element proporciona un lleuger augment de la tracció.
A mesura que augmenta la rpm del cigonyal, l’escapament es fa més intens. En aquest moment, el compressor més petit gira més i l'excés de flux de gasos d'escapament comença a afectar la unitat principal. Amb un augment de la velocitat del rodet, augmenta el volum d’aire que entra a la via d’admissió a causa de la major empenta.
El doble impuls elimina el dur canvi de potència que hi ha als motors dièsel clàssics. A velocitat mitjana del motor de combustió interna, quan la turbina gran tot just comença a girar, el petit sobrealimentador aconsegueix la seva velocitat màxima. Quan entra més aire al cilindre, la pressió d’escapament s’acumula i condueix el sobrealimentador principal. Aquest mode elimina la diferència notable entre el moment de la velocitat màxima del motor i la inclusió de la turbina.
Quan el motor de combustió interna assoleix la seva velocitat màxima, el compressor també arriba al nivell límit. El disseny de doble impuls està dissenyat de manera que la inclusió d’un gran sobrealimentador impedeix que la contraparte més petita sobrecarregui.
El compressor dual d’automoció proporciona una pressió al sistema d’admissió que no es pot aconseguir amb una sobrecàrrega convencional. En els motors amb turbines clàssiques, sempre hi ha un turbo lag (una diferència notable en la potència de la unitat de potència entre assolir la seva velocitat màxima i engegar la turbina). Connectar un compressor més petit elimina aquest efecte, proporcionant una dinàmica del motor suau.
En doble sobrealimentació, parell i potència (llegiu sobre la diferència entre aquests conceptes en un altre article) de la unitat de potència es desenvolupa en un rang de rpm més ampli que el d’un motor similar amb un sobrealimentador.
Tipus d’esquemes de sobrealimentació amb dos turbocompressors
Per tant, la teoria del funcionament dels turbocompressors ha demostrat la seva practicitat per augmentar amb seguretat la potència de la unitat de potència sense canviar el disseny del propi motor. Per aquest motiu, enginyers de diferents empreses han desenvolupat tres tipus efectius de twin turbo. Cada tipus de sistema es disposarà a la seva manera i tindrà un principi de funcionament lleugerament diferent.
Avui en dia s’instal·len als vehicles els següents tipus de sistemes de doble turboalimentació:
- Paral·lel;
- Coherent;
- Escalonat.
Cada tipus difereix en el diagrama de connexió dels bufadors, les seves mides, el moment en què es posarà en funcionament cadascun d’ells, així com les característiques del procés de pressurització. Considerem cada tipus de sistema per separat.
Esquema de connexió de turbines paral·leles
En la majoria dels casos, s’utilitza un tipus de turbocompressor paral·lel en motors amb un disseny de blocs de cilindres en forma de V. El dispositiu d’aquest sistema és el següent. Es requereix una turbina per a cada secció del cilindre. Tenen les mateixes dimensions i també corren paral·leles entre si.
Els gasos d’escapament es distribueixen de manera uniforme al tracte d’escapament i van a cada turbocompressor en les mateixes quantitats. Aquests mecanismes funcionen de la mateixa manera que en el cas d’un motor en línia amb una turbina. L’única diferència és que aquest tipus de biturbo té dos bufadors idèntics, però l’aire de cadascun d’ells no es distribueix per les seccions, sinó que s’injecta constantment a la zona comuna del sistema d’admissió.
Si comparem aquest esquema amb un sistema de turbina única en una unitat de potència en línia, en aquest cas el disseny de doble turbo consta de dues turbines més petites. Això requereix menys energia per fer girar els seus impulsors. Per aquest motiu, els sobrealimentadors estan connectats a una velocitat inferior a una gran turbina (menys inèrcia).
Aquesta disposició elimina la formació d’un turbo lag tan fort que es produeix en els motors convencionals de combustió interna amb un únic sobrealimentador.
Inclusió seqüencial
La sèrie tipus Biturbo també preveu la instal·lació de dos bufadors idèntics. Només el seu treball és diferent. El primer mecanisme d’aquest sistema funcionarà de manera permanent. El segon dispositiu només es connecta en un determinat mode de funcionament del motor (quan augmenta la seva càrrega o augmenta la velocitat del cigonyal).
El control en aquest sistema el proporcionen electrònica o vàlvules que reaccionen a la pressió del corrent de pas. L'ECU, d'acord amb els algoritmes programats, determina en quin moment s'ha de connectar el segon compressor. La seva transmissió es proporciona sense engegar el motor individual (el mecanisme encara funciona exclusivament a la pressió del flux de gasos d’escapament). La unitat de control activa els actuadors del sistema que controla el moviment dels gasos d’escapament. Per a això, s’utilitzen vàlvules elèctriques (en sistemes més simples, es tracta de vàlvules ordinàries que reaccionen a la força física del flux que flueix), que obren / tanquen l’accés al segon bufador.
Quan la unitat de control obre completament l'accés al rodet de la segona marxa, tots dos dispositius funcionen en paral·lel. Per aquest motiu, aquesta modificació també s’anomena paral·lel en sèrie. El funcionament dels dos bufadors permet organitzar una major pressió de l’aire entrant, ja que els seus impulsors d’alimentació estan connectats a un camí d’entrada.
En aquest cas, també s’instal·len compressors més petits que en un sistema convencional. Això també redueix l’efecte del turbo lag i fa que el parell màxim sigui disponible a baixes velocitats del motor.
Aquest tipus de biturbo s’instal·la a les unitats de potència dièsel i gasolina. El disseny del sistema permet instal·lar ni dos, sinó tres compressors connectats en sèrie entre si. Un exemple d’aquesta modificació és el desenvolupament de BMW (Triple Turbo), que es va presentar el 2011.
Esquema de passos
El sistema de doble desplaçament per etapes es considera el tipus de turbocompressor doble més avançat. Tot i que existeix des del 2004, el tipus de sobrecàrrega en dues etapes ha demostrat la seva eficiència tècnicament. Aquest Twin Turbo s’instal·la en alguns tipus de motors dièsel desenvolupats per Opel. La contrapartida de sobrealimentació escalonada de Borg Wagner Turbo Sistems s’adapta a alguns motors de combustió interna BMW i Cummins.
L’esquema de turbocompressors consta de dos sobrealimentadors de mida diferent. S'instal·len seqüencialment. El flux de gasos d’escapament es controla mitjançant electrovàlvules, el funcionament de les quals es controla electrònicament (també hi ha vàlvules mecàniques accionades per la pressió). A més, el sistema està equipat amb vàlvules que canvien la direcció del cabal de descàrrega. Això permetrà activar la segona turbina i apagar la primera perquè no falli.
El sistema té el següent principi de funcionament. S'instal·la una vàlvula de derivació al col·lector d'escapament, que talla el flux de la mànega que va a la turbina principal. Quan el motor funciona a revolucions baixes, aquesta branca es tanca. Com a resultat, l’escapament passa per una petita turbina. A causa de la inèrcia mínima, aquest mecanisme proporciona un volum d’aire addicional fins i tot a baixes càrregues d’ICE.
A continuació, el flux es mou a través del rotor principal de la turbina. Com que les seves pales comencen a girar a pressió més elevada fins que el motor assoleix una velocitat mitjana, el segon mecanisme roman immòbil.
També hi ha una vàlvula de derivació a la via d’admissió. A velocitats baixes, està tancat i el flux d’aire passa pràcticament sense injecció. Quan el conductor augmenta la velocitat del motor, la petita turbina gira més, augmentant la pressió a la via d’admissió. Al seu torn, això augmenta la pressió dels gasos d’escapament. A mesura que la pressió a la línia d’escapament es fa més forta, la vàlvula de derivació s’obre lleugerament, de manera que la petita turbina continua girant i part del flux es dirigeix cap al gran bufador.
A poc a poc, el gran bufador comença a girar. A mesura que augmenta la velocitat del cigonyal, aquest procés s’intensifica, cosa que fa que la vàlvula s’obri més i el compressor giri en major mesura.
Quan el motor de combustió interna assoleix una velocitat mitjana, la petita turbina ja funciona al màxim i el sobrealimentador principal acaba de començar a girar, però no ha assolit el màxim. Durant el funcionament de la primera etapa, els gasos d’escapament passen per l’impulsor del petit mecanisme (mentre les seves pales giren al sistema d’admissió) i s’eliminen al catalitzador a través de les pales del compressor principal. En aquesta etapa, l'aire és aspirat a través del rodet del compressor gran i passa a través de l'engranatge més petit que gira.
Al final de la primera etapa, la comporta de les escombraries està totalment oberta i el flux d’escapament ja està completament dirigit al propulsor principal. Aquest mecanisme gira amb més força. El sistema de derivació està configurat de manera que el ventilador petit es desactivi completament en aquesta etapa. La raó és que, quan s’aconsegueix la velocitat mitjana i màxima d’una gran turbina, es crea un cap tan fort que la primera etapa simplement impedeix que entri correctament als cilindres.
A la segona etapa de pressurització, els gasos d’escapament passen pel petit impulsor i el flux entrant es dirigeix al voltant del petit mecanisme, directament als cilindres. Gràcies a aquest sistema, els fabricants d’automòbils han estat capaços d’eliminar la gran diferència entre el parell elevat a rpm mínim i la potència màxima en assolir la velocitat màxima del cigonyal. Aquest efecte va ser un company constant de qualsevol motor dièsel sobrealimentat convencional.
Avantatges i inconvenients del doble turboaliment
Biturbo poques vegades s’instal·la en motors de baixa potència. Bàsicament, es tracta d’equips que es basen en màquines potents. Només en aquest cas és possible agafar l’indicador de parell òptim ja a revolucions inferiors. A més, les petites dimensions del motor de combustió interna no són un obstacle per augmentar la potència de la unitat de potència. Gràcies al doble turboalimentació, s’aconsegueix un estalvi de combustible decent en comparació amb la seva contrapart aspirada naturalment, que desenvolupa la mateixa potència.
Per una banda, els avantatges dels equips que estabilitzen els processos principals o augmenten la seva eficiència. Però, d'altra banda, aquests mecanismes no estan exempts de desavantatges addicionals. I el doble turboaliment no és una excepció. Aquest sistema no només té aspectes positius, sinó també alguns inconvenients greus, a causa dels quals alguns automobilistes es neguen a comprar aquests cotxes.
En primer lloc, tingueu en compte els avantatges del sistema:
- El principal avantatge del sistema és l'eliminació del turbo lag, que és típic de tots els motors de combustió interna equipats amb una turbina convencional;
- El motor passa al mode de potència més fàcilment;
- La diferència entre el parell màxim i la potència es redueix significativament, ja que en augmentar la pressió d’aire al sistema d’admissió, la majoria dels newtons romanen disponibles en un rang de velocitats del motor més ampli;
- Redueix el consum de combustible necessari per aconseguir la màxima potència;
- Com que la dinàmica addicional del cotxe està disponible a velocitats de motor més baixes, el conductor no ha de fer-ho girar tant;
- En reduir la càrrega del motor de combustió interna, es redueix el desgast dels lubricants i el sistema de refrigeració no funciona de manera augmentada;
- Els gasos d’escapament no només es descarreguen a l’atmosfera, sinó que l’energia d’aquest procés s’utilitza amb avantatges.
Ara parem atenció als principals desavantatges del twin turbo:
- El principal desavantatge és la complexitat del disseny dels sistemes d’admissió i d’escapament. Això és especialment cert per a les noves modificacions del sistema;
- El mateix factor afecta el cost i el manteniment del sistema: com més complex és el mecanisme, més car és la seva reparació i ajust;
- Un altre desavantatge també està associat a la complexitat del disseny del sistema. Com que consisteixen en un gran nombre de parts addicionals, també hi ha més nodes en què es pot produir trencament.
A part, cal esmentar el clima de la zona en què funciona la màquina turboalimentada. Com que l’impulsor del sobrealimentador de vegades gira per sobre dels 10 rpm, necessita una lubricació d’alta qualitat. Quan es deixa el cotxe durant la nit, el greix entra al dipòsit, de manera que la majoria de les parts de la unitat, inclosa la turbina, queden secs.
Si engegueu el motor al matí i el feu funcionar amb càrregues decents sense escalfament previ, podeu matar el sobrecarregador. El motiu és que la fricció seca accelera el desgast de les peces de fregament. Per eliminar aquest problema, abans d’aconseguir el motor a revolucions elevades, cal esperar una mica mentre l’oli es bombeja per tot el sistema i arriba als nodes més distants.
A l’estiu no cal dedicar-hi molt de temps. En aquest cas, l’oli del dipòsit té una fluïdesa suficient perquè la bomba pugui bombejar-la ràpidament. Però a l’hivern, sobretot en les gelades severes, no es pot ignorar aquest factor. És millor passar un parell de minuts escalfant el sistema que, després d’un curt període de temps, llençar una quantitat decent per comprar una nova turbina. A més, cal esmentar que, a causa del contacte constant amb els gasos d’escapament, l’impulsor dels bufadors pot escalfar fins a mil graus.
Si el mecanisme no rep una lubricació adequada, que en paral·lel compleix la funció de refredar el dispositiu, les seves parts es fregaran les unes amb les altres. L’absència d’una pel·lícula d’oli provocarà un fort augment de la temperatura de les peces, proporcionant-los dilatació tèrmica i, en conseqüència, el seu desgast accelerat.
Per garantir un funcionament fiable del turbocompressor doble, seguiu els mateixos procediments que els turbocompressors convencionals. En primer lloc, cal canviar l’oli a temps, que s’utilitza no només per a la lubricació, sinó també per refredar les turbines (el nostre lloc web té article separat).
En segon lloc, atès que els impulsors dels bufadors estan en contacte directe amb els gasos d’escapament, la qualitat del combustible ha de ser elevada. Gràcies a això, els dipòsits de carboni no s’acumularan a les pales, cosa que interfereix amb la lliure rotació de l’impulsor.
En conclusió, oferim un petit vídeo sobre diferents modificacions de les turbines i les seves diferències:
Preguntes i respostes:
Què és millor bi turbo o twin turbo? Aquests són sistemes de turboalimentació del motor. En els motors amb biturbo, el retard del turbo s'atenua i la dinàmica d'acceleració s'anivella. En un sistema de doble turbo, aquests factors no canvien, però augmenta el rendiment del motor de combustió interna.
Quina diferència hi ha entre bi-turbo i twin-turbo? Biturbo és un sistema de turbina connectat en sèrie. Gràcies a la seva inclusió seqüencial, el forat del turbo s'elimina durant l'acceleració. Un turbo bessó són només dues turbines per augmentar la potència.
Per què necessites un doble turbo? Dues turbines proporcionen un volum més gran d'aire al cilindre. A causa d'això, el retrocés es millora durant la combustió de BTC: es comprimeix més aire al mateix cilindre.
