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

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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

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