sistemas de sobrealimentacion libro de clase

SUMARIO

■ Turbocompresores

■ Compresores

volumétricos

■ Sistemas biturbo

■ Mantenimiento del turbo

Sistemas de sobrealimentación99u

ni

da

d

OBJETIVOS

·· Conocer el concepto de la sobrealimentación.

·· Conocer los diferentes tipos de sobrealimentación.

·· Conocer en profundidad los turbocompresores de geometría

fija y variable.

·· Aprender la gestión electrónica de algunos sistemas

sobrealimentados.

·· Identificar sobre vehículos los componentes de la

sobrealimentación.

SAMunidad09 7/2/08 16:45 Página 408

440099Unidad 9 - Sistemas de sobrealimentación

Comienzos del turbo

La sobrealimentación de motores esmuy antigua; existen patentes que sonanteriores al siglo XX. El ingeniero suizo A. Büchi en 1905 patentó la pri-mera idea similar a lo que es un turbo-compresor y que completó en 1910 conun sistema idéntico a los que ahora se están utilizando.

Principales fabricantes de turbos

Hay dos fabricantes principales a la ho-ra de construir máquinas para sobreali-mentar motores compresores:

– Garret.– Kkk.

También están IHI, MHI (Mitsubishi) y Holset.

A B

1 2

3

1

2

9.1. Turbocompresor y compresor volumétrico.

1 >> Introducción

La aparición de la sobrealimentación dentro del motor ha conseguido man-tener la potencia en condiciones adversas en donde la presión es más baja yla cantidad de mezcla que se introduce al motor es menor, como puede ocu-rrir en trayectos de montaña a gran altitud o zonas de altas temperaturas.

LLaa ssoobbrreeaalliimmeennttaacciióónn ccoonnssiigguuee aauummeennttaarr eell ppaarr mmoottoorr yy llaa ppootteenn--cciiaa ddeell vveehhííccuulloo ssiinn vvaarriiaarr llaa cciilliinnddrraaddaa nnii eell rrééggiimmeenn ddeell mmoottoorr,, eellee--vvaannddoo eell vvaalloorr ddee llaa pprreessiióónn mmeeddiiaa eeffeeccttiivvaa ddeell cciilliinnddrroo ddeell mmoottoorr..

Así pues, solo se conseguirá aumentar el par y la potencia colocando en elinterior del cilindro un volumen de aire (motores diésel) o de mezcla (airey gasolina para los motores de gasolina) mayor que el que entra en una as-piración normal o natural (motores atmosféricos).

Un motor sobrealimentado puede conseguir hasta uunn 4400%% mmááss ddee ppootteenn--cciiaa que un motor de iguales características no sobrealimentado. Este au-mento de potencia se debe tener en cuenta a la hora de fabricar los moto-res con el objetivo de evitar sobrecalentamientos del motor o presiones ytemperaturas excesivas de encendido en la cámara de combustión provo-cados por la alta capacidad de entrega de aire y presión. De todas formas,se emplean dispositivos que limitan la velocidad máxima o rendimientode potencia para evitar perjudicar al motor.

Para realizar la sobrealimentación se necesita una máquina capaz de to-mar el aire a la presión atmosférica y comprimirlo para conseguir una so-brepresión. Este trabajo se encomienda a los ccoommpprreessoorreess..

Los compresores se pueden clasificar de la siguiente forma:

– TTuurrbbooccoommpprreessoorreess.. Son de tipo centrífugo. Se suelen denominar comoturbo y son accionados por los gases de escape (figura 9.1.A).

– CCoommpprreessoorreess vvoolluummééttrriiccooss.. Son accionados de forma mecánica por el ci-güeñal del motor por medio de correas o engranajes (figura 9.1.B).

– CCoommpprreexx.. Son accionados de la misma forma que los compresores volumé-tricos. También llamados ccoommpprreessoorreess ddee oonnddaass aa pprreessiióónn ya que la ener-gía necesaria para la sobrealimentación es transmitida por contacto direc-to entre los gases de escape y los de admisión mediante ondas de presión.

2 3Aire Engrase1 Gases de escape

A B

Práctica 15


441100

9.2. Situación del turbocompresor enel motor.

1

4

3

2

9.4. Estructura del turbocompresor.

Colector de escape

Válvula reguladora depresión de sobrecarga

Turbina Eje turbocompresor

Rueda compresora

Refrigerador de aire

Filtro de aire

Colector de admisión

By-pass

9.3. Funcionamiento básico del turbocompresor.

2 >> El turbocompresor

EEll ttuurrbbooccoommpprreessoorr eess uunnaa bboommbbaa ddee aaiirree ddiisseeññaaddaa ppaarraa ooppeerraarr ccoonn llaaeenneerrggííaa qquuee nnoorrmmaallmmeennttee ssee ppiieerrddee eenn llooss ggaasseess ddee eessccaappee ddeell mmoottoorr..

Estos gases impulsan la rueda de ttuurrbbiinnaa (lado escape) que va acoplada ala rueda de ccoommpprreessoorr (lado admisión). Cuando giran, aportan un gran vo-lumen de aire a presión, aumentando la presión en las cámaras de com-bustión del motor (figura 9.3).

El turbocompresor es el más utilizado porque no consume potencia delmotor y puede girar a más de 100 000 rpm. Se pueden clasificar en :

– Turbocompresores de geometría fija. – Turbocompresores de geometría variable.

2.1 > Turbocompresor de geometría fija

El conjunto turbocompresor está formado principalmente por una ttuurrbbii--nnaa ((22)) y un ccoommpprreessoorr ((11)) (figura 9.4) que se encuentran introducidos ensus respectivas carcasas de forma opuesta y unidas ambas por un eejjee ccoo--mmúúnn ((33)).. Tanto la turbina como el compresor contienen áállaabbeess para conse-guir aumentar la presión de alimentación. En una parte anexa al turbotambién se encuentra la vváállvvuullaa ddee ddeessccaarrggaa ((44)) wwaasstteeggaattee,, que se encargade limitar la presión de sobrealimentación del turbo desviando una canti-dad de gases de escape directamente al escape sin pasar por la turbina.

La carcasa de la turbina tiene forma de caracol para aumentar la velocidadde los gases haciéndolos incidir con mayor fuerza sobre sus álabes.

La carcasa del compresor tiene el mismo aspecto que la turbina, pero sus con-diciones de utilización son menos extremas en cuanto a temperaturas, peroson iguales en cuanto a la presión que se produce en ellas.

Wastegate: literalmente significa puer-ta de paso.

Vocabulario

Bombas de engrase en motores con turbo

Las bombas de aceite de los motoressobrealimentados están sobredimensio-nadas al tener la misión adicional de lu-bricar el turbo.



En la parte central se ubica el eje que une la turbina y el compresor. Esteeje está sometido a altas solicitaciones mecánicas debido al giro y, ade-más, debe soportar elevadísimas temperaturas (en torno a 900 oC).

El eje se apoya en el turbocompresor por medio de cojinetes o roda-mientos (turbos muy pesados) en sus extremos y está en contacto con elcircuito de engrase (figura 9.5) para conseguir un perfecto movimientodel eje y una refrigeración debido a las altas temperaturas. La falta deuna lubricación correcta puede provocar la destrucción del turbo encuestión de minutos. De forma resumida se puede decir que al aceiteque pasa por el turbo se le asignan dos principales tareas:

– Establecer una pantalla de estanqueidad entre los gases de escape, elaire introducido y las partes internas del turbocompresor.

– Transportar una parte muy elevada del calor cedido por los gases deescape a la turbina. Rebaja en unos 200 oC las partes del turbo que es-tán en contacto con el aceite.

Para garantizar siempre la lubricación de los cojinetes, el motor no de-be pararse inmediatamente después de haber efectuado recorridos a al-ta velocidad, recomendándose mantener el motor en ralentí durante unbreve espacio de tiempo. Por otra parte, si las paradas son repetitivascon el motor en caliente se ocasionarán erosiones y desprendimientosde incrustaciones de las paredes del cuerpo central.

Sistema de regulación de la presión del turbo

La regulación de la presión de sobrealimentación permite suministrar al mo-tor una presión límite variable de sobrealimentación, la cual está acorde conlas condiciones de trabajo, tanto de solicitud de carga como a las climatoló-gicas, temperatura del aire y presión atmosférica. Para ello, el turbocompre-sor dispone de una vváállvvuullaa mmeeccáánniiccaa wwaasstteeggaattee (figura 9.6) encargada de re-gular la presión de soplado del mismo.

Esta válvula está situada en derivación (by-pass) con el conducto de escape(figura 9.7). Está constituida por una cápsula sometida a la presión de so-brealimentación, una membrana y una cámara de presión con un muelletarado. El accionamiento de esta válvula puede ser de tipo neumático oeléctrico.

– RReegguullaacciióónn ddee llaa pprreessiióónn ppoorr aacccciioonnaammiieennttoo nneeuu--mmááttiiccoo.. Durante el funcionamiento del motor enralentí o carga parcial la velocidad de los gases deescape es moderada creando una presión de sobre-alimentación en el tubo (1) que es incapaz de abrirla válvula (4) (figura 9.8).

Cuando el motor gira a plena carga (elevadas revolu-ciones) la presión en el colector de admisión superaunos valores preestablecidos. Esta presión de sopladose transmite del colector de admisión a la válvula was-tegate a través del tubo de conexión, que hace despla-zar la membrana (2) y esta, a su vez, comprime el mue-lle (3) de la válvula (4) desplazándola de su asiento.

Cerrada Abierta

1

1

6

5

4

3

2

Gases de escape Gases de escape

9.8. Posiciones de la válvula wastegate en función de la presión desobrealimentación.

Válvulawastegate

9.7. Regulación de la presión de sobre-alimentación de forma neumática.

9.6. Válvula wastegate sobre el tur-bocompresor.

9.5. Circuito de engrase del turbo-compresor.


441122

En esta situación parte de los gases de escape dejan de fluir por la tur-bina del turbocompresor, reduciéndose el efecto del compresor y dismi-nuyendo la presión de alimentación en el lado de admisión.

– RReegguullaacciióónn ddee llaa pprreessiióónn ppoorr aacccciioonnaammiieennttoo eellééccttrriiccoo.. La única dife-rencia con el sistema neumático es que se ha instalado una eelleeccttrroovvááll--vvuullaa ddee rreegguullaacciióónn (figura 9.9) intercalada en el tubo de unión entreel colector y la válvula mecánica. Esta electroválvula para limitaciónde la presión de sobrealimentación es excitada por la unidad de con-trol del motor y la señal que reciba va a variar en función de las seña-les que llegan a la unidad de control, como las revoluciones del mo-tor, temperatura del aire aspirado, presión en el colector de admisión,posición del pedal del acelerador y transmisor altimétrico.

Está compuesta (figura 9.10) por un bobinado eléctrico (3) que controlala posición de un inducido constituido por un émbolo (2) que, al despla-zarse, puede cerrar el paso permanente que se establece entre A (colec-tor de admisión) y B (conducto hacia la wastegate). Según el valor de lacorriente recibida en el bobinado, el émbolo pasa a cerrar el conductoA y a establecer el paso directo entre C (presión atmosférica) y B.

La presión de control con que se acciona la válvula wastegate viene de-terminada por la proporción de periodo de la señal. De esta forma segestiona la cantidad de caudal de gases de escape que pasa a accionar laturbina del turbocompresor. La pprreessiióónn ddee ccoonnttrrooll se obtiene por mediode la combinación de la presión atmosférica y la presión de sobreali-mentación.

Cuando el motor ggiirraa aa bbaajjaass yy mmeeddiiaass rreevvoolluucciioonneess (figura 9.11), la elec-troválvula de control deja pasar la presión de sobrealimentación quehay en el colector de admisión (conducto después del compresor) direc-tamente hacia la válvula wastegate, cuya membrana es empujada paraprovocar la apertura de la válvula, pero esto no se producirá mientrasque no se supere una presión de soplado suficiente para vencer la fuer-za de tarado del muelle de la válvula.

Si las revoluciones aumentan demasiado, la fuerzade soplado abrirá la válvula y disminuirá el paso degases de escape por la turbina, es decir, se disminui-rá la sobrealimentación.

También puede ocurrir que la unidad de control con-sidere que la presión en el colector puede sobrepasarciertos límites de funcionamiento (circulación en al-titud, elevada temperatura ambiente o aceleracionesfuertes) sin que esto sea un riesgo para el motor. Paraello actuará sobre la electroválvula y comunicará elconducto de presión atmosférica situado antes delcompresor (colector de admisión) con el de la válvu-la wastegate, manteniéndose esta cerrada por novencerse la presión del muelle, y provocando un au-mento de la sobrealimentación al entrar en contactotodos los gases con la turbina.

Presión del turbo

Presión atmosférica

A

B

1

4

5

3

C

2

9.9. Electroválvula de limitación dela presión de sobrealimentación.

9.10. Esquema interno de una elec-troválvula de control de presión.

Válvula reguladora de presión de sobrealimentación

Gases de escapePresión atmosférica

Presión de sobrealimentaciónPresión de control

Electroválvulapara limitación de la presiónde sobrealimentación

Intercooler

9.11. Regulación de la presión de control.

4

5

Muelle

Válvula

1

2

3

Conector

Émbolo

Bobina



Temperaturas de un turbo

Las diferencias de temperaturas que se alcanzan a un lado y otro del tur-bo son muy notables (figura 9.12). En la turbina se pueden alcanzar tem-peraturas de 800 a 1 000 oC, mientras que en el compresor como máximose alcanzan unos 80 oC. Esto hace que el eje común al que se unen tanto laturbina como el compresor esté sometido a temperaturas muy diferentesen sus extremos, lo cual dificulta el diseño y sobre todo la elección de ma-teriales para su construcción.

El turbo se refrigera principalmente por el aceite de engrase, y además porel aire de entrada del colector de admisión que recoge parte del calor quecontiene el rodete compresor. Hay que destacar que esto último no es na-da beneficioso para el motor, ya que el aire caliente hace dilatar el aire deadmisión y descender su densidad, con lo que el rendimiento volumétricodel motor se ve seriamente perjudicado.

Intercambiador de calor o intercooler

Es un sistema compuesto por un intercambiador de calor en el que se in-troduce el aire calentado que sale del rodete compresor para enfriarlo an-tes de introducirlo en los cilindros del motor. El aire que incide sobre esteintercambiador o radiador proviene del exterior durante la marcha del ve-hículo y consigue rebajar la temperatura del aire que pasa por el interiordel intercooler unos 40 oC (el aire de admisión en motores turboalimenta-dos puede alcanzar hasta 100 oC).

Por tanto, se trata de un iinntteerrccaammbbiiaaddoorr ddee ccaalloorr aaiirree//aaiirree. Con él se con-sigue aumentar la potencia y el par del motor debido al aumento de la ma-sa de aire que entra en el cilindro como consecuencia de la subida de den-sidad del aire cuando este enfría. Otros efectos positivos resultantes de lautilización del intercooler son la disminución del consumo y de las emi-siones contaminantes.

En ciertos motores el iinntteerrccaammbbiiaaddoorr eess ddee ttiippoo aaiirree//aagguuaa, es decir, al airese le fuerza a pasar por un radiador por el que circula el agua del sistemade refrigeración.

Ventajas e inconvenientes del turbocompresor de geometría fija

A continuación se detallan de forma resumida las ventajas e inconvenien-tes que ofrece la utilización de un turbocompresor en un vehículo:

Ventajas Inconvenientes

– No consume energía en su accionamiento.– Fácil localización, sin accionamiento directo del eje

del motor.– Reducido volumen en relación a su caudal proporcio-

nado.– Gran capacidad de comprimir a altos regímenes

y altos caudales.

– Mala capacidad de respuesta en bajas cargas por el po-co volumen de gases.

– Retraso en su actuación, por la inercia de la masa mó-vil y su aceleración mediante gases.

– Alta temperatura de funcionamiento al accionarse congases de escape.

– Mayores cuidados de uso y mantenimiento.

9.12. Temperaturas que sufre unturbo.

80o

65o

190o 140o


441144

34

5

6

7

8

1

2

1

2

34

2

3

9.14. Funcionamiento de un turbo de geometría variable a bajas revoluciones.

5 Rodete compresor

6

7

8

Vástago o varilla roscada

Tuerca

Cápsula neumática

Primer turbo de geometría variable

El primer vehículo que implantó en sumotor el turbo de geometría variables fueel Fiat Croma en su motor de 2 000 cm3.

9.13. Turbocompresor de geometríavariable.

1 Rodete turbina

2

3

4

Álabes

Plato o corona

Leva

2.2 > Turbocompresor de geometría variable

LLooss ttuurrbbooccoommpprreessoorreess ddee ggeeoommeettrrííaa vvaarriiaabbllee ttiieenneenn llaa ccaarraacctteerrííssttiiccaaddee qquuee aa bbaajjaass rreevvoolluucciioonneess ddeell mmoottoorr ssee nnoottaa ssuu eeffeeccttoo,, eelliimmiinnaannddooeell ggrraann iinnccoonnvveenniieennttee ddee llooss ttuurrbbooccoommpprreessoorreess ddee ggeeoommeettrrííaa ffiijjaa..

Son los más implantados en vehículos modernos. Su funcionamiento es si-milar a los de geometría fija, pero con la salvedad de que estos nnoo nneecceessii--ttaann ddee uunnaa vváállvvuullaa ddee ddeessccaarrggaa,, puesto que el sistema puede hacer dismi-nuir el giro de la turbina y, por tanto, rebajar la presión a los valores pre-establecidos en determinados modos de funcionamiento del motor.

La gestión electrónica en este caso es la encargada de hacer disminuir oaumentar la fuerza que ejercen los gases de escape sobre la turbina. Conesto se consiguen tiempos de respuesta del turbo muy breves, además develocidad de gases alta y un funcionamiento progresivo de la turbina des-de bajos regímenes.

Para conseguir los efectos anteriormente expuestos se ha dispuesto en la tur-bina de escape del turbocompresor (figura 9.13) una corona (3) con un núme-ro de áállaabbeess mmóóvviilleess (2) en su periferia. La corona, a su vez, se encuentra unidaa una vvaarriillllaa (6) y esta a una cápsula nneeuummááttiiccaa (8) dividida en dos cámaras.

Teniendo en cuenta que la presión que ejercen los gases de escape está re-lacionada con el número de revoluciones del motor, se podrán obtener di-ferentes regímenes de funcionamiento de la turbina según la orientaciónque tomen las paletas o álabes móviles, es decir, se variará la sección de pa-so de los gases de escape.

– FFuunncciioonnaammiieennttoo ccoonn bbaajjooss rreeggíímmeenneess ddee rroottaacciióónn ddeell mmoottoorr (figura 9.14).En un turbocompresor convencional, en este estado de funcionamiento lapresión que ejercerían los gases de escape sería baja, produciendo un girolento de la turbina de escape y, como consecuencia, una presión de sobre-alimentación mínima. Sin embargo, en un turbo de geometría variable, losálabes móviles se encuentran cerrados en su totalidad de forma que la sec-ción de paso entre ellos es mínima. Esto hace aumentar la velocidad de losgases a su paso por ellos, creando una mayor velocidad de giro de la turbi-na y, por tanto, del compresor, aumentando la sobrealimentación en estosregímenes bajos.

1 Cápsula neumática

2

3

4

Plato o corona

Álabe

Turbina



– FFuunncciioonnaammiieennttoo ccoonn rreeggíímmeenneess aallttooss ddee rroottaacciióónn ddeell mmoottoorr (figura9.15). Al aumentar la velocidad de giro aumenta de igual forma la ve-locidad de los gases de escape y, por tanto, su energía cinética. En es-ta situación, del mismo modo se eleva la velocidad del rotor del tur-bocompresor, aumentando la presión de sobrealimentación y actuan-do esta a través de un tubo de conexión sobre la membrana de la cáp-sula neumática, que hacer variar por medio del conjunto de varillasla posición de los álabes móviles. La posición final de los álabes móvi-les dependerá de la presión de sobrealimentación, estando estos total-mente abiertos (mayor sección de paso de gases) cuando se alcancenlos valores máximos de presión establecidos. Con este aumento de lasección de paso de los gases de escape va a disminuir la velocidad conla que van a incidir en el rotor de la turbina, obteniéndose velocida-des de giro del compresor iguales o inferiores a las conseguidas conregímenes bajos.

13

2

9.15. Funcionamiento de un turbo de geometría variable a altas revoluciones.

Electroválvula reguladora de presión de sobrealimentación

En los turbos de geometría variable la presión de so-brealimentación es regulada en función de un mapade curvas características programadas en la unidadde control del motor, la cual excita correspondiente-mente la vváállvvuullaa eelleeccttrroommaaggnnééttiiccaa (1) para la limita-ción de la presión de sobrealimentación (figura 9.16).

La presión de control, con la que el depresor (2) aacc--cciioonnaa llaass vvaarriillllaass qquuee aaccttúúaann ssoobbrree llooss áállaabbeess mmóóvviilleess(3), se determina en función de la proporción de pe-riodo de la señal. A través de los álabes móviles se in-fluye sobre el caudal de los gases de escape que actú-an contra la turbina. LLaa pprreessiióónn ddee ccoonnttrrooll ssee ccoonnssttii--ttuuyyee ppoorr uunnaa ccoommbbiinnaacciióónn ddee pprreessiióónn aattmmoossfféérriiccaa yyddeepprreessiióónn.

Gases de escapeDepresión

Presión atmosféricaPresión de control

1

5

4

3

2

9.16. Esquema de la regulación de sobrealimentación de un turbode geometría variable.

1 Cápsula neumática

2

3

Plato o corona

Álabes

5 Bomba de vacío

1 Electroválvula para la limitación de presión de sobrealimentación

2

4

Depresor para reglajes de álabes

Intercooler

3 Álabes


441166

Cuando el motor se encuentra en bbaajjaass rreevvoolluucciioonneess,, la electroválvula decontrol es activada cuando recibe la señal de voltaje, cerrando el conduc-to que proviene de la admisión (presión atmosférica) y abriendo el de de-presión (bomba de vacío), con lo que la membrana de la cápsula neumáti-ca es absorbida, actuando esta sobre el sistema de varillas y palancas des-plazándolas hacia su izquierda (figura 9.17.A). En esta posición los álabesestán dispuestos de forma que entre ellos exista la menor sección de pasoque hace aumentar las revoluciones de giro de la turbina.

Cuando el motor está en aallttaass rreevvoolluucciioonneess la unidad de control deja deactivar la electroválvula y hace desplazar el émbolo de la misma hacia laderecha cerrando el conducto de depresión y abriendo el conducto de pre-sión del colector de admisión. En esta situación la propia presión hace des-plazar en sentido de compresión a la membrana de la cápsula, desplazan-do esta hacia la derecha el sistema de varillas y palancas. En esta posiciónse desplaza al conjunto de aletas móviles a la posición de mayor secciónde paso (figura 9.17.B). Con esto se reduce la velocidad de los gases de esca-pe que pasan por la turbina de escape y, como consecuencia, se minimizala presión de sobrealimentación de la rueda compresora.

Existe una posición intermedia de la electroválvula en la cual se obtieneigualmente una posición equilibrada de sección de paso de los gases de es-cape entre los álabes móviles, correspondiendo esta situación a la de ccaarr--ggaa ppaarrcciiaall del motor (figura 9.17.C).

Ventajas

– 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.– Aumentan la velocidad de los gases de escape que llegan a la turbina a altos regímenes.– Consiguen un mayor par motriz a bajos regímenes.– Consiguen una mayor potencia máxima a altos regímenes.

Electroválvula Cápsulaneumática

Álabesmóviles

9.17. Estados de funcionamiento de la electroválvula para regulación de la presión de sobrealimentación.

LLaass vveennttaajjaass ddeell ttuurrbbooccoommpprreessoorr ddee ggeeoommeettrrííaa vvaarriiaabbllee con respecto al tur-bocompresor convencional se pueden resumir en la siguiente tabla:

A Bajas revoluciones

B

C

Altas revoluciones

Carga parcial



3 >> Compresor volumétrico

LLooss ccoommpprreessoorreess vvoolluummééttrriiccooss ssoonn aacccciioonnaaddooss mmeeddiiaannttee eell cciiggüüeeññaall,,nnoorrmmaallmmeennttee ppoorr uunnaa ccoorrrreeaa ddeennttaaddaa oo eennggrraannaajjeess,, ppuuddiieennddoo ccoonnssee--gguuiirr ddee 1100 000000 aa 1155 000000 rrppmm.. SSee ccaarraacctteerriizzaann ppoorr hhaacceerr cciirrccuullaarr eell aaii--rree aa mmaayyoorr vveelloocciiddaadd ddee llaa qquuee pprrooppoorrcciioonnaa llaa pprreessiióónn aattmmoossfféérriiccaa,,ccrreeaannddoo uunnaa aaccuummuullaacciióónn ddee aaiirree eenn eell ccoolleeccttoorr ddee aaddmmiissiióónn yy,, ccoonnssee--ccuueenntteemmeennttee,, uunnaa ssoobbrreepprreessiióónn eenn eell mmiissmmoo..

El compresor volumétrico más utilizado en el automóvil es el ccoommpprreessoorrddee llóóbbuullooss,, conocido también como de tipo rroooottss.

No disponen de válvula de descarga como en los turbocompresores, sien-do la velocidad del motor la que limita la sobrealimentación.

Su principio de funcionamiento se basa en aspirar aire e introducirlo enuna cámara que disminuye su volumen. Está compuesto por dos rotores(figura 9.18), cada uno de los álabes, con una forma de sección parecida ala de un ocho. Los rotores están conectados por dos ruedas dentadas y gi-ran a la misma velocidad en sentido contrario, produciendo un efecto debombeo y compresión del aire de forma conjunta.

Este compresor consigue impulsar el aire a mayor velocidad (figura 9.19).Además los rotores no están en contacto el uno con el otro, ni cada unode ellos con las paredes de la carcasa, siendo baja la estanqueidad del sis-tema y, por tanto, dando lugar a pequeñas fugas del aire.

Con el fin de reducir los inconvenientes del compresor volumétrico de ló-bulos se diseñó el denominado ccoommpprreessoorr llyysshhoollmm (figura 9.20), formadopor dos piezas helicoidales que giran engranadas entre sí. Aunque tam-bién es movido mediante correa por el cigüeñal, el rendimiento es algo su-perior al compresor roots, al disponer de un material que mejora el flujode aire y que reduce su peso e inercia.

Por otra parte, otro tipo de compresor que actualmente está en desuso pe-ro que la marca Volkswagen lo utilizó en varios de sus modelos fue el dettiippoo GG (figura 9.21).. Este compresor se caracteriza por no tener elementosde compresión y sí disponer de un conducto en forma de caracol que pro-voca un movimiento oscilante de dos piezas que forman un canal helicoi-dal. Una de las piezas es fija, mientras que la otra describe un movimien-to circular (no rotativo) mediante una excéntrica. El movimiento de laparte móvil va reduciendo el volumen del canal espiral de manera que se

Aire comprimido

Carcasa

Lóbulos

9.19. Funcionamiento de un compresor de tipo roots.

9.18. Estructura de un compresorroots.

Aire comprimido

9.20. Compresor lysholm.


441188

fuerza al aire a salir por un extremo a mayor velocidad y presión. Los gran-des inconvenientes de este sistema son sus problemas de lubricación y estanqueidad.

De forma resumida, se detallan las ventajas e inconvenientes más impor-tantes de los compresores volumétricos:

4 >> Compresor comprex

Este tipo de compresores recibe el nombre de comprex por la forma de re-alizar la técnica de funcionamiento ccaammbbiiaaddoorr ddee llaa oonnddaa ddee pprreessiióónn. Seempezaron a implantar en los vehículos para mejorar las característicasdel turbocompresor en bajas revoluciones del motor.

El principio de funcionamiento de estos tipos de compresores se basa entransmitir por contacto directo al aire del colector de admisión los resi-duos de energía de presión contenidos en los gases de escape por medio delas finas paredes radiales de un tambor que recibe movimiento del cigüe-ñal del motor (figura 9.22). En este caso, la absorción de potencia del mo-tor es mínima ya que el accionamiento tiene como único objetivo mante-ner al rotor en movimiento giratorio. La función de compresión la siguenrealizando de forma exclusiva los gases de escape.

Su régimen de funcionamiento máximo está en torno a los 15 000 o 20 000rpm, produciéndose a partir de aquí un descenso notable de su rendimiento.

A continuación, se detallan las ventajas e inconvenientes de este tipo decompresor:

Aire

Gasesde escape

Tambor

Accionamiento

9.22. Compresor comprex.

Ventajas Inconvenientes

– No consume energía en su accio-namiento.

– Respuesta inmediata al acelera-dor.

– Incremento notable del par des-de bajas vueltas.

– Gran tamaño del equipo.– Produce mucho ruido.– Mala localización por la necesidad de accionamiento mediante el motor.– Mala aplicación a motores de gasolina por un límite de giro muy pequeño.– No tiene posibilidad de alejar los gases de escape de la admisión; excesiva

proximidad entre los mismos.

Turbo comprex

Este turbo ha sido el más utilizado porla marca de vehículos Mercedes, bajola denominación compresor.

Entradade aire

Salidade aire

9.21. Compresor de Tipo G.

Ventajas

– Sobrealimentación racional y equilibrada en cualquiera de los regímenesde giro del motor.

– Se ponen en marcha en el mismo instante de arranque del motor. Ademásaumentan y disminuyen de régimen al igual que lo hace el motor.

– Respuesta inmediata a la demanda del acelerador. No tiene efecto de re-tardo.

Inconvenientes

– Restan potencia al motor al ser accionados mecánicamente por el cigüeñal.Se cifra la pérdida en un 10% de la suministrada por el motor.

– Bajo rendimiento según se aumenta la presión. – Son de gran tamaño dificultando su instalación en el motor.



5 >> Sistemas biturbo

LLooss ssiisstteemmaass bbiittuurrbboo ssoonn mmoonnttaajjeess ddee ddooss ttuurrbbooss eenn vveehhííccuullooss ddeeeelleevvaaddaass pprreessttaacciioonneess.. SSoonn ssiisstteemmaass aavvaannzzaaddooss ddee ggaassoolliinnaa bbiittuurrbbooqquuee ccuueennttaann ccoonn ddooss ttuurrbbooss eenn llíínneeaa,, uunnoo ccoommppuueessttoo ppoorr uunn ttuurrbboocceennttrrííffuuggoo yy oottrroo ppoorr uunn ccoommpprreessoorr aarrrraassttrraaddoo ppoorr eell mmoottoorr..

La combinación de los turbos y su fase de trabajo está condicionada al par so-licitado en cada momento. Con esta información la unidad controla:

– Trabajo del compresor, acoplando o no el mismo.– Mariposa by-pass.– Válvula de control de presión del turbo centrífugo.

Los tres elementos específicos del sistema son (figura 9.23):

– El ttuurrbboo cceennttrrííffuuggoo,, que funciona por acción de los ga-ses de escape. Es de geometría fija y su válvula de des-carga es accionada de forma neumática.

– El ccoommpprreessoorr ddee llóóbbuullooss oo rroooottss,, que funciona arrastra-do por una correa desde el cigüeñal. Este permite apor-tar un volumen de aire extra cuando el régimen delmotor es bajo, ya que el volumen es forzado por su pro-pio mecanismo. Su activación depende de la unidad decontrol que, en función de las necesidades, aplicará ono una tensión al electroembrague del compresor.

– La mmaarriippoossaa bbyy--ppaassss,, que es conmutada para desviar el flujo de aire en fun-ción de las necesidades. Es decir, conmutará el aire para que este procedadirectamente del exterior o bien a través del compresor.

El sistema puede funcionar en los siguientes modos:

– FFuunncciioonnaammiieennttoo ssiinn ccaarrggaa.. Ocurre cuando el motor gira a un régimen ba-jo sin petición de carga; entonces la unidad desactiva el mando del acopla-miento del compresor, provocando que este no gire y, por tanto, que no ha-ya pérdidas por arrastre. La mariposa de by-pass se encuentra abierta, per-mitiendo el paso de aire a presión atmosférica sin pasar por el compresor.

– PPeettiicciióónn ddee ccaarrggaa ccoonn rrééggiimmeenn bbaajjoo--mmeeddiioo.. En este estado la unidad de con-trol activa el electroembrague del compresor, de forma que este se acoplay gira. Esto provoca un aumento del volumen de aire que permite aumen-tar rápidamente el rendimiento del motor. La mariposa de by-pass está ce-rrada permitiendo el paso del aire a través del compresor. Una vez adquiri-das las condiciones de trabajo necesarias, entra en juego el efecto de traba-jo del turbo centrífugo, permitiendo aportar el volumen solicitado a un ré-gimen mayor.

– PPeettiicciióónn ddee ccaarrggaa ccoonn rrééggiimmeenn mmeeddiioo--aallttoo.. Aquí, si la velocidad del turbocentrífugo es suficiente, la unidad de control no activará el compresor, pe-ro en caso necesario sí lo activará. Además, la válvula by-pass se encuentraabierta no permitiendo el paso del aire por el compresor. Si la unidad acti-va al compresor al mismo tiempo modula la señal sobre la mariposa.

En la figura 9.24 se ven representadas las fases de trabajo en función del ré-gimen del motor y la presión media efectiva, indicando el funcionamientosolo como turbo o con la ayuda del compresor.

1

2

3

4

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8

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11

12 13

9.23. Sistema biturbo.

4

8

16

12

20

24

7 0002 000 3 000 4 000 5 000 6 0001 000

1 2 3

rpm

bar

9.24. Fases de trabajo de un sistemabiturbo. Presión media efectiva en fun-ción de las revoluciones del motor.

6 Válvula de recirculación

11 Escape

7 Turbocompresor

8

9

10

Válvula de descarga

Intercooler

Catalizador

5 Embrague magnético

1 Aire fresco

2

3

4

Filtro de aire

Compresor

Correa del compresor

13 Mariposa de admisión

12 Mariposa by-pass

1 Compresor en continuo

2

3

4

Compresor en modo no regulado

Turbo en continuo

Modo atmosférico


442200

Técnica

Mantenimiento del turbo

·· Debido a las altas solicitaciones térmicas y mecánicas a las que está sometido un turbo es imprescin-dible realizar una serie de actuaciones en el motor para evitar averías en el sobrealimentador.

Estas se pueden resumir en los siguientes aspectos:

– Evitar arranques en frío bruscos, ya que la presión de aceite de funcionamiento normal tarda en alcanzar-se un breve espacio de tiempo.

– Después de largos recorridos, dejar en ralentí el vehículo durante aproximadamente 2 minutos, para dis-minuir la temperatura del turbo.

– Reducir la carga del vehículo momentos previos a la parada del mismo con objeto de refrigerar los pun-tos más calientes.

– Sustituir el aceite y filtro en los tiempos establecidos por el fabricante para evitar la formación y acumu-lación de residuos en el aceite. Se recomienda la utilización de aceites sintéticos que mejoran la refrige-ración y lubricación.

– Cualquier manipulación sobre el sobrealimentador debe ser producida por personal cualificado.

Aún siguiendo las normas generales de mantenimiento de un vehículo para la conservación del turbo, se pue-den dar en el propio componente las siguientes averías más usuales:

– Problemas relacionados con la lubricación por falta de la misma, desgaste de tipo axial, etc.– Entrada de cuerpos extraños en su interior, arrastrados por el aceite.– Temperaturas de funcionamiento extremas.

Solución ·· Para hacer esta comprobación puedes utilizar los siguientes aparatos:

– Polímetro. Se comprueba su resistencia conectando el ohmnímetro a los terminales correspondientes delmódulo o a los del actuador. Verifica que la lec-tura está comprendida entre los valores especi-ficados en la ficha de diagnóstico.

– Osciloscopio. Debes obtener una señal cuadra-da (figura 9.25) en ralentí con un tiempo apro-ximado de activación, por ejemplo de 2,25 msen un motor TDI de 110 CV. Si aparece esta se-ñal, es indicativo de que el módulo trabaja y labobina está correcta.

Al acelerar, la base de tiempo varía hacia aproxi-madamente 1,5 ms en función de la carga.

Verificación de la electroválvula de control de la presión de sobrealimentación

·· Realiza las comprobaciones necesarias para verificar el correcto funcionamiento de la electroválvula decontrol de la presión de sobrealimentación.

Casos prácticos

9.25. Señales de mando de una electroválvula de control de lapresión de sobrealimentación en ralentí y acelerado.


.: CONSOLIDACIÓN :.

1·· ¿Cuál es el objetivo de la sobrealimentación de los motores?

2·· Haz una clasificación de los sistemas de sobrealimentación y explícalos brevemente.

3·· ¿Qué es y qué misión cumple la válvula de descarga wastegate?

4·· ¿Qué dos principales objetivos cumple el aceite de engrase que circula por el turbocompresor?

5·· ¿Cómo se produce la regulación de la sobrealimentación por accionamiento neumático en un turbo degeometría fija?

6·· Indica las temperaturas aproximadas que se producen en la turbina y compresor de un turbo.

7·· ¿Para qué sirve un intercambiador de calor en un sistema de sobrealimentación?

8·· ¿Cuáles son los inconvenientes de un turbo de geometría fija?

9·· ¿Qué objetivos principales se obtienen con un turbo de geometría variable?

10·· ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un turbo de geometría variable?

11·· ¿Qué efecto tiene la presión de control en circuito de sobrealimentación con turbo de geometría variable?

12·· ¿Qué ventajas ofrece un turbo de geometría variable?

13·· ¿En qué basa su funcionamiento un turbo volumétrico de tipo roots?

14·· ¿Cuáles son las ventajas de un compresor volumétrico?

15·· Cita el mantenimiento básico que se debe realizar sobre un turbo.

16·· ¿Cuáles son los modos de funcionamiento en los que puede trabajar un sistema biturbo?

.: APLICACIÓN :.

1·· Identifica los componentes principales de un circuito de sobrealimentación en un motor con acciona-miento mecánico de los elementos y en otro con accionamiento eléctrico.

2·· Lleva a cabo el desmontaje, comprobación y montaje de un turbo de geometría fija y otro de geome-tría variable.

3·· Comprueba el funcionamiento correcto de una válvula wastegate controlada por accionamiento neumático.

4·· Comprueba el correcto funcionamiento de una electroválvula de limitación de la presión de sobreali-mentación.

5·· Comprueba la presión de engrase en la zona del turbo con el motor en frío y en caliente.

Actividades finales



442222442222

Caso final

Solución ·· En un sistema de sobrealimentación gobernado por la unidad de control de motor, la cen-tralita EDC (Electronic Diesel Control) va grabando todas las fases de funcionamiento del motor. Se pue-de dar el caso de que la unidad de control desactive el sistema de regulación de la presión de sobreali-mentación, con la consiguiente pérdida de par y de potencia del motor.

Recuerda que la unidad de control regula la presión de alimentación en función de las señales que reci-be de los siguientes captadores:

– Revoluciones del motor.– Temperatura del aire aspirado.– Presión en el colector de admisión.– Posición del pedal del acelerador.– Transmisor altimétrico.

Una vez analizadas las señales de los anteriores sensores, determina la presión de sobrealimentación quese necesita y activa en su justa medida la electroválvula de limitación de la presión de sobrealimenta-ción. La centralita va a comparar el valor del sensor de presión en el colector de admisión con el valornominal calculado.

En caso de no corresponder ambos datos, se produce un fallo de regulación de la presión de sobreali-mentación que queda grabado en la unidad de control y que tiene como consecuencia la desactivaciónde la regulación de la sobrealimentación, conla consiguiente pérdida de par y de potencia.

Los posibles fallos pueden deberse a los ele-mentos que componen el circuito de sobreali-mentación y sobre los que vas a realizar laspertinentes pruebas:

– Tubos de vacío. Verifica que los tubos flexi-bles guardan una total estanqueidad y queno se encuentran deshilachados o deforma-dos (figura 9.26).

– Control de fugas entre partes mecánicas.Comprueba que no hay pérdidas en la juntaentre motor y turbocompresor.

– Válvula de descarga, wastegate. Verificaque el muelle cierra en su totalidad y que alintroducir presión en la cámara superior lamembrana abre la válvula a la presión pre-establecida por el fabricante, modulando lamembrana en función de la presión ejercidasobre ella.

Fallo de la regulación de sobrealimentación

·· Un motor 1.9 TDI sufre una pérdida constante de potencia que se manifiesta en gran medida cuandoel motor va a plena carga.

9.26. Comprobación de los tubos flexibles de la electroválvula.



Control de la presión del turbo

Sigue los siguientes pasos para verificar la presión del turbo:

– Desconecta el tubo de presión que va desde la válvula de descarga al colector de admisión e intercala unmanómetro de presión.

– Lleva al motor a su temperatura de funcionamiento.– Consigue el máximo régimen de giro del motor en vacío y comprueba en el manómetro que se alcanza la

presión prescrita por el fabricante.

Comprobación de la electroválvula reguladora de vacío

Para verificar que la bomba o depresor genera vacío sitúa un vacuómetro a la salida de la bomba y com-prueba con el vehículo en marcha que a medida que aumenta el vacío aumenta proporcionalmente la ten-sión de alimentación de la electroválvula.

Comprobación de la electroválvula reguladora de presión

Son cuatro las comprobaciones que debes realizar sobre esta electroválvula:

– Comprueba que le llega alimentación desde la unidad de control, siendo el valor obtenido de 12 V apro-ximadamente. Para realizar esta prueba el relé de control de motor debe estar montado y funcionandocorrectamente.

– Comprueba que la resistencia de la válvula esté entre los 25 y 45 Ω aproximadamente (en algunas elec-troválvulas la resistencia varía entre 14 y 20 Ω) (figura 9.27).

– Con la ayuda de dos manómetros, comprueba que la presión entre la válvula wastegate y la electroválvu-la es menor que la obtenida entre el colector de admisión y la entrada de la electroválvula cuando estaestá activada.

– Con el vehículo en marcha, comprueba que el porcentaje dwell es creciente sobre un oscilograma con elaumento de presión en el colector de admisión (figura 9.28). La señal cuadrada obtenida es pulsatoria defrecuencia fija y con relación de fase variable. Es decir, cuanto mayor es el tiempo de puesta a masa dela electroválvula (porcentaje dwell), mayor presión de soplado existe.

9.27.Comprobación de la resistencia de la electroválvula.

Voltios

1 2

Tiempo

9.28. Oscilograma de señal de mando de la electroválvula decontrol de sobrealimentación.

1 % dwell reducido. Baja tensión de soplado

2 % dwell elevado. Alta presión de soplado


442244442244

Ideas clave

SOBREALIMENTACIÓN

Por accionamiento centrífugo Por accionamiento mecánico

Turbocompresores

Regulación de la presión de forma:– Neumática– Eléctrica

Compresores volumétricos Comprex

Compresorroots

Compresor lysholm

CompresorG

De geometríafija

De geometría variable

Válvula wastegate


RREEVVIISSTTAA DDEE EELLEECCTTRROOMMEECCÁÁNNIICCAAUnidad 9 - Sistemas de sobrealimentación

SOBREALIMENTACIÓN DE MOTORES

PPartiendo de la propiafunción de los sistemasde sobrealimentación,todos ellos son compre-sores, puesto que están

destinados a comprimir el aire.Ahora bien, solo se suelen denomi-nar compresores a aquellos sistemasque, mediante elementos mecáni-cos, toman la fuerza del propio mo-tor –habitualmente del cigüeñal–para realizar su trabajo.Técnicamente se denominan tam-bién compresores volumétricos y,debido a su conexión con el motor,también se conocen como compre-sores mecánicos. Mientras, los com-presores centrífugos generan sufuerza, por norma general, gracias alos gases de escape; son los habitual-mente denominados turbo.

La evolución de los sistemas de so-brealimentación solo ha sido posible

gracias a la mejora en los materiales.Más importante resulta este aspectoen el caso de los turbo. Y es que loscompresores, al girar con el cigüe-ñal, tienen un régimen de funciona-miento muy inferior al de los turbo.Estos últimos pueden llegar a regí-menes de giro superiores a las 130000 revoluciones por minuto, alcan-zando unas temperaturas de funcio-namiento que, incluso hoy, llegan aponer al rojo vivo algunos de suscomponentes. De hecho, uno de loscuidados requerido por los turbo esel de evitar apagar el motor justodespués de haber exprimido su po-tencial. Esto se debe a que, por las al-tas temperaturas alcanzadas, el acei-te que lubrica el eje de la turbinapuede deteriorarse si no se le da untiempo de recuperación. Las últimasrealizaciones son menos delicadasen este sentido también por la mejo-ra de los lubricantes y por solucio-

nes como, por ejemplo, la lubrica-ción de dicho eje.

Tanto los turbo como los compreso-res mecánicos tienen defensores ydetractores. El turbo-lag y la poca efi-cacia del turbo a pocas revolucionesvenía a estar entre sus característicasnegativas, mientras que la menor ca-pacidad para aumentar la potenciafinal así como su mayor compleji-dad técnica suponen las pegas máshabituales para los compresores.Hoy, con la incorporación de siste-mas electrónicos capaces de gestio-nar los turbo de geometría variabledependiendo de las revoluciones e,incluso, con la existencia de los tur-bo trabajando en paralelo, las pegasde este sistema se han minimizadomucho, habiendo alcanzado una di-fusión mucho mayor que cualquierotro sistema de sobrealimentación.

FFuueennttee:: wwwwww..ppeerriiooddiissttaammoottoorr..ccoomm2299//0077//22000077

En la sobrealimentación de motores, cuanto mayor sea la eficiencia adiabática, mejor será,

en principio, el rendimiento final del sistema.


sistemas de sobrealimentacion libro de clase

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