Un twincharger se refiere a un sistema compuesto de inducción forzada que se utiliza en algunos motores de combustión interna . Es una combinación de un turbocompresor accionado por escape y un sobrealimentador accionado mecánicamente , cada uno mitigando las debilidades del otro.
El término twincharging no se refiere a una disposición de doble turbo , sino a una configuración en la que se utilizan dos tipos diferentes de compresores (en lugar de solo turbocompresores o supercargadores).
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 rpm 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 proporcionar suficiente presión de impulso en el rango de rpm superior de un motor.
El tiempo de retardo inaceptable endémico de un turbocompresor grande se neutraliza de manera efectiva 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, lo que da como resultado una banda de potencia sin retardo con un par elevado a velocidades del motor más bajas y una mayor potencia en el extremo superior. Por lo tanto, la sobrealimentación doble es deseable para los 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 sobrealimentación 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. Existen dos tipos comunes de sistemas de doble sobrealimentación: en serie y en paralelo.
La disposición en serie, la disposición más común de los sobrealimentadores gemelos, está configurada de tal 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 una presión del colector casi instantánea (eliminando el retraso del turbo , que de otro modo se produciría cuando el turbocompresor no está a la velocidad de funcionamiento). Una vez que el turbocompresor ha alcanzado la velocidad de funcionamiento, el sobrealimentador puede continuar combinando el aire presurizado a la entrada del turbocompresor (lo que produce presiones de admisión elevadas), o puede derivarse y/o desacoplarse mecánicamente del tren de transmisión a través de un embrague electromagnético y una válvula de derivación, lo que aumenta la eficiencia de la inducción.
Existen otras configuraciones en serie en las que no se emplea ningún sistema de derivación y ambos compresores están en uso continuo. Como resultado, siempre se produce una sobrealimentación compuesta a medida que se multiplican las relaciones de presión de los dos compresores, 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 sobrealimentación doble en serie permite la producción de presiones de sobrealimentación que de otro modo serían ineficientes o inalcanzables con otras configuraciones de compresores.
Sin embargo, las eficiencias del turbo y del sobrealimentador no se multiplican. Por ejemplo, si un turbocompresor con una eficiencia del 70% alimenta a un sobrealimentador Roots con una eficiencia del 60%, la eficiencia total de compresión 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 partiendo 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 ingresar al sobrealimentador con una eficiencia del 60% y salir a una temperatura de 186,5 °C (367,7 °F), resultando una eficiencia total del 62%. Un turbocompresor de gran tamaño 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 costo de energía para comprimir el aire con un sobrealimentador es mayor que el de un turbocompresor; si el sobrealimentador no comprime el aire, solo queda una pequeña pérdida parásita de rotación de las partes funcionales del sobrealimentador. Esta pérdida restante se puede eliminar desconectando aún más el sobrealimentador mediante un embrague electromagnético (como los que se usan en el VW 1.4TSI o el Toyota 4A-GZE para desviar el sobrealimentador en condiciones de baja carga).
Con la doble sobrealimentación en serie, el turbocompresor puede ser de una variedad con cojinetes de fricción más económica y duradera , y el sacrificio en la respuesta de sobrealimentación se compensa con creces con la naturaleza de encendido instantáneo de los sobrealimentadores de desplazamiento positivo. Si bien el peso y el costo del conjunto del sobrealimentador son siempre un factor, la ineficiencia del sobrealimentador se minimiza una vez que el turbocompresor alcanza la velocidad de funcionamiento y el sobrealimentador se desconecta efectivamente mediante la válvula de derivación.
Las configuraciones 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 se encaminaran directamente al colector de admisión, el sobrealimentador soplaría en sentido inverso 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 utilizar una válvula desviadora para purgar el aire del turbocompresor hasta que se alcance la presión adecuada en el colector de admisión.
La principal desventaja de la doble sobrealimentación es la complejidad y el costo de los componentes. Por lo general, para proporcionar una respuesta aceptable, suavidad en la entrega de potencia y una 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 altos niveles de sobrealimentación, anulando algunos de los beneficios de eficiencia de un motor de menor cilindrada.
El concepto de doble sobrealimentación fue utilizado por primera vez por Lancia en 1985 en su coche de rally Lancia Delta S4 Grupo B y su homólogo homologado para la calle , el Delta S4 Stradale. La idea también fue adaptada con éxito a los coches de carretera de producción por Nissan con su March Super Turbo . [1] Además, varias empresas han producido kits de doble sobrealimentación para el mercado de accesorios para coches como el Subaru Impreza WRX , el Mini Cooper S , el Ford Mustang y el 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 niveles de potencia:
Volvo fabrica un motor de cuatro cilindros en línea de 1969 cc con doble sobrealimentación que se utiliza en los modelos T6, T8 y Polestar. El T8 se complementa con un motor eléctrico trasero del T6.
Jaguar Land Rover produce un motor de seis cilindros en línea de 3,0 litros con doble sobrealimentación.
El superdeportivo danés Zenvo ST1 utiliza tanto turbocompresor como sobrealimentación en su motor V8 de 7,0 litros.
Los sistemas anti-lag funcionan de una de dos maneras: haciendo funcionar una relación aire-combustible muy rica y bombeando aire hacia el 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 de que se haya abierto la válvula de escape. Ambos métodos implican la combustión en el colector de escape para mantener el turbocompresor girando, y el calor que esto genera acortará considerablemente la vida útil de la turbina. Por lo tanto, a pesar de la complejidad de la doble sobrealimentación, su mayor beneficio sobre los sistemas anti-lag en los autos de carrera es la confiabilidad.
Un turbocompresor de geometría variable proporciona una respuesta mejorada a distintas velocidades del motor. Con un ángulo de incidencia variable controlado electrónicamente , es posible lograr que la turbina alcance una buena velocidad de funcionamiento rápidamente o a velocidades del motor más bajas sin disminuir considerablemente su utilidad a velocidades del motor más altas.
Un diseño de turbocompresor de doble entrada utiliza dos cámaras separadas para aprovechar mejor la energía de los pulsos de gases de escape alternos. Las toberas 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 reducir el retraso del turbo sin comprometer la máxima potencia del motor ni su rendimiento.
El óxido nitroso ( N2O ) se mezcla con el aire entrante y actúa como agente oxidante para quemar más combustible y generar más potencia cuando el turbocompresor no gira rápidamente. Esto también produce más gases de escape, de modo que el turbocompresor alcanza la velocidad de funcionamiento más rápido, lo que proporciona más oxígeno para la combustión y, en consecuencia, se reduce el flujo de N2O . El gasto tanto del propio sistema como del N2O consumible puede ser significativo.
Para aumentar la potencia del motor y complementar otros beneficios de la inducción forzada, se puede agregar un sistema de inyección de agua de repuesto al sistema de inducción de los motores de combustión interna de gasolina y diésel.