Escrito por el Dr. Charles Jenckes
Sin retrasos, respuesta instantánea del acelerador, grandes ganancias de potencia y recuperación de energía: perfeccionada en la Fórmula 1, la tecnología de turbocompresor de asistencia eléctrica MGU-H pronto llegará a la calle
«Hacer coincidir el turbo con el motor siempre ha sido una compensación. Un turbo más grande puede generar más potencia, pero se necesita más tiempo para ponerlo en marcha, por lo que tendrías que comprometerte para encontrar el equilibrio adecuado. Con un motor eléctrico, ambos eliminan el retraso y controlando el impulso [en un e-turbo], podemos generar mucha más potencia». —Craig Balis, vicepresidente sénior y director de tecnología de Garrett Motion
Todos hemos visto esos anuncios fraudulentos del llamado «turbo eléctrico». Se afirma que estos dispositivos económicos funcionan como turbocompresores, pero en realidad son simples ventiladores o sopladores con conductos, en el mejor de los casos solo sirven para expulsar humo. Si crees que hay algo para ellos, hay un puente en Brooklyn que quiero venderte. Este no es ese artículo. Entonces, deja de reírte y olvídate de todas esas tonterías de estafadores. Lo que está a punto de leer aquí no es el soplador de hojas de su jardinero o un falso turbo eléctrico de bajo costo. En cambio, vamos a ver la vanguardia de lo que podría llamarse asistido eléctricamente.tecnología de turbocompresores. Le hablaremos sobre los revolucionarios «e-turbos» perfeccionados en los motores V6 MGU-H de las carreras de Fórmula 1 (F1) y cómo esta revolución turbo ahora madura llegará a los autos de producción en su concesionario local en los próximos pocos años. Se trata de la próxima ola en tecnología de generación de energía, mejoras adicionales en el ahorro de combustible y hacer que los motores cada vez más pequeños funcionen tan bien o incluso mejor que los motores más grandes a los que reemplazan. Podría ser la clave para permitir que el motor de combustión interna permanezca durante otra generación; y algún día, antes de lo que piensas, hacer que los grandes motores de carreras ilimitados y sin restricciones produzcan incluso más potencia que la que tenían con los turbocompresores convencionales.
Boost, el Reemplazo del Desplazamiento
Antes de explicar por qué un turbocompresor asistido eléctricamente lo cambia todo, echemos un vistazo rápido a los supercargadores y la evolución de los turbocompresores y las ventajas y desventajas de cada uno. Todos hemos escuchado, yo mismo lo he dicho muchas veces: «No hay reemplazo para el desplazamiento». Pero en realidad, hay: agregar impulso a través de la inducción forzada. Los motores generan más potencia con la inducción forzada porque aumenta la densidad del aire que ingresa al motor presurizándolo o «aumentándolo» por encima de la presión atmosférica con un sobrealimentador o un turbocompresor impulsado por el escape. Cuanto mayor sea el impulso, medido en psi en el sistema estadounidense o en barras en el sistema ISO, mayor será el potencial de potencia del motor. Un motor pequeño actúa como un motor más grande. Y un motor ya grande actúa como, bueno, un monstruo. (Ver por ejemplo, «» y » El más rápido del mundo, ¡otra vez! «.)
Un sobrealimentador tradicional como este viejo supercargador clásico de patrón GMC, tipo Roots, que impulsa un viejo Vega de motor Chevy de bloque pequeño Don Hardy es un dispositivo de movimiento de aire impulsado por una correa del cigüeñal del motor. Impulso instantáneo, pero esta tecnología antigua es relativamente ineficiente.
Foto: Archivos HOT ROD
Los supercargadores y los turbocompresores son dispositivos de movimiento de aire. La diferencia es que un supercargador es tradicionalmente accionado por el cigüeñal del motor y el turbocompresor por los gases de escape del motor. El turbocompresor utiliza el calor de escape y lo convierte en trabajo útil, haciendo girar un eje que impulsa una turbina en el lado de entrada. Las tecnologías básicas se remontan a más de un siglo: Gottlieb Daimler patentó por primera vez un supercargador para motores de automóviles en 1885. General Electric desarrolló los primeros turbocompresores entre 1905 y 1916 para los primeros motores de aviones. Se han vuelto inconmensurablemente mejores y más eficientes a medida que avanza la tecnología, especialmente en los últimos 20 años, ya que la tecnología de mecanizado de cuchillas CNC, las turbinas de geometría variable (VGT), el modelado por computadora y la gestión electrónica del motor se han generalizado.
Un turbocargador convencional tiene una sección de compresor y una sección de turbina. Impulsada por los gases de escape, la turbina hace girar el compresor, que impulsa el aire hacia el motor. Con su turbina de geometría variable, esta unidad BorgWarner es tan eficiente como un turbo impulsado por gases de escape puro sin electrificación.
Foto: BorgWarner
Los turbos se quedan atrás
Como está conectado directamente al cigüeñal, el beneficio tradicional de un sobrealimentador accionado por correa es que crea una respuesta instantánea cuando pisas el acelerador. Por otro lado, se necesita una gran cantidad de energía para impulsar un supercargador grande. En las carreras de resistencia, conducir un soplador Roots 14-71 de Top Fuel dragster consume entre 900 y 1000 hp del cigüeñal a 65 psi de impulso. Un sistema de escape de turbocompresor diseñado eficientemente consume mucha menos energía a un nivel de rendimiento equivalente, principalmente a través de restricciones en la ruta de escape. Sin embargo, el principal problema con los turbocompresores es el tiempo de demora entre el momento en que se abre el acelerador y el momento en que los gases de escape pueden «hacer girar» el turbo, lo que los ingenieros y los corredores llaman «retraso del turbo» o «tiempo de respuesta transitorio». Cuanto más grande es el turbo, mayor es el retraso. Un pequeño turbo puede reducir el retraso, pero esto compromete la potencia de gama alta. Una turbina con VGT, que amplía la envolvente de eficiencia de gama baja y alta de la turbina, sigue siendo solo un compromiso. Otra solución es utilizar varios turbos más pequeños en paralelo o incluso varios turbos montados en serie. Esto aumenta el costo y la complejidad.
El «Twincharger» de VW era una combinación de un turbocompresor impulsado por el escape y un sobrealimentador impulsado por el motor, cada uno mitigando la debilidad del otro. Desarrolló una respuesta instantánea del acelerador y, sin «retraso del acelerador» del turbo, permitió usar un turbo más grande para una mejor potencia máxima.
Foto: Ryan Lugo
Volkswagen incluso produjo un motor de 1.4L (85ci) con un turbocompresor y un sobrealimentador accionado por correa que proporcionaba una respuesta instantánea del sobrealimentador y la máxima potencia del turbocargador. Conocido como el «Twincharger» de VW, este motor producía más torque que un motor de aspiración natural de 2.3L usando un 20 por ciento menos de combustible. El motor Twincharger fue coronado como «Motor del año» tanto en 2009 como en 2010 por un panel internacional de periodistas automotrices. Desafortunadamente, con un turbo y un supercargador, el motor era costoso de producir. VW finalmente lo reemplazó con un turbocompresor único menos costoso a pesar de que el rendimiento general disminuyó ligeramente.
Sobrealimentador eléctrico
Además de proporcionar un impulso instantáneo, el BorgWarner eBooster puede funcionar como un compresor compuesto. Debido a que el supercargador y el turbocargador están conectados en serie, las presiones de las dos unidades de carga se multiplican, ¡proporcionando aún más impulso y potencia del motor!
Foto: BorgWarner
La próxima evolución en la lucha contra el retraso del turbo es reemplazar el sobrealimentador auxiliar accionado por correa con un pequeño sobrealimentador accionado eléctricamente que se utiliza junto con un turbocompresor. Un ejemplo es el sistema eBooster de BorgWarner, que elimina el retraso del turbo y permite dimensionar el turbo para la potencia máxima. La primera aplicación disponible comercialmente para eBooster será el motor Mercedes Benz 3L S-class 2021. El supercargador es impulsado por un avanzado motor eléctrico de ultra alta velocidad de CC sin escobillas.
En comparación con un turbocompresor independiente convencional, un proyecto de demostración eBooster de BorgWarner tardó solo 2,5 segundos en alcanzar el par máximo y agregó un 50 por ciento más de par bajo la curva.
Foto: Marlan Davis
Una solución provisional efectiva, un supercargador «extra», ya sea accionado por correa o eléctrico, aún ocupa mucho espacio de empaque al integrar el hardware adicional en el tren motriz existente; dos dispositivos son más pesados, más voluminosos y más caros que uno. Todavía no hay capacidad de regeneración de energía, las demandas de energía eléctrica siguen siendo altas y no aborda el poder de la energía potencial «desperdiciada» que pasa por alto la válvula de descarga del escape.
El calor residual de escape es energía potencial perdida
Una de las dos grandes válvulas de descarga Precision Turbo controladas electrónicamente en un Chevy de bloque pequeño Ken Duttweiler Bonneville récord.
Foto: Wes Allison
En un turbocompresor, usa una «compuerta de desperdicio» para controlar la cantidad de impulso. Una válvula de descarga es una válvula que se abre aguas arriba del turbocompresor para desviar la energía térmica alrededor del turbo directamente al escape. Esto evita que el turbo haga demasiado impulso o pierda eficiencia al entrar en «sobrevelocidad» (hay una velocidad crítica de la cuchilla que depende de la masa giratoria y el tamaño de la cuchilla). Note la palabra aquí: válvula de descarga. Así es. Cuando se abre una válvula de descarga, la energía térmica potencial se «desperdicia» o se pierde por el escape. Eso es ineficiente. Los ingenieros odian la ineficiencia, pero el «calor residual» era algo que se daba por sentado en un motor de combustión interna (IC). Recuerde este concepto: el calor, ya sea que se pierda a través de la camisa de enfriamiento del motor hacia el radiador o se desvíe alrededor de la sección de la turbina de un turbo, es teóricamente energía perdida. Si hay una manera de hacer que parte de ese calor «perdido» vuelva a funcionar, un motor podría volverse más eficiente (y desde el punto de vista del rendimiento) ver una ganancia de potencia significativa.
Una válvula de descarga desvía parte del flujo de escape alrededor de la sección de la turbina de un turbocompresor para controlar la velocidad del eje o impulsar. Un resorte dentro del cartucho del actuador mantiene cerrada la válvula de descarga. Cuando se exceden los límites de presión preestablecidos, el actuador abre progresivamente la válvula de descarga, lo que permite que el flujo de escape se desvíe de la turbina.
Foto: Dr. Charles Jenckes
Orígenes del E-Turbo
¿Qué pasaría si pudiera «aumentar» la velocidad inicial de la turbina para superar el retraso no con un sobrealimentador auxiliar, sino haciendo girar instantáneamente la sección de la turbina de un turbocargador con un motor eléctrico relativamente pequeño, pero extremadamente potente? ¿Qué pasaría si pudiera tomar ese calor residual del escape y esencialmente usarlo para recargar el sistema eléctrico que gastó toda esa energía eléctrica inicialmente para acelerar el eje en primer lugar? Los líderes de la industria turbo como Garrett Motion, BorgWarner, Mitsubishi y otros han estado jugando con la idea de los e-turbos durante años. Turbodyne, en colaboración con la entonces Honeywell International, desarrolló y patentó turbos asistidos eléctricamente ya en 1995, principalmente para abordar las emisiones de dos tiempos de Detroit Diesel en los autobuses Greyhound. pero no fue Hasta los primeros años del siglo XXI, cuando los turbocompresores ganaron popularidad en un amplio espectro de modelos (no solo en los modelos de alta gama), la industria realmente se interesó en los e-turbos cuando los precios de la gasolina en todo el mundo, particularmente en Europa, comenzaron a dispararse. . Pero se necesitaron nuevos desarrollos en motores eléctricos y tecnología de baterías de alta tecnología, además de un gran «empuje» de la serie de carreras de carretera de monoplazas de Fórmula 1, para realmente impulsar el concepto a toda velocidad. Garrett Motion, por ejemplo, se asoció con Scuderia Ferrari, combinando sus 65 años de experiencia en turbocompresores y experimentos de asistencia de turbo eléctrico con la experiencia en motores y chasis de F1 de Ferrari.
F1 lidera el camino
Todos los competidores de F1 han estado usando turbos aumentados eléctricamente y recuperación de energía desde 2014. Mercedes-AMG ha dominado la F1 desde que las reglas actuales entraron en vigencia en 2014. Mercedes construye sus propios motores F1 y e-turbos.
Foto: Morio vía Wikipedia / Lic. CC4
Si cree que NASCAR, los dragsters Top Fuel e incluso los autos Bonneville LSR son la última palabra en rendimiento de motores de pistón, se ha perdido el tren cuando se trata de la eficiencia pura del motor. La Fórmula Uno (F1) es la serie de carreras técnicamente más avanzada del mundo, y sus motores han estado durante mucho tiempo entre los más potentes y eficientes para su tamaño. En 2014, las reglas del motor de F1 se revisaron considerablemente para comenzar el proceso de alejarse de los combustibles a base de hidrocarburos, y aún se mantienen prácticamente sin cambios a fines de 2020. Los actuales F1 1.6L (97.6 ci) V6 están limitados a un solo turbocompresor Los motores pueden usar solo 110 kg/h de gasolina (242 lb/h o alrededor de 40 galones estadounidenses), suficiente combustible para unas dos horas de carrera. Sin embargo, estos motores generan alrededor de 850 hp en el volante con gasolina, según lo medido por el SAE «neto» especificación de caballos de fuerza J1349 (alrededor de un 4 por ciento menos que el estándar J607 que usamos típicamente los hot rodders). Bastante impresionante por sí mismo, pero actualmente los motores están generando otros 150 a 160 hp con un sofisticado sistema de recuperación de energía (ERS) que pone de nuevo en funcionamiento la energía térmica perdida generada por el sistema de frenos y los gases de escape «desperdiciados». El resultado es una combinación de 1.000 hp, o 10,2 hp/ci, ¡en gasolina!
Las diminutas unidades de potencia DOHC 1.6L V6 F1 MGU-H son los motores de carreras de gasolina de mayor eficiencia del mundo. Parte del secreto es el turbo aumentado eléctricamente que funciona junto con un sofisticado paquete de energía y controlador de 800 voltios, el objeto similar a un tanque de gasolina a la derecha del motor en esta foto. El peso total del motor, el turbo y la unidad de aumento eléctrico es de solo 149 kg (319 lb).
Foto: Daimler AG
¡La asistencia eléctrica produce un turbo sin demora!
Aquí, estamos interesados principalmente en cómo el MGU-H y su sistema turbo aumentado eléctricamente acaban con el retraso del turbocompresor (aunque también mejoran el rendimiento de los frenos). La F1 se refiere a sus plantas de energía híbridas y turbo como una «Unidad de motor generador de calor» (MGU-H). Este es un verdadero turbocompresor híbrido (a menudo llamado «e-turbo») que combina el turbocompresor tradicional con un motor eléctrico de alta velocidad que hace girar el turbo hasta alcanzar la velocidad, creando impulso en el instante en que abre el acelerador, exactamente como lo hace un supercargador. , pero sin el arrastre parásito de una correa, poleas o fricción del rotor del sobrealimentador. La velocidad del eje del turbocompresor ahora está regulada por un motor eléctrico y ya no depende estrictamente del aumento de la presión de los gases de escape como lo es en el ciclo de retroalimentación del compresor de turbina del turbo tradicional. En pocas palabras: no más turbo lag,
Resolver el problema del retraso proporciona otra ventaja fundamental para un turbocompresor asistido eléctricamente: se puede dimensionar un e-turbo para desarrollar la mejor curva de potencia y impulso para una combinación determinada de motor/línea de transmisión sin preocuparse por la respuesta transitoria o el retraso del turbo. Esto se aplica tanto a las carreras como a cualquier posible uso en la calle. Cuando se trata de turbos, más grande ahora es mejor.
Waste Not Want Not: recuperación de energía térmica
La visión de Garrett de un sistema E-turbo completamente realizado en un acabado más «callejero». El sistema E-turbo de Garrett funciona en ambas direcciones, lo que permite que un turbocompresor de bobina descendente envíe energía de regreso a la batería.
Foto: Garrett Motion
El motor del turbo eléctrico también funciona como un generador para reducir la velocidad del turbo para controlar el impulso al invertir el par. El exceso de energía que antes se desperdiciaba cuando se abre la válvula de descarga recarga la batería. Alternativamente, la energía «recuperada» almacenada en la batería se puede «recuperar» para agregar energía a la línea de transmisión a través de un motor eléctrico separado. Ya sea en las carreras o en la calle, dicha «hibridación» no solo agrega potencia, sino que también ahorra gasolina: un ciclo de retroalimentación perpetuo verdaderamente eficiente (hasta que se queda sin combustible, por supuesto, todavía no existe el movimiento perpetuo).
Revolución en Motores Eléctricos
Un e-turbo se convierte en una tecnología viable (y ahora madura) gracias a las grandes mejoras en la tecnología de motores eléctricos sin escobillas y los nuevos sistemas eléctricos de alta potencia para vehículos de calle híbridos. Gran parte de esta tecnología se desarrolló originalmente para aplicaciones aeroespaciales donde el costo no es un problema, por lo que para que todo esto sea viable en el uso automotriz convencional (no solo en la F1 de manera similar, el costo no es un problema), parte del trato es descubrir cómo comercializar esta tecnología a un precio razonable para el uso masivo del consumidor. Mirando primero a los motores, Garrett explica: «Un motor eléctrico debe ser lo más compacto posible para tener la dinámica del rotor bajo control. Realmente está apuntando a una alta densidad de potencia. Por lo tanto, es imprescindible obtener la mayor potencia posible de un motor pequeño. para permitir que el turbo tenga el mismo rango de velocidad», en algunos casos hasta 250,000 rpm en los e-turbos más pequeños. Garrett se enfoca en trasladar esta necesidad de las aplicaciones aeroespaciales (alto costo) a las aplicaciones de industrialización que son aceptables en la industria automotriz. Necesita una densidad de potencia increíble en un sistema de 12 V, y simplemente no hay una justificación de costo/valor para hacerlo en este escenario. Garrett desarrolló un sistema E-turbo de 12 voltios, pero no había mercado para él. Al pasar a un sistema eléctrico de 48 V o más, esto permite una mejor propuesta de valor que permite una salida de energía efectiva». Garrett se enfoca en trasladar esta necesidad de las aplicaciones aeroespaciales (alto costo) a las aplicaciones de industrialización que son aceptables en la industria automotriz. Necesita una densidad de potencia increíble en un sistema de 12 V, y simplemente no hay una justificación de costo/valor para hacerlo en este escenario. Garrett desarrolló un sistema E-turbo de 12 voltios, pero no había mercado para él. Al pasar a un sistema eléctrico de 48 V o más, esto permite una mejor propuesta de valor que permite una salida de energía efectiva».
Revolución en la salida eléctrica
48 voltios: Eso es solo un punto de partida. Para alta potencia, necesita alto voltaje. Los coches de F1 supuestamente utilizan sistemas eléctricos de 800 voltios (!) para conseguir la potencia eléctrica necesaria del motor en su chasis compacto y ultraligero. Recuerda que definimos potencia como la cantidad de energía transferida por unidad de tiempo. Para un motor de combustión, la potencia es la energía química del combustible convertida en energía mecánica por unidad de tiempo (expresada en los EE. UU. como «caballos de fuerza» o hp). Para un motor eléctrico, la potencia es energía eléctrica convertida en energía mecánica por unidad de tiempo, expresada en el sistema ISO como «vatios» (W), que también es la expresión métrica tradicional de «caballos de fuerza». La correlación es 1 W = 0,00134102 hp.
Vatio que significa para la eficiencia eléctrica
Las matemáticas nos muestran que si aumenta los voltios del sistema, el amperaje (corriente) necesario para mantener la misma potencia de salida en vatios disminuye. Reducir la corriente reduce el tamaño, el peso y el costo de los cables que transportan la corriente eléctrica. Para los veteranos cuando los equipos originales cambiaron de sistemas eléctricos de automóviles de 6 a 12 voltios a mediados de la década de 1950, recordarán que el calibre del cable se redujo a la mitad después de la conversión. Piense cuánto peso se ahorraría simplemente pasando de 12 voltios a 48 voltios: los cables podrían tener un cuarto del tamaño que tienen ahora. La única limitación en la reducción del tamaño sería la resistencia física de los cables extremadamente delgados, no su capacidad para transportar corriente.
Pasar a un sistema eléctrico de mayor voltaje también significa que para producir la misma energía eléctrica (vatios), un motor eléctrico que funciona a 48 voltios es mucho más pequeño y más eficiente que un motor de 12 voltios de salida equivalente, suponiendo que fuera Incluso es posible hacerlo en el mundo real: ¡un motor teórico de 12 voltios terminaría siendo al menos tan grande, si no más grande, que el propio motor!
¿Aún no lo crees? Comprenda esto: muchos sistemas automotrices actuales (juego de palabras) de 12 voltios (alrededor de 14.5 voltios regulados) tienen un alternador de 200 amperios. Por lo tanto, trabajando a la salida máxima, potencialmente producen alrededor de 2900 vatios (14,5 V x 200 A = 2900 W). Un alternador hipotético de 48 voltios necesitaría solo alrededor de 60,4 amperios para desarrollar el mismo vataje, y gran parte del trabajo tradicional del alternador podría manejarse en el circuito de recuperación de energía de un sistema híbrido totalmente desarrollado.
Los sistemas eléctricos de 48 voltios (o más) pronto se generalizarán
En cuanto a los números reales, el primer sistema e-turbo de BorgWarner usa 17 kW en la potencia máxima. 1 kW (kilovatio) equivale a 1.000 vatios, por lo que 17 kW equivale a 17.000 W o aproximadamente 22,8 hp. Más adelante, BorgWarner está jugando con un e-turbo de 400/800 voltios que produce de 6 a 34 kW (alrededor de 8 a 45,6 hp) a máxima potencia. Eso se acerca a la eficiencia de la F1, en la calle. Con los sistemas de 48 voltios ahora listos para la integración y las configuraciones de 400 voltios de alto rendimiento que ya se utilizan en algunos híbridos enchufables, los turbocompresores asistidos eléctricamente se convierten en una opción práctica que no requerirá más rediseño del vehículo. Pero nunca lo olvide: se necesitó el empuje forzado en las carreras de F1 para perfeccionar los e-turbos, al igual que el impulso de la década de 1960 para ser el primero en la Luna catapultó la ciencia de los materiales y la tecnología informática a través de muchos campos tecnológicos diversos y aparentemente no relacionados. ¿Quién dice que las carreras no?
Implicaciones en la calle de los turbos eléctricos
Gracias a la «prueba de concepto» de F1, podemos comenzar a ver las implicaciones de la tecnología e-turbo para los autos de calle de producción en el futuro cercano. Los motores pequeños pueden actuar como motores grandes cuando necesita potencia; pero cuando no lo hace, el motor puede sorber combustible; los conductores pensarían que están conduciendo un motor de gran cilindrada excepto cuando pasan por las bombas de gasolina. Usar menos combustible también reduce las emisiones de dióxido de carbono, que algunos científicos suponen como una fuente del cambio climático provocado por el hombre. Garrett Motion reclama hasta un 15 por ciento de reducción de dióxido de carbono con un e-turbo. En la calle, la tecnología e-turbo también puede mejorar la durabilidad del sistema de emisiones al controlar mejor la EGR y las temperaturas de escape aguas abajo. «Usar energía eléctrica para ayudar a lanzar el vehículo es un gran beneficio.
Con la respuesta transitoria y el impulso regulados eléctricamente, y todo relacionado con el motor y la computadora del tren motriz, Garrett dice que es posible regular con precisión la respuesta de la combustión. «Seremos capaces de mantener Lambda estequiométrica en condiciones de carga completa para un motor más eficiente usando un turbo más grande cuando no tengamos que preocuparnos por el retraso. Hoy todavía funcionamos rico bajo carga, ahora podemos comenzar a cambiar la estrategia de combustión». » Con turbos de tamaño adecuado, turbos de geometría variable y ahora turbos asistidos eléctricamente, los ingenieros están a punto de lograr la «millerización», el santo grial de la combustión perfecta, en todas las condiciones de funcionamiento.
Implementación inicial de «calle»-coche
Foto: Agencia Anadolu / Getty Images
Foto: Mercedes-Benz EE. UU.
Basado en la tecnología de unidad de potencia F1 de Mercedes y Garrett, el Mercedes-AMG Project ONE 2021 de producción limitada, 200 mph, legal en la calle debería salir a la calle en 2021. €2.72 millones cada uno, pero no trast: los 275 ya se han vendido previamente.
Al igual que las unidades de potencia F1 en las que se basa, el Mercedes-AMG ONE utilizará una unidad de potencia DOHC 1.6L V6 MGU-H con gas de escape eléctrico Garrett e-turbo tecnología más cuatro motores eléctricos.
Foto: Mercedes-Benz Autos y Furgonetas
Ahora que trabaja con el principal competidor de F1, Mercedes-Benz, parece que Garrett Motion será el primero en tener un sistema e-turbo en funcionamiento en un vehículo apto para la calle. «Nuestra experiencia en F1 (integración de sistemas, gestión térmica, motores de alta velocidad en apoyo de una arquitectura eléctrica) ha brindado a nuestros ingenieros una gran oportunidad», explica Garrett. «Junto con nuestro legado de 65 años de innovaciones turbo, hemos podido llevar adelante la tecnología [e-turbo] para su uso en vehículos de pasajeros primero».
Es decir, si puede llamar a un superdeportivo extranjero exótico de dos asientos un «vehículo de pasajeros apto para la calle». (Podemos y lo haremos). El Mercedes-AMG Project ONE produce más de 1000 hp a una velocidad máxima de más de 350 kph (217 mph). Es lo más cerca que puedes estar de conducir un motor de F1 en la calle. Olvídese del tiempo de 0-60 mph. ¿Qué tal tiempos de 0-200 km/h de menos de 6 segundos (eso es 0-124 mph para aquellos de nosotros que no hablamos ISO). Mercedes solo fabricará 275 Project Ones, a un precio unitario de 2,72 millones de dólares cada uno. No se ponga en fila: todo el recorrido ya se vendió por adelantado, y Mercedes supuestamente ha escrito en el contrato de venta que el propietario no puede «voltear» el automóvil para obtener una ganancia rápida. Cannonball Race, ¿alguien?
Utilizando componentes de Garrett, Mercedes-AMG es el primero en implementar la tecnología turbo de gases de escape eléctricos basada en la F1 en el próximo superdeportivo de calle AMG ONE. Tenga en cuenta que una válvula de descarga residual todavía está presente con la mayoría de los e-turbos, pero solo funciona cuando el conductor de repente retira el acelerador momentáneamente, «eructando» y se abre para aliviar las presiones repentinas del gas que resultan en la irregularidad de la velocidad del eje (sobrevelocidad, ja).
Foto: Mercedes-Benz Autos y Furgonetas
Estudio de caso de movimiento de Garrett
En un automóvil más real, un demostrador de Garrett mostró una mejora considerable al cambiar de un turbo convencional a un e-turbo. A velocidades bajas del motor de 1500 rpm, el par objetivo se alcanzó en 1 segundo frente a los 4,5 segundos del modelo de producción actual. La potencia nominal aumentó un 16 por ciento, el par aumentó un 10,5 por ciento y el tiempo de aceleración de 60 a 100 kph (37 a 62 mph) se redujo de 11 segundos a 8,8 segundos, una mejora del 25 por ciento. Garrett cree que tiene una ventaja sobre los competidores debido a su estrecha integración de algoritmos de control de impulso en los Módulos de control del motor (ECM) existentes, así como al monitoreo en tiempo real de todo el «bucle de aire» del vehículo en tiempo real.
Estudio de caso: BorgWarner E-Turbo
Se cambió el turbo convencional de un Porsche 718S Boxster e-turbo por un BorgWarner e-turbo.
Foto: BorgWarner
E-turbo típico de BorgWarner que muestra la sección del compresor (A), la sección de la turbina (B), el actuador de la válvula de descarga electrónica (C) y el motor eléctrico (D) empaquetado con la sección central del conjunto de rodamientos (E).
Foto: BorgWarner
BorgWarner probó la tecnología e-turbo en un Porsche Boxster 718S 2017 convertido originalmente equipado con el turbocompresor VGT de producción estándar en su motor de 4 cilindros y 2.5L. Al igual que el F1, el e-turbo hace girar el eje de la turbina para proporcionar un impulso instantáneo, al mismo tiempo que actúa como generador para convertir la energía térmica en electricidad y cargar una batería de almacenamiento. Luego, la batería puede alimentar otro motor eléctrico conectado a la transmisión final para agregar torque y potencia al vehículo. El e-turbo es más grande que el turbo convencional estándar al que reemplazó porque no hay retraso, lo que aumentó la potencia no solo en el extremo superior, sino en todo el rango operativo del motor.
BORGWARNER PORSCHE 718 S STANDARD TURBO VS. ESPECIFICACIONES DEL E-TURBO |
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Parámetro | 718 S Fábrica | 718 S E-Turbo |
Tipo de turbocompresor | VGT + GT | Grupo de trabajo |
rueda de turbina | 55mm | 61mm |
Compressor Wheel | 64 mm | 71 mm |
Max Boost Pressure | 1.0 Bar | 1.5 Bar |
Después de la conversión, el rendimiento con el Boxster equipado con e-turbo fue impresionante: ¿Creería usted una mejora del par motor del 105 por ciento a 1500 rpm incluso antes de que comenzara a acelerar? El tiempo del auto para alcanzar 300 lb-ft de torque desde 1,500 rpm en cuarta velocidad se redujo en 3.36 segundos o 720 por ciento, brindando una experiencia de conducción increíble: un motor verdaderamente grande con un motor pequeño. De acuerdo, el e-turbo estaba funcionando con 0,5 bar (7,25 psi) más de impulso que el auto base, lo que explica parte de las ganancias de potencia y par, pero un turbo grande que habría igualado el nivel de impulso del e-turbo habría tenido aún más retraso. El aspecto más importante de la tecnología e-turbo es que permite el uso de un gran turbo sin retrasos.
Después de reemplazar el turbo estándar en el motor de 4 cilindros y 2.5L del Porsche Boxster con el e-turbo de BorgWarner, la mejora del rendimiento casi igualó al motor de aspiración normal de 6 cilindros y 3.8L del Porsche 911.
Foto: BorgWarner
El paquete de energía para el BorgWarner e-turbo incluye un controlador de motor de 48 voltios, un convertidor CC-CC, un sistema de enfriamiento del controlador, una batería A123 de 8 amperios por hora e interrupciones de seguridad.
Foto: BorgWarner
BorgWarner instaló el paquete de energía en el maletero del Boxster. ¡No se consume mucho espacio en comparación con la gran ganancia de rendimiento!
Foto: BorgWarner
En resumen, la conversión e-turbo produjo:
- 400 hp en las ruedas traseras (una mejora del 11 por ciento sobre el turbo convencional)
- 450 lb-ft de torque en las ruedas traseras (una mejora del 36 por ciento)
- Tiempo de torsión en menos de 0,5 segundos a cualquier velocidad del motor (una mejora de 200 a 700 por ciento)
- 39 mpg en carretera (prueba) y 32 a 33 mpg observados en general (una mejora del 5 por ciento), mejor que el motor de seis cilindros y 3.8 litros del 911.
- La aceleración de 33 kph a 80 kph (20,5 mph a 50 mph) fue aproximadamente 0,5 segundos más rápida.
Comparación de par y potencia en las ruedas traseras de BorgWarner E-turbo con OEM VGT turbo original en el motor Porsche Boxster S 2.5L de 4 cilindros.
Autos de producción E-Turbo cotidianos: ¿cuándo?
¿Cuándo estará en producción esta tecnología para los conductores diarios? Los fabricantes de turbos están jugando cerca del chaleco, pero los rumores siguen filtrándose como ese viejo grifo que nunca llegaste a arreglar. BorgWarner ve el punto de entrada al mercado para e-turbos en el mercado de motores de gasolina de 1.5-4L con clientes de alto rendimiento liderando el camino con motores altamente potenciados que reemplazan motores de mayor cilindrada con más cilindros. Dice que el primer vehículo con su tecnología e-turbo está programado para su lanzamiento en vehículos modelo 2023.
Más adelante, BorgWarner está trabajando en configuraciones e-turbo que producen hasta 125 kW (67 hp) pico y 80 kW (107 hp) continuos para aplicaciones únicas. Los números de potencia se refieren a la cantidad de energía eléctrica que los motores eléctricos e-turbo pueden agregar sobre un turbo «normal». Como se señaló anteriormente, cuando no se usa para hacer girar el e-turbo, en condiciones no reforzadas, la energía eléctrica excedente se puede recuperar en la línea de transmisión y/o servir efectivamente como generador para recargar la batería. BorgWarner dice que podemos tener esta capacidad de recuperación total en el mercado de camiones de servicio mediano a pesado para 2027.
Mientras tanto, Garrett tiene alrededor de una docena de proyectos en marcha con fabricantes globales en varias etapas de desarrollo. Garrett dice que estas aplicaciones «van desde motores de gasolina y diésel de 1.2L a 4.0L, siendo el proyecto de 4.0L en realidad una aplicación de e-turbo doble. Tenemos algo capaz como un solo turbo para hasta 3L de gasolina. También tenemos vehículos comerciales proyectos turbo enfocados en la recuperación de motores de hasta 10.0L». Además del AMG en 2021, «esperamos que otros sistemas ingresen al mercado en los próximos 2 a 3 años».
¿Pero cuánto cuesta?
«Un e-turbo aumentará el costo de incorporación, pero no exponencialmente. Es probable que los e-turbos tengan costos de tres a cuatro dígitos según las especificaciones de la aplicación. Esto es considerablemente menor que los sistemas de batería eléctrica completos, y con sin pérdida de rendimiento en la capacidad de conducción para el cliente. Sin cambios en la interacción del vehículo». —Movimiento Garrett
A medida que se implemente la tecnología turbo eléctrica, inicialmente estará disponible primero en vehículos premium o de alto rendimiento antes de llegar a los conductores cotidianos. Al igual que con cualquier cosa nueva, habrá un aumento de costos pero con ganancias de rendimiento medibles que lo acompañarán. Si bien no hay datos de costos disponibles en este momento, es probable que esté en el orden de cualquier versión de motor de rendimiento en comparación con un motor estándar para el OEM. Siempre paga por el rendimiento. Por otro lado, existen posibles compensaciones de «recuperación» de costos (juego de palabras): «Los turbos son tradicionalmente una tecnología con un costo de incorporación medido con mayor frecuencia en cientos de dólares, pero a menudo viene con compensaciones financieras a medida que los motores se reducen de 6 cilindros a 4 como ejemplo», explica Garrett.
E-Turbo Tech en Hot Rods: ¿cuándo?
Es posible que el supercargador eléctrico y el turbocargador eléctrico más recientes aún no estén disponibles en el mercado de repuestos de alto rendimiento, pero no pasará mucho tiempo antes de que la multitud de SEMA esté entusiasmada con esta nueva tecnología. Pero los entusiastas de los hot roders impacientes probablemente no esperarán al mercado secundario de alto rendimiento. Tan pronto como aparezcan los restos del Mercedes Clase S 2021 en el depósito de chatarra, algún hot rodder emprendedor intentará adaptar su sistema eBooster a sus proyectos.
¿Cómo podría funcionar esto? El supercargador eléctrico eBooster es pequeño; podría montarse en cualquier lugar ya que no necesita conexión directa al motor para conducirlo. La única conexión al motor sería una tubería o conducto de manguera al acelerador para suministrar el aire. La batería y el controlador también se pueden montar de forma remota. Sin embargo, siempre es mejor mantener las líneas eléctricas de alta corriente que alimentan el eBooster lo más cortas posible.
Para generar energía, se necesitará más combustible para ir con el aire, pero ya existen muchas soluciones de posventa para este problema. En un motor con carburador, use una caja de aire sellada o un sombrero en una aplicación de soplado. En autos más antiguos con inyección de combustible con un regulador de presión y una línea de retorno, un regulador de presión con referencia de impulso podría agregar más combustible al aumentar la presión a los inyectores bajo impulso.
¿Recuerdas la prueba del supercargador del soplador de hojas de RoadKill ? Coloque un eBooster, una batería y un controlador en el maletero; Consiga un trozo largo de manguera flexible y páselo desde el maletero hasta la entrada. Agregue un poco de cinta adhesiva para mantener todo en su lugar y podría estar en la final de la próxima «carrera nacional de carreras de autos de alquiler».
Si bien algunos Hot Rodder aventureros y expertos en tecnología probablemente tendrán un pequeño e-turbo de depósito de chatarra en funcionamiento tan pronto como aparezca uno, para un sistema de actualización de calle e-turbo puro, es posible que tengamos que esperar hasta que el mercado de accesorios de rendimiento se intensifique con un turbo de actualización. dimensionado para nuestro gran V-8. También está el sistema de control eléctrico de alta gama y los desafíos de integración de ingeniería. Garrett explica: «Debido a la complejidad del e-turbo (fuente de calor y fuente eléctrica), hay una serie de controles que serían necesarios para su uso en el mercado de repuestos. Se requerirá una gran cantidad de educación para cumplir con los objetivos. Hay un enfoque de sistemas que no se puede subestimar».
Pero cuando esta tecnología esté disponible para reacondicionamiento, la recompensa será el impulso instantáneo de un sobrealimentador con la potencia de un turbo más grande. Loca actuación! Imagina un Camaro estilo resto-mod de 1969 con un LS equipado con e-turbo. Se podría conectar un motor eléctrico de CC sin escobillas de 160 hp a la parte posterior de la transmisión para que sirva como un agregador de energía adicional. Este motor podría suministrar 160 hp en aceleración y cargar la batería en desaceleración o frenado. La batería también podría cargarse desde el e-turbo con el calor del escape. Imagina las posibilidades.
¡Pero no podemos esperar! Bueno, pruébese este: solo para carreras de resistencia a corto plazo, es posible que pueda llenar el maletero con cuatro baterías de 12 voltios conectadas en serie para generar 48 voltios (para conocer el concepto básico de multiplicación de voltaje, consulte «Cable dos baterías de 12 voltios»). -Baterías de voltios en serie para producir 24 voltios «), luego conduzca el motor eléctrico del turbo 1/4 de milla a la vez, recargándolo externamente en boxes entre carreras. Eso ciertamente resolvería el problema de «obtener impulso instantáneamente fuera de línea» que ha plagado a los turbos en las carreras de resistencia. (¡Y cuatro baterías en el maletero seguro que no dañarán la tracción!) Las fuentes de Garrett dicen que un esquema como este «realmente es posible; de hecho, tuvimos algunas pruebas en las que hicimos esto por conveniencia. Es un proyecto divertido, pero [por supuesto ] no es óptimo para la optimización de la energía».
El ingrediente que falta en la actualidad son los grandes e-turbos adecuados para usar en nuestros grandes V-8. Probablemente, los primeros candidatos prácticos se basarán en los grandes e-turbos para camiones pesados que se dice que están en desarrollo. No se burle: en el pasado, de ahí vinieron los primeros grandes turbos convencionales de carreras.
«Ellos» siguen tratando de exterminar el motor de combustión interna. Pero al igual que esas cucarachas de las que nunca pareces deshacerte, simplemente se adapta y prospera.
Los turbos asistidos por electricidad son reales
- El potencial de los turbocompresores impulsados por escape tradicionales se ve comprometido por la necesidad de superar el retraso, o el retraso transitorio entre ir a máxima aceleración y la turbina del turbo que alcanza velocidades de eje capaces de generar impulso en la sección del compresor.
- Cuanto más grande es el turbo, mayor es el retraso de punta, por lo que minimizar el retraso inducido por transitorios generalmente requiere seleccionar un turbocompresor más pequeño que lo que es mejor para obtener la máxima potencia máxima en un motor.
- Alrededor del 58 al 62 por ciento de la energía potencial de un motor de combustión interna se «desperdicia» en el sistema de escape y enfriamiento.
- Recuperar el calor de escape «desperdiciado» y eliminar el retraso de la bobina de la turbina podría mejorar en gran medida la potencia del motor, la eficiencia y el consumo de combustible.
- Una VGT (turbina de geometría variable) ayuda a ampliar la curva de eficiencia de un turbocompresor, pero aún así no elimina por completo el retraso.
- Otros enfoques para superar el retraso incluyen varios turbocompresores pequeños, un sobrealimentador pequeño accionado por correa que impulsa el turbocargador («Twinbooster» de VW) o un sobrealimentador pequeño accionado eléctricamente que «rellena» el turbo de abajo y luego actúa como un dispositivo compuesto arriba («eBooster» de BorgWarner). Estos funcionan, pero ocupan mucho espacio, son costosos y aún no abordan la recuperación del calor del escape.
- La «unidad de motor-generador» (MGU-H) de 1.6 L V-6 de la serie de carreras de Fórmula 1 ha perfeccionado el «e-turbo», un turbo «eléctrico» de alta tecnología con un motor eléctrico conectado a la sección central que instantáneamente hace girar la sección de la turbina del turbo a toda velocidad, eliminando así todo el retraso del acelerador y agregando alrededor de 150 a 160 hp a los motores que ya tienen 850 hp, además de ampliar la curva de torque.
- El motor eléctrico del e-turbo y su controlador de computadora controlan con precisión los niveles de impulso al regular la velocidad del eje, eliminando la función principal de una válvula de descarga tradicional, que ahora solo se usa para «burbujear» el motor y evitar la sobrevelocidad momentánea del eje al cerrar repentinamente el acelerador.
- Una vez que el lado de la turbina del e-turbo ha alcanzado la velocidad máxima, o cuando se retira el acelerador, el motor eléctrico del e-turbo «recicla» el gas de escape previamente desperdiciado para recargar la batería y/o hacer fluir la corriente eléctrica hacia la línea de transmisión aguas abajo para obtener más poder como se desee. La energía térmica de escape previamente desperdiciada se recupera para realizar un trabajo útil.
- Con la eliminación del retraso del turbo, los turbos pueden tener el «tamaño adecuado» para generar la mayor potencia de gama alta para la aplicación y el uso previsto.
- 12 voltios no son suficientes en un turbo eléctrico. Los nuevos motores eléctricos necesitan verdaderos sistemas eléctricos de alto voltaje: 48 voltios como mínimo, pero en los extremos, la tecnología turbo eléctrica de Fórmula 1 se basa en un sistema eléctrico de 800 voltios.
- Los sistemas de corriente continua y alto voltaje prácticos, compactos y livianos son posibles gracias a los avances en la tecnología de motores eléctricos sin escobillas, así como en los sistemas de baterías y carga.
- Los sistemas de voltaje realmente extremo se desarrollaron inicialmente para aplicaciones aeroespaciales en las que el costo no es objeto, por lo que están bien en la Fórmula 1 en las que el costo no es objeto; el truco está en producirlos en masa a un costo razonable para el uso del consumidor. Las necesidades de los consumidores de automóviles híbridos y totalmente eléctricos ayudarán a impulsar la comercialización, los costos y la disponibilidad.
- Mercedes-AMG Project ONE es un modelo 2021, un superauto de producción limitada, €2.7 millones (EE. UU.), 1,000 hp y 215 mph, legal en la calle, que utiliza la tecnología e-turbo de Garrett y un motor V6 DOHC de 1.6 L derivado de las carreras de F1 de Mercedes experiencia.
- Espere que los e-turbos aparezcan en más autos de producción convencionales en los próximos años a medida que los estándares de millaje y emisiones continúan siendo más estrictos. Garrett Motion y BorgWarner se encuentran entre los líderes y tienen demostradores corriendo en este momento que desarrollan una potencia, torque y consumo de combustible increíbles con sus diminutos motores.
- Los sistemas e-turbo puros de retroadaptación de alto rendimiento para hot rods de calle están muy lejos debido a su complejidad, pero pronto podría al menos ir a carreras de resistencia llenando el baúl con cuatro baterías de 12 voltios conectadas en serie para producir 48 voltios , y recargar en boxes entre rondas.
Fuentes
BorgWarner Turbo Systems; Asheville, Carolina del Norte; 800.787.6464 o 828.684.4027; BorgWarnerBoosted.com
Ferrari SpA; Maranello, Italia; 877.933.7727 (EE. UU.); Ferrari.com
Garrett Motion Inc.; Torrance, California; 310.512.5424; GarrettMotion.com/racing-and-performance Trenes motrices
de alto rendimiento Mercedes AMG; Brixworth, Northamptonshire, Reino Unido; +44 (0)1604 880100; Mercedes-AMG-HPP.com
Mercedes-AMG GmbH; Affalterbach, Alemania; Mercedes-AMG.com
Mercedes-Benz USA LLC; Sandy Springs, Georgia; 800.367.6372 (atención al cliente de EE. UU.); MBusa.com/en/future-vehicles/mercedes-amg-one
Mitsubishi Turbocharger Aftermarket; Addison, Illinois; 630.268.0750; Mitsubishi-Turbo.es
Porsche Cars Norteamérica Inc.; Atlanta, Georgia; 800.PORSCHE (atención al cliente); Porsche.com/usa
Volkswagen de América Inc.; Auburn Hills, MI; 800.822.8987 (servicio al cliente); VW.com