La evolución del la Turboalimentación

El turbo es muy utilizado en los vehículos de la actualidad, ya que permite lograr altos valores de par motor y elevados rendimientos de potencia, inclusive en motores de baja cilindrada. Los hay de distintos tipos y cada uno de ellos trabaja con diferentes modos de sobrealimentación. Entre ellos se destacan el turbo con válvula “Waste-Gate”, el TGV y el VST. Actualmente el turbo es muy requerido, y en un futuro próximo lo sería mucho más. En cuanto a la sobrealimentación, el turbo es el que más se aplica, ya que posibilita inclusive en motores de baja cilindrada lograr altos valores de par motor y potencia con elevados rendimientos.

El turbo es una solución para los motores actuales sobrealimentados, para la reducción de la contaminación.

Cabe destacar que uno de los objetivos importantes del turbosobrealimentador es lograr valores máximos de par motor a regímenes bajos e intermedios. El reglaje electrónico hace un importante aporte a la variación de la presión de sobrealimentación.

Existen distintos tipos de turbo:

El turbo con válvula “Waste-Gate”Es necesario que los motores alcancen un alto par motor, aun en bajas velocidades, y debido a ello es que el cárter o carcaza de la turbina se diseña para funcionar con un pequeño caudal de gases de escape. Con la finalidad de que con mayores caudales el turbo no sobrecargue al motor, se debe evacuar una parte del flujo al sistema de escape, por medio de una válvula de descarga, haciéndolo pasar por delante de la turbina. Esta válvula de tipo mariposa está normalmente integrada en el cárter de la turbina.

Esquema de un turbo con válvula “waste-gate” – Bosch: 1. Válvula rítmica. 2. Tubería neumática. 3. Compresor. 4. Turbina. 5. Flujo de aire de admisión. 6. Pulmón de regulación de la presión de sobrealimentación. 7. Flujo de gases de escape. 8. Válvula “Waste-gate”. 9. Conducto de descarga.

La válvula “Waste-Gate” es accionada por medio del pulmón, es decir, de la válvula reguladora de la presión de sobrealimentación. Ésta se comunica en forma neumática con una válvula que es accionada de acuerdo a la presión de sobrealimentación por la Unidad de Control del motor, por medio de una señal eléctrica, influyendo sobre los valores de esta presión. La presión de sobrealimentación momentánea es suministrada por un sensor de presión.

Si esta presión es demasiado baja, se activa la válvula, de forma tal que en las canalizaciones o tuberías exista una baja presión. Pero si la presión de sobrealimentación es demasiado alta, se activa la válvula de manera que en la tubería exista una presión más elevada. La válvula reguladora de la presión de sobrealimentación abre a la válvula “Waste-Gate”, y se reduce la parte del caudal de gases de escape que pasa por la turbina.

El turbo TGVLos turbos con sistema de Geometría Variable (TGV), también denominados VNT, brindan otra posibilidad de limitar el flujo de gases en altos regímenes del motor. En los motores Diesel, el turbo TGV es utilizado plenamente en la actualidad; en los motores de ciclo Otto está comenzando a usarse, y se impondrá en un futuro cercano. Uno de los inconvenientes a superar son las sobrecargas térmicas, generadas por los muy calientes gases de escape.

Turbo de geometría variable (TGV), con motor eléctrico para accionar los álabes del estator de la turbina, y adecuarlo a las necesidades del motor.

Una variación de la geometría de los álabes regulables hace que se adapte la sección de flujo de gases y, por consecuencia, la presión del gas que actúa sobre la turbina, a la presión de sobrealimentación necesaria. En bajos regímenes, se deja libre una sección de flujo pequeña, de modo tal que el flujo básico de gases alcanza una elevada velocidad de la turbina que gira a altas velocidades.

Turbo de geometría variable (TGV), con motor eléctrico para accionar los álabes del estator de la turbina, y adecuarlo a las necesidades del motor.

Geometría variable de los álabes de la turbina del turbo (TGV): a) Posición de los álabes para la alta presión de sobrealimentación. b) Posición de los álabes para la baja presión de sobrealimentación.1. Turbina de escape. 2. Anillo de regulación. 3. Álabes. 4. Palanca de regulación. 5. Pulmón de reglaje. 6. Corriente o flujo de gases de escape.

En altos regímenes, los álabes dejan libre una sección importante de flujo, dan ingreso a una gran caudal de gases sin acelerar la turbina. Cabe puntualizar que de esta manera se puede limitar la presión de sobrealimentación. Debido al giro de una especie de anillo metálico, se produce la variación del ángulo de los álabes, y con esta se ajustan los álabes al ángulo necesario. El giro del anillo de regulación se concreta neumáticamente debido a la depresión o a la sobrepresión, a través de un pulmón o cápsula de regulación. De esta manera, se puede regular correctamente la presión de sobrealimentación, de acuerdo al estado de carga o de funcionamiento del motor.

El turbo del tipo VSTEste es un turbocompresor con geometría variable, usando un sistema de “corredera” (VST) para la turbina, que se adapta al tamaño de la misma, abriendo de manera sucesiva dos conductos de pasaje de los gases, con ayuda de una corredera de reglaje. Al principio solo se encuentra abierto un conducto de paso del flujo.

La pequeña sección de apertura del conducto produce una alta velocidad de los gases, que generan altas velocidades de la turbina. Al lograrse la presión de sobrealimentación necesaria, la denominada “corredera” de reglaje abre continuamente el segundo conducto al flujo, disminuyendo la velocidad de los gases y por ende la presión de sobrealimentación.

Geometría de la turbina del turbo (VST) con mecanismo de “corrededra”: a) Un solo conducto abierto al flujo. b) Los dos conductos están abiertos al flujo. 1. Turbina de los gases de escape. 2. Conducto de flujo. 3. Conducto de flujo. 4. Corredera de reglaje. 5. Conducto de derivación. 6. Horquilla de regulación.

Con el aporte del conducto de derivación –el segundo– integrado en el cárter de la turbina, es posible derivar parte del flujo por delante de la turbina. El reglaje de la corredera es comandado por el control del motor, mediante un pulmón neumático de presión.

Los fabricantes de carros van a necesitar sistemas de control del aire de admisión cada vez más precisos, y en el futuro próximo el diseño del turbo tendrá asistencia electrónica, con sensores cada vez más desarrollados, para que los motores posean altos rendimientos, bajos consumos y emisiones contaminantes contenidas.

TURBOCOMPRESORES

Un turbocompresor es un sistema de compresion de aire que usa un metodo totalmente distinto al del sobrecompresor para lograr el mismo fin: meter aire muy comprimido al motor.El principio de actuacion de un turbocompresor era sencillo. El supercompresor mecanico tenia una desventaja principal,y es que "robaba" potencia al motor, . Ademas, salvo los Daimler-benz alemanes con sobrecompresor de velocidad variable, todos los motores con sobrecompresor mecanico tenian alturas optimas, fuera de las cuales el motor rendia muy por debajo de sus posibilidades, y todo ello era provocado por el origen motriz de la fuerza que actuaba el sobrecompresor.

Un turbocompresor actuaba de manera muy distinta. En toda combustión de un motor a piston, hay gases residuales de "desperdicio", gases calientes que se echan a la atmosfera sin ningun provecho (aunque mas adelante, se usaran dichos gases de escape canalizados adecuadamente com una especie de "jet" para aumentar la velocidad del avion).

La idea del turbocompresor, o turbo para abreviar, era usar esos gases de deshecho, que no aprovechaban gran cosa de otro modo, y canalizarlos hacia una turbina a la cual hacian girar a alta velocidad (un efecto similar al de una presa hidroelectrica, cuya corriente de agua hace girar una turbina para producir electricidad). Dicha turbina a su vez movía el centrifugador de un compresor que no dependia del motor para nada, que comprimia el aire y despues lo introducia en el motor.

Ese sistema es altamente eficiente y economico, pues no roba potencia al motor, y no tiene "picos" de rendimiento como los sobrecompresores mecanicos. Ademas, puesto que la velocidad de actuacion del compresor dependia de la fuerza de los gases de expulsion ,en realidad a cuanta mas potencia trabajaba el motor, mas gases de despercidio, y mas comprimia el turbocompresor.

Finalmente, segun se sube en la atmosfera, el aire se hace mas tenue y la presion menor. La presion de los gases de deshecho del motor ,por tanto, salia a mucha mas velocidad a alta altura, haciendo funcionar mucho mejor al turbocompresor en alta altitud que en baja altitud. En otras palabras, un avion con turbocompresor siempre va a ser mas eficiente en altitud que uno con supercompresor mecanico (a no ser que en este ultimo uses GM-1 o alguna cosa rara de efecto similar).

La desventaja de este sistema era que era muy costoso en terminos de materiales...los gases de escape salian a muy alta velocidad y temperatura, de modo que la turbina tenia que ser muy resistente a la corrosion y al desgaste. Dicha resistencia solo se podia obtener con aleaciones de muy alta calidad.

Otra desventaja era que, dependiendo del montaje, montar un turbocompresor tomaba mucho espacio y era muy pesado. Todo lo que queda por debajo del ala de un P47, por ejemplo, esta ocupado por el turbocompresor.Por ultimo, el turbocompresor era excelente en altitud, pero en bajas alturas por lo general era "peso muerto" redundante e innecesario, de modo que los aviones con dicho sistema son muy buenos a altas cotas pero a baja cota tenian mas problemas.

Los pioneros de este sistema, y los que lo usaron con mas exito fueron los americanos (gracias a que General Electric era el lider mundial en este tipo de sistemas).

Un diagrama que muestra el radiador del P-51, observense las cámaras de expansión y compresión para el aire. Lo primero que se ve es que la toma de aire está separada del fuselaje. Esto no es casualidad. Al estar un poco separada evita el flujo de aire revuelto creado por el fuselaje, que es mucho menos eficiente a la hora de enfriar el radiador.

En la cámara de expansión se hace lo que el nombre indica, lo cual reduce la velocidad del aire. Luego éste se vuelve a calentar al pasar por el radiador, con lo que aumenta la temperatura. Finalmente sale por un conducto generando empuje como si fuera un pequeño estratoreactor.

Las tecnologías adicionales comúnmente utilizados en las instalaciones del turbocompresor

INTERCOOLER

Cuando se aumenta la presión de admisión de aire del motor, su temperatura también aumentará. Además, impregnación térmica de los gases de escape calientes de la turbina de hilado también puede calentar el aire de admisión. Cuanto más caliente el aire de admisión el menos denso, y la menor cantidad de oxígeno disponible para la combustión, lo que reduce la eficiencia volumétrica. No sólo es que la temperatura del aire de entrada excesiva reduce la eficiencia, sino que también conduce a la detonación del motor, o detonación, que es destructivo para motores.

Unidades de turbocompresor a menudo hacen uso de un intercooler para enfriar el aire de admisión. Intercoolers menudo se realizarán las pruebas de fugas durante el mantenimiento de rutina, sobre todo en los camiones en que un intercooler fuga puede resultar en una reducción del 20% en economía de combustible.

LA INYECCIÓN DE AGUA

Una alternativa a la refrigeración intermedia está inyectando agua en el aire de admisión para reducir la temperatura. Este método se ha usado en aplicaciones de automoción y aeronaves.

PROPORCIÓN DE LA MEZCLA DE COMBUSTIBLE-AIRE

Además de la utilización de refrigeradores intermedios, es una práctica común para añadir combustible adicional para el aire de admisión con el único propósito de refrigeración. La cantidad de combustible adicional varía, pero por lo general reduce la relación aire-combustible de entre 11 y 13, en lugar de la estequiométrica 14.7. El extra de combustible no se quema, sino que sufre un cambio de fase de vapor a gas. Este cambio de fase absorbe el calor y la masa adicional del combustible adicional reduce

la energía cinética media de la carga y de gases de escape. Incluso cuando se utiliza un convertidor catalítico, la práctica de correr un motor aumenta ricos emisiones de escape.

WASTEGATE

Muchos turbocompresores utilizar una válvula de descarga de base, que permite a los turbocompresores más pequeños para reducir el retraso del turbo. Una válvula de descarga se regula el flujo de gas de escape que entra en la turbina de conducción de lado de escape y por lo tanto la entrada de aire en el colector y el grado de refuerzo. Puede ser controlada por un solenoide operado por la unidad de control electrónica motores o de un controlador de impulso, pero la mayoría de los vehículos de producción utilizar un diafragma con resorte.

ANTI-SURGE/DUMP/BLOW VÁLVULAS

Motores con turbocompresor que operan con la mariposa totalmente abierta y alta rpm requieren un gran volumen de aire fluya entre el turbo y la admisión del motor. Cuando el acelerador está cerrado, el aire comprimido fluye a la válvula de mariposa sin salida.

En esta situación, el aumento se puede elevar la presión del aire a un nivel que puede causar daños. Esto es porque si la presión se eleva lo suficientemente alta, se producirá una parada del compresor, donde el aire presurizado almacenado descomprime hacia atrás a través del impulsor y fuera de la entrada. El flujo inverso de vuelta a través del turbocompresor hace que el eje de la turbina para reducir la velocidad más rápida de lo que sería, naturalmente, la posibilidad de dañar el turbocompresor.

Con el fin de evitar que esto suceda, una válvula está montada entre el turbo y de entrada, que expulsa el aire fuera de la presión de aire en exceso. Estos son conocidos como un anti-sobretensiones, desviador, derivación, la válvula de purga, o válvula de descarga. Se trata de una válvula de alivio de presión, y normalmente es operado por el vacío en el colector de admisión.

El uso principal de esta válvula es mantener el giro del turbocompresor a una velocidad alta. El aire es por lo general recicla de nuevo en la entrada de turbo pero también puede ser ventilado a la atmósfera. Reciclaje de vuelta a la entrada del turbocompresor se requiere en un motor que utiliza un sistema de inyección de combustible de masa del flujo de aire, porque el dumping del aire excesiva al agua aguas abajo del sensor de masa de aire provocará una mezcla de combustible demasiado rica. Válvulas que reciclan el aire también acortar el tiempo necesario para volver a poner en cola el turbo después de la desaceleración repentina del motor, ya que la carga en el turbo cuando la válvula está activa es mucho más bajo de lo que es, si la carga de aire se ventila a la atmósfera.

FLOTANTE LIBRE

Un turbocompresor de libre flotación es el tipo más sencillo de turbocompresor. Esta configuración no tiene control y no puede wastegate sus propios niveles de elevación. Por lo general están diseñados para lograr el máximo impulso a todo gas. Turbocompresores flotantes libres producir más caballos de fuerza porque tienen menos contrapresión pero no son manejable en aplicaciones de rendimiento sin un wastegate externo.

Aplicaciones

COCHES DE GASOLINA

El primer coche de pasajeros turbo era la opción Oldsmobile Jetfire en el 1962-1963 F85/Cutlass que utiliza un turbocompresor montado en un 215 pulgadas cúbicas V8 de aluminio de todo - También en 1962 Chevrolet introdujo una carrera especial de Corvairs turbo llamado Monza Spyder y más tarde renombrado el Corsa, que monta un turbocompresor refrigerado por aire a su plana motor de 6 cilindros. Este modelo realmente popularizó el turbocompresor en América del Norte y sentó las bases para posteriores modelos turbo de Porsche en el 1975, hasta 911/930 y Saab en el 1978-1984 Saab 99 Turbo y el muy popular 1978-87 Buick Regal/T Tipo/Grand National. Hoy en día, la turboalimentación es comúnmente utilizado por muchos fabricantes de diesel y de gasolina los coches. Turboalimentación se puede utilizar para aumentar la potencia de salida para una capacidad dada o para aumentar la eficiencia de combustible, permitiendo un motor de desplazamiento más pequeño para ser utilizado. Bajo la presión de sobrealimentación es la óptima al conducir en la ciudad, mientras que la alta presión de sobrealimentación es más para las carreras y la conducción en las carreteras/autopistas/autovías.

AUTOMÓVILES CON MOTOR DIESEL

La primera producción de vehículos de pasajeros turbo diesel fue el Garrett turbo Mercedes 300SD introducido en 1978. Hoy en día, muchos motores diesel de automoción son turbo, ya que el uso de la turboalimentación mayor eficiencia, facilidad de conducción y el rendimiento de los motores diesel, aumentando su popularidad.

MOTOCICLETAS

El primer ejemplo de una bicicleta turbo es el 1978 Kawasaki Z1R TC. Varias empresas japonesas producen motocicletas turbo de alto rendimiento en la década de 1980. Desde entonces, se han producido algunas motocicletas turbo.

El fabricante de motocicletas EVA holandés construye una pequeña serie de la motocicleta turbo diesel con un motor de CDI inteligente 800cc.

CAMIONES

El primer camión diesel turbocargado fue producido por Schweizer Maschinenfabrik Saurer en 1938.

AERONAVE

Un uso natural del turbocompresor - y su uso más temprano conocido para cualquier motor de combustión interna, a partir de instalaciones experimentales en los años 1920 - es con motores de los aviones. Como un avión asciende a altitudes más altas que la presión del aire circundante cae rápidamente fuera. En 5486 m, el aire está a la mitad de la presión del nivel del mar y la estructura del avión experimenta sólo la mitad de la resistencia aerodinámica. Sin embargo, puesto que la carga en los cilindros está siendo empujado por la presente en la presión del aire, significa que el motor producirá normalmente sólo la mitad de potencia a plena potencia a esta altitud. Los pilotos quieren tomar ventaja de la baja resistencia a gran altura con el fin de ir más rápido, pero un motor de aspiración natural no producen suficiente energía a la misma altura que lo haga.

La tabla de abajo se utiliza para demostrar la amplia gama de condiciones experimentadas. Como se observa en la tabla siguiente, hay un margen importante para la inducción forzada para compensar los entornos de menor densidad.

Remedios Un turbocompresor este problema al comprimir el aire de nuevo a las presiones a nivel del mar, o incluso mucho más altos, con el fin de producir la potencia nominal en la altura. Dado que el tamaño del turbocompresor se elige para producir una cantidad dada de presión a gran altitud, el turbocompresor es de gran tamaño para la baja altura. La velocidad del turbocompresor está controlado por una válvula de descarga. Los primeros sistemas utilizan una válvula de descarga fijo, lo que resulta en un turbocompresor que funcionó mucho como un sobrealimentador. Más tarde, los sistemas utilizan una válvula de descarga ajustable, ya sea manualmente controlado por el piloto o por un sistema hidráulico o eléctrico automático. Cuando el avión está a baja altura la válvula de descarga suele ser completamente abierto, la ventilación de todos los gases de escape por la borda. Mientras el avión asciende y desciende la densidad del aire, la válvula de descarga debe cerrar continuamente en pequeños incrementos para mantener la máxima potencia. La altitud a la que la válvula de descarga se cierra completamente y el motor sigue produciendo potencia nominal total es conocida como la altitud crítica. Cuando el avión asciende por encima de la altura crítica, la potencia del motor disminuirá a medida que la altitud aumenta al igual que lo haría en un motor atmosférico.

Con aviones más antiguos sobrealimentado, el piloto debe ajustar continuamente el acelerador para mantener la presión en el colector requerido durante el ascenso o el descenso. El piloto también debe tener mucho cuidado para evitar overboosting el motor y causar daños, especialmente en situaciones de emergencia tales como go-arounds. En contraste, los sistemas de turbocompresor modernos usan una válvula de descarga automática, que controla la presión del colector dentro de los parámetros preestablecidos por el fabricante. Para estos sistemas, siempre y cuando el sistema de control está funcionando correctamente y comandos de control del piloto son suaves y deliberado, un turbocompresor no OVERBOOST el motor y dañarlo.

Sin embargo, la mayoría de los motores de la Segunda Guerra Mundial utiliza compresores, ya que mantienen tres grandes ventajas de fabricación más de turbocompresores, que eran más grandes, tubería adicional implicado, y los materiales de alta temperatura exóticos necesarios en la turbina y la sección pre-turbina del sistema de escape. El tamaño de la tubería por sí solo es un problema grave; cazas norteamericanos Vought F4U y la república P-47 utilizan el mismo motor, pero el enorme fuselaje de barril de este último fue, en parte, necesarias para mantener la tubería hacia y desde el turbocompresor en la parte trasera del avión. Motores de pistón con turbocompresor también están sujetos a muchas de las mismas restricciones operativas como motores de turbina de gas. Los pilotos deben hacer ajustes suaves, lentas del acelerador para evitar sobrepasar la presión del colector de destino. La mezcla de combustible/aire a menudo se debe ajustar ahora en el lado rico de la combustión estequiométrica necesita para evitar la pre-ignición o detonación en el motor cuando funciona a una configuración de alta potencia. En los sistemas que utilizan una válvula de descarga de accionamiento manual, el piloto debe tener cuidado de no exceder las RPM máximas del turbocompresor. Motores con turbocompresor requieren un período de enfriamiento después del aterrizaje para evitar grietas en el sistema de escape del turbo o cambios bruscos de temperatura. Motores con turbocompresor requieren inspecciones frecuentes de los sistemas de escape y turbocompresor para el daño debido al aumento de calor, lo que aumenta los costos de mantenimiento. La gran mayoría de la Segunda Guerra Mundial América bombarderos pesados utilizados por la USAF - en particular el Wright R-1820-9 Ciclón potencia B-17 Flying Fortress y Pratt y Whitney R-1830 Wasp Doble powered Consolidated B-24 Liberator bombarderos de cuatro motores ambos modelos similares utilizados del general turbocompresores en el servicio, al igual que el doble Allison V-1710 con motor de Lockheed P-38 Lightning caza pesado estadounidense durante los años de guerra. Electric-diseñados

Hoy en día, los aviones de aviación más generales son de aspiración natural. El pequeño número de motores de pistón de aviación modernos diseñados para funcionar a grandes altitudes en el uso general de un sistema de turbocompresor o turbo-normalizador en lugar de un compresor. El cambio en el pensamiento es en gran parte debido a la economía. La gasolina de aviación fue una vez abundante y barata, lo que favorece la sobrealimentación sencilla pero de combustible hambre. A medida que el costo del combustible ha aumentado, el turbocompresor ha caído en desgracia.

Aviones turbo menudo ocupan un rango de potencia entre el de aspiración normal aviones de motor de émbolo y los aviones con motor de turbina. El aumento de los costes de mantenimiento de un motor turboalimentado se consideran que vale la pena para este propósito, como un motor de pistón turbo es todavía mucho más barato que cualquier motor de turbina.

A medida que la aeronave turbo sube, sin embargo, el piloto puede cerrar la válvula de descarga, forzar el gas de escape más a través de la turbina del turbocompresor, manteniendo de ese modo la presión del colector durante el ascenso, por lo menos hasta que se alcanza la altitud de presión crítica, después de lo cual la presión del colector caerá. Con estos sistemas, los aviones de pistón de alto rendimiento moderno puede volar a altitudes superiores a 20.000 pies, donde los resultados de baja densidad del aire en menor resistencia y mayor verdaderas velocidades. Esto permite volar "por encima del tiempo". En sistemas wastegate controlados manualmente, el piloto debe tener cuidado de no overboost el motor, lo que hará que la pre-ignición, provocando daños en el motor. Además, puesto que la mayoría de los sistemas de turbocompresor aeronaves no incluyen un intercooler, el motor se hace funcionar normalmente en el lado rico de la temperatura de escape pico con el fin de evitar el sobrecalentamiento del turbocompresor.

En los aviones turbo no de alto rendimiento, el turbocompresor se utiliza únicamente para mantener la presión del múltiple del nivel del mar durante el ascenso.

Aviones turbo Modern generalmente renuncian cualquier tipo de compensación de temperatura, ya que los turbocompresores son en general pequeños y las múltiples presiones creadas por el turbocompresor no son muy altos. Por lo tanto, el peso añadido, el costo y la complejidad de un sistema de refrigeración de carga se consideran sanciones innecesarias. En esos casos, el turbocompresor está limitada por la temperatura a la salida del compresor, y el turbocompresor y sus controles están diseñados para evitar que un gran aumento de la temperatura suficiente para provocar la detonación. Aun así, en muchos casos los motores están diseñados para funcionar rica con el fin de utilizar el combustible se evapora para refrigeración de carga.

MARINA Y TERRESTRE BASAN DIESEL TURBO

Sobrealimentación, que es común en los motores diesel en automóviles, camiones, tractores, barcos y también es común en maquinaria pesada, como locomotoras, barcos y generación de energía auxiliar.

Turboalimentación puede mejorar dramáticamente la potencia específica de un motor y potencia en relación al peso, las características de rendimiento que normalmente son pobres en motores diesel sin turbo.

Los motores diesel tienen ninguna detonación porque el combustible diésel se inyecta en o hacia el final de la carrera de compresión y se enciende únicamente por el calor de la compresión del aire de carga. Debido a esto, los motores diesel pueden utilizar una presión de sobrealimentación mucho más alto que los motores de encendido por chispa, limitado sólo por la capacidad del motor para soportar el calor y la presión adicional.

Turbocompresores también se emplean en algunos motores diesel de dos tiempos, que normalmente requieren una Roots ventilador de aspiración. En esta aplicación específica, principalmente Electro-Motive Diesel 567, 645, y motores de la serie 710, el turbocompresor es accionado inicialmente por el cigüeñal del motor a través de un tren de engranajes y un embrague de rueda libre, proporcionando de esta manera la aspiración para la combustión. Después de la combustión se ha logrado, y después de los gases de escape han alcanzado suficiente energía térmica, el embrague de rueda libre se desacopla, y el turbo-compresor está accionado exclusivamente a partir de entonces por los gases de escape. En la aplicación de EMD, el turbocompresor se utiliza para la aspiración normal durante la configuración de salida de potencia de arranque y baja y se

utiliza para la verdadera turboalimentación durante medio y ajustes de salida de alta potencia. Esto es particularmente beneficioso en altitudes elevadas, como a menudo se encuentran en los Estados Unidos occidentales ferrocarriles.

Negocios y adopción

Garrett y BorgWarner son los fabricantes más grandes de Europa y los EE.UU.. Se espera que varios factores contribuyen a la adopción más generalizada de los consumidores de turbocompresores, especialmente en los EE.UU.:

Nueva economía de combustible del gobierno y los objetivos de emisiones. El aumento de los precios del petróleo y un enfoque en la eficiencia de consumo de combustible. Sólo el 10 por ciento de los vehículos ligeros vendidos en los EE.UU. están equipados con turbocompresores, por lo que los Estados Unidos, un mercado

emergente, en comparación con el 50 por ciento de los vehículos en Europa que son diesel turbo y el 27 por ciento de que la gasolina se incrementó. Mayores tolerancias de temperatura para motores de gasolina, rodamientos de bolas en el árbol de la turbina de geometría variable y han reducido las

preocupaciones de maniobrabilidad.

Para 2016, se espera que el 40 por ciento de los vehículos ligeros vendidos en los EE.UU. para ser turboalimentado. En Europa, alrededor del 65 por ciento de los vehículos son turboalimentados, el cual se espera que crezca un 85 por ciento en 2015. Históricamente, más de 90 por ciento de los turbocompresores son diesel, sin embargo, la adopción en los motores de gasolina está aumentando. Honeywell prevé que el número de turbocompresores en vehículos de pasajeros en los EE.UU. a más del doble a 23 por ciento en 2016.

La Coalición de EE.UU. para Diesel Cars avanzada está impulsando una política de neutralidad tecnológica de los subsidios del gobierno de la tecnología del automóvil ecológico. Si tiene éxito, los subsidios gubernamentales se basan en las normas corporativas rendimiento promedio de combustible en lugar de apoyar las tecnologías específicas como los coches eléctricos. Los cambios políticos podrían cambiar drásticamente las proyecciones de adopción. Ventas turbocompresor en Estados Unidos aumentaron cuando el gobierno federal impulsó las metas de ahorro de combustible promedio corporativo de 35.5 millas por galón para el año 2016.

¿Cómo funciona un Turbocompresor? Motor sobrealimentado. (Vídeo)

 En el post de hoy vamos a ver qué es un Turbocompresor o más conocido como Turbo, cómo funciona y cuáles son sus ventajas.

En cuanto a la presión de admisión podemos tener 2 tipos de motores alternativos.Lo que se conoce como motores atmosféricos o de aspiración normal, que sería un motor que utiliza aire a presión atmosférica sin ningún compresor extra y los motores sobre alimentados o motores turbo alimentados, que son los que trataremos hoy, aquellos que artificialmente van a aumentar la presión de admisión.

¿Para qué necesitamos un Turbocompresor?Como todos sabéis, la presión atmosférica, no es más que el peso de la columna de aire que tenemos encima y esta disminuye a medida que ascendemos en la atmósfera, a razón de 1Hpa cada 27ft más o menos.

Nuestro motor funciona con una mezcla de aire y combustible, como ya contamos en este post “¿Cómo funciona un motor alternativo?” , por lo tanto si a medida que ascendemos tenemos menos presión, es decir menos densidad del aire, cada vez tenemos menos potencia y cuanto más alto estemos más difícil resultará el ascender ya que para un mismo peso vamos perdiendo potencia.

La potencia de un motor alternativo disminuye más o menos a razón de 3% por cada 1.000ft, por lo que si estamos volando a 10.000ft tendremos un 30% menos de potencia que cuando el avión está en tierra, y esto es mucha menos potencia.Pero… ¿Podríamos evitar esto?, vamos a verlo…

¿Qué hace el Turbo?Bueno pues hemos dicho que al ascender disminuye la densidad del aire y por lo tanto la potencia del motor.Pues lo que vamos a hacer es aumentar artificialmente esa presión de admisión del motor y así no perdemos potencia. ¿Suena bien, no?

Pues en definitiva eso es lo que hace el Turbo, va a aumentar la presión de admisión para introducir más carga al motor y aumentar así la potencia.Además es un sistema bastante eficiente e ingenioso, ya que no tenemos que gastar energía extra para mover el turbo, si no que va a utilizar la energía de los gases de escape para moverse.De este modo utilizamos esa energía que si no se perdería, por lo que también hace que sea un motor más eficiente.

¿Qué es la MAP?MAP son las siglas de  (Manifold Air Pressure), o lo que es lo mismo, la presión del colector de admisión.

Si volamos un avión con motor atmosférico (sin nada que aumente la presión) y con indicación de presión de admisión (MAP), cuando estemos en tierra el indicador de presión MAP nos marcará en pulgadas la presión atmosférica, nunca más.Si tenemos una presión atmosférica de 30′Hg eso es lo que nos marcará, el problema es que al despegar esas 30′ veremos como van disminuyendo, suele disminuir 1′ cada 1.000 ft, por lo que cada vez tenemos menos potencia disponible, cosa que podríamos evitar con un motor Turbo alimentado.

Los motores Turbo alimentados suelen tener unos valores de MAP al despegue entorno a 40′ o 44′ y normalmente hay que tener cuidado al ajustar la potencia, ya que no podemos aplicar potencia máxima, como normalmente haríamos con un motor aspirado.Aquí el motor puede dar más potencia en tierra y hay que tener cuidado de no sobrepasar los límites que estipula el fabricante.

Por ejemplo un avión muy conocido, la Piper Séneca tiene una MAP máxima de 40′ al despegue (potencia que podemos mantener durante 5 min) y si no ajustas bien la potencia y sobre pasas el límite de MAP , te salta el aviso de Overboost anunciándote que has sobrepasado la presión de admisión máxima. (En la séneca el aviso de “Overboost” salta con 39,8′ Hg)

Aquí tenemos un ejemplo de los instrumentos del motor. En el centro la presión de admisión o MAP y en los extremos las RPM de cada motor (Avión bimotor)En este caso el avión está parado en tierra y la MAP nos indica la presión atmosférica del aeropuerto.

¿Hay diferencia entre motores sobrealimentados y los Turboalimentados?Si.Los sobrealimentados se conocen también como motores con compresor, pero este sistema es poco utilizado, tanto en aviación como en automoción.La diferencia es que en el motor sobrealimentado, en lugar de ser los gases de escape los que mueven la ruedas compresora, lo hace un sistema de correas unido al propio motor o incluso un motor eléctrico.Por lo que este sistema no nos permite tomar la energía mal gastada de los gases de escape, siendo menos eficiente y menos utilizado.

En estas imágenes vemos claramente los 2 sistemas.En uno la rueda compresora es movida por el propio motor (se une por una correa) y en el Turbo, la rueda compresora es movida por los gases de escape que pasan por la caracola de escape.

¿Cómo funciona el Turbo?Bueno hemos dicho que aumenta la presión de admisión, pero ¿Cómo lo hace?

En el Turbo podemos diferenciar dos partes básicas.La caracola de admisión, con su rueda compresora dentro y la caracola de escape con su turbina de escape en el interior.La rueda compresora y la turbina está unidas por un eje, por lo que giran solidarias.

Por la caracola de escape se hacen pasar los gases provenientes del colector de escape del motor, esto hace girar la turbina y por lo tanto la rueda compresora también gira.La turbina tiene una función inversa a la del compresor, la turbina expande los gases de escape.Un gas comprimido al expandirse cede trabajo, que la turbina lo aprovecha en forma de movimiento rotatorio.

La rueda compresora gira (compresor centrífugo) y hace girar el aire a gran velocidad, convirtiendo la energía cinética del aire en presión.

¿Cómo?Pues bien, los álabes de la turbina son divergentes, por lo que el aire va perdiendo velocidad y aumentando la presión.

Aquí tenemos una rueda compresora mecanizada.

Pero aquí nos surge un problema físico y es que al aumentar la presión del aire aumenta también su temperatura y el aire más caliente tiene menos densidad, además de que nos puede provocar problemas de detonación en el motor, por lo que antes de introducirlo en el motor lo vamos a enfriar a través de un radiador que se llama “Intercooler”.Una vez que pasa por el intercooler ya se introduce en el motor.

La parte intermedia que una compresor con turbina se denomina cárter intermedio y es por donde pasa el eje con sus sistemas de lubricación, cojinetes o en los más modernos, rodamientos.

 Desde el punto de vista funcional los Turboalimentadores se dividen en 2.

Turboalimentadores de altura o motores turbo normalizados: Son sistemas que mantienen constante la presión de admisión del motor (Valor de nivel del mar) hasta alcanzar una altitud determinada de vuelo en la que ya no podrían mantener la misma presión y que se denomina, altitud de adaptación.La ventaja de estos sería que aunque ascendamos, siempre tendremos la potencia que tendríamos a nivel del mar (hasta la altitud de adaptación)

Turboalimentadores de sobrepotencia (Ground boosted turbochargers): Son sistemas que proporcionan presión de admisión superior a la existente a nivel del mar, y mantienen esta presión hasta una altitud determinada que se denomina, altitud crítica. (Ej. La Piper Séneca que mencionamos)La ventaja de este segundo grupo es que siempre nos va a dar más potencia que su equivalente motor atmosférico.

¿Cómo se controla el Turbocompresor?

Normalmente el piloto va a controlar la potencia del motor con el indicador de presión de admisión que ya comentamos anteriormente (MAP) y que vimos en una foto.Ya que la potencia del motor es proporcional a la presión de admisión.

El turbo lo que va a hacer es controlar la masa de gases que pasa por la turbina, ya que dependiendo de su velocidad de giro, aumentará más o menos la presión de admisión.Esto se puede hacer con un by pass antes de la entrada de los gases del motor al turbo o con una válvula de desagüe o descarga situada en la caracola de escape del turbo.Estas válvulas pueden tener un accionamiento mecánico o las más modernos disponen de válvulas electrónicas, más precisas y eficaces.

En esta foto podemos ver la válvula de desagüe o Wastgate y su actuador.

Turbocompresores de geometría variable.

Los turbos de geometría variable son una evolución del turbo clásico.El turbo “clásico” tiene el problema que a bajas revoluciones del motor, el turbo tiene poco flujo de aire y por lo tanto la turbina apenas es impulsada por los gases de escape.

Los turbos de geometría variable tienen unos álabes en la caracola de escape que se abren más o menos, en función del régimen de giro. De este modo permiten un mejor funcionamiento del turbo en cualquier régimen de potencia, ya que aunque tengamos poco flujo de corriente, el turbo funcionará adecuadamente, porque podemos restringir la salida de gases mediante esos álabes.Cuando el motor está en altas RPM los álabes se abren dejando pasar más flujo de aire.Guardando las diferencias, sería como poner el dedo en la manguera para que salga con más presión el agua.

Estos turbos son utilizados hoy en día en automoción, pero no en aviación, ya que la ventaja es que se aprovecha la potencia a bajas vueltas y a altas, pero los motores de aviación equipados con turbo suelen funcionar a revoluciones constantes, por lo que no tendría mucho sentido utilizarlos.