Cómo funcionan los turbocompresores

El rendimiento de un motor de combustión interna (ICE) se puede describir a través de su par de salida. El par del motor a baja velocidad tiene un impacto significativo en la capacidad de conducción del vehículo y el par del motor a alta velocidad determina la velocidad máxima del vehículo y la disposición de las relaciones de transmisión.

Motor esfuerzo de torsión se puede aumentar mediante varios métodos:

La turboalimentación es el método correcto para aumentar la densidad del aire de admisión. Requiere trabajo adicional en el lado de la entrada de aire, además del trabajo de bombeo de un motor atmosférico (de aspiración natural), para forzar masa de aire adicional en los cilindros. Este trabajo adicional es proporcionado por el turbocompresordonde una turbina utiliza la energía de los gases de escape para hacer girar un compresor de aire de admisión (impulsor).

Imagen: Turbocompresor Continental (flujos de gases de admisión y escape)
Crédito: Continental

Históricamente, los turbocompresores se instalaron por primera vez en motores de encendido por compresión (diésel), principalmente por los siguientes motivos:

• La potencia específica de un motor diésel de aspiración natural es escasa.
• La potencia de salida de un motor diésel está limitada por las emisiones de humo y se agrega más masa de aire al cilindro para reducir la formación de humo.
• (en comparación con un motor de gasolina de encendido por chispa) el golpe del motor diesel no es posible porque el combustible se inyecta al final del ciclo de compresión.
• (en comparación con un motor de gasolina de encendido por chispa) los motores diésel son más caros de fabricar, por lo tanto, el coste de un turbocompresor tiene un menor impacto en el coste total del motor

En un motor de encendido por chispa (gasolina), la razón principal para instalar un turbocompresor es aumentar el par/potencia de salida de una capacidad restringida (volumétrica) del motor. El límite principal de un motor de gasolina turboalimentado, en términos de qué tan alto puede aumentar la presión de sobrealimentación, es golpe de motor. El aire de refuerzo adicional dentro de los cilindros hace que la temperatura de la mezcla de aire y combustible aumente significativamente al final de la combustión, lo que puede provocar detonación del motor. Para evitar detonaciones, los motores turboalimentados suelen tener relaciones de compresión más bajas que los motores de aspiración natural (atmosféricos).

Imagen: Turbocompresor BMW (motor de gasolina de 12 cilindros con TwinPower Turbo)
Crédito: BMW

turbocompresor Se puede resumir como un método específico de sobrealimentación, donde la energía de los gases de escape calientes se utiliza para accionar el compresor de aire de admisión. La ventaja es que, en lugar de desperdiciarse, la energía de los gases de escape se utiliza para encender el compresor.

Al colocar la turbina en el colector de escape, la presión de los gases de escape aumenta antes (aguas arriba) de la turbina. Esto obliga al motor a consumir más energía para expulsar los gases quemados de los cilindros durante la carrera de escape. La turbina convierte tanto el flujo y energía térmica de los gases de escape en energía de compresión. Por lo tanto, el aumento de la presión de entrada de aire es mayor que el aumento de la presión de los gases de escape, lo que significa que aumenta la eficiencia general del motor.

Los turbocompresores para automóviles (neumáticos, de geometría fija) se componen de cuatro partes principales:

• carcasa del compresor
• vivienda central (central)
• carcasa de turbina
• actuador de válvula de descarga

El carcasa del compresor (generalmente hecho de aluminio) contiene un compresor de entrada axial y salida radial (también conocido como impulsor). El carcasa de turbina contiene una turbina de entrada radial y salida axial, conectada con el compresor a través de un eje.

Imagen: turbocompresor continental (componentes principales)
Crédito: Continental

El velocidad del conjunto turbina-compresor puede alcanzar fácilmente 120.000 rpm o incluso 300.000 rpm. Para soportar velocidades tan altas, el eje gira en una película de aceite hidrodinámica de baja fricción. cojinetes lisosque están alojados en la vivienda central (central).

Hay dos tipos de cojinetes lisos: radial y axial. Generalmente hay dos cojinetes radiales (casquillo) y un cojinete axial (de empuje). Los rodamientos tienen canales de lubricación que permiten que el aceite llegue al interior de los rodamientos y forme una película de aceite hidrodinámica entre el rodamiento y el eje. Este tipo de rodamientos también se llaman Rodamientos totalmente flotantes. El circuito de lubricación del turbocompresor está conectado al sistema de lubricación principal del motor de combustión interna.

La temperatura del aceite puede variar ampliamente, entre una temperatura mínima (por ejemplo, -30 °C) y la temperatura nominal de funcionamiento del motor (que ronda los 90 °C). Para garantizar el flujo de aceite para la refrigeración, en cualquier condición de temperatura, se debe garantizar un espacio libre entre los cojinetes y el eje.

Imagen: Eje del turbocompresor, compresor, ruedas de turbina y cojinetes (BMTS)
Crédito: Bosch Mahle Turbo Systems

1. rueda de compresor
2. cojinete axial (de empuje)
3. cojinetes radiales (buje)
4. eje
5. rueda de turbina

Los cojinetes del turbocompresor pueden ser plano (como en la imagen de arriba) o rodamientos de rodillos. Los turbocompresores de gases de escape con cojinetes de rodillos son más eficientes que los cojinetes lisos, tienen un mejor rendimiento transitorio (aceleran más rápido) y pueden proporcionar una mayor presión de sobrealimentación con cargas parciales del motor. Las principales desventajas de los rodamientos de rodillos son la fiabilidad de larga duración y el rendimiento acústico (más ruidosos). Los rodamientos de rodillos se utilizan principalmente en turbocompresores de alto rendimiento para deportes de motor.

Los cojinetes pueden funcionar correctamente si la temperatura de los gases de escape es inferior a 800 °C, siendo suficiente la refrigeración del aceite para mantener el funcionamiento nominal. En los motores de gasolina, donde la temperatura de los gases de escape puede superar los 1000 °C, Enfriado hidráulicamente Se necesitan alojamientos centrales (cojinetes).

La carcasa central también contiene algunos sellando elementos, que evitan que el aceite se derrame hacia el colector de escape o de admisión y además reducen al máximo la entrada de aire de admisión y gases de escape (gases de escape).

Imagen: Conjunto del núcleo del turbocompresor (BMTS)
Crédito: Bosch Mahle Turbo Systems

El conjunto del compresor consta de un impulsor de entrada axial, salida radial (rueda de compresor) y un carcasa de aluminio fundido. Para evitar fugas de aire entre el compresor y la carcasa, el espacio debe mantenerse al mínimo.

La rueda del compresor (impulsor) generalmente está hecha de aleación de aluminio fundido. Los turbocompresores modernos tienen el impulsor fresado a partir de una aleación forjada de aluminio. Para evitar el aumento repentino del compresor (inversión del flujo de aire en caso de que se cierre el acelerador), la carcasa del compresor está equipada con un válvula de descarga (pop-off).

Algunos de los vehículos comerciales, con requisitos de vida útil muy largos para los componentes, tienen la rueda del compresor (impulsor) fresada a partir de un aleación de titanio.

Los compresores de motores de gasolina turboalimentados tienen válvulas de purga (pop-off), que tienen que evitar el aumento brusco del compresor cuando la carga del motor cae bruscamente (por ejemplo, la válvula de mariposa pasa de completamente abierta a completamente cerrada en muy poco tiempo). La mayoría de los modernos válvulas de purga se accionan eléctricamente y los eventos de apertura y cierre son controlados por el módulo de control del tren motriz (PCM).

Imagen: Rueda del compresor del turbocompresor Crédito: Bosch Mahle Turbo Systems	Imagen: Rueda de turbina del turbocompresor Crédito: Bosch Mahle Turbo Systems
Imagen: Cojinete radial del turbocompresor Crédito: Bosch Mahle Turbo Systems	Imagen: Válvula de descarga del turbocompresor Crédito: Bosch Mahle Turbo Systems

El lado de la turbina del turbocompresor consta de:

• difusor
• alojamiento
• rueda
• válvula de descarga

El propósito de difusor es acelerar el flujo del gases de escape y distribuirlos uniformemente en las palas de la turbina (rueda). El difusor está integrado en la carcasa espiral de la turbina.

El carcasa de la turbina tiene que soportar temperaturas muy altas y está fabricado de hierro fundido de alta aleación. Existen dos tipos de carcasas de turbina, en función del tipo de acumulación de presión de los gases de escape:

• carcasa de sobrealimentación por impulsos
• carcasa de presión constante

En el caso de sobrealimentación por impulsos, los tubos de escape de cada cilindro se conducen por separado hacia la carcasa de la turbina. La carcasa de la turbina está diseñada de tal manera que evita en la medida de lo posible la mezcla de las corrientes de gases de escape antes de entrar en la rueda de la turbina.

En el caso de sobrealimentación a presión constanteLos tubos de escape de todos los cilindros están conectados a un colector de escape de gran volumen que filtra los distintos impulsos de presión.

El estandar rueda de turbina Tiene un diseño de entrada radial y salida axial. Dado que tiene que funcionar en ambientes con temperaturas muy altas, la rueda de la turbina está fabricada con una aleación de acero que contiene altas cantidades de níquel.

Para minimizar el retraso del turbo (retraso en la aceleración del motor) el momento de inercia de masa de la rueda del compresor, de la rueda de la turbina y del eje debe ser lo más bajo posible. Por este motivo, se están investigando materiales de alta resistencia y baja densidad para introducirlos en futuras aplicaciones de turbocompresores.

Imagen: Componentes seccionados del turbocompresor (BMTS)
Crédito: Bosch Mahle Turbo Systems

1. carcasa del compresor
2. rueda del compresor (impulsor)
3. Actuador neumático
4. alojamiento central (cojinete)
5. brazo de control de válvula de descarga
6. válvula de descarga
7. carcasa de turbina
8. rueda de turbina

La presión de sobrealimentación se controla regulando la cantidad de gases de escape que fluyen a través de la rueda de la turbina. El flujo de gases de escape en la turbina está controlado por el válvula de descargaque puede ser accionado por una unidad neumática o un actuador eléctrico.

El suministro de aire para el control de la unidad neumática Wastegate puede ser suministrado por el Impulso de presión por sí mismo o por un presión de vacío (de la bomba de vacío del vehículo). La desventaja de utilizar la presión de sobrealimentación es que el control de la válvula de descarga depende de la carga del motor (presión de sobrealimentación). Utilizando la bomba de vacío, la presión de sobrealimentación se puede controlar independientemente del estado de funcionamiento del motor.

Las últimas tecnologías de turbocompresores han accionamiento eléctrico directo de la compuerta de descarga. Esto proporciona un accionamiento más rápido y preciso de la válvula de descarga, independientemente del estado de funcionamiento del motor.

Turbocompresores de alto rendimiento – EFR^MT de BorgWarner

Imagen: BorgWarner diseñado para carreras (EFR^MT) turbocompresor
Crédito: BorgWarner

1. rueda de compresor fresada forjada
2. Rueda y eje de turbina Gamma-Ti
3. carcasa de turbina de acero inoxidable
4. válvula de descarga de alto flujo
5. disco trasero de turbina
6. Cartucho de rodamiento de bolas de dos hileras con bolas de cerámica y jaula de metal.
7. carcasa del compresor
8. válvula de recirculación del compresor integrada (CVR)
9. válvula solenoide de control de refuerzo (BCSV)
10. sensor de velocidad

Continental’s RAAX^TM turbocompresor

Imagen: radial-axial continental (RAAX^MT) turbocompresor
Crédito: Continental

RAAX^MT (que significa “radial-axial”) es el nuevo turbocompresor Continental con la innovación más importante en el diseño de la turbina. A diferencia del tipo más común de turbocompresor de gasolina en la actualidad, el turbocompresor radial, que cuenta con una entrada de gases de escape radial, el nuevo turbocompresor Continental tiene una vía de entrada radial-axial (semi-radial/semiaxial).

El diseño especial de las palas asociado permite una reducción sustancial de aproximadamente un 40 % en el momento de inercia de rotación de las ruedas de la turbina. Esto significa que el turbocompresor responde más rápido a los cambios de carga del motor, por lo que la presión de sobrealimentación se desarrolla más rápidamente y se minimiza el retraso del turbo. Además de esta importante mejora en la respuesta, RAAX^MT La tecnología también da como resultado hasta un 3 % más de eficiencia en el rango operativo relevante del motor, lo que lleva a una reducción de las emisiones.