TURBOCOMPRESORESSobrealimentacin con gases de escapeLos
turbocompresores son unidades que consisten de una turbina de gas y
un compresor centrfugo coaxiales.Los gases de escape provenientes
del motor llegan a la turbina, la que aprovecha parte de la energa
que de otro modo se desperdiciara y que es utilizada para mover el
compresor. La funcin de este ltimo es suministrar el aire requerido
por el motor, a una presin superior a la atmosfrica, logrando as un
mejor llenado.-Un motor turboalimentado presenta dos fases de
funcionamiento: una atmosfrica y otra sobrealimentada. Para llegar
a esta ltima fase (presin de admisin superior a la atmosfrica) el
turbo debe haber alcanzado un rgimen determinado. La aparente
sencillez de su funcionamiento tiene como base el aprovechamiento
de la velocidad de los gases de escape del motor antes de salir a
la atmsfera (2), para convertirla en presin. Los gases de escape
(3) son obligados a pasar por la tobera de la caja espiral de la
turbina (1) y as aprovechar su energa para hacer girar a sta y una
vez que han cedido su calor y presin, salir expulsado al exterior a
travs del sistema de escape.- Este dispositivo ha sido proyectado
para aumentar la eficiencia total del motor. La energa para el
accionamiento del turbocompresor se extrae de la energa
desperdiciada en el gas de escape del motor. Est compuesto de una
rueda de turbina y eje, una rueda de compresor, un alojamiento
central (housing) que sirve para sostener el conjunto rotatorio,
cojinetes, un alojamiento de turbina y un alojamiento de
compresor.-
La rueda motriz de turbina (A), situada en la voluta de escape
(B), est montada en un extremo del eje (F). La rueda del compresor
(D) est ubicada en el alojamiento de la voluta compresor (E) y est
montada en el extremo opuesto del eje de la rueda de turbina para
formar un conjunto integral rotatorio.-
El conjunto rotatorio se compone de una rueda de turbina y eje
formando conjunto, un espaciador de empuje, rueda de compresor y
tuerca de retencin de rueda, apoyndose sobre dos cojinetes
lubricados a presin mantenidos en el alojamiento central por aros
seeger. Conductos internos de aceite estn perforados en el
alojamiento central para proveer lubricacin y refrigeracin a los
cojinetes de eje de rueda de turbina, la arandela de empuje,
collarn de empuje y espaciador.-
Vista explotada y despiece
.
La voluta de la turbina o caja espiral es una pieza de fundicin
de aleacin resistente al calor que aloja la rueda de turbina y
proporciona una entrada bridada de gas de escape del motor y una
salida axialmente situada de gas de escape del turbocompresor. La
caja espiral va encastrada al extremo del housing central,
proporcionando as un conjunto compacto y libre de vibraciones.La
caja espiral del compresor que aloja la rueda de compresor provee
una entrada de aire de ambiente previamente filtrado y una salida
de descarga de aire comprimido y est sujeta por abrazaderas al
extremo de compresor del housing central.-Segn el mtodo empleado
para conseguir esta densidad superior a la normal (comprimir el
aire) podemos distinguir:
Compresores Volumtricos: utilizan parte del par transmitido por
el motor. Turbocompresores donde se aprovecha la energa de los
gases de escape.
Los compresores volumtricos funcionan acoplados directamente al
cigeal del motor, que transmite el giro a alguna parte del
compresor volumtrico (segn del tipo que se trate) que a su vez
introduce el aire a alta presin en los cilindros del motor. La
ventaja fundamental sobre los turbocompresores es que los efectos
de los compresores volumtricos se aprecian incluso a regmenes bajos
del motor. Su desventaja es que roban parte de la potencia del
motor para poder funcionar aunque luego la devuelven con
creces.
Ciclos de Funcionamiento del Turbo Funcionamiento a ralent y
carga parcial inferior: En estas condiciones el rodete de la
turbina de los gases de escape es impulsada por medio de la baja
energa de los gases de escape y el aire aspirado por los cilindros
no ser pre-comprimido por la turbina del compresor, simple
aspiracin del motor.-
Funcionamiento a carga parcial media: Cuando la presin en el
mltiple de aspiracin (entre el turbo y los cilindros) se acerca a
la atmosfrica, se impulsa la rueda de la turbina a un rgimen de la
turbina de revoluciones ms elevado y el aire aspirado por el rodete
del compresor es pre-comprimido y conducido hacia los cilindros
bajo presin atmosfrica o ligeramente superior, actuando ya el turbo
en su funcin de sobrealimentacin del motor.-
Funcionamiento a carga parcial superior y plena carga: En esta
fase contina aumentando la energa de los gases de escape sobre la
turbina del turbo y se alcanzar el valor mximo de presin en el
colector de admisin que debe ser limitada por un sistema de control
(vlvula de descarga). En esta fase el aire aspirado por el rodete
es comprimido a la mxima presin.Corte conjunto turbocompresorEl
turbocompresor est compuesto de tres secciones: la carcasa central,
la turbina y el compresor.La carcasa central contiene dos cojinetes
planos, juntas de tipo segmento y un manguito de separacin. Posee
tambin conductos para el suministro y vaciado del aceite que entra
y sale de la carcasa.La rueda de la turbina gira dentro de su
carcasa y es solidaria con el eje central, que gira apoyado en unos
cojinetes lisos, acoplados en el interior de la carcasa central. La
rueda del compresor, que se monta en el otro extremo del eje, forma
con la de la turbina un conjunto de rotacin simultnea. Regulacin de
la presin del turboPara evitar el aumento excesivo de vueltas en la
turbina y compresor como consecuencia de una mayor presin de los
gases a medida que se aumentan las revoluciones del motor, se hace
necesaria una vlvula de seguridad (4 ) (tambin llamada vlvula de
descarga o vlvula waste gate). Esta vlvula est situada en derivacin
y manda parte de los gases directamente a la salida de escape sin
pasar por la turbinaLa vlvula de descarga o waste gate est formada
por el muelle (3), una cmara de presin y un diafragma o membrana (
2 ). El lado opuesto del diafragma esta permanentemente
condicionado por la presin del mltiple de admisin al estar
conectado al mismo por un tubo (1). Cuando la presin del mltiple de
admisin supera el valor mximo de seguridad, desva la membrana y
comprime el muelle de la vlvula despegndola de su asiento. Los
gases de escape dejan de pasar por la turbina del sobrealimentador
(pasan por el bypass (9) ) hasta que la presin de alimentacin
desciende y la vlvula se cierra.-
La presin mxima a la que pude trabajar el turbo la determina el
fabricante y para ello ajusta el tarado del resorte de la vlvula de
descarga. Este tarado debe permanecer fijo a menos que se quiera
intencionadamente manipular la presin de trabajo del turbo. En el
caso en que la vlvula fallase, se origina un exceso de presin sobre
la turbina que la hace girar cada vez a un mayor nmero de
revoluciones, lo que puede provocar que la lubricacin sea
insuficiente y se rompa la pelcula de lubricante entre el eje comn
y los cojinetes donde se apoya. Aumentando la temperatura de todo
el conjunto y provocando que se fundan estos componentes previo
agarrotamiento. Un turbocompresor alcanza velocidades por encima de
las 100.000 rpm, por lo tanto, hay que tener muy en cuenta el
sistema de lubricacin de los cojinetes en donde apoya el eje comn
de los rodetes de la turbina y del compresor. Tambin hay que
destacar que las temperaturas a las que va a estar sometido el
turbo por los gases de escape sern muy elevadas (alrededor de 700
C).- Temperatura de funcionamientoComo se observa en la figura las
temperaturas de funcionamiento en un turbo son muy diferentes,
teniendo en cuenta que la parte de los componentes que estn en
contacto con los gases de escape pueden alcanzar temperaturas muy
altas (alrededor de los 650 C), mientras que los que estn en
contacto con el aire de aspiracin slo alcanzan 80C.- Estas
diferencias de temperatura concentrada en una misma pieza (eje
comn) determina valores de dilatacin diferentes, lo que aumenta las
dificultades a la hora del diseo de un turbo y la eleccin de los
materiales que soportan estas condiciones de trabajo adversas.-El
tubo se refrigera en parte adems de por el aceite de lubricacin,
por el aire de aspiracin cediendo una determinada parte de su calor
al aire que fuerza a pasar por el rodete del compresor: un
calentamiento excesivo no resulta nada favorable para el motor ya
que no solo dilata el aire de admisin de forma que le resta
densidad y con ello riqueza en oxigeno, si no que, adems, el aire
demasiado caliente en el interior del cilindro dificulta la
refrigeracin de la cmara de combustin durante el barrido al entrar
a una temperatura superior a la del propio refrigerante lquido.-
Lubricacin del turbocompresor Como el turbo est sometido a altas
temperaturas de funcionamiento, la lubricacin de los cojinetes
deslizantes es muy comprometida por someterse el aceite a altas
temperaturas y desequilibrios dinmicos de los dos rodetes en caso
que se le peguen restos de aceites o carbonillas a las paletas
curvas de los rodetes (alabes de los rodetes) que producirn
vibraciones con distintas frecuencias que pueden romper la pelcula
lubricante.-Adems el eje del turbo est sometido en todo momento a
altos contrastes de temperaturas en donde el calor del extremo
caliente se transmite al lado ms fro lo que acenta las exigencias
de lubricacin porque se puede carbonizar el aceite.-Es mandatorio
despus de una utilizacin severa del motor con recorridos largos a
altas velocidades, NO parar inmediatamente al motor sino dejarlo
funcionar en ralent un mnimo de 30 segundos para garantizar una
lubricacin y refrigeracin optima para cuando se vuelva arrancar de
nuevo. El cojinete del lado de la turbina puede calentarse
extremadamente si el motor se apaga inmediatamente despus un uso
intensivo.-
Interenfriadores (Intercooler)Cuando el sobrealimentador
comprime el aire de admisin ste se calienta debido a la compresin y
si no lo enfriamos, la compresin posterior por el pistn insumir ms
trabajo al motor. Para superar esta condicin, algunos motores
sobrealimentados estn equipados con un interenfriador (. Este est
instalado entre el sobrealimentador y el colector de admisin del
motor- El interenfriador reduce la temperatura del aire comprimido
en 27 a 30 C. Esto hace que el aire sea ms denso.
El principal resultado de la utilizacin de turbocompresores
es:A- Ms potencia especfica: Se provee suficiente aire para quemar
ms combustible, resultando en mayor potencia desarrollada para el
mismo motor.B- Menor consumo especfico.
El turbocompresor comnmente utilizado tiene una pequea
desventaja, que es el funcionamiento a bajo nmero de revoluciones,
esto hoy en da se ha solucionado con los turbocompresores de
geometra variable.-
Turbos de Geometria VariableTal como hemos dicho en el prrafo
anterior, los turbos convencionales tienen el inconveniente que a
bajas revoluciones del motor el rodete de la turbina apenas es
impulsada por los gases de escape, por lo que el motor se comporta
como si no lo tuviese.-Se pens que esto se podra solucionar
utilizando un turbo pequeo de bajo soplado que comenzase a
comprimir el aire desde muy bajas revoluciones, pero esto tiene
como inconveniente que a altas revoluciones del motor el turbo de
bajo soplado no tiene capacidad suficiente para comprimir todo el
aire que necesita el motor, por lo tanto, la potencia que ganamos a
bajas revoluciones la perdemos a altas revoluciones. Para corregir
este inconveniente se ha buscado la solucin de dotar a una misma
mquina soplante con la capacidad de comprimir el aire con eficacia
tanto a bajas revoluciones como a altas, para ello se han
desarrollado los turbocompresores de geometra variable.-
FuncionamientoEl turbo VGT (Variable Geometry Turbo) se
diferencia del turbo convencional en la utilizacin de un plato o
corona en el que van montados unos alabes mviles que pueden ser
orientados (todo a la vez) un ngulo determinado mediante un
mecanismo de varilla y palancas empujadas por una cpsula parecida a
la que usa la vlvula wastegate.-
Para conseguir la mxima compresin del aire a bajas r.p.m. deben
cerrarse los alabes ya que disminuyendo la seccin entre ellos,
aumenta la velocidad de los gases de escape que inciden con mayor
fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina (menor seccin
mayor (ve locidad): Cuando el motor aumenta de r.p.m. y aumenta la
presin de soplado en el mltiple de admisin, la cpsula neumtica lo
detecta a travs de un tubo conectado directamente al mltiple de
admisin y lo transforma en un movimiento que empuja el sistema de
mando de los alabes para que estos se muevan a una posicin que hace
disminuir la velocidad de los gases de escape que inciden sobre la
turbina (mayor seccin menor velocidad).-Los alabes van insertados
sobre una corona, pudiendo regularse el vstago roscado de unin a la
cpsula neumtica para que los alabes abran antes o despus. Las
posiciones fundamentales que puede adoptar lo alabes se describen
en el grfico de la pgina siguiente.-En las figuras siguientes vemos
como los alabes adoptan una posicin cerrada que apenas deja espacio
para el paso de los gases de escape. Esta posicin la adopta el
turbo cuando el motor gira a bajas revoluciones y la velocidad de
los gases de escape es baja. Con ello se consigue acelerar la
velocidad de los gases de escape, al pasar por el estrecho espacio
que queda entre los alabes, que hace incidir con mayor fuerza los
gases sobre la turbina. Tambin adoptan los alabes esta posicin
cuando se exige al motor las mximas prestaciones partiendo de una
velocidad baja o relativamente baja, lo que provoca que el motor
pueda acelerar de una forma tan rpida como el conductor lo exige,
por ejemplo en un adelantamiento o una aceleracin brusca del
automvil.-
En la posicin del centro los alabes toman una posicin ms abierta
que se corresponde a un funcionamiento del motor con un rgimen de
revoluciones medio y marcha normal, en este caso el turbo VTG se
comportara como un turbo convencional. Las paletas adoptan una
posicin intermedia que no interfieren en el paso de los gases de
escape que inciden sin variar su velocidad sobre la turbina.-En la
figura de la derecha los alabes adoptan una posicin muy abierta
debida a que el motor gira a muchas revoluciones, los gases de
escape entran a mucha velocidad en el turbo haciendo girar a la
turbina muy deprisa. La posicin muy abierta de los alabes hacen de
freno a los gases de escape por lo que se limita la velocidad de la
turbina. En este caso, la posicin de los alabes cumplen la funcin
que realizaba la vlvula wastegate en los turbos convencionales, es
decir, la de limitar la velocidad de la turbina cuando el motor
gira a altas revoluciones y hay una presin muy alta en el mltiple
de admisin, esto explica por qu los turbos VGT no tienen vlvula
wastegate.-
Resumiendo, podemos decir que las ventajas del turbocompresor
VTG son: La geometra variable, mejora la respuesta del turbo a
bajas revoluciones. Optimiza el rendimiento del turbo a todos los
regmenes del motor. Reduce el consumo. La grfica nos muestra el
aumento de performance de un motor con un turbo VTG comparado con
uno que posee un turbo convencional. El turbo de geometra variable
genera un 25 % ms de torque y a ms bajas vueltas que los turbos
convencionales se encarga de regular la presin que llega a la
cpsula.
DIAGRAMA p-v Otto TURBOCOMPRESOR
Seleccin de un turbocompresor (ejemplo orientativo)Tenemos un
motor diesel de 4 tiempos de 220 CV, con un volumen de embolada
total de 12 litros, que opera por aspiracin normal a 2300 rpm con
una eficiencia volumtrica del 85 % del volumen total de
embolada.-
Este motor evolucionar un caudal de Segn SAE las condiciones de
ensayo son P = 730,7 mm Hg, Humedad = 50%, T = 29 C, lo que nos da
un peso especfico aprox. del aire aire = 1,12 Kg/ m3.-Considerando
la eficiencia volumtrica en realidad evolucionar:13,8 m3 aire/ min
x 0,85 = 11,73 m3 aire/ minEl peso del aire ser:11,73 m3 x 1,12 Kg
= 13,13 Kg min m3 minConsiderando un consumo de combustible
especfico de 181,43 grs/HP h a plena carga y con una relacin aire
combustible de 20/1.-Por ser de aspiracin natural tendr disponible
13,13 Kg aire/min para efectuar la combustin, pudiendo quemar 1 Kg.
de combustible por cada 20 Kg. de aire (1/20) por lo tanto este
motor quemar
= 0,656 Kg.comb/ min = 39,36 Kg. comb/hora 40 Kg. comb/horaAhora
analizaremos las caractersticas del turbocompresor suponiendo
querer aumentar la potencia en un 40 %, es decir 220 CV x 1,4 310
CV.-Para su seleccin primero comenzaremos por calcular la variacin
de la densidad del aire que debe producir el mismo partiendo del
caudal volumtrico que aspira el motor.-Por aspiracin normal dicho
motor tiene una eficiencia de llenado volumtrico del 85 %, ahora
con el turbocompresor la misma aumentar hasta aproximadamente el 90
%.-
El aumento porcentual de la eficiencia ser = 1,0588 6 %.-Por lo
tanto las condiciones de admisin mejorarn manejando entonces un
caudal de aire igual a:11,73 m3 aire/min x 1,06 12,43 m3
aire/minConsiderando el aire = 1,12 Kg/ m3 el peso del aire
ser:12,43 m3 aire/min x 1,12 Kg/ m3 14 Kg. aire /minPara poder
producir 40 % ms de potencia el motor deber quemar un 40 % ms de
combustible, manteniendo siempre la relacin 20/1.-Por lo tanto
debemos introducir en el motor un 40 % ms de flujo de aire, o sea
el compresor deber proveer:13,13 Kg. aire / min x 1,40 = 18,38 Kg.
aire / minEl volumen de aire ser:
= 16,4 m3/min El flujo volumtrico de llenado de 12,43 m3
aire/min lo dar la embolada del motor lo que implica que la
diferencia de aire a insuflar al mismo se lograr solamente a
expensas del aumento de la presin del aire lo que se logra mediante
el turbocompresor.-Por lo dicho, el motor para desarrollar 310 CV
necesitar 18,38 Kg. aire / min a una presin que hasta ahora no
conocemos, pero sabemos que deber ser superior a la normal.-El
volumen de aire a aspirar por el turbocompresor ser:
V = = 16,4 m3/minEl volumen de aire que el motor est en
condiciones de bombear por propio volumen de embolada es 12,43 m3
aire / min.-La relacin entre volmenes nos dar la relacin de
densidad:
Con este valor se deber seleccionar el turbocompresor utilizando
el mapa del turbo que entendemos cumple con los parmetros de
volumen y relacin de compresin necesarios para esa relacin de
densidad.-
Con esta relacin de volmenes y teniendo en cuenta que es una
compresin isentrpica, calcularemos la relacin de presiones.
Siendo p1 la presin atmosfrica, k1 = 1,4 y la relacin
tenemos:
Calculada p2 = 1,5 atmsfera y siendo p1 = 1 atmsfera la relacin
de presin es 1,5. Con este valor y el del caudal gravimtrico
entraremos en las curvas caractersticas de los turbocompresores y
elegimos uno que se adapte a nuestras necesidades. Lograr que la
operacin a altas potencias se realice en la zona de altos del
turbocompresor es muy importante.Lo ideal es que el turbo trabaje
en zonas no muy alejadas del mximo rendimiento, a lo sumo un 20 25
para cada lado del mismo.Superado estos valores comienzan los
problemas: a la derecha aumenta mucho la velocidad de trabajo y con
ello aparecen problemas de bombeo; y si el desplazamiento es
demasiado a la izquierda los problemas que surgen son debido a que
no se logra la presin necesaria.
Curvas Caractersticas MAPA de un Turbocompresor
A