Trabajo practico

Turbocompresores

Cátedra: motores de combustión interna Docentes: Ing. Cuevas Pedro, Ing. Adib Hugo, Ing. Ladron de Guevara Fernando, Técnico M.E Vignolo Víctor Alumno: Tello Capdevila Marcelo

Índice

Capitulo 1 Sobrealimentación en motores ……………………………………………….....4 Sobrealimentación mecánica …………………………………………………………………..4 Sobrealimentación por turbocompresor …………………………………………………….....5 Sistema turbocompound ………………………………………………………………….........6 Sobrealimentación combinada …………………………………………………………….......6 Sistemas biturbo ……………………………………………………………………………….7

Capitulo 2 Orígenes del turbo ………………………………………………………………..…...8 La evolución técnica ……………………………………………………………………….......9 Despiece del turbo ……………………………………………………………………..9

Capitulo 3 Principio de funcionamiento …………………………………………………….11 El turbo en el motor a nafta …………………………………………………………………....12 El turbo en el motor diesel ………………………………………………………………….....13 Intercooler ……………………………………………………………………………………...13

Capitulo 4 Refrigeración y lubricación ………………………………………………….......15 Enfriamiento ………………………………………………………………………………......15 Lubricación …………………………………………………………………………………....18

Capitulo 5 Sistemas de cojinetes ……………………………………………………………......20 Cojinetes hidrodinámicos ……………………………………………………………………...20 Turbocompresores de cojinetes a bolas ……………………………………………………..…22

Capitulo 6 Materiales ……………………………………………………............................................24 Rotor del compresor de de titanio ……………………………………………………………...24 Rotor de turbina de cerámica …………………………………………………………………..25 Retenes de aceite ……………………………………………………………………………….25

Capitulo 7 Regulación ………………………………………………………………………………..27 La válvula Watesgate …………………………………………………………………………..27 Regulación de la presión por Accionamiento eléctrico ……………………………………………………………………….28 Electroválvulas reguladora de la Presión de sobrealimentación ……………………………………………………….................29

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Capitulo 8 Turbo de geometría variable …………………………………………………………………..31 Funcionamiento con bajos Regimenes de rotación del motor ……………………………………………………………..32 Funcionamiento con altos Regimenes de rotación del motor ……………………………………………………………...32 Turbocompresor con turbina de doble entrada ………………………………………………...33 Sobrealimentación regulada de dos etapas ………………………………………………….....35 Tecnología dual boost ……………………………………………………………………….....36 eBOOSTER …………………………………………………………………………………....37

capitulo 9 otros sistemas de sobrealimentación ……………………………………….…39 compresor rotativo roots ………………………………………………………………………..39 compresor compres ……………………………………………………………………………..39 compresor G ……………………………………………………………………………………41 compresor Lysholm …………………………………………………………………………….42

bibliografía ……………………………………………………………………………………..43

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Capitulo 1

Sobrealimentación en motores

La potencia de un motor es proporcional entre otros factores, a la cantidad de aire que ingresa a los cilindros, y como esta a su vez es proporcional a su densidad, dicha potencia para una cilindrada y numero de revoluciones dados, se puede elevar con una compresión del aire a su entrada en el cilindro. En este punto el turbocompresor resulta fundamental para la producción de potencia y la eficiencia del motor. La tarea del turbocompresor es aumentar la cantidad de aire que se introduce en los cilindros del motor Cuando se comprime el aire, se aumenta la concentración de las moléculas de oxígeno. Este aumento de aire implica que se puede añadir más combustible en un motor con el mismo tamaño que uno de aspiración natural. Esto genera Una mayor potencia mecánica y una mejor eficiencia general del proceso de combustión. Por lo tanto, el tamaño del motor se puede reducir gracias al turbocompresor para proporcionar mejores cifras de ocupación de la carrocería y peso, además de un menor consumo y menores emisiones. El grado de sobrealimentación indica la elevación de la densidad en comparación con la del motor aspirado. Dependiendo del sistema de sobrealimentación empleado, y para una elevación de presión dada, es máxima cuando la temperatura del aire comprimido no se eleva, o bien por medio de refrigeración se enfría de nuevo el aire a su temperatura inicial. El grado de sobrealimentación viene limitado en el motor ciclo Otto, por la combustión detonante, en el motor diesel por las crestas de presión máximas admisibles. Para evitar estos problemas, muchos motores con sobrealimentación tienen menor índice de compresión que los motores atmosféricos. El problema de aumentar la densidad del aire introducido en el cilindro se hace mucho más difícil con la altitud, pues la densidad disminuye con la altura. En un motor no sobrealimentado, esa disminución de presión significa la perdida progresiva de potencia. La primera aplicación de un dispositivo para la alimentación forzada de un motor alternativo se efectúo en un avión, durante la primera guerra mundial. Con ello se pretendió solamente hacer que el funcionamiento del motor fuese independiente de las variaciones de la densidad del aire sin obtener aumentos de potencia. Siguiendo por este camino, es posible comprimir el aire por encima de la presión atmosférica e introducir en el motor una mezcla de aire-combustible cuya densidad es superior a la de las condiciones normales. Hay dos tipos de sobrealimentación: la mecánica (compresores volumétricos) y la dinámica (por turbocompresor)

Sobrealimentación mecánica En la sobrealimentación mecánica, el sobrealimetador viene accionado directamente por el motor. Se utilizan acoplamientos mecánicos o electromagnéticos para la conexión de sobrealimentador.

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Figura 1

Al emplear la sobrealimentación las perdidas por fricción son mayores en comparación con los valores de las mismas que se obtienen cuando el motor funciona sin sobrealimentación, pero a consecuencia de la elevación de la potencia efectiva, el rendimiento mecánico del motor sobrealimentado aumenta.

Sobrealimentación por turbocompresor En este sistema la energía para el accionamiento del turbo se extrae de los gases de escape que salen del motor. De esta manera se utiliza energía que de otro modo se perdería. El turbocompresor es una turbomaquina centrifuga utilizada en los automotores modernos, principalmente en los diesel.

Figura 2

La potencia de los motores diesel turboalimentados puede ser incrementada en hasta un cincuenta por ciento, con relación a unidades similares características pero sin turbo.

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Sistema turbocompound Utilizado en algunos camiones, el sistema de sobrealimentación turbocompound utiliza un turbocompresor y una segunda turbina que suministra potencia adicional al volante del motor. Esto permite un aumento de la potencia del motor en 8 por ciento, sin aumento del consumo de combustible.

. Figura 3

Sobrealimentación combinada En algunos motores para vehículos de altas performance se utiliza un sistema compuesto por un compresor mecánico y un turbocompresor, que trabajan de manera tal que se obtienen los beneficies de uno y otro y se minimizan sus inconvenientes

Figura 4

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Motores biturbo

Al utilizar dos turbos se obtienen varias ventajas, al realizar la comparación con la sobrealimentación por turbo único: los turbos pueden ser más pequeños, por lo que acusan menos inercia en su conjunto rotatorio, lo que influye en la elasticidad de su marcha. Además se alimenta con mayor uniformidad a los cilindros, y es menos complicado el sistema de tuberías. Los motores biturbo diesel con cilindros en V son muy utilizados para la propulsión de camiones. En lo que se refiere a las unidades a nafta, primero se aplicaron en autos de carrera y también en autos de altas performances.

Figura 5

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Capitulo 2

Orígenes del turbo

El ingeniero suizo Alfred J. Buchi (figura 6) patento en 1905 la maquina centrifuga llamada turbocompresor. Trabajando en la firma Sulzer Brothers de suiza, sometió a este sobrealimentador a muchos ensayos entre los años 1911 y 1915. El turbo comenzó a utilizarse en motores diesel marinos.

Figura 6

Por ser una maquina centrifuga, el turbo siempre se destaco por operar a alto régimen. Es aquí cuando demuestra su mejor rendimiento. En 1945 otra fabrica suiza, la Saurer, instalo turbocompresores en motores diesel en camión. En 1945 volvo de suecia fue el primer fabricante en ofrecer un turbo diesel de serie para camión. Cabe consignar que los motores turboalimentados se aplicaron con gran profusión también a los aviones militares, obteniéndose un gran éxito en materia de performance. Volvo de suecia fue el primer fabricante en ofrecer un turbo diesel de serie para camión. En lo que se refiere a la aplicación del turbo en los automóviles, general Motors introdujo en 1962 el primer automóvil de fabricación en serie con motor turbo en los estados unidos, el F-85 turbo Rocket (motor a nafta). Los turbo a nafta para competición hicieron su debut en 1966, aplicados a los motores Offenhauser para las carreras de Indianápolis. Más adelante lo utilizo Porsche para su modelo 917. En la formula uno, Renault comenzó a cosechar éxitos a partir de 1979 con un motor V-6 turboalimentado. Un tipo particular de turbocompresor es el de accionamiento hidrodinámico, consistente en un compresor centrífugo normal conectado al eje de una turbina hidráulica alimentada con aceite a alta presión procedente de una bomba accionada por el motor. Este sistema posee un rendimiento menor al del clásico accionamiento por los gases de escape, pero tiene la ventaja de que puede regularse variando el caudal de la bomba. Dos turbocompresores hidrodinámicos equipaban los alfa romeo GTA SA experimentales aparecidos en 1968. Estaban alimentados por una bomba que proporcionaba aceite a una presión de 80 bar y podían imprimir al rotor una velocidad de 95.000 rpm.

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La evolución técnica Los primeros turbocompresores presentaban muchos defectos, principalmente en lo que concernía su equilibrado y a su resistencia a las altas temperaturas. Sucede que por ser una maquina centrifuga, el turbo gira a altas revoluciones, que en los diseños mas modernos llega hasta las 300.000 rpm. Los turbos primitivos giraban a unas 40.000 rpm, suficientes como para plantear serios problemas de equilibrado de las piezas de rotación. También la alta temperatura de los gases de escape (que pueden llegar a los 1000 °C) que toman contacto con la sección de la turbina siempre creo dolores de cabeza a los ingenieros. El problema del equilibrado se soluciono con un cuidadoso diseño de las piezas en rotación, mientras que el derivado de las altas temperaturas fue enfrentado al utilizar aleaciones refractarias especiales a base de níquel, como las empleadas en los motores de aviación. En los turbos de primera generación su eje giraba apoyado en rodamientos a bolilla, los que fueron posteriormente remplazados por cojinetes lisos de superficie, que hacen flotar al eje sobre una película de aceite. Durante varias décadas los turbos fueron enfriados por el mismo líquido del sistema de enfriamiento del motor, y después se suprimió dicha solución y se adopto el enfriamiento por el mismo aire de admisión y por el aceite de lubricación. Pero hacia mediados de la década de los 80 nuevamente se utilizo el enfriamiento por liquido para evitar la carbonización del aceite en la unidad turbo después de detener el motor. Para reducir su inercia, los turbos son cada vez mas pequeños y en algunos casos diferentes modelos tienen doble turbo. En todos los autos turbo alimentados, ya que sean propulsados a nafta o a diesel, se incluye un dispositivo denominado “intercooler”, que tiene la finalidad de enfriar la masa de aire que se encamina hacia los cilindros. Hacia fines de la decada de 1980 tambien surgio el control computarizado de la presion de sobrecarga del turbo, que garantiza un funcionamiento eficiente y confiable. El precio del turbocompresor, muy elevado en sus comienzos, actuo como freno a su masiva aplicación. La gran producción en masa de nuestros dias con los eficientes y modernos metodos de fabricación ha hecho descender su precio a valores que, si bien no son bajos, resultan aceptables para ser aplicados en todo tipo de vehiculos. Para aumentar la eficiencia del turbo, el ingeniero Buchi creo un procedimiento a base de fuertes pulsaciones de presion en el sistema de escape, utilizando en muchos motores. A causa de este procedimiento , que describiremos mas adelante, los gases quemados son expulsados totalmente del motor, hay mas aire puro en los cilindros y puede quemarse mas combustible. Con la aplicación del turbo en los motores diesel, por ejemplo, se mejoro notablemente su rendimiento. Empezo siendo un remedio al debilitamiento de la potencia causada por la caracteristicas de la atmosfera a grandes alturas, pero ahora es una tendencia que busca nuevas posibilidades en la creación de una atmosfera atificial para la admisión del motor. En realidad, el diesel es la maquina en que mejor se desenvuelve el turbo, ya que no existen aquí las limitaciones de los motores a nafta a causa de la detonación. Desde los comienzos de la decada de 1970 los turbodiesel para automotores conocieron una creciente aceptación y hoy en dia los vehiculos Diesel turbo presentan muy altas prestaciones pero con consumo inferior al de los motores naftenos. La lubricación también evoluciono desde el sistema por salpicado de las grandes unidades de los primeros tiempos hasta su conexión al sistema de lubricación del motor.

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El filtrado del aceite que lubrica y enfría al turbo también experimento avances progresivos y ahora algunas unidades incorporan su propio filtro de aceite. Desde comienzos de la década de 1970 los turbo diesel para automóviles conocieron una creciente aceptación y hoy en día los autos turbo diesel presentan muy altas prestaciones pero con un consumo inferior al de los motores de encendido por chispa. La evolución del turbo no se detuvo, y fue asi que se lo doto de un sistema de geometría variable TGV para incrementar su respuesta al apretar el pedal del acelerador. En la siguiente figura podemos observar los principales elementos que componen a un turbocompresor

Figura 7

Despiece de un turbo de doble entrada de la marca Zeki

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Capitulo 3

Principio de funcionamiento

Figura 8

La potencia útil de un motor determinado puede ser incrementada de tres formas: obtener más revoluciones por minuto del cigüeñal, aumentar la relación de compresión o mejorar el llenado de los cilindros. Esto último es lo que se persigue al instalar un turbocompresor. El turbo se acciona con la energía de los gases de escape, alrededor de un 75 por ciento del esfuerzo para propulsar el turbo procede de la expansión, y el restante es suministrado por la velocidad de escape de los gases. Cabe resaltar que entre el 27 al 35 por ciento de la energía térmica que no se convierte en trabajo útil en el motor se pierde en el escape. Al utilizar parte de dicha energía para su accionamiento, el turbo hace aumentar la eficiencia del motor. El turbo esta construido por dos cámaras unidas a un cuerpo central, encerrando cada una al rotor de la turbina y del compresor respectivamente. Las cámaras no se comunican entre si y permanecen estancas, estableciéndose un contacto mecánico entre la turbina y el rotor del compresor por medio de un eje que los conecta y que es soportado junto con los rotores por los cojinetes del cuerpo central. La sección de escape del turbo se comunica, por medio de canales practicados en su cámara, con el múltiple y caño de escape. La sección del compresor lo hace con la toma de aire y el múltiple de admisión. Los gases de escape que salen del múltiple hacen girar la turbina, manera que empujan los alabes de la turbina en el ángulo de mas efectiva propulsión. Luego recorren su camino normal al caño de salida.

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El movimiento de giro de la turbina se transmite por el eje al rotor de compresor, el que aspira el aire, y lo envía bajo presión a los cilindros del motor. La velocidad de giro del turbo depende de la carga y régimen motriz, pudiendo llegar hasta las 300.000 rpm. La presión de sobrealimentación que alcanza los 2 bar en motores de competición. Resulta muy importante señalar y recordar que en funcionamiento, el turbo responde a la demanda de carga del motor, reaccionando al flujo y temperatura de los gases de escape y a la demanda correspondiente de mezcla (motores ciclo Otto) o aire (ciclo diesel). Bajo condiciones de gran carga, la velocidad del turbo aumenta de manera casi instantánea, proveyendo mas mezcla o aire para satisfacer la demanda del motor, debido a que el ritmo de evacuación de los gases de escape es mas rápido y su presión mas elevada que bajo condiciones livianas de carga. El control de la presión del turbo se realiza con una válvula especial, llamada “waste-gate” que se integra a la unidad de sobrealimentación. Esta válvula actúa cuando la presión supera un valor establecido. La caja de cojinetes del turbo es la parte central a la que por medio de bridas se sujetan a las secciones de la turbina y el compresor. La caja contiene los cojinetes que soportan al eje.

El turbo en el motor a nafta Los motores a nafta sobrealimentados con turbocompresor se aplican en una variedad de automóviles de altas prestaciones y de carácter deportivo. En el motor naftero, el aumento de potencia esta limitado por el comienzo de la detonación, por lo que en general, es necesario reducir la relación de compresión, es decir aumentar el volumen de la cámara de combustión. Un motor a nafta, cuando esta sobrealimentado, esta sometido a solicitaciones mecánicas y térmicas notablemente mas altas que las que corresponden a un motor de aspiración natural, por lo que, para alcanzar el mismo grado de fiabilidad, debería ser adecuadamente reforzado en las piezas mas solicitadas con aumento de las dimensiones o el empleo de materiales de mayor resistencia. Es común, por ejemplo que los vástagos de las válvulas de escape se rellenen con sodio metálico para lograr una mejor evacuación del calor. En los motores turbo también están reforzados los pistones y sus aros, y llevan un sistemas de enfriamiento de pistones especial a base de toberas situadas en la parte inferior de los cilindros y que proyectan chorros de aceite sobre la parte interna de sus cabezas. También son de diseño especial los sistemas de admisión y de escape, para que pueda circular sin dificultad por ellos el mayor volumen de aire de admisión y de gases de escape. Puesto que el trabajo de la turbina de un turbocompresor depende de la razon entre la presión a la entrada y salida de la turbina, el trabajo suplementario para evitar la caída de presión causada por una mayor resistencia a la entrada y al aumento de la presión a la salida motivado por una mayor resistencia en el escape, se traduce en una mayor presión a la entrada de la turbina. En estas condiciones aumentan los gases residuales en el cilindro y disminuye el rendimiento volumétrico del motor. Al mismo tiempo aumenta la temperatura de la mezcla enviada al motor y por lo tanto el peligro de detonación. Por esto es importante que la resistencia al fluido sea lo menor posible.

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El turbo en el motor diesel La sobrealimentación por turbocompresor se adapta mejor a los motores diesel que a los motores de ciclo Otto, en los cuales esta limitada por la detonación. En los motores diesel el aumento de la presión tiende a reducir el retraso al encendido y por lo tanto a hacer menos violenta la combustión. En comparación con un motor de aspiración natural y de tamaño equivalente, el aumento de la potencia es en general de entre un 35 a 40 por ciento. Sin embargo la potencia no puede elevarse indefinidamente, ya que hay que limitar las temperaturas y las presiones tope para no poner en peligro la seguridad de funcionamiento y la vida útil del motor. Los gases de escape del diesel son más limpios, un gran exceso de aire al régimen de trabajo proporciona una combustión mas completa.

El intercooler Después de salir del compresor del turbo, el aire comprimido que se dirige hacia el motor alcanza una temperatura que, en los motores a nafta lega a los 140 °C cuando la sobrepresion es máxima. Un valor tan alto no solo afectaría el rendimiento del compresor debido a que ingresaría menor aire por unidad de volumen sino que también haría aumentar la carga térmica en la parte alta del motor. Para solucionar este problema se adopta un dispositivo llamado “intercooler”, que consiste en tipo de radiador cuyo núcleo es atravesado por el aire de la marcha. Antes de ingresar a los cilindros, el aire de admisión pasa por el intercooler y su temperatura es disminuida hasta llegar a un valor de 60 °C

Figura 9

El intercooler se sitúa en la parte delantera del vehiculo y esta hecho de aleación de aluminio. Gruesos conductos lo conectan al compresor del turbo y al múltiple de admisión.

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Figura 10

Con la introducción del intercooler se consigue aumentar la potencia y el par del motor debido al aumento de la masa de aire que entra en el cilindro como consecuencia del incremento de densidad del aire cuando este enfría. Otros efectos positivos resultantes de la utilización del intercooler son la disminución del consumo y de las emisiones contaminantes. El interenfriamiento tambien significa menores temperaturas y presiones de la carga de aire al cilindro para un mismo nivel de potencia y relacion de presiones. Esto a su vez, significa menores temperaturas de escape, mejor enfriamiento interno, presiones de combustión mas bajas y menores cargas termicas y mecanicas.

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Capitulo 4

Refrigeración y lubricacion

Enfriamiento

La unidad turbo esta sometida a grandes esfuerzos térmicos durante el funcionamiento del motor. Las diferencias de temperaturas que se alcanzan a un lado y otro del Turbocompresor son muy notables. En la turbina se pueden alcanzar temperaturas de 800 a 1000 ºC, mientras que en el compresor como máximo se alcanzan unos 80 ºC.

Figura 11

En figura podemos ver las diferentes temperaturas que podemos encontrar en un turbocompresor

El “golpe de calor” es el principal causante del fallo de los turbos y tienen que tenerse muy en cuenta por los ingenieros desarrolladores de motores y por los usuarios. Este calor tan dañino se origina en el sistema de escape. Durante el uso extremo del motor grandes cantidades de gases a muy altas temperaturas llegan al colector, la caracola y la turbina de escape. Estos componentes están diseñados para soportar muy altas temperaturas mediante un cuidado diseño y la elección de materiales especiales. No obstante el calor almacenado en estos componentes tiende a desplazarse a lugares más fríos por conducción como el cuerpo del turbo, el sistema de cojinetes o rodamientos y el eje del turbo que no están diseñados para soportar estas altas temperaturas, ya que estos están en contacto unos con otros. Mientras el motor está funcionando y el aceite circula a través del sistema de cojinetes o rodamientos del turbo, la mayoría del calor puede ser absorbido por el aceite, previniendo el daño de los cojinetes y los segmentos.

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80 ° C 140 °C 180 °C 650 °C

Una vez que paramos el motor, el aceite deja de circular a través del turbo y los gases no pasan por el sistema de escape, (pero todo el calor almacenado en el colector de escape y la caracola del turbo permanece). Este calor tiene que ir a algún lado. Solo puede escapar vía conducción hacia el cuerpo del turbo y el turbo de escape, o ser radiado en el aire que le rodea debajo del capó. Una pequeña cantidad de calor es irradiada a través del aire pero la mayor parte del calor se transfiere a través de la caracola de escape al cuerpo del turbo, ya que este está a una temperatura menor. Adicionalmente algo de calor se transfiere al sistema de cojinetes o rodamientos y al eje de la turbina. Durante esta fase de enfriamiento de la caracola y el escape, como consecuencia del “golpe de calor” que se produce en el turbo, la temperatura del cuerpo, los cojinetes, los segmentos y los restos de aceite que quedan en el interior son más elevadas que en las condiciones normales de funcionamiento, ya que el aceite no está presente para enfriarlos. El turbocompresor se refrigera principalmente por el aceite de engrase, y además Por el aire de entrada del colector de admisión que recoge parte del calor que contiene el rodete compresor. Hay que destacar que esto último no es nada beneficioso para el motor, ya que el aire caliente hace dilatar el aire de admisión y descender su densidad, con lo que el rendimiento volumétrico del motor se ve seriamente perjudicado. El aceite penetra en la carcaza del turbo por la parte superior, y se encamina hacia los cojinetes para lubricarlos y para suministrar la película de aceite necesaria para mantener al eje de los rotores en flotación sobre una película de aceite. Después de lubricar y de evacuar el calor de las piezas, el aceite retorna al carter a través de un conducto más grueso que el de entrada. Y ello tiene una explicación: para que el aceite pueda realizar de la mejor forma la importante mision de llevarse parte del calor de las piezas del turbo, ha de estar el menor tiempo posible en la caja de los cojinetes. Los turbocompresores destinados a los motores a nafta mas potentes de los automóviles actuales, también incorporan un enfriamiento adicional por liquido, es decir por el agua del circuito de enfriamiento del motor. En este caso hay unas camisas de agua en la sección de la turbina y en los soportes del eje de los rotores.

Figura 12

El circuito para la circulacion del agua se puede observar con el color verde

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El sistema de cojinetes o rodamientos y los segmentos pueden dañarse por sobrecalentamiento. La dureza y resistencia de un cartucho de rodamientos típico empieza rápidamente a degradarse por encima de 150º C. Esto puede parecer bajo considerando que la temperatura de los gases de escape puede llegar a los 980º C en cualquier motor turboalimentado a nafta, pero el cartucho de rodamientos está protegido por varias líneas de defensa: un plato de calor detrás de la turbina, contacto reducido entre la caracola de escape y el cuerpo (reduciendo la transferencia de calor), el aceite y el agua que lo refrigeran durante el funcionamiento, y la refrigeración por agua que lo protege después de apagar el motor. El agua sigue circulando por las camisas de enfriamiento del turbo y por aproximadamente dos minutos después de detener el motor, por medio de la acción de una pequeña bomba de agua eléctrica adicional o através del efecto termosifón. Cuando la refrigeración esta anulada o no se usa correctamente, la temperatura puede elevarse por encima de sus límites, provocando un aumento de la holgura del rotor y que las turbinas rocen con sus respectivas caracolas provocando una rotura catastrófica del turbo. Además este aumento de la temperatura provoca que las tolerancias dentro del cartucho disminuyan. Si las temperaturas se mantienen muy altas y el turbo funciona a muy altas revoluciones durante mucho tiempo, el cartucho de acero de los rodamientos puede griparse, causando también la rotura del turbo. La refrigeración insuficiente y las altas temperaturas no sólo son un riesgo para los cojinetes; también pueden destruir los segmentos. Cuando el aceite está recalentado, se oxida y produce carbonilla, un residuo que aparece como depósitos negros sólidos. Los segmentos de los turbos no son segmentos convencionales de caucho o goma ya que no serían capaces de mantener la estanqueidad a estas temperaturas dentro del turbo. Son en realidad segmentos de acero que se alojan en las canaladuras del eje. Son elásticos y diseñados para presionar contra el borde del cuerpo, igual que un segmento de un pistón en un cilindro. Necesitan además tener cierta tolerancia de movimiento para trabajar adecuadamente, una pequeña porción de movimiento axial es necesaria (dentro-fuera en el sentido del eje).

Figura 13

Segmento de escape en el que se aprecia el espacio de ajuste. La turbina está a la izquierda y el eje a la derecha. Estas piezas están usadas pero en perfectas condiciones (no están sobrecalentados ni presentan depósitos de carbonilla visibles).

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Si sobrecalentamos el aceite se formarán depósitos de carbonilla en el área del segmento que impedirán el movimiento del segmento.

Figura 14

Turbina y eje similar pero este ha estado sobrecalentada repetidamente. El segmento y su alojamiento están llenos de carbonilla.

Lubricación el turbo como es de esperarse esta sometido a grandes esfuerzos mecánicos y por ello debe ser adecuadamente lubricado, para evitar un desgaste excesivo y fallas prematuras. La función sobresaliente del aceite lubricante del motor es la reducción del desgaste en todas las partes de las piezas móviles que rozan entre si. Por medio del aceite lubricante entre las superficies en deslizamiento pueden reducirse los esfuerzos y la erosión del material. En el caso de que en el aceite flote la pieza móvil completamente sobre una capa de lubricante, se habla de fricción entre capas del liquido, que es considerablemente menor que la fricción entre las partes móviles. El lubricante también debe hacer estanca la caja de cojinetes, o dejando así el paso de aire proveniente del compresor y de la misma manera con los gases de escape provenientes de la turbina. También debe proteger contra herrumbre y la corrosión.

Figura 15

Vista donde podemos ver el circuito de lubricacion

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Si bien los requerimientos de lubricación son en principio sencillos, las propiedades del lubricante deben permanecer inalteradas a lo largo de muchas de horas de servicio, a pesar de que el aceite pueda estar expuesto a altas temperaturas y distintos agentes contaminantes. Se requiere las siguientes características del lubricante: a) Viscosidad adecuada: Debido a las elevadas velocidades desarrolladas, en los cojinetes se requiere una viscosidad relativamente baja para minimizar las pérdidas por fricción. b) Resistencia a la oxidación: Con temperaturas que oscilan entre 800 °C y 1000 °C, la temperatura del eje (y del aceite en los cojinetes) puede alcanzar 200°C de modo que el aceite está sometido a severas condiciones de oxidación. c) Prevención del herrumbre: La contaminación de aceite con agua puede provocar herrumbre. Las partículas de herrumbre son abrasivas y pueden producir un desgaste anormal en los cojinetes e interferir con la operación del regulador de velocidad. d) Baja tendencia á la formación de espuma: En todo sistema dinámico es usual que se incorpore aire al aceite por batido. De modo que es muy importante que el aceite tenga una alta resistencia a la formación de espuma y libere rápidamente el aire ocluido. El radiador de aceite es un componente imprescindible en todo motor turboalimentado, por que hay que evitar por los medios posibles que el lubricante no se caliente demasiado, dado que por encima de los 200 °C se deteriora rápidamente y pierde sus cualidades. Un buen sistema de lubricación de un motor turbo mantiene al aceite a una temperatura promedio de 100 °C, lo que garantiza que sus propiedades se mantengan aun bajo las mas difíciles condiciones de trabajo. El enfriador de aceite puede ser del tipo aceite-aire o bien una unidad aceite-agua.

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Capitulo 5

Sistemas de cojinetes

El sistema de cojinetes del turbo puede parecer un diseño sencillo, con uno o dos cojinetes de bronce y en ocasiones un cojinete de empuje axial separado, pero desempeña un papel fundamental al garantizar que las turbinas puedan girar sin entrar en contacto con el alojamiento. Los materiales y los procesos de fabricación usados para crear el sistema de cojinetes se ha refinado constantemente para seguir el ritmo de los nuevos niveles de prestaciones del turbo exigidos por el avanzado diseño de los motores. Piense en lo que pedimos a estos cojinetes que hagan: ▪ Ofrecer soporte y amortiguación para controlar el movimiento radial y axial de los ejesy turbinas. ▪ Aislar la vibración de las piezas giratorias.▪ Permitir a las turbinas del turbo girar a velocidades 60 veces mayores que la velocidadmáxima del motor encontrada

▪ Garantizar que la máxima energía del gas de escape del motor esté disponible paramover el turbo y no se desperdicie en el sistema de cojinetes ▪ Funcionar eficazmente con los últimos aceites para reducir la fricción y las pérdidas depotencia en los motores modernos ▪ Funcionar eficazmente con las mayores temperaturas del aceite motor actuales.Los sistemas de cojinetes de los turbos deben equilibrar unas bajas pérdidas de potencia con la capacidad de controlar las enormes fuerzas aplicadas por las cargas mecánicas que varían constantemente. Los modernos sistemas de cojinetes para turbos se dividen en dos tipos: ▪ Sistemas de cojinetes hidrodinámicos: usados en la amplia mayoría de los turbosactuales y antiguos ▪ Sistemas de cojinetes de rodamientos de bolas: usados anteriormente solo paraaplicaciones de competición y deportivas, pero que han sido introducidos recientemente en la producción de turbos para vehículos de Pasajeros. En un sistema de cojinetes hidrodinámico para turbocompresor, el fluido (aceite motor) no solo lubrica las piezas evitando el contacto, sino también controla el movimiento del eje y las turbinas en todas las condiciones de funcionamiento.

Cojinetes hidrodinamicos

El sistema de cojinetes hidrodinámicos puede utilizar dos cojinetes lisos “completamente flotantes” que giran aproximadamente a la mitad de la velocidad del eje. Hay dos láminas de aceite hidrodinámicas: una externa, entre el centro del alojamiento y el cojinete, y una lámina interna entre el cojinete y el eje.

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Figura 16

La mayoría de los turbos para vehículos de pasajeros de alta velocidad utilizan un cojinete “semiflotante” de una pieza que no gira. Este diseño también utiliza dos láminas de aceite, pero en este caso la lámina externa funciona principalmente como una “lámina de apriete” para amortiguar el movimiento del eje. En este cojinete, hay solo una lámina de aceite hidrodinámica (entre el eje y el cojinete), lo que permite mejorar el control del conjunto del rotor. Un cojinete de empuje controla el movimiento axial del conjunto del rotor, que puede ser una pieza separada o integrada en el cojinete liso.

Figura 17

En todos los diseños se generan altas presiones en la zona de la pastilla de fricción para controlar el movimiento axial.

Figura 18

Vista donde puede observarse el sistema de cojinetes

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Turbocompresores de cojinetes de bolas Los turbocompresores de producción han utilizado tradicionalmente un sistema de cojinetes hidrodinámico para controlar el movimiento del conjunto giratorio; la rueda de la turbina, el eje y la rueda del compresor. Se trata de un sistema sencillo que utiliza unas pocas piezas, normalmente 1 o 2 cojinetes lisos, un contratope de rodamiento y espaciadores. Además resulta extremadamente fiable y solo necesita dos factores para funcionar de modo eficiente durante la vida útil del turbocompresor: 1. Un suministro de aceite limpio de buena calidad y del grado adecuado. 2. Funcionar dentro del rango de rendimiento de diseño. No obstante, cuando se trata de turbocompresores para aplicaciones de alto rendimiento, la primera condición suele ser fácil de satisfacer, pero por la propia naturaleza de las aplicaciones de alto rendimiento como potenciación de motores o motorsports, la segunda condición se suele transgredir. Los rodamientos de bolas equipados en turbocompresores tienen muchas ventajas sobre los rodamientos para turbo estándar. Por lo general, los rodamientos de bolas pueden alcanzar velocidades más altas, lo que permite que la bomba desarrolle mayor carga de presión. Por último, los rodamientos de bolas requieren menos lubricación y refrigeración que los rodamientos de turbo estándar. Esto supone una mejora secundaria en la eficiencia global del motor.

Figura 19

El cartucho de cojinete de bolas presenta una serie de ventajas sobre los cojinetes hidrodinámicos; en primer lugar absorbe mucha menos potencia: todos los sistemas de cojinetes son “parásitos” ya que utilizan parte de la energía generada por la rueda de la turbina para “impulsar” el sistema de cojinetes. Esto nos lleva a una segunda ventaja importante; el “tiempo de sobrealimentación” se reduce notablemente, para dar una respuesta excepcional a las demandas del conductor en caso necesario.

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Figura 20

También presentan una serie de ventajas adicionales, y todas ellas unidas han llevado a su adopción generalizada en turbocompresores para producción en serie también y la empresa Honeywell se puso al frente con la introducción del primer turbocompresor de cojinetes de bolas del mundo para un vehículo de producción en serie en 2010. Pero no se trata de un cojinete de bolas ordinario: utiliza bolas híbridas cerámicas, como las que se utilizan en el sector aeronáutico y también en la última versión de los turbocompresores de Garrett que resultaron vencedores en las 24 horas de LeMans. Las bolas de nitruro de silicio que funcionan en las pistas de cojinetes de alto nivel eliminan una de las posibles características de desgaste natural de las bolas de acero en las pistas de acero: el desgaste adhesivo. Se produce cuando el desgaste tiene lugar a niveles microscópicos entre las dos superficies de acero, debido a la “soldadura en frío” (adhesión) entre los componentes, y esto puede ocurrir incluso en condiciones normales de carga y lubricación. Esto crea inevitablemente partículas de desgaste que son transportadas por el lubricante y pueden provocar mayor desgaste. Las bolas cerámicas no se pueden “soldar en frío” a las pistas de los cojinetes de acero y, de este modo, se evita este tipo de contaminación del lubricante. Además, las bolas de cerámica son alrededor de un 60 por ciento más ligeras que las de acero y un menor peso supone menos inercia, reducción de las fuerzas centrífugas, menores niveles de vibración y menos acumulación de calor. Además, la reducción del deslizamiento de las bolas permite que las tasas de desgaste sean menores a las de las bolas de acero convencionales.

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Capitulo 6

materiales El turbo compresor debe hacer frene, a solicitaciones extremas que ponen a prueba su integridad y capacidad normal de trabajo. Regimenes que pueden llegar a las 300.000 rpm, temperaturas cercanas a los 1000 °C, vibraciones procedentes del motor son los enemigos del turbo. Se comprenderá entonces que deberá ser construido con los mejores materiales disponibles para llegar a resultados satisfactorios, además de balancear las piezas con movimiento rotatorio. En vista de las muy diferentes condiciones en que deben trabajar, los rotores del turbo no están construidos de materiales iguales. El rotor de la turbina se construye generalmente de una aleación refractaria especial de acero, en vista a las duras exigencias que deben soportar. La elevada temperatura de los gases de escape que toman contacto con el rotor de la turbina causa varios efectos: el primero es que dilata el metal con que esta construida la turbina, por lo tanto, para evitar tener que montar al rotor con excesiva luz, se construye a este con un material poco dilatable y muy resistente a la temperatura, como el “iconel”, que es una marca registrada de una aleación compuesta por 80% de níquel, 14% de cromo y 6% de hierro, que se destaca por su notable resistencia a la corrosión y a la oxidación, incluso con las altas temperaturas. El segundo efecto es que el calor de los gases afecta la dureza y la resistencia mecánica de los metales; por consiguiente deben emplearse aleaciones que como el iconel tengan una gran resistencia mecánica. El tercer efecto es que la temperatura también aumenta el ataque de la oxidación, y debe tenerse en cuenta que los gases contiene una cantidad apreciable de vapor de agua. El rotor del compresor, por su parte esta mucho menos solicitado térmicamente por que esta sumergido en la corriente del aire de admisión, por lo que se lo puede construir de aleación de aluminio, así como su caja. La carcaza del rotor de la turbina es de fundición de hierro, mientras que el eje de los rotores suele ser de acero aleado, de alta resistencia. Los cojinetes están hechos de bronce, mientras que los rodamientos son piezas de acero especial. Muchos turbo también traen una placa de protección térmica en la parte de la turbina fabricada con acero inoxidable. Por ultimo, ciertas juntas de la carcaza del compresor son de papel especial o goma sintética. Los turbos mas solicitados, en virtud de las mayores temperaturas del escape, son los aplicados en los motores a nafta. En los motores diesel mas grandes, los turbocompresores también incluyen componentes elaborados como el “invar”, que además de hierro contiene 36% de níquel y 0,15& de carbono, notable por lo ínfimo de su coeficiente de dilatación.

Ruedas de compresor de titanio Los modernos turbocompresores para vehículos industriales están expuestos en parte a grandes esfuerzos debido a sus amplios campos de aplicación. En muchos casos con esfuerzos extremos es la rueda del compresor de aleación de aluminio la que determina el periodo de vida del turbocompresor. Especialmente en el caso de esfuerzos y cargas

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cíclicas con baja frecuencia se produce una fatiga del material conocida como „Low Cycle Fatigue“ (LCF). Para aumentar le tiempo de vida útil, es posible tomar diferentes medidas. Así por ejemplo es posible reducir la velocidad periférica de la rueda del compresor modificando el diseño aerodinámico o mediante el control o la reducción de la presión de la sobrealimentación. A menudo se emplea también aluminio de una mayor resistencia, como por ejemplo utilizando el procedimiento HIP, para reducir la dispersión en las propiedades de resistencia del material El número cada vez mayor de aplicaciones de motor con altas cargas cíclicas, así como la necesidad de mayores presiones de sobrealimentación para cumplir con las normas más estrictas de emisiones, hacen necesarias más innovaciones más allá de la rueda de compresor fresada de aluminio. Para poder ofrecer una tecnología que resista esos esfuerzos y que garantice el mismo periodo de vida útil bajo condiciones estándar, la empresa BorgWarner Turbo Systems puso en marcha un nuevo programa especial de desarrollo. Los requerimientos especiales a la rueda del compresor hicieron necesario el empleo de un material más valioso, ya que el potencial del aluminio ya no resultaba suficiente. Los ingenieros de BorgWarner Turbo Systems se decidieron por una aleación de titanio que no sólo presenta una mayor resistencia mecánica, sino que además convence con sus excelentes relaciones entre robustez y densidad. Con la rueda de compresor de titanio, se está ahora en condiciones de ofrecer diferentes tecnologías de compresor para requerimientos especiales de aplicación y para cargas cíclicas especiales. De este modo, según cada aplicación, puede decidir entre ruedas de compresor coladas o fresadas de aluminio y entre ruedas de compresor coladas o fresadas de titanio.

Rotores de cerámica El carburo de silicio es la cerámica que suelen emplearse para la construcción de rotores de turbina en los turbos de origen japonés, en remplazo de las aleaciones metálicas a base de níquel. La utilización de la cerámica permite realizar una pieza similar que la metálica, pero de menor peso y de mayor resistencia a las cargas térmicas, soportando hasta 1200 °C. Menor peso del rotor significa una respuesta más rápida al presionar el acelerador, mientras que con mayores temperaturas puede soportar gases de escape mas calientes, lo que se traduce en una mayor respuesta y elasticidad en baja. La cerámica representa sin embargo, el problema de la fragilidad, dado que si bien tiene la dureza muy elevada, es sumamente susceptible a los impactos. Por ello en los motores equipados con turbos cerámicos se coloca una trampa de partículas en el múltiple de escape, para evitar que posibles partículas de carbón impacten contra los alabes del rotor y lo destruyan. Porsche utiliza una cerámica especial a base de titanio de aluminio para formar una pieza con la forma de un tubo corto, que recubre los conductos de escape practicados en la tapa de cilindros de aluminio. Retenes de aceite Los retenes de sellado de los turbos son del tipo aro de pistón y se utilizan para impedir perdidas de aceite en la unidad motora. Estos componentes no soportan el aceite a

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elevada presión, y no existe tampoco riesgo alguno de que aparezcan sobrepresiones en la caja de cojinetes, ya que la salida de aceite tiene un gran diámetro. Si por otra parte, el conducto de salida de aceite esta obturado por formaciones de lodos, el aceite se acumula en la caja de cojinetes y el resultado es a menudo que el aceite sale por los retenes. Los segmentos de los turbos son de acero.

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Capitulo 7

regulación la valvula Watesgate La presión suministrada por un turbocompresor varía con el cuadrado de la velocidad. Por esto si se calcula el compresor para la potencia máxima que puede soportar el motor, sucede que a regimenes inferiores la presión y el caudal resultan netamente menores que los de un compresor volumétrico equivalente. Esto se soluciona con un turbo sobredimensionado capaz de proporcionar la sobrealimentación deseada a bajos regimenes y, para evitar que a altos regimenes el motor alcance una potencia que no podría soportar o este expuesto a detonación, se intercala antes de la turbina una válvula conocida como “wastegate” ( ver foto), que se abra cuando la presión en el conducto del aire alcance el máximo valor permitido.

Figura 21 Valvula watesgate

Cuando el motor gira a plena carga (elevadas revoluciones) la presión en el colector de admisión supera los valores preestablecidos. Esta presión de soplado se transmite del colector de admisión a la válvula wastegate a través del tubo de conexión, que hace desplazar la membrana y esta, a su vez, comprime el muelle de la válvula desplazándola de su asiento. En esta situación parte de los gases de escape dejan de fluir por la turbina del turbocompresor, reduciéndose el efecto del compresor y disminuyendo la presión de alimentación en el lado de admisión. En la Imagen n° 22, se puede observar lo mencionado anteriormente y en la Imagen n° 23 un corte donde puede verse la ubicación de la valvula.

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Figura 22 Figura 23

Regulación de la presión por accionamiento eléctrico La única diferencia con el sistema neumático es que se instala una electroválvula de regulación intercalada en el tubo de unión entre el colector y la válvula mecánica. Esta electroválvula para limitación de la presión de sobrealimentación es excitada por la unidad de control del motor y la señal que reciba va a variar en función de las señales que llegan a la unidad de control, como las revoluciones del motor, temperatura del aire aspirado, presión en el colector de admisión, posición del pedal del acelerador y transmisor altimétrico. Está compuesta por un bobinado eléctrico que controla la posición de un inducido constituido por un émbolo que, al desplazarse, puede cerrar el paso permanente que se establece entre colector de admisión y conducto hacia la wastegate. Según el valor de la corriente recibida en el bobinado, el émbolo pasa a cerrar el conducto de admision y a establecer el paso directo entre presión atmosférica y el conducto hacia la watesgate. Esto se puede observar en la Imagen 23

Figura 24 Figura 25

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La presión de control con que se acciona la válvula wastegate viene determinada por la proporción de periodo de la señal. De esta forma se gestiona la cantidad de caudal de gases de escape que pasa a accionar la turbina del turbocompresor. La presión de control se obtiene por medio de la combinación de la presión atmosférica y la presión de sobrealimentación. Cuando el motor gira a bajas y medias revoluciones, la electroválvula de control deja pasar la presión de sobrealimentación que hay en el colector de admisión (conducto después del compresor) directamente hacia la válvula wastegate, pero esto no se producirá mientras no se supere una presión de soplado suficiente para vencer la fuerza de restitución del muelle de la válvula. Si las revoluciones aumentan demasiado, la fuerza de soplado abrirá la válvula y disminuirá el paso de gases de escape por la turbina, es decir, se disminuirá la sobrealimentación. También puede ocurrir que la unidad de control considere que la presión en el colector puede sobrepasar ciertos límites de funcionamiento (circulación en altitud, elevada temperatura ambiente o aceleraciones fuertes) sin que esto sea un riesgo para el motor. Para ello actuará sobre la electroválvula y comunicará el conducto de presión atmosférica situado antes del compresor (colector de admisión) con el de la válvula wastegate, manteniéndose esta cerrada por no vencerse la presión del muelle, y provocando un aumento de la sobrealimentación al entrar en contacto todos los gases con la turbina.

Electroválvula reguladora de presión de sobrealimentación (TGV) En los turbos de geometría variable la presión de sobrealimentación es regulada en función de un mapa de curvas características programadas en la unidad de control del motor, la cual excita correspondientemente la válvula electromagnética (1) para la limitación de la presión de sobrealimentación. La presión de control, con la que el depresor (2) acciona las varillas que actúan sobre los álabes móviles (3), se determina en función de la proporción de periodo de la señal. A través de los álabes móviles se influye sobre el caudal de los gases de escape que actúan contra la turbina. La presión de control se constituye por una combinación de presión atmosférica y depresión

Figura 26

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Cuando el motor se encuentra en bajas revoluciones, la electroválvula de control es activada cuando recibe la señal de voltaje, cerrando el conducto que proviene de la admisión (presión atmosférica) y abriendo el de depresión (bomba de vacío), con lo que la membrana de la cápsula neumática es absorbida, actuando esta sobre el sistema de varillas y palancas desplazándolas hacia su izquierda. En esta posición los álabes están dispuestos de forma que entre ellos exista la menor sección de paso que hace aumentar las revoluciones de giro de la turbina. Cuando el motor está en altas revoluciones la unidad de control deja de activar la electroválvula y hace desplazar el émbolo de la misma hacia la derecha cerrando el conducto de depresión y abriendo el conducto de presión del colector de admisión. En esta situación la propia presión hace desplazar en sentido de compresión a la membrana de la cápsula, desplazando esta hacia la derecha el sistema de varillas y palancas. En esta posición se desplaza al conjunto de aletas móviles a la posición de mayor sección de paso. Con esto se reduce la velocidad de los gases de escape que pasan por la turbina y, como consecuencia, se minimiza la presión de sobrealimentación de la rueda compresora. Existe una posición intermedia de la electroválvula en la cual se obtiene igualmente una posición equilibrada de sección de paso de los gases de escape entre los álabes móviles, correspondiendo esta situación a la de carga parcial del motor Las ventajas del turbocompresor de geometría variable con respecto al turbocompresor convencional se pueden resumir en los siguientes puntos: – Mantienen la presión de sobrealimentación casi constante en todos los regímenes de funcionamiento. – Permiten conseguir un aumento de la potencia y del par entre un 10 y un 20%. – Mejoran el consumo de combustible y disminuyen la contaminación al tener una combustión más completa en todos los regímenes. – Consiguen una curva de potencia muy progresiva. – Consiguen un mayor par motriz a bajos regímenes.

– Consiguen una mayor potencia máxima a altos regímenes

Figura 27

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Capitulo 8

La búsqueda del mejor turbo

Figura 28

Turbo de geometría variable Los turbocompresores de geometría variable tienen la característica de que a bajas revoluciones del motor se nota su efecto, eliminando el gran inconveniente de los turbocompresores de geometría fija. Son los más implantados en vehículos modernos. Su funcionamiento es similar a los de geometría fija, pero con la salvedad de que estos no necesitan de una válvula de descarga, puesto que el sistema puede hacer disminuir el giro de la turbina y, por tanto, rebajar la presión a los valores preestablecidos en determinados modos de funcionamiento del motor. La gestión electrónica en este caso es la encargada de hacer disminuir o aumentar la fuerza que ejercen los gases de escape sobre la turbina. Con esto se consiguen tiempos de respuesta del turbo muy breves, además de velocidad de gases alta y un funcionamiento progresivo de la turbina desde bajos regímenes. Para conseguir los efectos anteriormente expuestos se ha dispuesto en la turbina de escape del turbocompresor una corona con un número de álabes móviles en su periferia. La corona, a su vez, se encuentra unida a una varilla y esta a una cápsula neumática dividida en dos cámaras. Teniendo en cuenta que la presión que ejercen los gases de escape está relacionada con el número de revoluciones del motor, se podrán obtener diferentes regímenes de funcionamiento de la turbina según la orientación que tomen las paletas o álabes móviles, es decir, se variará la sección de paso de los gases de escape.

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Figura 29

Funcionamiento con bajos regímenes de rotación del motor En un turbocompresor convencional, en este estado de funcionamiento la presión que ejercerían los gases de escape sería baja, produciendo un giro lento de la turbina de escape y, como consecuencia, una presión de sobrealimentación mínima. Sin embargo, en un turbo de geometría variable, los álabes móviles se encuentran cerrados en su totalidad de forma que la sección de paso entre ellos es mínima. Esto hace aumentar la velocidad de los gases a su paso por ellos, creando una mayor velocidad de giro de la turbina y, por tanto, del compresor, aumentando la sobrealimentación en estos regímenes bajos.

Funcionamiento con regímenes altos de rotación del motor Al aumentar la velocidad de giro aumenta de igual forma la velocidad de los gases de escape y, por tanto, su energía cinética. En esta situación, del mismo modo se eleva la velocidad del rotor del turbocompresor, aumentando la presión de sobrealimentación y actuando esta a través de un tubo de conexión sobre la membrana de la cápsula neumática, que hacer variar por medio del conjunto de varillas la posición de los álabes móviles. La posición final de los álabes móviles dependerá de la presión de sobrealimentación, estando estos totalmente abiertos (mayor sección de paso de gases) cuando se alcancen los valores máximos de presión establecidos. Con este aumento de la sección de paso de los gases de escape va a disminuir la velocidad con la que van a incidir en el rotor de la turbina, obteniéndose velocidades de giro del compresor iguales o inferiores a las conseguidas con regímenes bajos.

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Turbocompresor con turbina de doble entrada

El objeto de un turbocompresor de doble entrada (figura 29) es aprovechar mejor la presión de los gases de escape para impulsar la turbina. Las turbinas de doble entrada permiten optimizar los impulsos producidos por los gases de escape, ya que se alcanza una relación de presiones en la turbina más alta en menos tiempo. Así, al incrementar la relación de presiones, aumenta el rendimiento, mejorando el crítico intervalo de tiempo cuando un flujo de masa elevado y más eficiente circula a través de la turbina. Como resultado de este mejor aprovechamiento de la energía producida por los gases de escape, mejoran las características de presión de sobrealimentación del motor y, por ende, también el funcionamiento del par motor, especialmente a bajas velocidades del motor. En un colector de escape en el que están comunicados todos los cilindros, hay pérdidas de presión provocadas por el hecho de que una parte de los gases de escape es reaspirada por el motor. En mayor o menor medida, puede haber un retraso en el cierre de las válvulas de escape: permanecen abiertas cuando comienza la carrera de admisión. En ese caso, parte del gas de escape vuelve a entrar en el motor por las válvulas de escape Con el turbocompresor de doble entrada, lo que se consigue es separar al cilindro que suministra la presión en el colector en un momento determinado (el que está en la carrera de escape) del que puede provocar una reaspiración del gas de escape y, con ello, una reducción de la presión (el que está en la carrera de admisión).

Figura 30

Para evitar que los distintos cilindros interfieran entre sí durante los ciclos de intercambio de carga, se conectan dos cilindros a un colector de gases de escape distintos (figura 30). Las turbinas de doble entrada permiten entonces que se insufle el caudal de gases de escape por separado a través de la turbina.

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Figura 31

El turbocompresor de doble entrada sólo es necesario cuando efectivamente puede haber una reaspiración de gases de escape.

Figura 32 Corte de un turbo doble entrada

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Sobrealimentación regulada de 2 etapas

Las metas básicas perseguidas en el desarrollo de motores futuros de combustión para turismos y aplicaciones industriales requieren sistemas de sobrealimentación más desarrollados. El diseño de un sistema se sobrealimentación tal en lo relativo a la potencia nominal del motor por una parte, y el comportamiento transitorio y el rango de revoluciones máximo por otra parte conducen a un conflicto en los fines perseguidos. Para el punto de la potencia nominal se requiere un turbocompresor de gases de escape relativamente grande. El deseo de obtener una presión de carga muy alta ya a revoluciones bajas implica por el contrario que las turbinas y el compresor tienen que ser considerablemente menores. Lo ideal sería, por tanto, una combinación de ambos.

Figura 33

Para solucionar este conflicto en los fines perseguidos, la empresa BorgWarner Turbo Systems ha desarrollado una sobrealimentación regulada de 2 etapas. Ella se corresponde con esa estructura ideal antes esbozada y permite una adaptación variable continua para todo motor de parte de las turbinas y del compresor. Con este procedimiento de sobrealimentación de nuevo desarrollo, ofrece a los fabricantes de motores otro sistema de turbo alimentación extremadamente potente para generaciones futuras de motores que satisfacen los más altos requerimientos relativos al desarrollo de la potencia, al consumo y a la conservación del medioambiente. La sobrealimentación regulada de 2 etapas es una conmutación en serie de dos turbocompresores de diferente tamaño con una regulación de derivación. El flujo de masas gases de escape proveniente de los cilindros fluye primero en la conducción colectora de gases de escape. Desde aquí existe la posibilidad o bien de expandir la totalidad del flujo de masas de gases de escape a través de la turbina de alta presión , o bien de desviar una parte del mismo a través de la conducción de derivación de la turbina de baja presión. La totalidad del flujo de masas de gases de escape es utilizada de nuevo por la turbina de baja presión conectada después. La totalidad del flujo de masas de aire fresco es precomprimido primero por la etapa de baja presión. Seguidamente, en la etapa de alta presión tiene lugar otra compresión y la refrigeración del aire cargado. Debido a la precompresión, el relativamente pequeño compresor trabaja a un nivel de presión mayor, de manera que puede transformar el flujo de masas de aire requerido.

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A un nivel bajo de revoluciones, es decir con un volumen de flujo de masas de aire de escape menor, la derivación permanece completamente cerrada y la totalidad del flujo de masas se expande a través de la turbina de alta. De este modo se obtiene una presión de sobrealimentación rápida y elevada. Conforme mayores son las revoluciones del motor, el trabajo de expansión es derivado continuamente a la turbina de baja aumentando la sección de derivación correspondientemente. La sobrealimentación regulada de 2 etapas permite así una adaptación continua de parte de las turbinas y del compresor a los requerimientos de la operación del motor. La regulación del sistema puede tener lugar mediante actuadores neumáticos que actúan sobre válvulas de derivación empleadas en grandes serie en turbocompresores con válvulas de mariposa para la regulación de la presión de sobrealimentación. Con ello es posible, conociendo detalladamente el complejo comportamiento del sistema, representar un sistema compacto de sobrealimentación que, empleando componentes acreditados, satisface los más altos requerimientos al par motor, al comportamiento de respuesta y a la potencia

Tecnología dual boost

Se trata de un diseño novedoso, lo que realmente hace destacar a este turbo es su tecnología de compresor, que ayuda a obtener un rendimiento de casi dos fases en una sola unidad.

Figura 34 Figura 35

Las ventajas de tener dos ruedas compresoras alimentando a un motor son de sobra conocidas, y las instalaciones de turbo de dos etapas son cada vez más frecuentes. Sin embargo, el espacio disponible para albergar este sistema suele estar restringido, así que lo que han logrado hacer los ingenieros de la empresa Honeywell con DualBoost es combinar el flujo de aire procedente de dos ruedas compresoras en un solo turbo. En realidad, las “dos” ruedas de compresor funcionan como una sola pieza, con palas en espejo que giran dentro de un alojamiento de compresor de aspecto complejo (formado por tres componentes distintos) con dos entradas distintas del compresor y una sola salida común. Las dos secciones de entrada de los alojamientos de compresor también incorporan cubiertas con orificios, lo que amplía el rango de flujo operativo del compresor.

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eBOOSTER

El consumo y la emisión de contaminantes representan un papel cada vez más importante en el desarrollo de nuevas generaciones de motores. Además de la progresiva optimización del consumo de motores diésel, los fabricantes de automóviles cada vez se centran más en el desarrollo de motores nafteros de menos consumo y más limpios. Planteamientos prometedores para la reducción del consumo son por ejemplo la reducción de la cilindrada y la reducción del número de cilindros del motor de combustión. Sin embargo, las perdidas de potencia y de comodidad de conducción del motor de menor cilindrada frente a sus familiares más potentes, especialmente la debilidad de par motor en el rango inferior de revoluciones, tienen que ser compensadas mediante el empleo de un sistema de turbo alimentación apropiado y de más rendimiento. Junto a los turbocompresores con turbina variable o la sobrealimentación regulada de dos etapas cada vez se discuten más como solución también los sistemas de sobrealimentación con soporte eléctrico. La empresa BorgWarner Turbo Systems ha impulsado con énfasis el desarrollo del novedoso concepto eBOOSTER®. Este sistema de turbo alimentación con soporte eléctrico se sirve de un compresor de flujo accionado por un motor eléctrico como componente previo o posterior de un turbocompresor. Al contrario que los turbocompresores con soporte eléctrico, este sistema funciona con dos etapas – como conexión en serie de dos máquinas de flujo. Con ello se multiplican las relaciones de presión de ambos grupos de sobrealimentación

Figura 36

Por medio del empleo de compresores de flujo a la medida el uno del otro, resulta posible adaptar óptimamente la totalidad del sistema a la finalidad correspondiente y ampliar el campo característico total. eBOOSTER® y los turbocompresores de gases de escape representan además grupos separados. Ello tiene la excelente ventaja de que con un posicionamiento correspondiente la carga termomecánica de los componentes eléctricos y electrónicos resulta considerablemente menor que con los turbocompresores con soporte eléctrico.

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El eBOOSTER® permite desarrollar motores de sobrecarga pequeños y de bajo consumo cuyo comportamiento dinámico se corresponde con el de un motor de atmosférico grande de la misma potencia. La superioridad de eBOOSTER®ha podido ser demostrada de forma impresionante en estrecha cooperación con diversos marcas tanto para motores de gasolina como para motores diésel.

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Capitulo 9

Otros sistemas de sobrealimentación

Compresor rotativo roots

Este compresor de accionamiento mecánico pertenece al grupo de los denominados compresores rotativos. El compresor roots, fue inventado por un herrero ingles que le dio su nombre hace poco más de un siglo y medio. El compresor al ser del tipo volumétrico, significa que a cada vuelta impulsa siempre el mismo volumen de aire. Debido a las pérdidas inevitables, la presión, a la salida del compresor, varía con la velocidad. Esta propiedad, común a todos los compresores volumétricos, los hace particularmente apropiados para la sobrealimentación de los motores de automóviles. Este compresor consta de una carcasa en cuyo interior giran dos impulsores con dos o tres lóbulos. La forma de la sección transversal de los impulsores es, pues la de un ocho o un trébol. Los dos rotores giran en sentido contrario y van acoplados a engranajesexteriores.

Figura 37

El compresor aplicado al motor nafta ofrece una rapidez de respuesta superior a la del turbocompresor y altos valores del par motriz. Pero al contrario de lo que sucede con el turbo, el compresor roots es accionado mecánicamente por medio del cigüeñal. Esto significa una desventaja, dado que el comando mecánico absorbe potencia del motor.

El compresor comprex

En el comprex el vinculo entre el compresor y la turbina de los turbos no existe. En lugar de ello, la energía requerida para comprimir el aire es transferida por un breve y

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directo contacto entre la corriente del gas de escape y el aire fresco (que no se mezclan ni se diluyen a causa del elevado gradiente de temperatura que los separa) por medio de ondas de presión que se desplazan a la velocidad del sonido.

Figura 38

El intercambio de energía tiene lugar en células axiales y rectas, dispuestas en un rotor que gira dentro de un cuerpo cilíndrico. Estas aberturas están conectadas con la entrada de aire fresco y con la salida de gases de escape. El rotor es empleado únicamente para el control del proceso de ondas de presión, y es impulsado por una correa desde el motor.

Figura 39 Corte de un compresor comprex

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Al igual que con el compresor volumétrico, con el compres el aire de alimentación entra en sobreprecio con independencia de la cantidad del gas de escape. El compres consume del 1 al 2% de la potencia entregada por el motor y es de dimensiones compactas. El compresor G Uno de los mejores dispositivos dentro del campo de la sobrealimentación por medio de compresores volumétricos es el construido por Volkswagen. El compresor G, es un compresor es espiral y se diferencia de otros modelos sobre todo por que su diseño elimina los elementos en rotación para conseguir la circulación del aire.

Figura 40

En este compresor, 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 este 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.

Figura 41 Corte de un compresor G

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Compresor Lysholm

Esta compuesto por dos piezas helicoidales que giran engranadas. El aire entra entre estas dos piezas que al girar disminuyen el volumen de las cavidades donde está alojado el aire y aumentan su presión. Normalmente es movido por el cigüeñal a través de una correa y presentan rendimientos del 80%. Se suele usar en motores gasolina.

Figura 42

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lado ingreso

lado de descarga

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Bibliografía

- motores de combustión interna. Dante Giacosa - sistemas de cojinetes para turbos. Turbo Bulletin by Garret - Turbocompresores de cojinetes de bolas. Turbo Bulletin by Garret - tecnologia dual boost. Turbo Bulletin by garret - Cojinetes contra Rodamientos. Bulletin B Sports & Racing TM - Turbos refrigerados por agua. Bulletin B Sports & Racing TM - turbocompresores. Gualtieri Pablo - sobrealimentación de motores. Revista de electromecánica - lubricantes y lubricación. Centro técnico Shell - sitio web de BorgWarner - sitio web Zeki turbo- google imagenes