En algunos países, la carga
impositiva sobre
los automóviles depende de la cilindrada del motor. Como un motor con turbocompresor tiene una
mayor potencia máxima para una cilindrada dada, un modelo turbo cargado pagaría
menos impuestos que un motor no turbo cargado de la misma potencia.
Funcionamiento
En
los motores sobrealimentados mediante este sistema, el turbocompresor consiste
en una turbina accionada
por los gases de escape del motor de explosión, en cuyo eje se fija un compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosféricadespués de pasar por el filtro de aire y luego lo
comprime para introducirlo en los cilindros a
mayor presión.
Los gases de escape inciden radialmente en la turbina,
saliendo axialmente, después de ceder gran parte de su energía interna
(mecánica + térmica) a la misma.
El aire entra al compresor axialmente, saliendo
radialmente, con el efecto secundario negativo de un aumento de la temperatura
más o menos considerable. Este efecto se contrarresta en gran medida con un
enfriador (intercooler).
Este aumento de la presión consigue introducir en el
cilindro una mayor cantidad de oxígeno (masa) que la masa normal que el cilindro aspiraría a
presión atmosférica, obteniéndose más par motor en cada carrera útil (carrera de expansión) y por lo
tanto más potencia que un motor atmosférico de cilindrada equivalente, y
con un incremento de consumo proporcional al aumento de masa de aire en el
motor de gasolina. En los diésel la masa de aire no es proporcional al caudal
de combustible, siempre entra aire en exceso al ser por inyección el suministro
de combustible al cilindro, por ello es en este tipo de motores en donde se ha
encontrado su máxima aplicación (motor turbodiésel).
Los turbocompresores más pequeños y de presión de
soplado más baja ejercen una presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi), mientras que los más grandes alcanzan los
1,5 bar (21,75 psi). En motores de competición se llega a presiones de 3 y 8
bares dependiendo de si el motor es gasolina o diésel.
Como la energía utilizada para comprimir el aire de
admisión proviene de los gases de escape, que se desecharía en un motor
atmosférico, no resta potencia al motor cuando el turbocompresor está
trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera del rango de trabajo del turbo, a
diferencia de otros compresores de admisión, como los sistemas con compresor
mecánico (volumétrico), en donde el compresor es accionado por una polea conectada
al cigüeñal.
Funcionamiento en distinto tipos de motores.
Diésel
Lado compresor, con entrada de aire por el lado de
baja presión y conexión de alta presión a la membrana de la
"Waste-Gate".
En los motores diésel el turbocompresor está más
difundido debido a que un motor diésel trabaja con exceso de aire al no haber
mariposa, por una parte; esto significa que a igual cilindrada unitaria e igual
régimen motor (rpm) entra mucho más aire en un cilindro diésel.
Por otra parte, y esto es lo más importante, las
presiones alcanzadas al final de la carrera de compresión y sobre todo durante
la carrera de trabajo son mucho mayores (40 a 55 bares) que en el motor de ciclo Otto (motor de gasolina) (15-25 bares). Esta alta presión,
necesaria para alcanzar la alta temperatura requerida para la auto-inflamación
o auto-ignición delgasóleo, es el origen de que la fuerza de los gases de
escape, a igual régimen, cilindrada unitaria y carga requerida al motor sea
mucho mayor en el diésel que en la gasolina.
Gasolina
En
epocas recientes la sobrealimentacion en motores a gasolina se ha visto mas
difundida como una tecnica para sacar provecho de los motores de baja
cilindrada.esto con el fin de no mermar el desempeño a raiz de las exigencias
de consumos mas reducidos. casi siempre es similar el funcionamiento que en los
motores diesel,sin embargo aqui la sobrealimentacion juega un papel muy
importante debido a que debe ser realizada de manera precisa con cantidades
exactas con margenes de error de +/- 0.50 cm/3 ,en este caso al haber una
mariposa en el multiple de admision de aire se debe regular la proporcion de
aire y combustible en el sistema de inyeccion asi como calcular el valor de la
relacion de compresion con el fin de maximizar el desempeño y mejorar el
consumo. indirectamente estos motores pueden funcionar a mayor altitud sin
tener una merma significativa de potencia.
asimismo se requiere calibrar el momento de la
actuacion del turbocompresor debido al retardo de este mismo(Turbo-Lag)
generalmente esto se da por que la actuacion del mismo depende de la velocidad
a la que se expulsan los gases de escape los cuales a su vez dependen de las
RPM del mismo motor,casi siempre el mismo tendra un desempeño optimo en
regimenes de rango medio (de 3000 a 5500 rpm) a su vez tambien esto depende de
la presion de soplado del mismo que en automoviles comunes casi siempre es
calibrada en unos pocos bares o psi,mientras que en vehiculos de competencia
siempre dependeran de mas PSI o Bares debido a las exigencias mayores las
cuales pueden variar,los vehiculos de Rally por ejemplo en ocasiones deben
depender de placas restrictoras en el mismo turbo para mantener una cifra de
potencia pareja,ademas de mecanismos especiales que mantengan el mismo girando
a tope sin importar el ralenti o la carrera del acelerador esto con el fin de
que se tenga la potencia necesaria tanto en HP. Como en Torque lo cual a su vez
causa esas llamativas llamaradas y explosiones de los mismos vehiculos asi como
su tono caracteristico de motor.
Su funcionamiento se percibe con un silbido agudo que
indica que la misma parte principal esta girando de acuerdo a la velocidad de
los gases de escape,a su vez en algunos motores al dejar de acelerar se puede
distinguir un siseo similar al de los frenos de aire de un camion simbolo de
que el turbo vuelve a un giro lento acorde al Ralenti del motor.
Las marcas que implemento turbocompresores en motores
de reducida cilindrada en manera mas frecuente al principio del Siglo XXI
fueron las pertenecientes al Grupo Volkswagen posteriormente desarrollaron
sistemas que implementarian la combinacion de la carga estratificada de
combustible y a su vez una combinacion de Turbocompresor y supercargador que
permite obtener una potencia relativamente alta sin sacrificar el consumo de
combustible pues el segundo puede funcionar al principio ya que se impulsa por
el mismo motor.
Posteriormente mas marcas automotrices se sumaron al
concepto,entre ellas Ford quienes desarrollaron para la mayoria de sus motores
tanto grandes como pequeños y en casi todos sus modelos los llamados Motores
Ecoboost esto con el mismo fin de obtener mas potencia sin gastar mas
combustible del necesario a la vez que se reducen las emisiones.
Intercooler
El aire, al ser
comprimido, se calienta y pierde densidad; es decir, en un
mismo volumen tenemos menos masa de aire, por lo que es capaz de quemar menos
combustible y, en consecuencia, se genera menos potencia. Además, al aumentar
la temperatura de admisión aumenta el peligro de detonación, picado, o autoencendido y se
reduce la vida útil de muchos componentes por exceso de temperatura, y
sobreesfuerzos del grupo térmico.
Para disminuir esta
problemática se interpone entre el turbocompresor y la admisión un
"intercambiador de calor" o "intercooler". Este sistema
reduce la temperatura del aire, con lo que se aumenta la densidad de éste, que
se introduce en la cámara de combustión.
En el lado negativo,
los intercambiadores de calor provocan una caída de presión, por lo que se
disminuye la densidad del aire, aunque en muchos casos es necesario instalar
uno para evitar la detonación o autoignición.
·
Existen tres tipos de intercoolers:
1. Aire/aire: en estos el
aire comprimido intercambia su calor con aire externo.
2. Aire/agua: el aire
comprimido intercambia su calor con un líquido que puede ser
refrigerado por un radiador o, en algunas aplicaciones, con hielo en un depósito ubicado
en el interior del coche.
3. Criogénicos: se enfría
la mezcla mediante la evaporación de un gas sobre un
intercambiador aire/aire.
Demora de respuesta
Los motores provistos
de turbocompresor padecen de una demora mayor en la disposición de la potencia
que los motores atmosféricos (NA-Normal Aspiration o Aspiración Normal) o con
compresor mecánico, debido a que el rendimiento del turbocompresor depende de
la presión ejercida por éste. En esta demora influyen la inercia del grupo (su
diámetro y peso) y el volumen del colector entre la turbina y la salida de los
gases de escape del cilindro.
Un turbo cargador no
funciona de igual manera en distintos regímenes de motor. A bajas revoluciones,
el turbo cargador no ejerce presión porque la escasa cantidad de gases no empuja
con suficiente fuerza. Un turbocompresor más pequeño evita la demora en la
respuesta, pero ejerce menos fuerza a altas revoluciones. Distintos fabricantes
de motores han diseñado soluciones a este problema.
·
Un "biturbo": es un
sistema con dos turbo cargadores de distinto tamaño. A bajas revoluciones
funciona solamente el pequeño, debido a su respuesta más rápida, y el grande
funciona únicamente a altas revoluciones, ya que ejerce mayor presión.
·
Un "biturbo en paralelo"
o "twin turbo": es un sistema con dos turbo cargadores pequeños de
idéntico tamaño. Al ser más pequeños como si fuera un turbocargador único,
tienen una menor inercia rotacional, por lo que empiezan a generar presión a
revoluciones más bajas y se disminuye la demora de respuesta.
·
Un "turbocargador asimétrico"
consiste en poner un solo turbocargador pequeño en una bancada (la delantera en
el motor V6 colocado transversalmente) dejando la otra libre. La idea no es
conseguir una gran potencia, sino que la respuesta sea rápida. Este sistema fue
inventado por el fabricante sueco Saab y utilizado en el Saab 9-5 V6.
·
Un "biturbo secuencial":
se compone de dos turbo cargadores idénticos. Cuando hay poco volumen de gases
de escape se envía todo este volumen a un turbocompresor, y cuando este volumen
aumenta, se reparte entre los dos turbo cargadores para lograr una mayor
potencia y un menor tiempo de respuesta. Este sistema es utilizado en el motor Wankel del Mazda RX-8.
·
Un "turbo cargador de geometría
variable" (VTG): consiste en un
turbocompresor que tiene un mecanismo de "aletas" llamadas álabes móviles que se abren y
cierran haciendo variar la velocidad de los gases de escape al entrar en la
turbina. A menor caudal de gases de escape (bajas revoluciones) se cierra el
paso entre los álabes provocando que los
gases aumenten la velocidad al entrar en la turbina; a mayor caudal (altas
revoluciones) necesitamos más paso y estos se abren. Esto nos permite tener una
presión de trabajo muy lineal en todo el régimen de trabajo del turbo cargador.
En motores diésel es muy común pero en motores de gasolina solo Porsche ha desarrollado un
turbo que soporta más de 1000 °C en el modelo Porsche 911 turbo (2007).
También Mazda, tiene
un prototipo de turbo eléctrico.1 El sistema eléctrico
del coche no puede dar suficiente caudal para el motor a altas revoluciones,
pero sí a bajas; así ambos se complementan. Con baja carga y revoluciones, la
ayuda eléctrica permite un rápido aumento de presión y después la turbina puede
suministrar toda la potencia para comprimir el aire. Este sistema ahorra mucha
más energía que combinándolo con un compresor mecánico movido por el motor.
Fiat Auto, S.P.A.
(Actualmente, Fiat Group Automobiles (FGA).;Creó y desarrolló el sistema turbo
+ compresor mecánico durante la década de 1.980. El vehículo en el cual se
desarrolló y se implantó fue en el Lancia Delta (MKI), fabricado entre los años
1.985 y 1.990. Alcanzando su máximo exponencial y desarrollo en el Lancia Delta
Integrale WRC
Overboost
Se
conoce como Overboost2 el periodo durante el cual el sistema produce a plena
carga una presión de sobrealimentación mayor a la normal, con objetivo de
aumentar el par motor.
Actualmente este sistema, con el control electrónico
adecuado, puede tener en cuenta diferentes aplicaciones.
Evolución del turbocompresor
La
filosofía de aplicación de los turbocompresores ha ido cambiando: desde
priorizar la potencia a altas revoluciones a priorizar que el coche responda
bien en todo el régimen de giro de uso.
La válvula llamada waste-gate evita presiones excesivas que dañen el
motor. La waste-gate o válvula de descarga es la que regula
que cantidad de gases de escape que se fugan del caracol de escape del turbo
directamente hacia el escape del vehículo mediante la apertura de la válvula,
de esa forma a más gases fugados menos presión de turbo, con la válvula cerrada
se alcanza la máxima presión del turbo al pasar todos los gases de escape por
el caracol.
La dump
valve o válvula de alivio
(también llamada blow off) abre una fuga en el conducto de admisión cuando se
deja de acelerar para que la presión generada por la enorme inercia del turbo no sature estos conductos, evitando al mismo
tiempo la brusca des-aceleración de la turbina, alargando su vida útil.
Refrigeración
Normalmente
el turbocompresor suele estar refrigerado con aceite que circula mientras el motor está en marcha. Si se
apaga bruscamente el motor después de un uso intensivo y el turbocompresor está
muy caliente, el aceite que refrigera loscojinetes del turbocompresor se queda estancado y su temperatura
aumenta, con lo que se puede empezar a carbonizar, disminuyendo su capacidad
lubricante y acortando la vida útil del turbocompresor.
El turbo timer es un sistema que mantiene circulando el aceite en el
turbocompresor durante un lapso de tiempo después del apagado del motor.
Algunos modelos funcionan con sensores que detectan la intensidad en el uso del
turbocompresor para permitir la lubricación forzada del mismo por un tiempo
prudencial después del apagado del motor.
Ventajas de usar un turbocompresor
·
Permite aumentar la potencia de un
motor, sin la necesidad de hacer mayores cambios.
·
Contribuye al rescate de la energía, ya
que usa como medio propulsor los gases de escape del motor.
·
Añade poco volumen y peso al motor, lo
que permite encajarlo a un vehículo sin modificaciones externas.
·
Debido a que depende de la presión entre
los gases de escape y el medio ambiente se auto-ajusta a
cualquier altitud sobre el nivel del mar.
·
Permite reducir el consumo de
combustible empleado(esto obteniendo mas energia por litro de combustible)
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