Sistema turbo turbo duplo
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Se um motor a diesel estiver equipado com uma turbina por padrão, um motor a gasolina pode facilmente funcionar sem um turbocompressor. No entanto, na indústria automotiva moderna, um turbocompressor para um carro não é mais considerado exótico (em detalhes sobre que tipo de mecanismo ele é e como funciona, é descrito em outro artigo).
Na descrição de alguns modelos de carros novos, algo como biturbo ou turbo duplo é mencionado. Vamos considerar que tipo de sistema é, como funciona, como os compressores podem ser conectados nele. No final da análise, discutiremos os prós e os contras de um turbo duplo.
O que é Twin Turbo?
Vamos começar com a terminologia. A expressão biturbo sempre significará que, em primeiro lugar, este é um tipo de motor turboalimentado e, em segundo lugar, o esquema de injeção forçada de ar nos cilindros incluirá duas turbinas. A diferença entre biturbo e biturbo é que no primeiro caso são utilizadas duas turbinas diferentes e, no segundo, são iguais. Por que - nós descobriremos isso um pouco mais tarde.
O desejo de alcançar a superioridade nas corridas forçou os fabricantes de automóveis a procurar maneiras de melhorar o desempenho de um motor de combustão interna padrão sem intervenções drásticas em seu projeto. E a solução mais eficaz foi a introdução de um soprador de ar adicional, devido ao qual um maior volume entra nos cilindros, e a eficiência da unidade aumenta.
Aqueles que já dirigiram um carro com motor a turbina pelo menos uma vez na vida notaram que, até que o motor gire até uma determinada velocidade, a dinâmica desse carro é lenta, para dizer o mínimo. Mas assim que o turbo começa a funcionar, a capacidade de resposta do motor aumenta, como se o óxido nitroso tivesse entrado nos cilindros.
A inércia de tais instalações levou os engenheiros a pensar em criar outra modificação das turbinas. Inicialmente, o objetivo desses mecanismos era justamente eliminar esse efeito negativo, que afetava a eficiência do sistema de admissão (leia mais sobre o assunto em outra revisão).
Com o tempo, a turboalimentação passou a ser utilizada com o objetivo de reduzir o consumo de combustível, mas ao mesmo tempo aumentar o desempenho do motor de combustão interna. A instalação permite expandir a faixa de torque. A turbina clássica aumenta a velocidade do fluxo de ar. Devido a isso, um volume maior entra no cilindro do que o aspirado, e a quantidade de combustível não muda.
Devido a este processo, a compressão aumenta, que é um dos principais parâmetros que afetam a potência do motor (para saber como medi-la, leia aqui) Com o tempo, os entusiastas do tuning de carros não estavam mais satisfeitos com os equipamentos de fábrica, então as empresas de modernização de carros esportivos começaram a usar diferentes mecanismos que injetam ar nos cilindros. Graças à introdução de um sistema de pressurização adicional, os especialistas conseguiram expandir o potencial dos motores.
Como mais uma evolução do turbo para motores, surgiu o sistema Twin Turbo. Em comparação com uma turbina clássica, esta instalação permite remover ainda mais potência do motor de combustão interna e, para os entusiastas do autoajuste, oferece potencial adicional para atualizar seu veículo.
Como funciona o turbo duplo?
Um motor convencional de aspiração natural funciona segundo o princípio de aspirar ar fresco por meio de um vácuo criado por pistões no trato de admissão. Conforme o fluxo se move ao longo do caminho, uma pequena quantidade de gasolina entra nele (no caso de um motor de combustão interna a gasolina), se for um carro com carburador ou combustível é injetado devido ao funcionamento de um injetor (leia mais sobre o que tipos de suprimento de combustível forçado).
A compressão em tal motor depende diretamente dos parâmetros das bielas, volume do cilindro, etc. Já uma turbina convencional, atuando no fluxo dos gases de exaustão, seu rotor aumenta a entrada de ar nos cilindros. Isso aumenta a eficiência do motor, pois mais energia é liberada durante a combustão da mistura ar-combustível e o torque é aumentado.
Twin turbo funciona de maneira semelhante. Somente neste sistema o efeito da "consideração" do motor é eliminado enquanto o rotor da turbina está girando. Isso é conseguido instalando um mecanismo adicional. Um pequeno compressor acelera a aceleração da turbina. Quando o motorista pisa no pedal do acelerador, o carro acelera mais rápido, pois o motor reage quase que instantaneamente à ação do motorista.
Vale ressaltar que o segundo mecanismo neste sistema pode ter um projeto e princípio de operação diferentes. Em uma versão mais avançada, uma turbina menor é girada com um fluxo de gás de escape mais baixo, aumentando assim o fluxo de entrada em velocidades mais baixas, e o motor de combustão interna não precisa ser girado até o limite.
Esse sistema funcionará de acordo com o seguinte esquema. Quando o motor é ligado, enquanto o carro está parado, a unidade opera em marcha lenta. No trato de admissão, um movimento natural de ar fresco é formado devido ao vácuo nos cilindros. Esse processo é facilitado por uma pequena turbina que começa a girar em baixa rotação. Este elemento fornece um ligeiro aumento na tração.
Conforme a rotação do virabrequim aumenta, a exaustão se torna mais intensa. Nesse momento, o compressor menor gira mais e o excesso de fluxo de gás de exaustão começa a afetar a unidade principal. Com o aumento da velocidade do impulsor, um maior volume de ar entra no trato de admissão devido ao maior empuxo.
O reforço duplo elimina a dura mudança de potência que está presente nos motores diesel clássicos. Na velocidade média do motor de combustão interna, quando a grande turbina está apenas começando a girar, o pequeno compressor atinge sua velocidade máxima. Quando mais ar entra no cilindro, a pressão de exaustão aumenta, acionando o compressor principal. Este modo elimina a diferença perceptível entre o torque da rotação máxima do motor e a inclusão da turbina.
Quando o motor de combustão interna atinge sua velocidade máxima, o compressor também atinge o nível limite. O design de impulso duplo é projetado de forma que a inclusão de um grande supercompressor evita que a contraparte menor sobrecarregue a partir de sobrecarga.
O compressor automotivo duplo fornece pressão no sistema de admissão que não pode ser alcançada com a superalimentação convencional. Em motores com turbinas clássicas, há sempre um turbo lag (uma diferença perceptível na potência da unidade de potência entre atingir sua velocidade máxima e ligar a turbina). Conectar um compressor menor elimina esse efeito, proporcionando uma dinâmica de motor suave.
Em turboalimentação duplo, torque e potência (leia sobre a diferença entre esses conceitos em outro artigo) da unidade de potência desenvolve-se em uma faixa de rpm mais ampla do que a de um motor semelhante com um superalimentador.
Tipos de esquemas de superalimentação com dois turboalimentadores
Assim, a teoria de operação dos turboalimentadores comprovou sua praticidade para aumentar com segurança a potência da unidade de força sem alterar o projeto do próprio motor. Por esse motivo, engenheiros de diferentes empresas desenvolveram três tipos eficazes de turbo duplo. Cada tipo de sistema será organizado de sua própria maneira e terá um princípio de operação ligeiramente diferente.
Hoje, os seguintes tipos de sistemas de turboalimentação duplos são instalados em carros:
- Paralelo;
- Consistente;
- Pisado.
Cada tipo difere no diagrama de conexão dos sopradores, seus tamanhos, o momento em que cada um deles será colocado em operação, bem como as características do processo de pressurização. Vamos considerar cada tipo de sistema separadamente.
Diagrama de conexão da turbina paralela
Na maioria dos casos, um tipo paralelo de turboalimentação é usado em motores com um projeto de bloco de cilindros em forma de V. O dispositivo de tal sistema é o seguinte. Uma turbina é necessária para cada seção do cilindro. Eles têm as mesmas dimensões e também correm paralelos entre si.
Os gases de exaustão são distribuídos uniformemente no tubo de exaustão e vão para cada turbocompressor nas mesmas quantidades. Esses mecanismos funcionam da mesma maneira que no caso de um motor em linha com uma turbina. A única diferença é que este tipo de biturbo possui dois sopradores idênticos, mas o ar de cada um deles não é distribuído pelas seções, mas é constantemente injetado no trato comum do sistema de admissão.
Se compararmos tal esquema com um único sistema de turbina em uma unidade de energia em linha, então, neste caso, o projeto do turbo duplo consiste em duas turbinas menores. Isso requer menos energia para girar seus impulsores. Por esse motivo, os compressores são conectados a uma velocidade menor do que uma grande turbina (menos inércia).
Este arranjo elimina a formação de um turbo lag acentuado, que ocorre em motores convencionais de combustão interna com um superalimentador.
Inclusão sequencial
A série tipo Biturbo também prevê a instalação de dois sopradores idênticos. Apenas seu trabalho é diferente. O primeiro mecanismo em tal sistema funcionará em uma base permanente. O segundo dispositivo é conectado apenas em um determinado modo de operação do motor (quando sua carga aumenta ou a velocidade do virabrequim aumenta).
O controle em tal sistema é fornecido por eletrônicos ou válvulas que reagem à pressão da corrente de passagem. A ECU, de acordo com os algoritmos programados, determina em que momento conectar o segundo compressor. Seu acionamento é fornecido sem ligar o motor individual (o mecanismo ainda opera exclusivamente na pressão do fluxo de gases de escape). A unidade de controle aciona os atuadores do sistema que controla a movimentação dos gases de exaustão. Para isso, são utilizadas válvulas elétricas (em sistemas mais simples, são válvulas comuns que reagem à força física do fluxo), que abrem / fecham o acesso ao segundo soprador.
Quando a unidade de controle abre totalmente o acesso ao impulsor da segunda marcha, os dois dispositivos funcionam em paralelo. Por esse motivo, essa modificação também é chamada de paralelo serial. O funcionamento dos dois sopradores possibilita uma maior pressão do ar de entrada, uma vez que seus impulsores de alimentação estão conectados a um caminho de entrada.
Nesse caso, também são instalados compressores menores do que em um sistema convencional. Isso também reduz o efeito do turbo lag e disponibiliza o torque máximo em velocidades mais baixas do motor.
Este tipo de biturbo é instalado em unidades de propulsão a diesel e a gasolina. O design do sistema permite que você não instale nem dois, mas três compressores conectados em série um ao outro. Um exemplo de tal modificação é o desenvolvimento do BMW (Triplo Turbo), que foi apresentado em 2011.
Esquema de etapas
O sistema twin-scroll encenado é considerado o tipo mais avançado de turboalimentação. Apesar de existir desde 2004, o tipo de sobrealimentação em dois estágios provou sua eficiência mais tecnicamente. Este Twin Turbo está instalado em alguns tipos de motores diesel desenvolvidos pela Opel. O supercompressor escalonado do Borg Wagner Turbo Sistems é instalado em alguns motores de combustão interna BMW e Cummins.
O esquema do turboalimentador consiste em dois compressores de tamanhos diferentes. Eles são instalados sequencialmente. O fluxo dos gases de escape é controlado por eletroválvulas, cujo funcionamento é controlado eletronicamente (também existem válvulas mecânicas que são acionadas por pressão). Além disso, o sistema está equipado com válvulas que alteram a direção do fluxo de descarga. Isso permitirá acionar a segunda turbina e desligar a primeira, para que não falhe.
O sistema tem o seguinte princípio de operação. Uma válvula de desvio é instalada no coletor de escapamento, que corta o fluxo da mangueira que vai para a turbina principal. Quando o motor está funcionando em baixa rotação, este ramal é fechado. Como resultado, o escapamento passa por uma pequena turbina. Devido à inércia mínima, este mecanismo fornece um volume adicional de ar, mesmo com baixas cargas de ICE.
Em seguida, o fluxo passa pelo impulsor da turbina principal. Como suas lâminas começam a girar em alta pressão até que o motor atinja a velocidade média, o segundo mecanismo permanece imóvel.
Há também uma válvula de desvio no trato de admissão. Em baixas velocidades, ele é fechado e o fluxo de ar fica praticamente sem injeção. Conforme o motorista acelera o motor, a pequena turbina gira com mais força, aumentando a pressão no trato de admissão. Isso, por sua vez, aumenta a pressão dos gases de escape. À medida que a pressão na linha de exaustão fica mais forte, a válvula de descarga é ligeiramente aberta, de modo que a pequena turbina continua a girar e parte do fluxo é direcionado para o grande soprador.
Gradualmente, o grande soprador começa a girar. À medida que a velocidade do virabrequim aumenta, esse processo se intensifica, o que faz a válvula abrir mais e o compressor girar mais.
Quando o motor de combustão interna atinge a velocidade média, a pequena turbina já está operando no máximo e o compressor principal começou a girar, mas não atingiu o máximo. Durante a operação da primeira etapa, os gases de exaustão passam pelo impulsor do pequeno mecanismo (enquanto suas pás giram no sistema de admissão), e são removidos para o catalisador através das pás do compressor principal. Nesse estágio, o ar é sugado pelo impulsor do grande compressor e passado pela engrenagem giratória menor.
No final da primeira fase, a wastegate está totalmente aberta e o fluxo de exaustão já está totalmente direcionado para o impulsor principal. Esse mecanismo é mais forte. O sistema de bypass é configurado de forma que o pequeno soprador seja completamente desativado neste estágio. A razão é que quando a velocidade média e máxima de uma grande turbina é atingida, ela cria uma cabeça tão forte que o primeiro estágio simplesmente a impede de entrar nos cilindros corretamente.
No segundo estágio de pressurização, os gases de exaustão passam pelo pequeno rotor e o fluxo de entrada é direcionado ao redor do pequeno mecanismo - diretamente para os cilindros. Graças a esse sistema, as montadoras conseguiram eliminar a grande diferença entre o alto torque nas rpm mínimas e a potência máxima ao atingir a velocidade máxima do virabrequim. Este efeito tem sido um companheiro constante de qualquer motor diesel superalimentado convencional.
Prós e contras da turbocompressão dupla
O Biturbo raramente é instalado em motores de baixa potência. Basicamente, este é o equipamento confiável para máquinas potentes. Somente neste caso é possível obter o indicador de torque ideal já em rotações mais baixas. Além disso, as pequenas dimensões do motor de combustão interna não são um obstáculo para aumentar a potência da unidade de potência. Graças à dupla turboalimentação, consegue-se uma economia de combustível decente em comparação com sua contraparte naturalmente aspirada, que desenvolve potência idêntica.
Por um lado, há um benefício de equipamentos que estabilizam os processos principais ou aumentam sua eficiência. Por outro lado, tais mecanismos apresentam desvantagens adicionais. E a turboalimentação dupla não é exceção. Tal sistema não tem apenas aspectos positivos, mas também algumas desvantagens sérias, devido às quais alguns motoristas se recusam a comprar esses carros.
Primeiro, considere as vantagens do sistema:
- A principal vantagem do sistema é a eliminação do turbo lag, típico de todos os motores de combustão interna equipados com turbina convencional;
- O motor muda para o modo de potência com mais facilidade;
- A diferença entre o torque máximo e a potência é significativamente reduzida, pois ao aumentar a pressão do ar no sistema de admissão, a maioria dos newtons permanece disponível em uma faixa mais ampla de rotação do motor;
- Reduz o consumo de combustível necessário para atingir a potência máxima;
- Uma vez que a dinâmica adicional do carro está disponível em velocidades mais baixas do motor, o motorista não precisa girar tanto;
- Ao reduzir a carga no motor de combustão interna, o desgaste dos lubrificantes é reduzido e o sistema de refrigeração não funciona em modo aumentado;
- Os gases de escape não são simplesmente descarregados na atmosfera, mas a energia desse processo é usada com benefícios.
Agora, vamos prestar atenção às principais desvantagens do turbo duplo:
- A principal desvantagem é a complexidade do projeto dos sistemas de admissão e exaustão. Isso é especialmente verdadeiro para novas modificações do sistema;
- O mesmo fator afeta o custo e a manutenção do sistema - quanto mais complexo o mecanismo, mais caro seu reparo e ajuste;
- Outra desvantagem também está associada à complexidade do projeto do sistema. Visto que consistem em um grande número de peças adicionais, também existem mais nós nos quais pode ocorrer quebra.
Separadamente, deve ser feita menção ao clima da área em que a máquina turboalimentada é operada. Como o impulsor do superalimentador às vezes gira acima de 10 mil rpm, ele precisa de lubrificação de alta qualidade. Quando o carro é deixado durante a noite, a graxa vai para o cárter, de forma que muitas partes da unidade, incluindo a turbina, ficam secas.
Se você ligar o motor pela manhã e operá-lo com cargas decentes sem aquecimento preliminar, você pode matar o compressor. A razão é que o atrito seco acelera o desgaste das peças de atrito. Para eliminar esse problema, antes de colocar o motor em altas rotações, é necessário aguardar um pouco enquanto o óleo é bombeado por todo o sistema e chega aos nós mais distantes.
No verão, você não precisa gastar muito tempo com isso. Nesse caso, o óleo no cárter tem fluidez suficiente para que a bomba possa bombeá-lo rapidamente. Mas no inverno, especialmente em geadas severas, esse fator não pode ser ignorado. É melhor gastar alguns minutos aquecendo o sistema do que, após um curto período de tempo, jogar fora uma quantidade decente para comprar uma nova turbina. Adicionalmente, deve ser mencionado que devido ao contato constante com os gases de exaustão, o rotor dos sopradores pode aquecer até mil graus.
Caso o mecanismo não receba a lubrificação adequada, que em paralelo desempenha a função de resfriar o dispositivo, suas partes irão esfregar umas nas outras a seco. A ausência de um filme de óleo causará um aumento acentuado na temperatura das peças, proporcionando-lhes dilatação térmica e, consequentemente, seu desgaste acelerado.
Para garantir uma operação confiável do turboalimentador duplo, siga os mesmos procedimentos dos turboalimentadores convencionais. Primeiramente é preciso trocar o óleo na hora certa, que é utilizado não só para a lubrificação, mas também para o resfriamento das turbinas (sobre o procedimento de troca do lubrificante, nosso site tem artigo separado).
Em segundo lugar, como os impulsores dos ventiladores estão em contato direto com os gases de exaustão, a qualidade do combustível deve ser alta. Graças a isso, os depósitos de carbono não se acumulam nas pás, o que interfere na rotação livre do rotor.
Concluindo, oferecemos um pequeno vídeo sobre as diferentes modificações da turbina e suas diferenças:
Perguntas e Respostas:
O que é melhor bi-turbo ou twin-turbo? Estes são sistemas de turboalimentação do motor. Em motores com biturbo, o turbo lag é suavizado e a dinâmica de aceleração é nivelada. Em um sistema bimoturbo, esses fatores não mudam, mas o desempenho do motor de combustão interna aumenta.
Qual é a diferença entre bi-turbo e twin-turbo? O Biturbo é um sistema de turbina conectado em série. Graças à sua inclusão sequencial, o orifício turbo é eliminado durante a aceleração. Um turbo duplo é apenas duas turbinas para aumentar a potência.
Por que você precisa de um turbo gêmeo? Duas turbinas fornecem um volume maior de ar para o cilindro. Com isso, o recuo é potencializado durante a combustão do BTC - mais ar é comprimido no mesmo cilindro.
