- Turbocompresor
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Turbocompresor (corte longitudinal) En rojo, estátor de fundición y rotor de la turbina. En azul estátor de aluminio y rotor del compresor.
Un turbocompresor es un sistema de sobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar mediante un eje coaxial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores diésel. En algunos países, la carga impositiva sobre los automóviles depende de la cilindrada del motor. Como un motor con turbocompresor tiene una mayor potencia máxima para una cilindrada dada, estos modelos pagan menos impuestos que los que no tienen turbocompresor.
Contenido
Funcionamiento
En los motores sobrealimentados mediante este sistema, el turbocompresor consiste en una turbina accionada por los gases de escape del motor de explosión, en cuyo eje se fija un compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión que la atmosférica.
Los gases de escape inciden radialmente en la turbina, saliendo axialmente, después de ceder gran parte de su energía interna (mecánica + térmica) a la misma.
El aire entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, con el efecto secundario negativo de un aumento de la temperatura más o menos considerable. Este efecto se contrarresta en gran medida con el intercooler.
Este aumento de la presión consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad de oxígeno (masa) que la masa normal que el cilindro aspiraría a presión atmosférica, obteniéndose más par motor en cada carrera útil (carrera de expansión) y por lo tanto más potencia que un motor atmosférico de cilindrada equivalente, y con un incremento de consumo proporcional al aumento de masa de aire en el motor de gasolina. En los diésel la masa de aire no es proporcional al caudal de combustible, siempre entra aire en exceso al carecer de mariposa, por ello es en este tipo de motores en donde se ha encontrado su máxima aplicación (motor turbodiesel).
Los turbocompresores más pequeños y de presión de soplado más baja ejercen una presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi), mientras que los más grandes alcanzan los 1,5 bar (21,75 psi). En motores de competición se llega a presiones de 3 y 8 bares dependiendo de si el motor es gasolina o diésel.
Como la energía utilizada para comprimir el aire de admisión proviene de los gases de escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al motor cuando el turbocompresor está trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera del rango de trabajo del turbo, a diferencia de otros, como los sistemas con compresor mecánico (sistemas en los que el compresor es accionado por una polea conectada al cigüeñal).
Funcionamiento en distintos tipos de motores
Diésel
Lado compresor, con entrada de aire por el lado de baja presión y conexión de alta presión a la membrana de la "Waste-Gate".En los motores diésel el turbocompresor está más difundido debido a que un motor diésel trabaja con exceso de aire al no haber mariposa, por una parte; esto significa que a igual cilindrada unitaria e igual régimen motor (rpm) entra mucho más aire en un cilindro diésel. Por otra parte, y esto es lo más importante, las presiones alcanzadas al final de la carrera de compresión y sobre todo durante la carrera de trabajo son mucho mayores (40 a 55 bares) que en el motor de ciclo Otto (motor de gasolina) (15-25 bares). Esta alta presión, necesaria para alcanzar la alta temperatura requerida para la auto-inflamación o auto-ignición del gasóleo, es el origen de que la fuerza de los gases de escape, a igual régimen, cilindrada unitaria y carga requerida al motor sea mucho mayor en el diésel que en la gasolina.
Regulación del turbocompresor
En muchos casos, y según el tamaño del turbo, con objeto de limitar el exceso de presión cuando la turbina trabaja a máximas revoluciones (por ejemplo subiendo una cuesta prolongada con el acelerador a tope) existe un dispositivo mecánico de regulación, una válvula de descarga (Waste-gate) que desvía mediante una derivación o Bypass parte o todo de los gases, limitando de esta manera el régimen de la turbina y por tanto del compresor.
Salida del lado de baja presión de a turbina (izquierda) y válvula Waste-gate en estado de reposo (cerrado).Es preciso dejar claro que la presión que proporciona el turbo no depende exclusivamente del régimen motor (rpm) sino también sobre la carga del motor, la cual corresponde al par motor que tiene que darnos el motor para un régimen determinado. Esto significa que a un determinado motor, en un primer caso subiendo una pendiente del 0,3% a 3000 rpm y en un segundo caso bajándola a las mismas 3000 rpm, no le pedimos la misma carga y por tanto no entregará a la transmisión el mismo par motor en los dos casos, es decir la fuerza de la combustión es menor bajando, por tanto lo mismo ocurre con la de los gases de escape y finalmente con las rpm de la turbina.
Los vehículos diésel hoy día no se conciben sin un turbocompresor. Gracias al aumento imparable del par motor a través de estas últimas décadas, un motor diésel de inyección directa de 1.5 L. de cilindrada rinde a las mismas revoluciones (4000) más potencia (102CV, Motor Hyundai-Kia 1.5 Crdi 16v) que un diésel atmosférico de hace 30 años del doble de cilindrada con precámara (80CV, motor Mercedes-Benz OM617 de 5 cilindros, 3.0 L de Mercedes-Benz de los años 70).
Gasolina
En los motores de gasolina, bencina o nafta, el combustible se inyecta en el paso entre el turbocompresor y la cámara de combustión (colector o múltiple de admisión) o directamente en la cámara si es inyección directa.
En motores gasolina, se debe reducir la relación de compresión para evitar el autoencendido. Esto, que se hace normalmente rebajando la parte central de la cabeza del pistón, produce una disminución del rendimiento teórico del ciclo, el cual sin embargo se compensa con la presión de aire extra que entra dentro la cámara de compresión con la cual el motor desarrolla mucho más par y por tanto potencia que un motor atmosférico a idénticas condiciones. Por ejemplo un motor atmosférico convencional de 1.000 CM3 desarrolla alrededor de 50 CV, un motor 1.000 CM3 turboalimentado convencional desarrolla alrededor de 100 CV.
Los motores de gasolina se controlan mediante una válvula de mariposa accionada por el acelerador eléctricamente o mecánicamente por un cable, la cual regula la cantidad de mezcla aire/combustible que entra en el motor. Mediante un sistema mecánico (carburador) o electrónico (inyección) se dosifica la cantidad de gasolina para que por mucho que cambie la cantidad de mezcla combustible/aire que alimentan los cilindros, se mantenga la relación estequiométrica de 14,7 partes de aire en peso por una de gasolina.
Es muy recomendable la utilización de una válvula adicional llamada "blow-off" entre el turbocompresor y la válvula de "mariposa" de la admisión. Al cerrar la mariposa de forma repentina se crea un aumento de presión llamada golpe de ariete este se desplaza por los tubos buscando una salida, si no la hay esta presión intenta retroceder por el turbo provocando una reducción de su velocidad de giro y una reducción del caudal de aire aportado; estos factores llevan al turbocompresor a un área de trabajo inestable conocida como "surge", que, de no ser evitada provoca sobresfuerzos al turbocompresor. Para evitarla, la blow-off libera parte de la presión proveniente del turbocompresor. Las blow-off pueden recircular el exceso de presión a la entrada de la admisión (en este caso se llaman válvulas recirculadoras,"diverter" o "desviadora") y válvulas blow-off propiamente dichas, que descargan la presión al exterior produciendo un sonido característico. La válvula blow off funciona accionada, mediante la depresión del colector de admisión, esta crea un vacío sobre el pistón de la válvula, cuando esta supera cierto valor (supera la fuerza del muelle antagonista) esta se abre y deja salir el aire.
Intercooler
El aire, al ser comprimido, se calienta y pierde densidad; es decir, en un mismo volumen tenemos menos masa de aire, por lo que es capaz de quemar menos combustible y, en consecuencia, se genera menos potencia. Además, al aumentar la temperatura de admisión aumenta el peligro de detonación, picado, o autoencendido y se reduce la vida útil de muchos componentes por exceso de temperatura, y sobreesfuerzos del grupo térmico.
Para disminuir esta problemática se interpone entre el turbocompresor y la admisión un "intercambiador de calor" o "intercooler". Este sistema reduce la temperatura del aire, con lo que se aumenta la densidad de éste, y que introducimos en la cámara de combustión.
En el lado negativo, los intercambiadores de calor provocan una caída de presión, por lo que se disminuye la densidad del aire, aunque en muchos casos es necesario instalar uno para evitar la detonación o autoignición.
Existen tres tipos de intercoolers:
- Aire/aire: en estos el aire comprimido intercambia su calor con aire externo.
- Aire/agua: el aire comprimido intercambia su calor con un líquido que puede ser refrigerado por un radiador o, en algunas aplicaciones, con hielo en un depósito ubicado en el interior del coche.
- Criogénicos: se enfría la mezcla mediante la evaporación de un gas sobre un intercambiador aire/aire.
Demora de respuesta
Los motores provistos de turbocompresores padecen de una demora mayor en la disposición de la potencia que los motores atmosféricos (NA Normal Aspiration o Aspiración Normal) o con compresor mecánico, debido a que el rendimiento del turbocompresor depende de la presión ejercida por éste. En esta demora influyen la inercia del grupo (su diámetro y peso) y el volumen del colector entre la turbina y la salida de los gases de escape del cilindro.
Un turbocompresor no funciona de igual manera en distintos regímenes de motor. A bajas revoluciones, el turbocompresor no ejerce presión porque la escasa cantidad de gases no empuja con suficiente fuerza. Un turbocompresor más pequeño evita la demora en la respuesta, pero ejerce menos fuerza a altas revoluciones. Distintos fabricantes de motores han diseñado soluciones a este problema.
Un "biturbo" es un sistema con dos turbocompresores de distinto tamaño. A bajas revoluciones funciona solamente el pequeño, debido a su respuesta más rápida, y el grande funciona únicamente a altas revoluciones, ya que ejerce mayor presión.
Un "biturbo en paralelo" o "twin turbo" es un sistema con dos turbocompresores pequeños de idéntico tamaño. Al ser más pequeños que si fuera un turbocompresor único, tienen una menor inercia rotacional, por lo que empiezan a generar presión a revoluciones más bajas y se disminuye la demora de respuesta.
Un "turbocompresor asimétrico" consiste en poner un solo turbocompresor pequeño en una bancada (la delantera en el motor V6 colocado transversalmente) dejando la otra libre. La idea no es conseguir una gran potencia, sino que la respuesta sea rápida. Este sistema fue inventado por el fabricante sueco Saab y utilizado en el Saab 9-5 V6.
Un "biturbo secuencial" se compone de dos turbocompresores idénticos. Cuando hay poco volumen de gases de escape se envía todo este volumen a un turbocompresor, y cuando este volumen aumenta, se reparte entre los dos turbocompresores para lograr una mayor potencia y un menor tiempo de respuesta. Este sistema es utilizado en el motor Wankel del Mazda RX-7.
Un "turbocompresor de geometría variable" (VTG) consiste en un turbocompresor que tiene un mecanismo de "aletas" llamadas álabes móviles que se abren y cierran haciendo variar la velocidad de los gases de escape al entrar en la turbina, a menor caudal de gases de escape (bajas revoluciones) se cierra el paso entre los álabes provocando que los gases aumenten la velocidad al entrar en la turbina, a mayor caudal (altas revoluciones) necesitamos más paso y estos se abren. Esto nos permite tener una presión de trabajo muy lineal en todo el régimen de trabajo del turbocompresor. En motores diésel es muy común pero en motores de gasolina solo Porsche ha desarrollado un turbo que soporta más de 1000 °C en el modelo Porsche 911 turbo (2007).
También Mazda, tiene un prototipo de turbo eléctrico.[1] El sistema eléctrico del coche no puede dar suficiente caudal para el motor a altas revoluciones, pero sí a bajas; así ambos se complementan. Con baja carga y revoluciones, la ayuda eléctrica permite un rápido aumento de presión y después la turbina puede suministrar toda la potencia para comprimir el aire. Este sistema ahorra mucha más energía que combinándolo con un compresor mecánico movido por el motor.
El sistema acompañado por un compresor mecánico ha tenido muy buenos resultados en prestaciones y consumos en el motor TSI de VW.
Overboost
Se conoce como Overboost[2] el periodo durante el cual el sistema produce a plena carga una presión de sobrealimentación mayor a la normal, con objetivo de aumentar el par motor.
Actualmente este sistema, con el control electrónico adecuado, puede tener en cuenta diferentes aplicaciones.
Evolución del turbocompresor
Actualmente se está cambiando la filosofía de aplicación de los turbocompresores, antes primaba la potencia a altas revoluciones y ahora cada vez más, que el coche responda bien en todo el régimen de giro de uso.
La válvula llamada waste-gate evita presiones excesivas que dañen el motor. La waste-gate o válvula de descarga es la que regula que cantidad de gases de escape se fugan de la caracola del turbo directamente hacia el escape mediante la apertura de la válvula, de esa forma a más gases fugados menos presión de turbo, con la válvula cerrada se alcanza la máxima presión del turbo al pasar todos los gases de escape por la caracola.
La dump valve o válvula de alivio (mal llamada válvula de descarga por el ruido tan peculiar que hace al descargar al aire...) abre una fuga en el conducto de admisión cuando se deja de acelerar para que la presión generada por la enorme inercia del turbo no sature estos conductos, evitando al mismo tiempo la brusca deceleración de la turbina, alargando su vida útil.
Refrigeración
Normalmente el turbocompresor suele estar refrigerado con aceite que circula mientras el motor está en marcha. Si se apaga bruscamente el motor después de un uso intensivo, y el turbocompresor está muy caliente, el aceite que refrigera los cojinetes del turbocompresor se queda estancado y su temperatura aumenta, con lo que se puede empezar a carbonizar, disminuyendo su capacidad lubricante y acortando la vida útil del turbocompresor.
El turbo timer es un sistema que mantiene circulando el aceite en el turbocompresor durante un lapso de tiempo después del apagado del motor. Algunos modelos funcionan con sensores que detectan la intensidad en el uso del turbocompresor para permitir la lubricación forzada del mismo por un tiempo prudencial después del apagado del motor.
Referencias
Enlaces externos
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