Un doble cargador se refiere a un sistema de inducción forzada compuesto utilizado en algunos motores de combustión interna . Es una combinación de un turbocompresor accionado por escape y un sobrealimentador accionado mecánicamente , cada uno de los cuales mitiga las debilidades del otro.
Twincharging no se refiere a una disposición biturbo , sino a una configuración en la que se utilizan dos tipos diferentes de compresores (en lugar de sólo turbocompresores).
Un sobrealimentador accionado mecánicamente 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 diseño de desplazamiento positivo , como un tipo Roots o de doble tornillo , a diferencia de un sobrealimentador centrífugo , que no proporciona un impulso sustancial en el rango de revoluciones más bajo), pero es menos eficiente que un turbocompresor debido al aumento de la carga parásita . Un turbocompresor dimensionado para mover un gran volumen de aire tiende a responder lentamente a la entrada del acelerador, mientras que un turbocompresor más pequeño y con mayor capacidad de respuesta puede no entregar suficiente presión de sobrealimentación en el rango superior de rpm del motor.
El inaceptable tiempo de retraso endémico de un turbocompresor grande se neutraliza eficazmente 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, siendo el resultado final una banda de potencia sin retrasos con un alto par a velocidades más bajas del motor. y 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 un amplio rango de rpm de funcionamiento, ya que pueden aprovechar una banda de par artificialmente amplia en un amplio rango de velocidades.
Un sistema de doble carga combina un sobrealimentador y un turbocompresor en una disposición complementaria, con la intención de que la ventaja de un compresor compense la desventaja del otro. Hay dos tipos comunes de sistemas de doble cargador: en serie y en paralelo.
La disposición en serie, la disposición más común de cargadores gemelos, está configurada de manera que la salida de un compresor alimenta la entrada de otro. Un sobrealimentador está conectado a un turbocompresor de tamaño mediano a grande. El sobrealimentador proporciona presión casi instantánea en el colector (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 sobrealimentador puede continuar mezclando el aire presurizado a la entrada del turbocompresor (produciendo presiones de admisión elevadas), o puede ser desviado y/o desacoplado mecánicamente del tren motriz a través de un embrague electromagnético y una válvula de derivación, aumentando eficiencia de inducción.
Existen otras configuraciones en serie donde no se emplea ningún sistema de derivación y ambos compresores están en uso continuo. Como resultado, siempre se produce un impulso compuesto a medida 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) por sí solo alimenta un sobrealimentador que produce 10 psi por sí solo, la presión resultante en el colector sería de 27 psi (1,9 bar) en lugar de 20 psi (1,4 bar). . Esta forma de doble carga en serie permite la producción de presiones de sobrealimentación que de otro modo serían ineficientes o inalcanzables con otras disposiciones de compresores.
Sin embargo, la eficiencia del turbo y del sobrealimentador no se multiplica. Por ejemplo, si un turbocompresor con una eficiencia del 70% alimenta un sobrealimentador Roots con una eficiencia del 60%, la eficiencia de compresión total estaría en algún punto intermedio. Para calcular esta eficiencia es necesario calcular las eficiencias de las 2 etapas, calculando primero las condiciones de presión y temperatura a la salida de la primera etapa y a partir de estas calcular para la segunda etapa. Siguiendo el ejemplo anterior, para una primera etapa del turbocompresor con una eficiencia del 70%, la temperatura alcanzaría los 88,5 °C (191,3 °F) después de la primera etapa, para luego entrar al sobrealimentador con una eficiencia del 60% y salir al una temperatura de 186,5 °C (367,7 °F), lo que da como resultado una eficiencia total del 62%. Un turbocompresor grande que produce 27 psi (1,9 bar) por sí solo, con una eficiencia térmica de alrededor del 70%, produciría aire a solo 166 °C (331 °F) de temperatura. Además, el coste de energía para comprimir aire con un sobrealimentador es mayor que el de un turbocompresor; Si el sobrealimentador no comprime aire, sólo queda una pequeña pérdida parásita de rotación de las piezas de trabajo del sobrealimentador. Esta pérdida restante se puede eliminar desconectando aún más el sobrealimentador utilizando un embrague electromagnético (como los utilizados en el VW 1.4TSI o el Toyota 4A-GZE para evitar el sobrealimentador en condiciones de baja carga).
Con la doble carga en serie, el turbocompresor puede ser de una variedad de cojinetes de muñón menos costosos y más duraderos , y el sacrificio en la respuesta de impulso se compensa con creces con la naturaleza instantánea de los sobrealimentadores de desplazamiento positivo. Si bien el peso y el costo del conjunto del supercargador son siempre un factor, la ineficiencia del supercargador se minimiza una vez que el turbocompresor alcanza la velocidad de funcionamiento y la válvula de derivación desconecta efectivamente el supercargador.
Las disposiciones en paralelo generalmente requieren el uso de una válvula de derivación o desviadora para permitir que uno o ambos compresores alimenten el motor de manera óptima. Si no se usara ninguna válvula y ambos compresores simplemente se dirigieran 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 desviadora para ventilar el aire del turbocompresor hasta que se alcance la presión adecuada en el colector de admisión.
La principal desventaja de la doble carga es la complejidad y el coste de los componentes. Generalmente, para proporcionar una respuesta aceptable, suavidad en la entrega de potencia y ganancia de potencia adecuada en comparación con un sistema de un solo compresor, se deben utilizar controles electrónicos y/o mecánicos costosos. En un motor de encendido por chispa , también se debe utilizar una relación de compresión baja si el sobrealimentador produce niveles altos de impulso, anulando algunos de los beneficios de eficiencia de un motor de menor cilindrada.
El concepto de doble carga fue utilizado por primera vez por Lancia en 1985 en su coche de rallyes Lancia Delta S4 Grupo B y su homólogo de calle , el Delta S4 Stradale. Nissan también adaptó con éxito la idea a los coches de carretera de producción con su March Super Turbo . [1] Además, varias empresas han producido kits de doble cargador de posventa para automóviles como el Subaru Impreza WRX , Mini Cooper S , Ford Mustang y Toyota MR2 .
El Volkswagen 1.4 TSI es un motor de 1.400 cc, utilizado por numerosos automóviles del Grupo VW , que utiliza tanto un turbocompresor como un sobrealimentador, y está disponible con ocho potencias:
Volvo produce un motor de cuatro cilindros en línea de 1969 cc con doble carga que se utiliza en sus modelos T6, T8 y Polestar. El T8 se suma al T6 con un motor eléctrico trasero.
Jaguar Land Rover produce un motor de seis cilindros en línea de 3,0 litros con doble carga.
El superdeportivo danés Zenvo ST1 utiliza turbocompresor y sobrealimentador en su motor V8 de 7,0 litros.
Los sistemas anti-retraso funcionan de dos maneras: ejecutando una relación aire-combustible muy rica y bombeando aire al escape para encender el combustible no quemado en el colector de escape, o retardando severamente el tiempo de encendido para hacer que la combustión continúe mucho después del escape. La válvula se ha abierto. Ambos métodos implican la combustión en el colector de escape para mantener el turbocompresor girando, y el calor generado acortará considerablemente la vida útil de la turbina. Por lo tanto, a pesar de la complejidad de la doble carga, su mayor ventaja sobre los sistemas anti-lag en los autos de carreras es la confiabilidad.
Un turbocompresor de geometría variable proporciona una respuesta mejorada a diferentes velocidades del motor. Con un ángulo de incidencia variable controlado electrónicamente , es posible hacer que la turbina alcance una buena velocidad de funcionamiento rápidamente o a velocidades más bajas del motor sin disminuir gravemente su utilidad a velocidades más altas del motor.
Un diseño de turbocompresor de doble entrada utiliza dos cámaras separadas para aprovechar mejor la energía de los pulsos alternos de los gases de escape. Las boquillas de las cámaras también pueden ser de diferentes tamaños, para equilibrar mejor la respuesta a bajas revoluciones y la salida a altas revoluciones.
Los sistemas de turbocompresor secuencial utilizan turbocompresores de diferentes tamaños para disminuir el retraso del turbo sin comprometer la potencia máxima de impulso ni la potencia del motor.
El óxido nitroso (N 2 O) se mezcla con el aire entrante y sirve como agente oxidante para quemar más combustible y obtener energía suplementaria cuando un turbocompresor no gira rápidamente. Esto también produce más gases de escape, de modo que el turbocompresor alcanza la velocidad de funcionamiento más rápido, proporcionando más oxígeno para la combustión y, en consecuencia, se reduce el flujo de N 2 O. El gasto tanto del sistema en sí como del N 2 O consumible puede ser significativo.
Para aumentar la potencia del motor y aumentar otros beneficios de la inducción forzada, se puede agregar un sistema de inyección de agua no original al sistema de inducción de los motores de combustión interna de gasolina y diésel.