TSI Κινητήρας Twincharger

Με τον Twincharger πραγματοποιείται ο απόλυτος συνδυασμός της τεχνολογίας του μέλλοντος και της δυναμικής οδήγησης σε ένα κινητήρα 1.400cc. Με τον κινητήρα Twincharger η VW κατάφερε για πρώτη φορά να δημιουργήσει ένα βενζινοκινητήρα, ο οποίος διαθέτει ένα μηχανικό συμπιεστή και ένα στροβιλοσυμπιεστή καυσαερίων.
Η τεχνολογία αυτή ονομάζεται TSI και καθιστά δυνατή την επίτευξη κορυφαίων επιδόσεων σε όλο το εύρος των στροφών με ιδιαίτερα χαμηλή κατανάλωση καυσίμου.

TSI-Twin Supercharging Injection:

Ο πρώτος βενζινοκινητήρας με διπλή υπερπλήρωση και άμεσο ψεκασμό ο οποίος έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί ομαλά ακόμα και στις 7.000σ.α.λ.
Κύριο χαρακτηριστικό του είναι η χαμηλή κατανάλωση (7,2lt/100km) σε συνδυασμό με υψηλές επιδόσεις (Ροπή στρέψης 240Nm και Ισχύ 170PS).

Υπερπλήρωση Κινητήρα:

Οι δύο μονάδες υπερπλήρωσης εξασφαλίζουν πίεση υπερπλήρωσης έως και
2.5 bar.Η πίεση αυτή είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί σε κινητήρα μαζικής παραγωγής.
Κανένας συμβατικός κινητήρας turbo δεν μπορεί να επιτύχει αυτή την πίεση υπερπλήρωσης.

Τεχνική Ανάλυση

Δύο δεκαετίες μετά το Nissan SuperTurbo και την αγωνιστική Lancia Delta S4 τα οποία ήταν τα πρώτα αυτοκίνητα στα οποία συνυπήρχαν μηχανικός υπερσυμπιεστής (kompressor) και στροβιλοσυμπιεστής εξάτμισης (turbo), η VW παρουσίασε το Golf GT: ένα αυτοκίνητο που φιλοδοξεί όχι μόνο να αναστήσει την τεχνολογία παράλληλης συνύπαρξης μηχανικού υπερσυμπιεστή και turbo, αλλά εκμεταλλευόμενη τις σύγχρονες τεχνολογικές εξελίξεις κυρίως στο χώρο των μονάδων ηλεκτρονικής διαχείρισης, να πάει την ιστορία πολλά βήματα παραπέρα.
Τα κίνητρα για να κάνει επιλέξει κάτι τέτοιο όμως η VW στις μέρες μας διαφέρουν παντελώς από τα αντίστοιχα τις Lancia και της Nissan τη δεκαετία του ’80.
Δεν μιλάμε πλέον για street-legal εφαρμογή ενός αγωνιστικού, αλλά για πρώτη φορά στο είδος του έχουμε να κάνουμε με ένα 100% καθημερινό δρομίσιο αυτοκίνητο, χωρίς αγωνιστικές περγαμηνές και στόχους που έχουν να κάνουν με βάθρα και πρωταθλήματα.

Ένας τέτοιος κινητήρας θα έπρεπε πάση θυσία να αποδίδει την ισχύ με το ομαλότερο δυνατό τρόπο, χωρίς τα εμφανή στιγμιαία “κενά” δύναμης που παρουσίαζαν οι αντίστοιχες προτάσεις του παρελθόντος κατά την μετάβαση από τον έναν υπερσυμπιεστή στον άλλο.

Βασικό κίνητρο πίσω από την εξέλιξη της τεχνολογίας Twincharger από την VW είναι το κλείσιμο του κενού ανάμεσα στον 2.0 TFSI των 200 ίππων και των 2.0 FSI των 150 ίππων, αυτό έπρεπε να επιτευχθεί μέσω ενός κινητήρα αντίστοιχής ισχύος με έναν ατμοσφαιρικό 2.3, αλλά πολύ χαμηλότερης κατανάλωσης καυσίμου παράλληλα.
Το τελευταίο στηρίζεται στο γεγονός ότι το μικρότερο μέγεθος του νέου κινητήρα θα σημαίνει και μειωμένες εσωτερικές απώλειες λόγω τριβών, καθώς επίσης και στα παραδοσιακά ενεργειακά κέρδη που συνεισφέρει ένα turbo.

Ο νέος κινητήρας ανήκει στην οικογένεια ΕΑ111 της VW, μία οικογένεια που της οποίας οι ρίζες φτάνουν στα Audi 50/VW Polo της δεκαετίας του ’70 και σήμερα περιλαμβάνει τα τρικύλιδρα 1.2 και τα τετρακύλινδρα 1.4/1.6 (απλά και FSI) μηχανικά σύνολα της VW (κάποια από τα μοντέλα του Group εξοπλίζονται με τον 1.6 κινητήρα της οικογένειας ΕΑ113 με διαστάσεις 81×77,4mm).
Κοινό στοιχείο της οικογένειας ΕΑ111 είναι η διάμετρος κυλίνδρου των 76,5mm, όπου από εκεί και πέρα αλλάζει ανάλογα με την έκδοση η διαδρομή του στροφάλου ή στην περίπτωση του τρικύλινδρου αφαιρείται ένας κύλινδρος.

Ως βάση για τον κινητήρα του Golf GT και ταυτόχρονα ως πλατφόρμα εφαρμογής της
τεχνολογίας Twincharger, επιλέχτηκε ο 1.4FSI. Το σύνολο που προέκυψε ονομάστηκε “TSI” έτσι ώστε να ακολουθηθεί η εμπορική ονοματολογία των άλλων κινητήρων άμεσου ψεκασμού καυσίμου της VW (FSI και TFSI).
Ο TSI από 1390cc αποδίδει 170PS/ 6000rpm και 24,5kgm/ 1750rpm, έχει δηλαδή ειδική ισχύ της τάξης των 122,3PS/ λίτρο! Πρόκειται για τον ισχυρότερο 1400άρι κινητήρα παραγωγής αυτή τη στιγμή στο κόσμο, είναι διαθέσιμος και σε ηπιότερη εκδοχή 140 ίππων, ενώ η VW σκοπεύει να τον τοποθετήσει και σε διάφορα προσεχή της μοντέλα.

Ας δούμε αναλυτικότερα τώρα όμως τον TSI και τα επιμέρους κομμάτια της τεχνολογίας Twincharger.

Πριν φτάσει κανείς να μελετήσει τα διάφορα διακριτά στάδια λειτουργίας του TSI, πρέπει πρώτα να έχει υπόψη του τη διάταξη και τον τρόπο σύνδεσης των επιμέρους εξαρτημάτων του συστήματοςTwincharger.
Ας ακολουθήσουμε την πορεία του αέρα λοιπόν με τη βοήθεια του Σχήματος 2
Αφού ο ατμοσφαιρικός αέρας εισέλθει στο φιλτροκούτι και φιλτραριστεί στη συνέχεια οδηγείται προς τον μηχανικό συμπιεστή τύπου Roots της Eaton με κωδικό M24 (σε αντίθεση με το Micra Superturbo όπου προηγούταν το turbo).
Παράλληλα με τον M24 υπάρχει αγωγός ο οποίος λειτουργώντας ως βαλβίδα
παράκαμψης (by-pass) ανάλογα με τη θέση του ηλεκτρονικά ελεγχόμενου κλαπέτου που περιέχει μπορεί να “βραχυκυκλώσει” από πλευράς πίεσης είσοδο και την έξοδο του Roots.

Ο αέρας στη συνέχεια είτε έχει περάσει από το κλαπέτο είτε από τον Μ24, οδηγείται στην είσοδο του συμπιεστή του στροβιλοσυμπιεστή της BorgWarner-3K με κωδικό Κ03 και από εκεί ακολουθεί την τυπική πορεία του, περνώντας δηλαδή διαδοχικά από το intercooler, την πεταλούδα, το plenum, τους κυλίνδρους και στη συνέχεια ως καυσαέριο πλέον συνεχίζει το ταξίδι του στον στρόβιλο και τέλος την εξάτμιση.
Βλέπουμε λοιπόν πως μιλάμε για τυπική σειριακή διάταξη των δύο υπερσυμπιεστών: η πίεση εξόδου του Μ24 αποτελεί ταυτόχρονα και την πίεση εισόδου του K03.

Στο Σχήμα 1 επεξηγείται ο τρόπος που ο TSI περνάει από τις διαδοχικές φάσεις συνεργασίας turbo-Roots υπό πλήρες φορτίο (πεταλούδα τέρμα ανοικτή). Πρωταρχικός στόχος του συστήματος είναι να έχει “ατμοσφαιρική” λειτουργία, δηλαδή να μην καταλαβαίνει ο οδηγός κατά την επιτάχυνση την διαδοχή των φάσεων μέσω πτώσεων ή απότομων ξεσπασμάτων της ροπής.

Ο οριζόντιος άξονας αντιπροσωπεύει τον ρυθμό περιστροφής του κινητήρα και ο κάθετος την “Μέση Ενδεικνυόμενη Πίεση” των κυλίνδρων, ένα χαρακτηριστικό μέγεθος όλων των εμβολοφόρων μηχανών εσωτερικής καύσης και το οποίο μεταξύ άλλων είναι πρακτικά ανάλογο και με την εκάστοτε πίεση υπερπλήρωσης.

Η καμπύλη που προκύπτει στο διάγραμμα (με μαύρο χρώμα) συμπίπτει με αυτό της ροπής, αφού αυτή ουσιαστικά προκύπτει μέσω της Μ.Ε.Π. Η πρώτη (μπλε) περιοχή είναι αυτή στη οποία ο Roots λειτουργεί μόνος του και η Κ03 βρίσκεται ακόμα σε αδράνεια. Λίγο πάνω από το ρελαντί (1000rpm) o Roots παρέχει ήδη 0,8bar πίεσης υπερπλήρωσης.

Καθώς οι στροφές ανεβαίνουν, γραμμικά ανεβαίνει και η πίεση μέχρι τις 1500rpm όπου η πίεση υπερπλήρωσης μεγιστοποιείται στο 1,5bar.
Mέχρι τις 2400rpm η πίεση υπερπλήρωσης διατηρείται στο 1,5bar αποκλειστικά και μόνο από τον Μ24.

Στο σημείο αυτό το turbo μπαίνει σιγά σιγά σε λειτουργία και το 1,5bar πίεσης να αποτελεί μέχρι τις 3500rpm προϊόν συνεργασίας και των δύο συμπιεστών μαζί (γαλάζια περιοχή). Στο φάσμα 2400-3500rpm το ηλεκτρονικά ελεγχόμενο κλαπέτο αρχίζει να ανοίγει σταδιακά, απομονώνοντας σιγά-σιγά τον Roots μέσω “βραχύκλωσης” των πιέσεων εισόδου και εξόδου του. Στις 3500rpm (πράσινη περιοχή) το κλαπέτο του Μ24 είναι πλέον εντελώς ανοικτό και επιπλέον η Κ03 μπορεί πλέον από μόνη της να κρατήσει μέγιστη πίεση υπερπλήρωσης (1,5bar πάντοτε).
Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέχρι τις 4500rpm, όπου η πίεση φυσιολογικά αρχίζει πλέον και εξασθενεί οδεύοντας προς τον κόφτη των 7000rpm, αφού η K03 δεν μπορεί να κρατήσει 1,5bar σε τέτοιες απαιτήσεις παροχής (το μικρό της μέγεθος εδώ φαίνεται ακόμα και με δεδομένο ότι έχουμε να κάνουμε κινητήρα 1.4 λίτρων).
Ο Roots τίθεται σε αδράνεια στις 3500rpm μέσω του ηλεκτρομαγνητικού συμπλέκτη στην τροχαλία της αντλίας νερού, αφενός γιατί έχει φτάσει στο μέγιστο όριο περιστροφής του και αφετέρου για να μηδενιστούν οι όποιες απώλειες ισχύος θα σήμαινε η έστω και ανενεργή από πλευράς παραγωγής πίεσης σύνδεση του με το στροφαλοφόρο άξονα.

Άκρως σημαντικός στην όλη διαδικασία που περιγράψαμε παραπάνω είναι ο τρόπος με τον οποίο η ECU (Bosch MED 9.5) ελέγχει το άνοιγμα του κλαπέτου του Μ24 σε συνδυασμό με το αντίστοιχο της βαλβίδας παράκαμψης (wastegate) του στροβίλου του turbo.
Όσο το κλαπέτο ανοίγει και η συνεισφορά του Roots στη παραγωγή πίεσης επομένως μειώνεται, το άνοιγμα wastegate ρυθμίζεται ανάλογα έτσι ώστε να μπορέσει η Κ03 να σηκώσει από μόνη της το 1,5bar υπερπλήρωσης.

Αν ενδεχομένως παρουσιαστεί οποιαδήποτε έξαρση πίεσης πέραν του 1,5bar αυτή ανακουφίζεται ακαριαία μέσω της ενσωματωμένης στον συμπιεστή του turbo by-pass βαλβίδας (σκάστρας) και φυσικά με ανάλογο άνοιγμα της wastegate.
Όλος αυτός ο έλεγχος κλειστού βρόγχου των διάφορων υποσυστημάτων,
βαλβίδων και συμπλεκτών θα ήταν αδύνατο να πραγματοποιηθεί με τα πρωτόγονα ηλεκτρονικά μέσα προηγούμενων δεκαετιών.

Οι VW/Eaton περιμένανε το πλήρωμα του χρόνου ώστε τελικά να μπορέσουν
να παρουσιάσουν σήμερα ένα σύστημα turbo-κομπρέσσορα που να λειτουργεί πραγματικά άψογα, απροβλημάτιστα και “ατμοσφαιρικά”.

Πίεση υπερπλήρωσης διατύπωση

Στην πραγματικότητα η πίεση υπερπλήρωσης (η “μανομετρική πίεση”) είναι 1.5bar, και 2.5bar είναι η λεγόμενη “απόλυτη πίεση εισαγωγής”, η οποία ισούται με την πίεση υπερπλήρωσης συν το 1bar της ατμοσφαιρικής πίεσης. Παραδοσιακά οι κατασκευαστές ανακοινώνουν για τα υπερτροφοδοτούμενα μοντέλα τους πίεση υπερπλήρωσης και όχι απόλυτη πίεση εισαγωγής,

Σχήμα 1 Mπλε: Περιοχή λειτουργίας μηχανικού υπερσυμπιεστή, Γαλάζιο: Μεταβατική περιοχή, Πράσινο: Περιοχή λειτουργίας turbo

Σχήμα 2 To διάγραμμα λειτουργίας του TSI

Τεχνική Ανάλυση απο το μέλος: Panozz