La energía para el accionamiento de los turbos se obtiene de la energía desperdiciada con los gases del escape. Los turbos pueden girar a velocidades de hasta 120.000 RPM en algunas unidades de alto rendimiento. Los turbos están conformados por tres secciones: Carcasa central, turbina y compresor.
Funcionamiento del turbo.
Existen dos tipos de turbos: Turbo de impulso y turbo de presión constante. Cada uno tiene sus propias características de funcionamiento y ambos en realidad actúan de la misma forma básica. Una vez arrancado el motor, los gases del escape que pasan a traves del alojamiento de la turbina del turbo, hacen que giren la rueda de la turbina y así el eje. Los gases se descargan a la atmósfera después de pasar por el alojamiento de turbina. El turbocompresor responde a las exigencias de carga del motor reaccionando al flujo de los gases de escape.
Al aumentar el rendimiento del motor tambien aumenta el flujo de los gases de escape, la velocidad y el rendimiento del conjunto rotatorio aumentan proporcionalmente, enviando más aire al soplador del motor. Algunos motores están dotados de "Intercoolers" para reducir la temperatura de descarga del aire del turbo antes de su entrada en el soplador. En resumen, el turbocompresor tipo impulso presenta una rápida reacción del conjunto giratorio debido a la sucesión de impulsos de gas de escape sobre el conjunto de la turbina.
Se usa principalmente en aplicaciones automotrices, cuando es importante la respuesta en aceleración. Los turbocompresores de presión constante son aprovechados en grandes motores Diesel, maquinas excavadoras y aplicaciones marinas, donde la respuesta de aceleración no es tan critica.
Principales ventajas de los turbos.
Como el turbo es activado por la energía de los gases de escape que usualmente en su vertido al exterior es desperdiciada, un motor turboalimentado ofrece muchas ventajas por sobre los motores del tipo convencional (Motores aspirados).
Ventajas y desventajas de los turbos.
Aumento de la potencia del motor: Los turbos pueden incrementar la potencia de un motor de gasolina y de uno Diesel en 35% por encima de la versión estándar. De esta forma un motor turboalimentado de cuatro o seis cilindros, puede llegar a trabajar como un motor V8 sin turbo.
Reducción del ruido del motor: La carcasa de la turbina actúa como un conjunto de absorción del ruido de los gases de escape. La sección del compresor reduce el ruido de admisión producido por los impulsos en el colector de admisión. Como resultado un motor con turbo es normalmente más silencioso que un motor convencional. Generalmente se percibe un silbido característico cuando el motor está bajo carga o acelerando.
Desventajas del turbo: Hay potencias reducidas a bajas revoluciones del motor. Cuando se lleva poco pisado el acelerador y por lo tanto un régimen de vueltas bajo, los gases de escape se reducen considerablemente y esto provoca que el turbo apenas trabaje. La respuesta del motor es poco brillante, salvo que se utilice una marcha corta que aumente el régimen de giro del motor.
Mayor costo de mantenimiento: El mantenimiento del motor con turbo es mayor que en el caso de un motor estándar, debido a que los turbos requieren de un aceite de mayor calidad y tambien cambios de aceite más frecuentes. Esto es porque se encuentra sometido a condiciones de trabajo mucho más duras, al tener que lubricar la turbina y el compresor a muy altas temperaturas. Los motores turboalimentados requieren mejores materiales y sistemas de lubricación y refrigeración mas eficaces.
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turbo de geometria variable del porche 911
Funcionamiento
El turbo VTG (Geometría Variable) se diferencia del turbo convencional en la utilización de un plato o corona en el que van montados unos alabes móviles que pueden ser orientados (todos a la vez) un ángulo determinado mediante un mecanismo de varilla y palancas empujados por una cápsula neumática parecida a la que usa la válvula wastegate:
Para conseguir la máxima compresión del aire a bajas r.p.m. deben cerrarse los alabes ya que disminuyendo la sección entre ellos, aumenta la velocidad de los gases de escape que inciden con mayor fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina (menor Sección = mayor velocidad). Cuando el motor aumenta de r.p.m y aumenta la presión de soplado en el colector de admisión, la cápsula neumática lo detecta a través de un tubo conectado directamente al colector de admisión y lo transforma en un movimiento que empuja el sistema de mando de los alabes para que estos se muevan a una posición de apertura que hace disminuir la velocidad de los gases de escape que inciden sobre la turbina (mayor sección=menor velocidad).
Los alabes van insertados sobre una corona (según se ve en el dibujo), pudiendo regularse el vástago roscado de unión a la cápsula neumática para que los alabes abran antes ó después. Si los alabes están en apertura máxima, indica que hay una avería ya que la máxima inclinación la adoptan para la función de emergencia
Las posiciones fundamentales que pueden adoptar los alabes se describen en el siguiente gráfico:
En la figura de la izquierda: vemos como los alabes adoptan una posición cerrada que apenas deja espacio para el paso de los gases de escape. Esta posición la adopta el turbo cuando el motor gira a bajas revoluciones y la velocidad de los gases de escape es baja. Con ello se consigue acelerar la velocidad de los gases de escape, al pasar por el estrecho espacio que queda entre los alabes, que hace incidir con mayor fuerza los gases sobre la turbina. También adoptan los alabes esta posición cuando se exige al motor las máximas prestaciones partiendo de una velocidad baja o relativamente baja, lo que provoca que el motor pueda acelerar de una forma tan rápida como el conductor le exige, por ejemplo en un adelantamiento o una aceleración brusca del automóvil.
En la figura del centro: los alabes toman una posición mas abierta que se corresponde a un funcionamiento del motor con un régimen de revoluciones medio y marcha normal, en este caso el turbo VTG se comportaría como un turbo convencional. Las paletas adoptan una posición intermedia que no interfieren en el paso de los gases de escape que inciden sin variar su velocidad sobre la turbina.
En la figura de la derecha: los alabes adoptan una posición muy abierta debido a que el motor gira a muchas revoluciones, los gases de escape entran a mucha velocidad en el turbo haciendo girar la turbina muy deprisa. La posición muy abierta de los alabes hacen de freno a los gases de escape por lo que se limita la velocidad de la turbina. En este caso, la posición de los alabes hacen la función que realizaba la válvula wastegate en los turbos convencionales, es decir, la de limitar la velocidad de la turbina cuando el motor gira a altas revoluciones y hay una presión muy alta en el colector de admisión, esto explica por que los turbos VTG no tienen válvula wastegate.
Si los alabes están en apertura máxima, indica que hay una avería ya que la máxima inclinación la adoptan para la función de emergencia.
El funcionamiento que hemos visto para el Turbo VTG es teórico ya que el control de la cápsula manometrica lo mismo que en los turbos convencionales mas modernos, se hace mediante una gestión electrónica que se encarga de regular la presión que llega a la cápsula manometrica en los turbos VTG y a la válvula wastegate en los turbos convencionales, en todos los márgenes de funcionamiento del motor y teniendo en cuenta otros factores como son la temperatura del aire de admisión, la presión atmosférica (altitud sobre el nivel del mar) y las exigencias del conductor.
Las ventajas del turbocompresor VTG vienen dadas por que se consigue un funcionamiento mas progresivo del motor sobrealimentado. A diferencia de los primeros motores dotados con turbocompresor convencional donde habia un gran salto de potencia de bajas revoluciones a altas, el comportamiento ha dejado de ser brusco para conseguir una curva de potencia muy progresiva con gran cantidad de par desde muy pocas vueltas y mantenido durante una amplia zona del nº de revoluciones del motor.
El inconveniente que presenta este sistema es su mayor complejidad, y por tanto, precio con respecto a un turbocompresor convencional. Así como el sistema de engrase que necesita usar aceites de mayor calidad y cambios mas frecuentes.
Hasta ahora, el turbocompresor VTG sólo se puede utilizar en motores Diesel, ya que en los de gasolina la temperatura de los gases de escape es demasiado alta (200 - 300 ºC mas alta) para admitir sistemas como éstos.
Gestión electrónica de la presión del turbo
Con la utilización de la gestión electrónica tanto en los motores de gasolina como en los Diesel, la regulación del control de la presión del turbo ya no se deja en manos de una válvula de accionamiento mecánico como es la válvula wastegate, que esta sometida a altas temperaturas y sus componentes como son: el muelle y la membrana; sufren deformaciones y desgastes que influyen en un mal control de la presión del turbo, ademas que no tienen en cuenta factores tan importantes para el buen funcionamiento del motor como son la altitud y la temperatura ambiente.
Para describir como funciona un sistema de regulación de la presión turbo, tenemos un esquema que pertenece a un motor Diesel (1.9 TDi de Volkswagen.) en el que se ven todos los elementos que intervienen en el control de la presión del turbo. La Gestión Electrónica Diesel (EDC Electronic Diesel Control) interpone una electroválvula de control de la presión (3) entre el colector de admisión y la válvula wastegate (4) que controla en todo momento la presión que llega a la válvula wastegate. Como se ve el circuito de control de la presión del turbo es similar a un circuito de control convencional con la única diferencia de la incorporación de la electroválvula de control (3).
Las características principales de este sistema son:
- Permite sobrepasar el valor máximo de la presión del turbo.
- Tiene corte de inyección a altas revoluciones.
- Proporciona una buena respuesta al acelerador en todo el margen de revoluciones.
- La velocidad del turbocompresor puede subir hasta las 110.000 r.p.m..
La electroválvula de control: se comporta como una llave de paso que deja pasar mas o menos presión hacia la válvula wastegate. Esta comandada por la ECU (unidad de control) que mediante impulsos eléctricos provoca su apertura o cierre. Cuando el motor gira a bajas y medias revoluciones, la electrovalvula de control deja pasar la presión que hay en el colector de admisión por su entrada (1) a la salida (2) directamente hacia la válvula wastegate, cuya membrana es empujada para provocar su apertura, pero esto no se producirá hasta que la presión de soplado del turbo sea suficiente para vencer la fuerza del muelle. Cuando las revoluciones del motor son altas la presión que le llega a la válvula wastegate es muy alta, suficiente para vencer la fuerza de su muelle y abrir la válvula para derivar los gases de escape por el bypass (baja la presión de soplado del turbo). Cuando la ECU considera que la presión en el colector de admisión puede sobrepasar los margenes de funcionamiento normales, bien por circular en altitud, alta temperatura ambiente o por una solicitud del conductor de altas prestaciones (aceleraciones fuertes), sin que esto ponga en riesgo el buen funcionamiento del motor, la ECU puede modificar el valor de la presión turbo que llega a la válvula wastegate, cortando el paso de la presión mediante la electroválvula de control, cerrando el paso (1) y abriendo el paso (2) al (3), poniendo así en contacto la válvula wastagate con la presión atmosférica que la mantendrá cerrada y así se aumenta la presión de soplado del turbo.
Para que quede claro, lo que hace la electroválvula de control en su funcionamiento, es engañar a la válvula wastegate desviando parte de la presión del turbo para que esta no actué.
La electroválvula de control es gobernada por la ECU (unidad de control), conectando a masa uno de sus terminales eléctricos con una frecuencia fija, donde la amplitud de la señal determina cuando debe abrir la válvula para aumentar la presión de soplado del turbo en el colector de admisión. La ECU para calcular cuando debe abrir o cerrar la electroválvula de control tiene en cuenta la presión en el colector de admisión por medio del sensor de presión turbo que viene incorporado en la misma ECU y que recibe la presión a través de un tubo (7) conectado al colector de admisión. También tiene en cuenta la temperatura del aire en el colector de admisión por medio de un sensor de temperatura (6), el nº de r.p.m del motor y la altitud por medio de un sensor que a veces esta incorporado en la misma ECU y otras fuera
En el siguiente esquema tenemos el circuito de admisión y escape de un motor Diesel de inyección directa (TDi) que utiliza un turbocompresor de geometría variable (VTG). Como se ve en el esquema ya no aparece la válvula de descarga o wastegate, sin embargo la electroválvula de control de la presión turbo (3) si esta y de ella sale un tubo que va directamente al turbocompresor. Aunque no se ve donde va en concreto el tubo, esta conectado a la cápsula neumática o actuador (nº 8 en el primer dibujo). El funcionamiento del control de la presión del turbo es muy similar al estudiado anteriormente. la diferencia es que la válvula wastegate se sustituye por la cápsula neumática, ambas tienen un funcionamiento parecido mientras una abre o cierra una válvula, la otra mueve un mecanismo de accionamiento de alabes.
En este caso el sensor de altitud esta fuera de la ECU (unidad de control).
Otra forma de controlar la presión de soplado del turbo:
Hasta ahora hemos visto como se usaba la presión reinante en el colector de admisión para actuar sobre la válvula wastegate de los turbos convencionales y en la cápsula neumática en los turbos de geometría variable. Hay otro sistema de control de la presión del turbo (figura de arriba) que utiliza una bomba de vacío eléctrica (2) que genera una depresión o vacío que actúa sobre la válvula wastegate (3) a través de la electroválvula de control o actuador de presión de sobrealimentación (1). En la figura de abajo vemos el esquema de admisión, escape y alimentación de un motor Diesel Common Rail, así como su gestión electrónica. El turbo va dispuesto de forma similar a lo visto anteriormente (no esta el intercooler), pero no se ve ningún tubo que lleve la presión reinante en el colector de admisión hacia la válvula wastegate a través de la electroválvula de control. Si aparece como novedad la bomba de vacío que se conecta a través de un tubo con la electroválvula de control (actuador de presión) y otros elementos actuadores que son accionados por vació como la válvula EGR (recirculación de gases de escape). Este sistema de control de la presión del turbo tiene la ventaja frente a los anteriormente estudiados, de no depender de la presión que hay en el colector de admisión que en caso de rotura del tubo que transmite dicha presión ademas de funcionar mal el sistema de control del turbo, se perdería parte del aire comprimido por el turbo que tiene que entrar en los cilindros y disminuye la potencia del motor sensiblemente.
Despiece de un turbo de geometria variable , para su limpieza y descarbonizacion
COMPRESOR VOLUMÉTRICO.
Uno de los sistemas más antiguos de
sobrealimentar motores ha sido la
aplicación de compresores volumétricos,
técnica que estuvo casi en desuso a nivel
comercial durante años, hasta que a
finales de la década de los 80, cobró un
nuevo impulso cuando fabricantes como
Lancia o Volkwagen iniciaron su
aplicación en modelos de gran serie.
El objetivo de la instalación en el
automóvil de sobrealimentadores, como
los compresores volumétricos, es
conseguir un mejor rendimiento del motor
a base de llenar los cilindros lo más
rápido y con la mayor cantidad de mezcla
aire/combustible posible.
Existen varios tipos de compresor
aunque casi todos han partido del mismo
concepto: hacer circular aire a mayor
velocidad de la que proporciona la presión
atmosférica, para acumular la mayor
cantidad de aire posible en el conducto de
admisión y crear una sobrepresión en él.
Todos los compresores volumétricos tienen una característica en común, que además es
una de sus principales desventajas: su accionamiento es mecánico y para funcionar
necesitan ser movidos por el cigüeñal del motor, arrastre que supone una merma
considerable en el potencial del motor.
Pero esta desventaja tiene su gran contrapartida y es que al ser accionados
directamente por el motor, se ponen en funcionamiento en el mismo instante en que éste
arranca, y aumentan o disminuyen su función de sobrealimentación en perfecta armonía
con el régimen de giro del motor. Con ello, se consigue una sobrealimentación
instantánea y muy equilibrada a cualquier régimen de giro, cosa que no ocurre con el
turbo, que solo consigue entrar en funcionamiento útil cuando los gases de escape que lo
accionan tienen la suficiente velocidad para arrastrar la turbina.
Uno de los compresores más utilizados hace años era el Eaton Roots 1, adoptado por
prestigiosos fabricantes de motores, entre otros Abarth. En este compresor, la presión
efectiva de carga no se creaba hasta llegar al colector de admisión y sus rotores de dos
lóbulos originaban una presión relativamente baja. El Roots 1, para una presión de 0,6
bares y paso máximo de aire, absorbía 12,2 caballos de potencia del motor y su
rendimiento, además de no ser muy alto, empeoraba con el aumento de régimen del
motor.
Luego vino el Roots 2, una versión
posterior que llegó a mejores
resultados gracias a una mayor
complejidad en su construcción, con
rotores de tres álabes y que para
moverse sólo necesitaba 8 caballos
de potencia para conseguir 0,6
bares de presión.
Aquí se puede notar la presencia
del Compresor Roots, definiendo al
motor como un modelo Super
Cargado (Super Charger).
Por su parte, los ingenieros de Wanquel construyeron un compresor de pistones
rotativos inspirado en una versión de Roots, con distintas geometrías de rotores y una
arquitectura más sencilla. Alcanzaba una presión mucho más alta y absorbía 8 caballos,
pero conseguía además un rendimiento que superaba el 50 por ciento.
También el fabricante escocés Sprintex pasó a la historia por su compresor de hélice
con diseño de rotores en forma de caracol, parecidos a una trituradora de carne, que no
consiguió un rendimiento muy bueno, y además tenía un consumo de energía del motor
muy elevado, que alcanzaba la cota de los 11 caballos de potencia.
Otra solución para la sobrealimentación fue el compresor Pierburg de pistón rotativo,
con un cierto parentesco con el motor Wankel; un rotor de tres álabes describe una
trayectoria circular en un tambor rotativo con cuatro cámaras. Puesto que éstas en su
rotación van variando el volumen, la compresión del aire tiene lugar dentro del
compresor y gracias a esto su rendimiento supera el 50 por ciento con un consumo de
energía relativamente bajo, con valores comprendidos entre 2,5 y 8,2 caballos de
potencia.
Otra modificación del compresor Roots es el KKK de pistón rotativo. En éste, el rotor
gira en un tambor que lo envuelve, que a su vez también gira. La creación de presión de
carga y el paso del aire es muy rápido en este compresor KKK, y la potencia necesaria
para conseguir una elevada presión y un alto grado de flujo es relativamente baja, menos
de 8 caballos.
Pero uno de los mejores logros dentro del campo de la sobrealimentación por medio de
compresores volumétricos lo ha construido Volkswagen, aplicándolo en varios de sus
modelos más populares. El G, es un compresor en espiral y se diferencia de otros
modelos sobre todo porque su diseño ha eliminado los elementos en rotación para
conseguir la circulación del aire.
En el compresor G, la compresión que se produce en el conducto del caracol es
consecuencia del movimiento oscilante de su pieza interior, y las características de
suministro de flujo de éste compresor cumplen el requisito más importante: una rápida
creación de presión. A su elevada capacidad de circulación se aúna además un bajo
consumo de energía, ya que las pérdidas por rozamiento son muy pequeñas en los
cojinetes del compresor implantado en sus modelos por el fabricante alemán Volkwagen.
La marca japonesa Mazda utiliza un compresor volumétrico helicoidal en su motor V6,
mandado por una polea de diámetro variable. Esta polea, al variar su diámetro, y
consecuentemente su relación de transmisión, es capaz de disminuir el esfuerzo de giro
en regímenes altos. Gracias a ello se palian las pérdidas de potencia producidas por el
arrastre del compresor en alta, conservando unas buenas cualidades de
sobrealimentación.
En base a las experiencias obtenidas en los últimos tiempos, casi todos los fabricantes
de automóviles, independientemente del tipo de sobrealimentación que hayan
implantado en sus modelos, están de acuerdo en que el compresor volumétrico de
accionamiento mecánico es ventajoso sobre todo en motores de pequeña cilindrada,
porque en ellos puede trabajar con un buen rendimiento y con resultados altamente
positivos.
Tipos de Compresores Volumétricos.
Compresores Eaton Roots
La solución del compresor
volumétrico se ha empleado con
éxito en coches de competición y
de calle. Un ejemplo fueron los
Lancia 037 de rally y el
Volumex.
Los dos rotores compresores
del compresor Roots giran de
frente en una caja ovalada en
sentidos contrarios y sin
tocarse. La magnitud del
intersticio que existe viene
determinada por la
construcción, el material elegido
y las tolerancias admisibles. La
sincronización de ambos rotores
se realiza por medio de un par
de ruedas dentadas que giran
fuera de la cámara de trabajo.
a) COMPRESOR EATON ROOTS 1:
Se trata de una máquina pura de circulación, en las que no
se comprime el aire. La presión de carga efectiva no se crea
hasta llegar al colector de admisión.
Esta versión sencilla con rotores de dos álabes origina una
presión relativamente baja, y además la crea muy despacio al
aumentar el régimen de giro.
La potencia absorbida se sitúa para una sobrepresión de 0,6
bares y paso máximo de aire, en 12.2 CV.
El rendimiento del compresor Roots no es muy alto y además empeora con el aumento
del régimen de giro.
La capacidad de suministro sólo supera el 50% en una gama muy limitada. El aire
comprimido se calienta extraordinariamente.
b) CROMPRESOR EATON ROOTS 2:
Al igual que el anterior tampoco comprime el aire
internamente, sin embargo la sobrepresión de carga, bajo las
mismas condiciones, alcanza un máximo más elevado.
La potencia absorbida se sitúa en sólo 8 CV y la temperatura
del aire se eleva menos.
El rendimiento de este compresor supera el 50% en una
gama más alta.
c) COMPRESOR VOLUMÉTRICO DE PISTONES ROTATIVOS WANKEL:
Su funcionamiento es similar al del compresor roots, pero
variando sustancialmente su geometría. De esta manera se
mejoraron notablemente las propiedades.
La sobrepresión que se alcanza es alta. La potencia absorbida
para una presión de 0,6 bares y máximo paso de aire alcanza
8.2 CV. La temperatura del aire no se eleva mucho.
El rendimiento está por encima del 50% para capacidad de
circulación media y en una pequeña gama incluso supera el
60%.
d) COMPRESOR DE HÉLICE SPRINTEX:
Este compresor fabricado en Escocia presenta un elevado
consumo de energía, para una baja capacidad de suministro,
con el máximo en casi 11 CV. La causa parece radicar en los
cojinetes lisos del compresor Sprintex, que ayudados por el
rozamiento interno eleva mucho la temperatura del aire.
El rendimiento no es muy bueno y sólo con alta sobrepresión
y un elevado grado de paso de aire se acerca al 50%.
e) COMPRESOR PIERBURG DE PISTÓN ROTATIVO:
Este compresor tiene un parentesco cinemático con el motor
Wankel. Un rotor de tres álabes describe una trayectoria circular
en un tambor rotativo con cuatro cámaras. Las cámaras en su
rotación van cambiando de volumen y por lo tanto el aire se
comprime dentro del compresor.
El consumo de energía es muy bajo también en carga parcial,
entre 2.7 y 8.2 CV. La elevación de la temperatura es reducida.
El rendimiento del compresor supera el 50% en una amplia
gama de capacidad media de suministro
f) COMPRESOR KKK DE ÉMBOLO ROTATIVO :
Es una máquina de émbolo rotatorio de eje interno. El rodete
interior accionado (émbolo rotatorio) gira excéntricamente en el
rodete cilíndrico exterior.
Los rodetes con una relación de transmisión de tres a dos giran
uno frente al otro y sin contacto con la carcasa, alrededor de ejes
de posición fija. A causa de la excentricidad se puede captar el
volumen máximo, comprimirlo y expulsarlo. La magnitud de la
compresión interna viene fijada por la posición del borde de
salida.
Por medio de unas aberturas de entrada y salida de gran superficie en el rodete
exterior, se consigue un suministro casi continuo con tres llenados de cámara en cada
revolución. La sincronización del movimiento se realiza por medio de un par de ruedas
dentadas rectas. Estas y los cojinetes de los rodetes van engrasados permanentemente
con grasa. El rodete interior y el exterior se unen por medio del escaso juego que existe
entre sí.
La creación de la sobrepresión de carga y el paso del aire es muy rápido en el KKK.
La potencia necesaria para conseguir una elevada presión y un alto grado de flujo es
relativamente baja, con valores que se acercan a los 8 CV. El aire se calienta muy poco
por la sobrepresión. El rendimiento del compresor KKK es muy bueno y en una amplia
gama de alrededor de un 50% y en una gama más pequeña supera el 60%.
g) COMPRESOR G DE VOLKSWAGEN:
Se diferencia de otros modelos sobre todo porque no se
compone de elementos en rotación para conseguir la
circulación. La compresión del aire en el conducto del caracol es
consecuencia de un movimiento oscilante de la pieza interior.
La característica de suministro del compresor G cumple el
requisito de una rápida creación de presión. Una elevada
capacidad de circulación se une aquí con un bajo consumo de
energía, ya que las pérdidas por rozamiento son muy pequeñas
en los cojinetes del compresor G.
El rendimiento alcanza en determinadas gamas de carga,
máximos del 60%.
El compresor G de Volkswagen ya no se utiliza, y se ha estado incorporando en algunos
motores del W. Polo, W Golf y W. Passat durante menos de una década.
VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL COMPRESOR.
a) Ventajas:
• Al contrario de lo que solía pasar con los turbos, en los compresores volumétricos la
sobrepresión máxima se alcanza desde bajo número de revoluciones, lo cual facilita la
conducción al aportar esta sobrealimentación extra en todo el rango de
funcionamiento del motor.
• En motores de pequeña cilindrada el compresor mecánico es ventajoso porque en
ellos puede trabajar con un buen rendimiento, y dar resultados a bajo régimen
similares al de motores de gran cilindrada. Se calcula que el límite de validez ronda
los motores entre 1.6 y 2 litros.
b) Inconvenientes:
• Los compresores volumétricos suelen ser de un gran tamaño y peso.
• Consumen potencia directamente del motor que en ocasiones para regímenes de giro
altos pueden alcanzar los 20 CV.
• Es difícil conseguir la estanqueidad de los compresores, especialmente a bajas
revoluciones, lo cual disminuye notablemente el rendimiento.
EJEMPLO DE APLICACIÓN.
El VW Polo G40 fue lanzado al mercado automotor en la Primavera de 1991 y ha sido el
más rápido Polo construido en serie hasta la actual fecha por la casa VW, habiendo
registros de los 0 a 100 km/h entre los 7,5 y 8,5 segundos, y velocidades máximas entre
los 195 y 230 km/h.
Compresor G montado en el Volkswagen Polo G40 .
El Polo G40 comparte muchas de las características de los
Polos normales y posee incluso algunas en común con el
Polo GT, pero existe una diferencia muy importante que
distingue al Polo G40 de sus demás “hermanos”; su
sobrealimentación debido al compresor volumétrico G,
inventado en 1905 por el francés LeCreux.
Compresor G
Note el compresor G en
primer plano, accionado
mediante correa desde el
cigüeñal. Este compresor G
instalado en el motor de
aluminio de 4 cilindros,
hace que el mismo llegue a
115 CV a 6250 RPM y un
torque de 15,8 kgm a 3600
RPM en la versión sin
catalizador, y 113 CV a
6000 RPM y un torque de
15,3 kgm a 3600 RPM en la
versión con catalizador.
COMPRESOR COMPREX.
Es una máquina dinámica de gas, en la cual se verifica un cambio de energía del gas de
escape al aire fresco por medio de ondas de presión. Este cambio tiene lugar en las
celdas del rotor, llamado también rodete celular, que debe ser accionado por el motor a
través de correas trapezoidales para la regulación y mantenimiento del proceso de la
onda de presión.
El cambio de energía se realiza en el rodete celular a la velocidad del sonido. Es función
de la temperatura de los gases de escape y por ello depende principalmente del par motor
y no del número de revoluciones. A relación constante de transmisión entre el motor y el
sobrealimentador de onda de presión sólo es óptimo para un punto de trabajo.
Incorporando “bolsas” apropiadas en los cuerpos del lado frontal se puede ampliar sin
embargo el campo de buenos rendimientos a una zona amplia de funcionamiento, y con
ello conseguir una buena característica de la presión de carga.
A consecuencia del cambio de energía en el rotor a la velocidad del sonido, el compresor
de onda de presión reacciona rápidamente a los cambios de estado. Los tiempos de
reacción vienen determinados por los procesos de llenado de los tubos de aire y de gases
de escape.
a.-Cámara de gases.
b.-Rotor.
c.-Correa de transmisión cigüeñal-coprex.
d.-Colector de admisión.
1.-Mezcla de admisión.
2.-Mezcla de presión.
3.-Gases de escape del motor.
4.- Escape.
son los mas usados en los "Muscle Cars"
turbo eléctrico
El turbo eléctrico Controlled Power Technologies (CPT, conocido como VTES, de Variable Torque Enhancement System) está totalmente desarrollado y listo para su producción y su implantación en todo tipo de turismos. Es un componente pensado para montarse sobre vehículos con pequeños motores de gasolina o diesel, que intenta conseguir la máxima eficiencia de dichos motores al menor coste posible.
Este turbo intenta ayudar, además, a que los fabricantes puedan cumplir la normativa europea anticontaminación, que para el año 2012 tendrá que ser de 130gr/km de CO2 para los modelos recién salidos de fábrica, y de 95gr/CO2 por kilómetro en el año 2020, lo que supone que los automóviles de dicho año emitirán un 40 por ciento menos de CO2 de los nuevosmodelos actuales.
Este nuevo turbo puede incrementar el par en un 50 por ciento si se monta, por ejemplo, sobre un modelo de 1.2 litros. Comparado con un motor de 1.6 de aspiración atmosférica (naturalmente aspirado) el turbo logra una aceleración bajando de los 18 a los 11 segundos.
El fabricante CPT inició su andadura en 2007 adquiriendo tecnologías de Visteon Corporation y de Emerson Corporation.
Conceptos de nomenclaturas GARRET!
Nomenclatura
Denominación de los Modelos GT
Los modelos GT usan un nuevo sistema de denominación. Este nuevo sistema ha sido introducido para permitir una identificación, de las características del turbo más fácil.
Los nuevos modelos pueden tener hasta un máximo de 10 dígitos, que especifican su rango, medida de la rueda compresora y demás características del turbo. La utilización de las antiguas denominaciones no se utilizará más.
Dígitos Usos
Tipos de referencias
La referencia de Garrett consta de 10 digitos.
Los seis primeros determinan la pieza en general y los cuatro siguientes las variadades o modificaciones de la primera.
La primera de las cuatro segundas, explica el mercado al que va dirigida la pieza
Todas estas referencias corresponden al mismo turbo.
¿ Que es el A/R ?
El A/R es una relación que se obtiene al dividir el área interior de la turbina en donde se encuentran las volutas, por el radio de la caracola desde el centro de la misma hasta su lengua, como se indica en la figura.
Los valores de A/R se expresan como .35, .47, .68, .84, 1.00, 1.15, etc.
Un A/R pequeño indica un volumen interior de la turbina pequeño y un A/R grande indica un volumen mayor.
A menor A/R la respuesta del motor se consigue a pequeñas revoluciones por minuto pero a altas revoluciones no conseguiremos el caudal suficiente. Deberemos encontrar siempre una solución de compromiso entre obtener una respuesta lo más bajo posible y tener el caudal suficiente a altas revoluciones.
¿ Que es el TRIM (paso) ?
Cada Modelo ( T2, T3, GT15, TW91, etc... ) de turbina y eje y rueda compresora, generalmente tienen el mismo diámetro de turbina ( diámetro mayor ), pero diferentes pasos ( diámetro menor ). Cada tipo de paso ( trim ), tiene unas características de soplo distintas.
• Los valores de TRIM se expresan como 45, 50, 55, etc... y solo pueden ir de 0 a 100. Un valor 100 significa Dp = Dg
• Un TRIM grande indica un diámetro de turbina grande.
• Una TRIM de 55, da un 10% más de caudal que un TRIM 50.
• El TRIM se utiliza lo mismo para turbinas y eje que para ruedas compresoras.
• El TRIM se calcula según la siguiente fórmula.
TRIM = ( Dp / Dg )² x 100
Si Dg = 50 mm y Dp = 35 mm
TRIM = ( 35/50 )² x 100 = 49
Geometría variable
Tipos de Geometria Variable • La geometría variable, mejora la respuesta del turbo a bajas revoluciones.
• Optimiza el rendimiento del turbo a todos los regímenes del motor.
• Reduce el consumo.
Geometria Variable VAT
Geometria Variable VNT :
Geometria Variable VNT OP
Procedimientos
Posición de las caracolas
Angulos alfa y beta
Durante muchos años Garrett ha definido la posición angular de las caracolas de admisión y escape en relación al alojamiento de cojinetes mediante los ángulos alfa y beta.
El diagrama inferior muestra como están definidos los ángulos alfa y beta :
Para mejorar la exactitud de la medida Garrett cambio las definiciones de los ángulos alfa y beta, por delta y épsilon
Angulos delta y épsilon
Durante muchos años Garrett ha definido la posición angular de las caracolas de admisión y escape en relación al alojamiento de cojinetes mediante los ángulos alfa y beta , pero para mejorar la exactitud de las posiciones, se han definido dos nuevos ángulos delta y épsilon.
El diagrama inferior muestra como están definidos los ángulos delta y epsilon :
Calibrado de las válvulas
Calibrado de válvulas de presión ( Modelo TAO3, TB31 )
1. Abrir los cierres que frenan las tuercas de la tapa de la válvula y quitar las tuercas, la tapa y la junta.
2. Quitar el manguito y las abrazaderas de la válvula.
3. Poner un reloj como se indica en la figura, de manera que vástago del reloj apoye sobre la parte plana de la válvula.
4. Poner el reloj a cero.
5. Aplicamos presión a la válvula.
6. Una vez que el reloj marca el desplazamiento indicado en las tablas ( ver despiece en el catálogo ), anotar la presión y comprobar si se encuentra en el intervalo requerido.
7. Quitar la presión y comprobrar que el reloj vuelve al cero.
8. Si la presión no es correcta, se debe cambiar la válvula.
El funcionamiento de un motor con la válvula del turbo mal calibrada puede originar pérdida de potencia o graves averías en el motor.
Calibrado de válvulas de presión ( Modelo TBO2, TBO3, TB25, series GT )
1. Quitar el manguito y las abrazaderas de la válvula.
2. Poner un reloj como se indica en la figura, de manera que vástago del reloj apoye sobre la punta del vástago de la válvula.
3. Poner el reloj a cero.
4. Aplicamos presión a la válvula.
5. Una vez que el reloj marca el desplazamiento indicado en las tablas ( ver despiece en el catálogo ), anotar la presión y comprobar si se encuentra en el intervalo requerido.
6. Quitar la presión y comprobrar que el reloj vuelve al cero.
7. Si la presión no es correcta, girar el vástago y volver a comprobar, repetir la operación tantas veces como sea necesario hasta conseguir la presión deseada.
Nota: Cuando se acorta la distancia la presión aumenta y cuando se alarga disminuye.
El funcionamiento de un motor con la válvula del turbo mal calibrada puede originar pérdida de potencia o graves averías en el motor
Calibrado de las válvulas de geometría variable
Ajuste apertura mínima de la tobera
1. identificar los componentes
2. Aflojar la tuerca del espárrago y desenroscarlo hasta que la pletina toque el alojamiento del espárrago.
3. Aplicar una fuerza de 426 - 852 gramos a la pletina, de manera que quede fijada pero se pueda mover. ( Esto se puede hacer en el taller simplemente sujetando el eje y la pletina con una goma fuerte ).
4. Mover la pletina hacia arriba y abajo para comprobar que todas las piezas de la tobera se mueven libremente y están colocadas correctamente.
5. Poner el reloj al final de la pletina, como se indica en el dibujo.
6. Poner el dial a cero.
7. Girar el espárrago has que el reloj marque - 0.30mm +/- 0.10mm.
8. Sin mover el espárrago apretar la tuerca a - 3.0 - 4.0 Nm
El correcto Tarado de la apertura mínima de la tobera es esencial para el correcto funcionamente del turbo.
Algunos turbos de Garret,sus medidas y capacidades:
GT25R rueda turbina:53mm rueda compresor: 54.4mm pot->240 HP
GT28R rueda turbina:53mm rueda compresor:60mm 290 HP
GT28RS rueda turbina:53.85mm rueda compresor:60mm 350 HP
GT2871R rueda turbina:53.85mm rueda compresor:71mm 400 HP
GT3071RWG rueda turbina:56.5mm rueda compresor:71mm 450 HP
GT3071R rueda turbina:60mm rueda compresor:71mm 450 HP
GT30R rueda turbina:60mm rueda compresor:76mm 500 HP
GT35/40R rueda turbina:68mm rueda compresor:82mm 600 HP
GT40R rueda turbina:77mm rueda compresor:88mm 700 HP
GT42R rueda turbina:82mm rueda compresor:94mm 850 HP
GT42RS rueda turbina:82mm rueda compresor:102mm 1000 HP
AQUI LOS MAPAS CORRESPONDIENTES:
Blow Off (BOV valve)
se encarga de descargar el aire que origina un exceso de presion en un motorturbo, se pueden diferenciar dos tipos:
• Válvulas de descarga blow off: También conocidas como atmosféricas. Estas válvulas descargan el aire sobrante al exterior del motor, de ahí el nombre de atmosféricas.
• Válvulas recirculadoras o de bypass: Estas válvulas vuelven a meter el aire sobrante en admisión, pero haciéndolo después del caudalímetro para evitar errores de medición de aire absorbido por el motor.
La función de estas válvulas es evitar problemas o futuras averías al turbocompresor. Esto es provocado en los momentos en los que la mariposa de admisión esta cerrada pero el turbo sigue girando por su propia inercia y sigue emitiendo presión.
Esto por ejemplo ocurre en los cambios de marcha.
En el momento que nosotros cambiamos de marcha, soltamos el acelerador al pisar el embrague, en este momento la mariposa se cierra bloqueando el paso al aire dentro del cuerpo de admisión, donde se provoca una depresión. En este momento, el turbo sigue girando por su propia inercia, y emitiendo flujo de aire, pero al no tener por donde salir, este aire se bloquea en el tramo entre el turbocompresor y la mariposa creando una sobrepresión en este conducto.
Esta sobrepresión también es ejercida sobre la turbina, lo que provoca una fuerza inversa al movimiento del turbo pudiendo dañarlo.
Pasa solventar este problema se instalan las válvulas de descarga, el cual es un simple mecanismo que libera la presión extra en esos momento antes descritos. La válvula de intercala entre el turbocompresor y la mariposa, con una toma de vació al cuerpo de admisión, para poder detectar la diferencia de presión entre el cuerpo de admisión y el conducto donde esta alojada.
Mientras la mariposa este abierta, habrá igualdad de condiciones en ambos lugares, (cuerpo y conducto de admisión) ya que el aire circula libremente. Esta condición puede ser presión en el caso que el turbo este presurizando el motor o depresión.
En el momento que la mariposa se cierra, en el cuerpo de admisión se crea una depresión, mientras que el conducto de admisión puede generarse presión. La válvula al tener una toma de vació en el cuerpo de admisión, y por otro lado recibir presión por otra, genera una diferencia que mueve un pistón o válvula interna abriéndola para que escape ese aire presurizado, ya sea al exterior o otra vez al circuito.
Sobre las válvulas de descarga podemos hacer también otra distinción en función de su funcionamiento:
• Push type
• Pull type
Push type: Estas válvulas son la prácticamente la totalidad de las montadas en los sistemas de serie en los vehículos y la gran mayoría de las válvulas “aftermarket”. El Funcionamiento esta basado en un muelle que es el que ofrece la resistencia al pistón para que se abra para poder liberar la presión.
Estas válvulas tienen que tener una puesta apunto especifica para cada vehículo y setup, eso se realiza con la dureza del muelle interno y posible reglaje. Cada muelle abarca un rango de presiones, pero tenemos que cambiar el muelle y cambiamos mucho la presión. Si por ejemplo ponemos un muelle blando para que la válvula abra fácilmente podemos tener fugas y presión inestable a altas presiones. SI el muelle es demasiado duro para que no tenga perdidas a altas presiones, no se abrirá en bajas, haciendo que el turbo corra peligro.
Pull type: Estas válvulas no funcionan en base a un muelle, Funcionan en base a unas membranas. La ventaja de estas válvulas por su sistema es que no hace falta regularlas, se auto adaptan solas a la presión y son compatibles con todos los rangos de presiones. Se recomiendan las HKS SSQV, ya que esta válvula tiene 2 membranas que actúan en función de la presión sea leve utilizando una membrana, moderada, utilizando la otra, o fuerte, utilizando las dos.
Estas válvulas a su vez aseguran una estanqueidad perfecta en el ralenti y no tiene fugas independientemente de la presión de soplado. Son más caras que las de tipo PUSH pero el comportamiento del vehículo mejora mucho en suavidad a la hora de cambios de posición de la mariposa.
es la encargada de regular la presión que genera la turbina, o sea la presión deturbo que marca el reloj.
En el mercado del turbo tenemos “2” tipos de válvulas WASTE GATE que son las mas conocidas.
1. Son las que utilizan las turbinas valvulares: Son aquellas turbinas que ya traen incorporadas dichodispositivo.
2. WASTEGATE Externas: Son aquellas que el cuerpo o núcleo principal esta separado de la turbina, y que por medio de un adaptador se conectan al múltiple de escape.
Principios de funcionamiento
Su método de funcionamiento o accionamiento es muy simple y sencillo: Trabaja 100% con principios de fuerza por presión, Esta directamente ligada al sistema de escape antes de la turbina y después de la misma.
Esta misma fuerza después de la turbina genera una presión sobre un diafragma que lo hace levantarse y a la vez abre una válvula similar a la de un auto situada en el interior de la WASTE GATE.
Al mismo tiempo tenemos en funcionamiento la entrada de gases de escape antes de la turbina, la cual da directamente sobre la base de la WASTE GATE sellando contra el asiento de la válvula.
Por una fuerza ejercida de gases de escape y de presión de turbo, el resorte dentro la WASTE es accionado en conjunto con el diafragma y permite liberar la sobre presión de turbo.
Esto es medido por un regulador que la misma posee en su parte superior.
Cuanto mas apretado este ese regulador mas duro va a estar el resorte y mas le va a costar vencerlo, por consecuencia la presión de turbo va a ser mayor cuanto mas presión le demos al mismo.
Bajo un funcionamiento normal de dicho dispositivo, la WASTE GATE COXX con todo el regulador liberado carga unos 500Grs o 7psi de presión de turbo.
¿Que pasaría si nosotros colocaríamos una turbina de tipo NO valvular y tampoco instalaríamos una WASTE GATE?
El sistema funcionaría igual pero la presión generada por el compresor nunca cortaría, llegando a niveles de presión sobre elevados que el motor no puede soportar, logrando la rotura del mismo.
Válvula de Recirculación
La válvula de recirculación funciona por la depresión del aire de admisión, entre el turbo y la mariposa de admisión. Cuando la mariposa de admisión se cierra y la presión en la entrada cae, la válvula se abre y el aire desde la zona de soplo de la caracola de admisión se desvía directamente a la entrada, sin pasar a través de la rueda compresora. Esto ayuda a evitar que el compresor traspase la línea de rotura, por ejemplo cuando aceleramos rápidamente y cambiamos de marcha, la presión de entrada y el caudal de aire caen rápidamente mientras la velocidad del turbo es todavía muy grande. El aire que recirculamos permite al compressor evitar la línea de rotura del mapa del compresor.
Nota: la válvula de recirculación es de hecho una válvula blow-off integrada en la caracola de admisión.
INTERCOOLER o INTERCAMBIADOR DE FRIO CALOR
Algunos vehículos con turbocompresor llevan un intercambiador de aire que es una especie de radiador de aire llamado intercooler aire-aire (el más usado), o también existe el intercooler aire-agua (refrigerado por agua).
El enfriamiento del aire después que salió del compresor tiene ventajas evidentes porque aumenta el rendimiento energético (hasta un 20%) y reduce el desgaste del motor.
El aumento energético se produce por el enfriamiento de la mezcla de aire y combustible hace que ésta sea más densa, así entra más cantidad en el cilindro y produce mayor potencia.
La reducción del desgaste del motor se debe a que la combustión de la mezcla es a menor temperatura con lo que hace menos probable que se quemen las válvulas y así se reduzca la temperatura del motor.
Como el intercooler hace más densa la mezcla también reduce la presión de ésta en el múltiple de admisión esto es una desventaja y también una ventaja, porque al reducir la presión se consigue que el trabajo del motor una vez que entra al cilindro se reduzca y contribuye a evitar la detonación por lo que se le puede dar más presión al turbo; aunque por la reducción de presión en el múltiple de admisión produce que la presión de los gases de escape también sea menor con lo cual hay menos energía para mover la turbina, aún así el intercooler ayuda a generar más potencia.
En un esfuerzo para minimizar las perdidas por fricción y las reducciones de presión mientras el aire cargado pasa por el intercooler, motores supercargados de alta performance eran diseñados con enfriadores aire – a – agua, en lugar de aire – a – aire. Se probo que el agua era de 8 a 9 veces mejor conductora que el aire en cuanto a se refiere a transferencia de calor. Este hecho permitió el desarrollo de intercoolers mas pequeños y la eliminación de tubos y ductos de entrada alargados.
¿Cuál es mejor?
Sistemas aire a aire son diseñados para dirigir cargas de aire de la salida del turbo, a través de ductos de goma en forma de codos de 90 y 45 grados, hacia un intercambiador de calor montado frente al radiadory luego regresado a través de mas tubos y codos a la cámara del motor. Toda esta tubería contribuye a perdidas por fricción, reducción de la presión y una densidad de aire mas baja.
Este tipo de sistema esta también sujeto al calor por convección, generado por otros componentes bajo estas condiciones.
Finalmente, un motor turbo cargado con un enfriador aire a aire puede perder mas del 40% de la presión inicial, una perdida neta en la densidad del aire de entrada.
Considerando que los enfriadores aire-a-agua son mas pequeños y pueden ser montados en una vía mas pequeña entre el súper cargador y la cámara de entrada del motor, la fuente externa de aire para enfriamiento y las perdidas por fricción son casi completamente eliminadas. El montaje de un enfriador aire a agua en una vía directa entre la fuente de aire cargado, mantiene casi toda la presión inicial y ofrece una carga de aire que es mucho más densa.
Sistemas aire a agua usan un intercambiador de calor adicional localizado al frente del radiador en la vía del aire frío. En este punto esto es en realidad un sistema aire a agua a aire. El agua que circula a través del intercambiador primario absorbe el calor del aire comprimido. El agua es entonces dirigida a un reservorio, a través del Segundo intercambiador (similar a un pequeño radiador), enfriada por flujo de aire y luego retornada al intercooler, lista para absorber calor nuevamente.
Este sistema es totalmente separado del sistema de enfriamiento del motor y es muy eficiente en el enfriamiento continuo del agua y la carga de aire.
En un intercooler sistema aire a agua, el intercambiador de calor secundario puede también estar montado en una ubicación alejada y obtener flujo de aire para enfriar, de un ventilador eléctrico controlado por un switch termostático. Este montaje en una ubicación mas alejada permite un flujo sin obstrucciones por el radiador y el condensador de aire acondicionado y también asegura un mejor enfriamiento del circuito del intercooler.
En resumen, sistemas aire a agua de intercoolers, para aplicaciones de alta performance, ofrecen mejor enfriamiento de la carga de aire que los sistemas aire a aire con mas de un 80% de eficiencia. Hay también una enorme reducción en la perdida de presión causada por fricción. Sistemas aire a agua también ayudan al enfriamiento del motor mediante el uso de intercambiadores de calor secundarios montados a distancia. Estos sistemas también ofrecen gran performance en carretera. El aumento de potencia expresada en caballos de fuerza puede subir desde 20 hp a 120 hp, dependiendo del sistema especifico de aplicación.
espero que les guste... Leo
