Turbocompresor de geometría variable (VGT)

La turboalimentación es la tecnología más utilizada en los motores de combustión interna para la inducción de aire de admisión forzada. Los componentes principales de un turbocompresor son la turbina y el compresor. La función de la turbina es utilizar la energía térmica y cinética (turbocompresores de doble entrada) de los gases de escape y convertirla en energía mecánica. La función del compresor es utilizar la energía mecánica y comprimir el aire de admisión para aumentar su densidad.

Para comprender mejor qué es un turbocompresor (de geometría fija) y cómo funciona la turbocompresor, lea los artículos:

Debido a la geometría y al funcionamiento en diferentes rangos de velocidad, existe una discrepancia entre el flujo de gases de escape del motor de combustión interna y el flujo radial del turbocompresor. Si la geometría (área de flujo) de la turbina está diseñada para coincidir con la velocidad máxima y la carga del motor (área grande), a velocidades bajas y medias, la respuesta del turbocompresor será pobre. Si la geometría de la turbina coincide para una respuesta rápida (área pequeña), cuando el motor funcione a alta velocidad, es posible que se alcancen los límites del estrangulador y que el turbocompresor se sobreacelere o que la presión del aire de admisión supere el límite máximo.

Un turbocompresor ideal debería poder proporcionar la presión de aire de admisión requerida (impulso) independientemente del punto de funcionamiento del motor (velocidad y par). Esto no es posible debido a que la velocidad del eje del turbocompresor depende del flujo másico de los gases de escape, que depende del punto de funcionamiento del motor.

Para un turbocompresor de geometría fija, a baja velocidad del motor, el flujo másico de gases de escape es bajo, por lo tanto la velocidad del eje del turbocompresor es baja, lo que significa un bajo impulso de aire. Por otro lado, a altas revoluciones del motor, el caudal másico de gases de escape es alto, y la velocidad del eje del turbocompresor también es alta, lo que se traduce en un alto impulso (presión) del aire de admisión.

Flujo de fluido a través de una tubería.

Para comprender el principio de funcionamiento de un turbocompresor de geometría variable (VGT)debemos recordar algunas leyes de la hidrodinámica.

Imagine que tiene una tubería con un diámetro variable a lo largo de su longitud.

Imagen: Continuidad del flujo de fluido.

A [m²] – área
v [m/s] – velocidad
p [Pa] – presión

En el área más grande A₁ el fluido va a tener un cierto caudal másico [kg/s]. Dado que la masa del fluido se conserva, para poder pasar la misma masa a través del área más pequeña A₂se debe aumentar la velocidad del fluido.

Las siguientes leyes se aplican a un fluido que fluye a través de una tubería de diámetro variable:

Esto significa que, para que el resultado del producto sea constante, si el área de flujo disminuye, la velocidad del fluido debe aumentar. Esto se llama el ley de continuidad.

Hay otra relación que involucra también la presión del fluido. Suponiendo que la tubería es horizontal o que las secciones de flujo están a la misma altura, se aplica la siguiente relación:

ρ [kg/m³] – densidad del fluido

Esto significa que, en el tramo con menor velocidad del fluido, para mantener una suma constante entre términos, se debe aumentar la presión. Se llama ley de Bernoulli.

En resumen, para un fluido que fluye a través de dos secciones transversales con áreas diferentes, se cumplen las siguientes relaciones:

Relación A/R del turbocompresor

Una característica geométrica (parámetro) importante de un turbocompresor es la relación cuentas por cobrardonde A representa el área de la sección transversal de entrada de la turbina/compresor y R es el radio de la línea central del turbo hasta el centroide del área A.

La relación A/R (área dividida por el radio) se aplica tanto al compresor como a la turbina, pero el mayor impacto en el rendimiento del turbocompresor está relacionado con la relación A/R de la turbina.

Imagen: Relación A/R del turbocompresor (1)

Imagen: Relación A/R del turbocompresor (2) Crédito: Honeywell Garrett

La capacidad de flujo de la turbina depende de la relación A/R de la carcasa y tiene un impacto significativo en el rendimiento general del turbocompresor.

A pequeña relación cuentas por cobrar aumentará la velocidad de los gases de escape cuando ingresan a la rueda de la turbina, el compresor girará más rápido y proporcionará un aumento del impulso del aire de admisión. Un efecto negativo de una relación A/R pequeña es el flujo tangencial de los gases de escape hacia la rueda de la turbina, lo que reduce la capacidad de flujo del turbocompresor. El efecto es un aumento de la contrapresión en el colector de escape a altas velocidades del motor, lo que se traduce en un intercambio de gases difícil (gases de escape versus aire de admisión) del motor y una potencia máxima reducida.

A gran relación cuentas por cobrar mejorará la capacidad de flujo del turbocompresor a altas velocidades del motor, reduciendo la contrapresión en el colector de escape. Esto mejorará la capacidad del motor para “respirar” (intercambiar gases) a alta velocidad y empujar la potencia máxima hacia valores más altos. El inconveniente es que, a velocidades bajas y medias del motor, la velocidad de los gases de escape será menor (debido al mayor área de flujo) y el aumento del impulso del aire de admisión será más lento (turbo-lag).

Imagen: BV50: turbocompresor de geometría variable (VGT) para motores de gasolina
Crédito: BorgWarner

Para una mejor comprensión, tomemos como ejemplo dos turbocompresores con diferentes relaciones A/R y el mismo motor base (6 cilindros con 3 litros de cilindrada).

relación cuentas por cobrar	Características del turbocompresor	Rendimiento del motor/vehículo
0,83	baja capacidad de flujo alta velocidad de flujo respuesta rápida de impulso de aire alta contrapresión de escape	Motor: par alto-bajo respuesta de par rápida potencia máxima limitada Vehículo: aceleraciones rápidas desde parado divertido de conducir adecuado para conducción urbana
1.22	alta capacidad de flujo baja velocidad de flujo respuesta de impulso de aire más lenta (turbo-lag) baja contrapresión de escape	Motor: pequeño par a bajas revoluciones respuesta de par lenta mayor potencia máxima Vehículo: malas aceleraciones desde parado mayor velocidad máxima adecuado para conducción extraurbana

En una palabra, Los turbocompresores de geometría variable (VGT) combinan los beneficios de una relación A/R pequeña y una relación A/R grande en una sola unidad.reuniendo las ventajas de ambos tipos.

Tipos de turbocompresores de geometría variable

Los turbocompresores de geometría variable significan relaciones de cuentas por cobrar variables. La única forma plausible de obtener una relación A/R variable es mediante Variación del área de la sección transversal A del flujo de gases de escape.. El radio R siempre será constante.

En comparación con los turbocompresores de geometría fija, los turbocompresores de geometría variable están diseñados para:

• aumentar la presión de sobrealimentación del aire de admisión a baja velocidad del motor
• mejorar el tiempo de respuesta del turbocompresor durante las fases transitorias de funcionamiento del motor
• aumentar la disponibilidad del par motor máximo
• evitar el exceso de potencia a alta velocidad del motor
• Reducir las emisiones de gases de escape y mejorar la economía de combustible.

Dependiendo del fabricante del turbocompresor, existen varias soluciones técnicas disponibles en la industria del automóvil. Independientemente del sistema mecánico utilizado, el resultado es el mismo: utilice componentes móviles para proporcionar un área de sección transversal variable A, para obtener una relación A/R variable general.

Los tipos más comunes de turbocompresores de geometría variable son:

• paletas pivotantes
• pared en movimiento
• anillo deslizante
• área variable

Turbocompresores de geometría variable de paletas pivotantes

Los turbocompresores de paletas pivotantes (rotativas) se utilizan ampliamente en aplicaciones de vehículos de pasajeros y son el tipo más común de turbocompresores de geometría variable (VGT).

Imagen: Turbocompresor de geometría variable – componentes

1. carcasa de turbina
2. rueda de turbina
3. paletas
4. anillo al unísono
5. anillo ajustable
6. sistema de palanca
7. rueda de compresor
8. carcasa del compresor
9. Actuador neumático

la variación de El área de flujo de la sección transversal de la turbina se logra mediante las paletas giratorias (3). Estos están unidos mecánicamente a un anillo ajustable (5), que es controlado por el actuador neumático (9) a través de un sistema de palanca mecánica (6).

Dependiendo del punto de funcionamiento del motor, el módulo de control del motor (ECM) ajusta la presión del aire en el actuador neumático, que cierra o abre las paletas pivotantes.

Imagen: Abertura de paleta estrecha Crédito: Volvo
Imagen: VGT (apertura de paleta estrecha) Crédito: BorgWarner	Imagen: Flujo de gases de escape (abertura de paleta estrecha) Crédito: BorgWarner

En bajas velocidades del motor, las paletas están en una posición estrecha, el área de la sección transversal para el flujo de gases de escape es pequeña, la relación A/R está en su valor mínimo y la velocidad de los gases de escape a través de la turbina en su máximo. Esto se traduce en una alta velocidad del compresor y un alto impulso del aire de admisión.

Imagen: Amplia apertura de paleta Crédito: Volvo
Imagen: VGT (apertura amplia de paletas) Crédito: BorgWarner	Imagen: Flujo de gases de escape (abertura amplia de las paletas) Crédito: BorgWarner

En altas velocidades del motor, las paletas están en una posición amplia, el área de la sección transversal para el flujo de gases de escape es grande, la relación A/R está en su valor máximo y la velocidad de los gases de escape a través de la turbina en su mínimo. La velocidad del compresor será más lenta pero suficiente para proporcionar el impulso de aire de admisión requerido.

Además, se aumenta la capacidad de flujo de la turbina, lo que disminuirá la contrapresión de los gases de escape y permitirá que el motor «respire» normalmente.

La posición de las paletas (relación A/R) se puede controlar entre una posición mínima (completamente cerrada) y una máxima (completamente abierta). La posición exacta de las paletas depende del punto de funcionamiento del motor de combustión interna (velocidad y par) y está regulada por el módulo de control del motor (ECM) o el módulo de control del tren motriz (PCM).

Imagen: turbocompresor de geometría variable GT17VNT Crédito: Tecnologías Honeywell Turbo

Imagen: turbocompresor de geometría variable GT17VNT Crédito: Tecnologías Honeywell Turbo

El diseño más común de turbocompresores de geometría variable utiliza paletas giratorias (alas aerodinámicas) dispuestas como láminas en una persiana alrededor de la rueda de la turbina. Estas paletas se mueven para regular el área de la sección transversal del flujo de gases de escape a través de la turbina. Las paletas están montadas en la carcasa de la turbina con un extremo fijado a la carcasa. El otro extremo de la paleta está conectado mediante un pasador a una placa llamada anillo al unísono. La rotación de este anillo al unísono hace que todas las paletas giren alrededor del punto de pivote fijo.

Imagen: Turbocompresor de geometría variable (VGT): conjunto de paletas pivotantes

El conjunto de paletas pivotantes también se conoce como anillo de boquilla.

A altas temperaturas de los gases de escape, la fricción seca de metal con metal entre las paletas, los pivotes y el anillo puede ser problemática y hacer que el mecanismo de giro se atasque. Si se atascan en una posición abierta, el rendimiento del motor será deficiente a bajas velocidades. Si las paletas se atascan en una posición cerrada (estrecha), a altas velocidades del motor se producirá una importante contrapresión de los gases de escape, lo que provocará un exceso de velocidad e incluso un fallo de la turbina.

El diseño de paletas pivotantes se utiliza la mayor parte del tiempo en aplicaciones diésel y gasolina para vehículos de pasajeros.

Turbocompresor de geometría variable de pared móvil

Otra forma de obtener una relación A/R variable es utilizando una pared móvil dentro del turbocompresor. El área de sección transversal variable se creará entre la pared móvil y la carcasa de la turbina.

Imagen: Turbocompresor de geometría variable (VGT) de pared móvil – funcionamiento
Crédito: Tecnología Cummins Turbo

1. rueda de compresor
2. sensor de velocidad del eje
3. Actuador neumático
4. placa de cubierta fija
5. rueda de turbina
6. anillo de boquilla deslizante y paletas (pared móvil)
7. varilla de empuje y casquillos
8. yugo operativo

En este diseño, la pared móvil (6) contiene el anillo de boquilla, estando las paletas fijadas en un ángulo constante. La posición del anillo de tobera es relativa a la carcasa de la turbina, siendo ajustada su posición mediante el actuador neumático (3). Al reducir el área de la sección transversal, las paletas del anillo de boquilla entran en una pared fija (4) a través de ranuras radiales.

Imagen: Turbocompresor de tobera deslizante – estrecho Crédito: Tecnología Cummins Turbo

Imagen: Turbocompresor de tobera deslizante – ancho Crédito: Tecnología Cummins Turbo

En baja velocidad del motor, el anillo de la boquilla se empuja hacia la derecha, lo que reduce el área de la sección transversal y la relación A/R. Esto forzará el aumento de la velocidad de los gases de escape, el turbocompresor girará más rápido y aumentará el impulso de aire de admisión.

Cuando el anillo de la boquilla (pared móvil) está en su posición máxima izquierda, el área de la sección transversal para el flujo de gases de escape está en su máximo. La relación A/R también está en su valor máximo, con el motor funcionando a alta velocidad.

En comparación con el diseño de paletas pivotantes, los turbocompresores de pared móvil de geometría variable tienen la ventaja de tener menos piezas móviles, lo que significa menos puntos de desgaste y mejor confiabilidad (menos posibilidades de fallar). El diseño de paredes móviles tiene el potencial de una mejor eficiencia con un alto flujo de escape. Al no tener múltiples puntos de pivote, se reduce la fuga de gases de escape y se mejora la eficiencia general. La principal desventaja del diseño de pared móvil son los altos costos de fabricación, debido principalmente al estrecho espacio libre y al mínimo contacto entre las paletas del anillo de la boquilla y las aberturas de la placa protectora.

El diseño de pared móvil se utiliza la mayor parte del tiempo en aplicaciones diésel para vehículos comerciales. Por ejemplo, Scania utiliza en sus aplicaciones de motores diésel un turbocompresor de geometría variable (VGT) con boquilla deslizante.

Imagen: Turbocompresor de geometría variable (VGT) – paleta deslizante
Crédito: Scania

1. toma de aire
2. rueda de compresor
3. salida de aire de carga
4. sensor de velocidad
5. solenoide
6. anillo de boquilla deslizante
7. rueda de turbina
8. entrada de gases de escape
9. salida de gases de escape

La geometría y el flujo de gas en el turbocompresor de geometría variable se regulan mediante el anillo de tobera deslizante, que está controlado por un actuador eléctrico. Esto permite un control preciso tanto de la carga de aire al motor como del flujo de EGR.

El flujo de aire de admisión se puede optimizar en todo el rango de velocidades de trabajo del motor. Esto significa que el VGT se puede utilizar para mejorar la respuesta del motor y el par a bajas revoluciones. También se utiliza para acelerar los cambios de marcha con Scania Opticruise, manteniendo la velocidad de la turbina durante los cambios de marcha.

Turbocompresor de geometría variable con anillo deslizante

El diseño del anillo de revestimiento es similar a la arquitectura de la pared móvil. La principal diferencia es que las paletas están fijadas en una placa de boquillas estática. La variación del área de la sección transversal del flujo de gases de escape se realiza mediante un anillo móvil (axial).

Imagen: Turbocompresor de anillo deslizante GT17 Crédito: Tecnologías Honeywell Turbo

Imagen: Turbocompresor de anillo deslizante GT17 Crédito: Honeywell Tecnologías turbo

En posición cerrada (estrecha) el anillo deslizante está cerca de la placa de la boquilla y todo el flujo de gases de escape se fuerza a través de las paletas. Esta es la posición con la relación A/R más pequeña, alta velocidad del eje y alto impulso de aire de admisión.

Cuando el anillo deslizante se aleja Desde la placa de la boquilla, el gas de escape pasa por alto parcialmente el conjunto de paletas y entra directamente a la turbina. En esta posición, la turbina tiene una relación A/R más alta, una velocidad del eje más baja y el compresor proporciona un impulso de aire más bajo.

Turbocompresor de área variable

El turbocompresor de geometría variable de paletas pivotantes obtiene una relación A/R variable al girar las paletas alrededor de su punto de pivote. La principal desventaja de esta tecnología es el complicado y elevado coste del sistema mecánico.

Aisin Seiki diseñó un turbocompresor de geometría variable que tiene un sistema mecánico mucho más simple, reduciendo así el coste de fabricación y aumentando la fiabilidad. El turbocompresor de flujo variable (VFT) desarrollado por Aisin Seiki se basa en un principio de área variable. La carcasa de la turbina tiene dos espirales, una espiral interior y una espiral exterior. Una válvula central pivotante guía el flujo de gases de escape a través de la paleta interior, la paleta exterior o ambas, dependiendo del punto de funcionamiento del motor (velocidad y par).

A lo largo de la pared del turbocompresor, entre la espiral interior y la espiral exterior, también hay algunas paletas estacionarias que ayudan a redirigir el flujo de gases de escape en la rueda de la turbina.

En comparación con un turbocompresor de geometría variable de paletas pivotantes, el número de componentes en un turbocompresor de flujo variable es menor. Además, sólo hay una parte móvil, la válvula central, que permite que el módulo de control del motor (ECM) emplee un algoritmo de control sencillo, similar al utilizado para los turbocompresores de geometría fija con válvula de descarga.

Imagen: Turbocompresor de flujo variable (VFT): caudal bajo Crédito: Aisin Seiki

Imagen: Turbocompresor de flujo variable (VFT): alto caudal Crédito: Aisin Seiki

1. pergamino interior
2. pergamino exterior
3. válvula de control de flujo central
4. paletas estacionarias

En baja velocidad del motor (bajo caudal de gases de escape), la válvula central (3) está completamente cerrada y los gases de escape son forzados a través de la espiral interior (1), que tiene un área de sección transversal y una relación A/R más pequeñas. En este estado, no hay flujo de gas de escape hacia la espiral exterior aunque hay pasajes entre las espirales exterior e interior, ya que la espiral exterior (2) se considera una cámara presurizada estáticamente.

En alta velocidad del motor (alto caudal de gases de escape), la válvula central controla la cantidad de gases de escape que entran en la espiral exterior. El gas que entra en la espiral exterior se alimenta a la espiral interior a través de las paletas estacionarias y se fusiona con el flujo en la espiral interior. La dirección del flujo hacia el rotor de la turbina es una combinación de los vectores de los dos flujos. Variar el ángulo de flujo hacia el rotor de la turbina puede controlar la velocidad de la turbina y, por lo tanto, controlar la presión de entrada de la turbina (contrapresión de escape del motor).

El turbocompresor de flujo variable (VFT) es una opción mucho más simple y de menor costo en comparación con un turbocompresor de geometría variable de turbina de pared móvil o de paletas pivotantes. Los fabricantes de automóviles japoneses (Honda) han integrado el VFT tanto en motores de gasolina como diésel.

En términos de sistemas de actuaciónlos turbocompresores de geometría variable tienen una neumático actuador o un eléctrico solenoide. A pesar del mayor costo, los turbocompresores accionados eléctricamente tienen un tiempo de respuesta más rápido y un accionamiento más preciso de los elementos móviles.

Imagen: Turbocompresor de geometría variable (VGT): accionamiento eléctrico
Crédito: Audi

Ventajas de los turbocompresores de geometría variable

En comparación con un turbocompresor de geometría fija, un turbocompresor de geometría variable tiene las siguientes ventajas:

• mayor par máximo a bajas revoluciones: un turbocompresor de geometría variable puede mejorar el par máximo del motor en la zona de régimen bajo debido a la capacidad del turbocompresor para proporcionar una mayor cantidad de masa de aire; Esto se traduce en una mayor inyección de combustible, por lo tanto, una presión y un par efectivos medios más altos.
• respuesta más rápida del par motor: especialmente en el área de baja velocidad, el retraso del par del motor se minimiza debido a la capacidad del turbocompresor para acelerar más rápido y proporcionar el impulso de aire de admisión necesario.
• Mayor relación aire-combustible a baja velocidad del motor.: el impulso adicional del aire de admisión proporciona una mayor relación aire-combustible (más aire disponible para la combustión) que podría ayudar a reducir las emisiones de gases de escape
• Pérdidas reducidas por estrangulamiento en el colector de escape.: un turbocompresor de geometría variable no necesita válvula de descarga, ya que el flujo de gases de escape está regulado por las paletas pivotantes, el anillo deslizante o la válvula central; por lo tanto, se reducen las pérdidas por aceleración del colector de escape, lo que aumenta la capacidad del motor de «respirar» (realizar el intercambio de gases) con menos pérdidas.
• mejora las tasas de recirculación de gases de escape (EGR): para sistemas EGR de alta presión, cuando la válvula EGR está abierta, es importante que la presión de los gases de escape sea superior a la presión del aire de admisión para que haya flujo de gas; Al poder aumentar la contrapresión en el colector de escape, un turbocompresor de geometría variable mejora la eficiencia de un sistema EGR.
• mejora el rendimiento del freno motor: cuando el motor está en régimen de inercia (freno motor), si la relación A/R de la turbina es pequeña, la contrapresión en el colector de escape será mayor; En este caso, el par de frenado del motor será mayor ya que sería necesario comprimir el aire en el escape a un nivel más alto.

Imagen: Comparación de presión de sobrealimentación Crédito: BorgWarner Turbo Systems	Imagen: Comparación del par motor Crédito: Sistemas de impulso de motor Garrett
Imagen: Comparación de potencia del motor Crédito: Sistemas de impulso de motor Garrett	Imagen: Comparación del consumo de combustible Crédito: Sistemas de impulso de motor Garrett

AVNT^MT – Turbocompresor avanzado de boquilla variable (Marca comercial: Garrett Engine Boosting Systems)

Los estudios realizados por Garrett Engine Boosting Systems muestran mejoras significativas en la curva de par del motor, gracias a un mejor control de la relación aire-combustible. Para un sistema de propulsión determinado, el par de embrague aumentó hasta un 45 % y el par máximo, más del 30 %. Estas dos mejoras están directamente relacionadas con el mayor flujo de aire de admisión generado por el AVNT.^MT a bajas velocidades del motor.

Además, también se han evaluado potencias superiores de hasta el 6 % debido a la capacidad del AVNT^MT para reducir los niveles de impulso a altas velocidades del motor, reduciendo así la presión de encendido del cilindro del motor y la carga térmica del enfriador de aire de carga.

También se han demostrado mejoras en la economía de combustible en el dinamómetro. La capacidad de optimizar la relación aire-combustible, minimizar las pérdidas de bombeo y operar con mayor eficiencia influyen de manera positiva en el consumo específico de combustible.

En los motores diésel, a bajas revoluciones, las emisiones de humo se pueden reducir significativamente gracias a la capacidad del turbocompresor para ajustar la relación aire-combustible. NO_X Las emisiones también se pueden reducir gracias al aumento de la contrapresión en el colector de escape. La diferencia de presión negativa en todo el motor (presión del colector de escape mayor que la presión del colector de admisión) aumenta el flujo de gases de escape hacia el colector de admisión.

Según el fabricante, los turbocompresores de geometría variable tienen distintas siglas, pero todos consiguen lo mismo: una relación A/R variable de la turbina:

• VGT – Turbocompresor de geometría variable (Cummins, Holset)
• VNT – Turbina de boquilla variable (Honeywell Garrett Turbo Systems)
• VFT – Turbocompresor de flujo variable (Aisin Seiki)
• VTG – Geometría de turbina variable (BorgWarner Turbo Systems y ABB)
• VGS – Turbocompresor del sistema de geometría variable (IHI Turbo)
• VTA – Área de turbina variable (sistemas turbo diésel MAN)