En el pasado, la mayoría de los sistemas de turbocompresores del mercado de accesorios y de fábrica presentaban colectores de escape simples estilo registro. Pero al igual que en los motores de aspiración normal, donde el diseño del colector de escape se ha reconocido como un elemento fundamental para maximizar la potencia y el par de salida, se ha prestado una atención cada vez mayor al diseño del turbocargador y del colector del turbo. Los turbos y colectores divididos o de «doble desplazamiento» se han convertido en el diseño preferido de muchos de los mejores sintonizadores e incluso de los OEM, apareciendo en modelos de alto rendimiento como Mitsubishi EVO, Pontiac Solstice GXP y JDM Impreza STI. Pero, ¿cuáles son exactamente las diferencias entre los sistemas turbo de desplazamiento simple (o de presión constante) y los sistemas turbo de desplazamiento doble (o de dos pulsos) y cómo afectan estas diferencias de diseño al rendimiento general del motor?
Los sistemas de desplazamiento único se han utilizado durante mucho tiempo y por una buena razón. Estos sistemas son generalmente compactos, económicos y extremadamente duraderos bajo el alto calor al que están expuestos. Entonces, desde el punto de vista de la simplicidad del diseño, el empaque y la confiabilidad, un sistema turbo de presión constante y de un solo desplazamiento es bastante atractivo, especialmente para los OEM que deben considerar algo más que la producción de energía. Aunque los colectores turbo de estilo log o simples de longitud desigual utilizados por los OEM pueden ajustarse para mejorar el rendimiento o reemplazarse por un colector de posventa de igual longitud más sofisticado, esto no cambia el hecho de que hay una sola entrada de gas de escape al turbo. turbina del «lado caliente» (que alimenta el compresor del «lado frío», alimentación forzada de una carga de aire más densa y, por lo tanto, más rica en oxígeno en la cámara de combustión desde el lado de admisión). Debido a esta limitación de diseño, los sistemas de un solo rollo no son particularmente eficientes a velocidades bajas del motor o cargas altas. Esta disminución de la eficiencia de la turbina contribuye al retraso del turbo, algo que probablemente todos hemos experimentado mientras conducíamos un vehículo turboalimentado estándar.
Una de las mayores limitaciones de la mayoría de los sistemas turbo de entrada simple de fábrica es la naturaleza restrictiva de su colector de escape compacto o de longitud desigual. Tenga en cuenta que el propósito de este colector no es solo canalizar los gases de escape hacia la rueda de la turbina del turbocargador; el múltiple debe estar diseñado para permitir que los gases de escape salgan de la cámara de combustión de cada cilindro de manera rápida y eficiente. También tenga en cuenta que estos gases de escape no fluyen en una corriente suave porque el gas sale de cada cilindro según la secuencia de encendido del motor, lo que da como resultado distintos pulsos de gases de escape. La próxima vez que encienda su automóvil, coloque su mano suavemente sobre la punta del escape (¡antes de que se caliente!) y sentirá estos pulsos. Con un colector de escape de corredor de longitud desigual estilo tronco o estilo equipo original compacto como el que encontrará en los motores SR20DET o USDM STI, el pulso de un cilindro puede interferir con los pulsos de gases de escape subsiguientes a medida que ingresan al colector desde los otros cilindros, lo que inhibe el barrido (donde el pulso de alta presión atrae los gases de baja presión detrás de él fuera de la cámara de combustión) y aumenta la reversión ( donde el flujo de gases de escape se altera tanto que su dirección de viaje se invierte y contamina las cámaras de combustión con gases de escape calientes). La energía cinética de los gases de escape atrapada y desperdiciada por un barrido deficiente y demasiada reversión también significa temperaturas de combustión y de gases de escape más altas, lo que requiere un tiempo de encendido menos agresivo y una superposición de válvulas reducida, así como mezclas de aire/combustible más ricas (y mayores emisiones de NOx). inhibición de barrido (donde el pulso de alta presión atrae los gases de baja presión detrás de él fuera de la cámara de combustión) y aumento de la reversión (donde el flujo de gas de escape se altera tanto que su dirección de viaje se invierte y contamina las cámaras de combustión con escape caliente gases). La energía cinética de los gases de escape atrapada y desperdiciada por un barrido deficiente y demasiada reversión también significa temperaturas de combustión y de gases de escape más altas, lo que requiere un tiempo de encendido menos agresivo y una superposición de válvulas reducida, así como mezclas de aire/combustible más ricas (y mayores emisiones de NOx). inhibición de barrido (donde el pulso de alta presión atrae los gases de baja presión detrás de él fuera de la cámara de combustión) y aumento de la reversión (donde el flujo de gas de escape se altera tanto que su dirección de viaje se invierte y contamina las cámaras de combustión con escape caliente gases). La energía cinética de los gases de escape atrapada y desperdiciada por un barrido deficiente y demasiada reversión también significa temperaturas de combustión y de gases de escape más altas, lo que requiere un tiempo de encendido menos agresivo y una superposición de válvulas reducida, así como mezclas de aire/combustible más ricas (y mayores emisiones de NOx).
El diseño del sistema de turbo de doble entrada aborda muchas de las deficiencias de los sistemas de turbo de entrada simple al separar los cilindros cuyos pulsos de gases de escape interfieren entre sí. De concepto similar al emparejamiento de cilindros en cabezales de carrera para motores de aspiración normal, el diseño de doble entrada empareja cilindros a un lado de la entrada de la turbina de modo que la turbina recupere la energía cinética de los gases de escape de manera más eficiente. Por ejemplo, si la secuencia de encendido de un motor de cuatro cilindros es 1-3-4-2, el cilindro 1 está terminando su carrera de expansión y abriendo sus válvulas de escape mientras que el cilindro 2 todavía tiene sus válvulas de escape abiertas (mientras se encuentra en su período de superposición, donde ambos las válvulas de admisión y escape están parcialmente abiertas al mismo tiempo). En un solo rollo o colector indiviso,
El resultado del efecto de barrido superior de un diseño de doble entrada es una mejor distribución de la presión en los puertos de escape y una entrega más eficiente de la energía de los gases de escape a la turbina del turbocargador. Esto, a su vez, permite una mayor superposición de válvulas, lo que da como resultado una mejor calidad y cantidad de la carga de aire que ingresa a cada cilindro. De hecho, con más superposición de válvulas, el efecto de barrido del flujo de escape puede literalmente atraer más aire en el lado de admisión mientras extrae los últimos gases de escape de baja presión, ayudando a llenar cada cilindro con una carga de aire más densa y pura. Y como todos sabemos, una carga de aire más densa y pura significa una combustión más fuerte y más potencia, ¡y más potencia es buena!
Pero los beneficios del diseño de doble desplazamiento no terminan ahí. Con su mayor eficiencia volumétrica y su mayor efecto de barrido, se puede utilizar un retardo de encendido más alto, lo que ayuda a mantener bajas las temperaturas máximas en los cilindros. Dado que las temperaturas más frías del cilindro y las temperaturas más bajas de los gases de escape permiten una relación aire/combustible más pobre, se ha demostrado que el diseño de turbo de doble entrada aumenta la eficiencia de la turbina en un 7-8 por ciento y da como resultado mejoras en la eficiencia del combustible de hasta un 5 por ciento.
Combine estos beneficios con un colector tubular de igual longitud bien diseñado y las fortalezas de diseño de un enfoque de doble entrada pueden generar dividendos aún mayores. «Longitud igual» simplemente se refiere a la longitud de los tubos del colector de escape primario o corredores en los que respiran los puertos de escape de la culata, que idealmente deberían tener la misma longitud antes de fusionarse en un ángulo estrecho en el colector para que los gases fluyan juntos sin problemas. en la entrada de la turbina. Esto ayuda a mantener la energía del pulso de los gases de escape, lo que da como resultado una mejor respuesta de impulso y una mayor eficiencia general del turbo.
Diseñar un colector tubular de doble entrada de alto rendimiento como los que ofrecen los mejores sintonizadores como Full-Race no es una tarea sencilla. La instalación de primarios de igual longitud en los estrechos confines del compartimiento del motor de un automóvil turboalimentado mientras se mantienen curvas de radio adecuadas y fuertes características de flujo de gases de escape es un serio desafío de diseño. Determinar la mejor longitud y diámetro de los primarios y el ángulo del colector combinado también requiere mucha investigación y desarrollo, al igual que elegir el mejor grosor de pared y material para la tubería. Ahí es donde entra en juego el equipo de ingenieros mecánicos altamente capacitados de Full-Race y años de refinamiento constante de sus diseños. Según Geoff en Full-Race, «Debido a la mayor eficiencia de la turbina que se encuentra en los sistemas de doble entrada, Los colectores de doble voluta a menudo pueden usar un corredor más pequeño que un diseño de una sola voluta. Sin embargo, debido a la forma compleja de los rodetes y al requisito de una segunda válvula de descarga y un tubo de descarga (uno para cada lado de la turbina dividida), hay más masa y más piezas, lo que agrega gastos y complejidad. Además, los turbos de doble entrada son físicamente más grandes que sus equivalentes de entrada única, por lo que es más difícil hacerlos caber en nuestros compartimentos de motor estrechos». Race lo hace con la ayuda de programas informáticos como SolidWorks y otros procesos propietarios. Debido a la forma compleja de los rodetes y al requisito de una segunda compuerta de descarga y un tubo de descarga (uno para cada lado de la turbina dividida), hay más masa y más piezas, lo que agrega gastos y complejidad. Además, los turbos de doble entrada son físicamente más grandes que sus equivalentes de entrada única, por lo que es más difícil hacerlos caber en nuestros compartimentos de motor estrechos». Race lo hace con la ayuda de programas informáticos como SolidWorks y otros procesos propietarios. Debido a la forma compleja de los rodetes y al requisito de una segunda compuerta de descarga y un tubo de descarga (uno para cada lado de la turbina dividida), hay más masa y más piezas, lo que agrega gastos y complejidad. Además, los turbos de doble entrada son físicamente más grandes que sus equivalentes de entrada única, por lo que es más difícil hacerlos caber en nuestros compartimentos de motor estrechos». Race lo hace con la ayuda de programas informáticos como SolidWorks y otros procesos propietarios.
Todo este arduo trabajo se traduce en importantes ganancias de rendimiento en el departamento de entrega de potencia, particularmente en la bobina ascendente y el par máximo, donde los sofisticados múltiples tubulares de doble entrada combinados adecuadamente con un turbo de doble entrada brindan un flujo de aire superior a los de entrada simple o doble de equipo original. -diseños de desplazamiento. Según Geoff, «Nuestros kits turbo de doble entrada tienen una presión de cilindro y una eficiencia de turbina promedio más altas, mientras que los sistemas de entrada única tienden a tener una presión de cilindro máxima y una contrapresión de escape más altas. Hemos encontrado que los sistemas de entrada doble tienen una contrapresión más alta en bajas revoluciones (lo que es bueno para el turbo spool-up) y menor contrapresión a altas revoluciones (lo que es bueno para el rendimiento de gama alta).
Sin duda, es posible generar una gran potencia y un gran rendimiento a altas revoluciones con un sistema turbo de desplazamiento único. Hay muchos ejemplos de motores turboalimentados de un solo desplazamiento de muy alta potencia, pero con los sistemas de un solo desplazamiento, el spool-up y la respuesta son mucho más lentos que con un diseño de doble desplazamiento, sin embargo, los sistemas de doble desplazamiento aún brindan una excelente capacidad máxima desempeño final. Si bien cambiar de desplazamiento simple a desplazamiento doble puede ser costoso, para los adictos a los impulsos que desean una respuesta del acelerador mucho más rápida sin renunciar a ningún extremo superior, no hay mejor solución. Con los beneficios adicionales de una mayor eficiencia de la turbina, temperaturas de cilindro y EGT más bajas que permiten una sincronización y un mapeo de combustible más agresivos, y la libertad de ejecutar más superposición,
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