Turbocompresores de doble desplazamiento

turbocompresor es la tecnología de sobrealimentación más utilizada por los motores de combustión interna (ICE) para la inducción de aire de admisión forzada. Con la turboalimentación, la energía de los gases de escape se utiliza para aumentar el destino del aire de entrada. El turbocompresor se considera el más antiguo tecnología de recuperación de calor utilizado en motores de combustión interna.

El nombre «turbo”se da debido al uso de un turbina, que utiliza la energía térmica y cinética de los gases de escape para hacer girar el compresor de aire de admisión. Los gases de escape se expandirán hacia la turbina, que accionará el compresor, que comprimirá el aire de admisión, aumentando su densidad.

Para obtener más detalles sobre la tecnología de turbocompresor y la construcción del turbocompresor, lea los artículos:

Proceso de escape

La mayoría de los motores de combustión interna utilizados en vehículos de carretera necesitan 4 carreras de pistón para un ciclo completo del motor. Durante el proceso de escapelos gases quemados son evacuados del cilindro para dejar espacio al aire fresco aspirado y al combustible, para un nuevo ciclo de combustión.

Para obtener una descripción completa de los ciclos del motor, lea el artículo Cómo funciona un motor de combustión interna.

Carrera de escape del motor de combustión interna

El proceso completo de escape de los gases quemados se puede dividir en 3 fases principales:

  • purga
  • desplazamiento (carrera)
  • superposición (recolección)

Fase de purga

El válvula de escape se abre antes de que el pistón alcance el punto muerto inferior (BDC). Técnicamente, la válvula de escape se abrirá al final de la carrera de potencia, cuando el pistón es empujado por los gases en expansión (combustión).

Cuando se abre la válvula de escape (alrededor de un ángulo del cigüeñal de 50°, antes del PMI), la presión del cilindro todavía es alta, alrededor de 4 bar y la temperatura alrededor de 700 °C. Debido a la enorme diferencia de presión entre el cilindro y el colector de escape, cuando se abre la válvula de escape, los gases quemados comenzarán a fluir rápidamente hacia el colector.

Diagrama presión-volumen (pV) para un ICE típico de 4 tiempos

Imagen: Diagrama de presión-volumen (pV) para un ICE típico de 4 tiempos

S – carrera del pistón
VC – volumen de liquidación
Vd – volumen desplazado (barrido)
pag0 – presión atmosférica
W – trabajo
TDC – punto muerto superior
BDC – punto muerto inferior
IV – válvula de entrada
EV – válvula de escape
IVO – apertura de la válvula de entrada
IVC – cierre de la válvula de entrada
EVO – apertura de la válvula de escape
EVC – cierre de la válvula de escape
IGN (INJ) – encendido (inyección)

Así, la principal ventaja de abrir la válvula de escape antes del BDC es que los gases de escape abandonarán el cilindro debido a la diferencia de presión y el pistón tendrá que utilizar menos energía para expulsar los gases restantes fuera del cilindro (durante la carrera del pistón de escape). ).

La fase de purga provocará un rápido aumento de la presión del gas en el colector de escape, seguido de una rápida disminución debido a la igualación de presiones entre el cilindro y el colector.

Desplazamiento (accidente cerebrovascular)

La carrera de escape tiene lugar cuando el pistón se mueve desde BDC hasta el punto muerto superior (TDC). Durante esta fase, el flujo de gas es controlado (desplazado) por el movimiento del pistón. En esta fase, la presión del gas en el colector está ligeramente por encima de la presión atmosférica (para motores de aspiración natural) o de la presión de entrada de la turbina (para motores turboalimentados).

El cierre completo de la válvula de escape se produce aproximadamente a 40° después del PMS.

Superposición (recolección)

Dado que la válvula de admisión se abre antes del PMS y la válvula de escape se cierra después del PMS, hay un pequeño período en el que ambas válvulas están abiertas (se superponen). Esta fase puede durar entre 20 y 50° de rotación del cigüeñal, según el motor.

Existe un período óptimo de superposición de válvulas durante el cual se puede aumentar la eficiencia volumétrica y la presión media efectiva del motor. Además, en el caso de los motores turboalimentados con inyección directa, un período de superposición prolongado contribuye a barrido. lo que significa que el aire fresco de admisión fluye a través del cilindro hacia el colector de escape, expulsando todos los gases quemados restantes del cilindro. El efecto de barrido tiene varias ventajas en el motor, siendo las principales una mayor eficiencia volumétrica y refrigeración del cilindro (lo que permite una mayor relación de compresión y, por tanto, una mayor presión media efectiva).

Onda de presión de los gases de escape

Imagen: Onda de presión de los gases de escape

La presión de los gases de escape (pp.ej) alcanza su punto máximo durante la fase de purga. La presión del gas viaja como ola a través del colector de escape. A medida que las olas pasan, provocan una caída de presión después del pico, que puede ser menor que la presión en la entrada de la turbina (pt) (asumiendo que es constante).

Sincronización de la carrera de escape (4 cilindros)

Imagen: sincronización de la carrera de escape (4 cilindros)

Por ejemplo, para un motor de 4 cilindros, con el orden de encendido 1-3-4-2, los impulsos de los gases de escape para los cilindros 1 y 3 se superponen. Lo mismo ocurre con cada impulso de gas de escape de dos cilindros encendidos consecutivos.

Cuando todos los puertos de escape de los cilindros están conectados a un colector de escape comúnHabrá interferencia de presión entre los cilindros, lo que provocará una caída general de la presión de los gases de escape y una pérdida de energía cinética. Separando los cilindros superpuestos en separados pergaminos (tuberías, conductos) se pueden evitar las interferencias de presión.

Idealmente, para maximizar el uso de la presión de los gases de escape y la energía térmica en la turbina, no debería haber interferencias de presión en el colector de escape.

Impacto de los turbocompresores en los motores.

La energía del gas que se pierde en el escape (sin turbocompresor) representa aproximadamente entre el 30 y el 40 % de la energía total liberada mediante la combustión. Con la turboalimentación una parte de esta energía se recupera y se utiliza para comprimir el aire de admisión.

Durante la carrera de potencia, cuando se abre la válvula de escape (antes del BDC), el proceso de combustión continuará teniendo lugar también en el colector de escape. Los gases quemados expandir más adentro de la turbina, haciéndola girar e impulsar la rueda del compresor a través del eje del turbocompresor.

La turboalimentación utiliza dos tipos de energía de los gases de escape (que se habría desperdiciado en un motor de aspiración natural):

  • energía cinética (dada por las ondas de presión)
  • energía térmica (dada por la expansión del gas en la turbina)

La introducción de un turbocompresor también actuará como restricción para el flujo de los gases de escape, lo que provocará la generación de un contrapresión en el colector de escape. La contrapresión obligará al pistón a consumir más energía para desplazar los gases quemados fuera del cilindro.

Si la contrapresión es demasiado alta, existe el riesgo de reflujolo que significa que los gases de escape volverán al cilindro y al colector de admisión, disminuyendo la eficiencia volumétrica y el rendimiento general del motor.

El turbocompresor también tiene un impacto significativo en la respuesta transitoria del motor (aceleración). La potencia de un motor depende directamente de la masa de aire de admisión. En un motor turboalimentado, para aumentar rápidamente la masa de aire en los cilindros, la turbina necesita acelerar y accionar el compresor. Cuanto mayor sea el momento de inercia de masa de la turbina+eje+compresor, mayor será el tiempo necesario para la aceleración (retraso del turbo).

Por otro lado, usar una turbina pequeña, que puede acelerar más rápido, causará problemas a velocidades y cargas más altas del motor, debido a que si ahogo el escape, incapaz de absorber un alto flujo de gases de escape. Por lo tanto, el proceso de combinar un turbocompresor con un motor es muy complejo y debe tener en cuenta muchos factores.

ECOTEC 2.8 V6 con turbocompresor Twin-Scroll

Imagen: ECOTEC 2.8 V6 con turbocompresor Twin-Scroll
Crédito: Opel

Tipos de turbocompresores

La arquitectura del colector de escape tiene un papel muy importante en el rendimiento del turbocompresor, en términos de eficiencia y tiempo de respuesta (el tiempo que tarda en girar más rápido). El El colector de escape debe diseñarse teniendo en cuenta los siguientes requisitos:

  • La interferencia entre el proceso de escape de los cilindros debe mantenerse al mínimo, idealmente sin interferencias de presión entre los cilindros conectados (durante el proceso de escape).
  • La energía de los gases de escape debe llegar a la turbina con pérdidas mínimas.
  • El despliegue de los gases de escape en la turbina debe realizarse de manera constante a lo largo del tiempo, para garantizar la máxima eficiencia.

Desde el energía de los gases de escape Desde este punto de vista, existen dos tipos de sistemas de turbocompresión:

  • presión constante turbocompresor
  • legumbres turbocompresor

Turbocompresores de presión constante Se utilizan principalmente en motores diésel para vehículos de pasajeros. Tener los conductos de escape de todos los cilindros integrados en el mismo componente tiene la ventaja de un diseño compacto que puede integrarse fácilmente en cualquier aplicación de motor.

Los turbocompresores de presión constante también se denominan desplazamiento únicoporque todo el flujo de gases de escape ingresa a la turbina a través de un (único) conducto común (scroll).

Colector de escape Mazda MX-5 (turbocompresor de entrada única)

Imagen: Colector de escape del Mazda MX-5 (turbocompresor de desplazamiento único)
Crédito: Deportes de motor Black Cat

Un sistema de turbocompresor de presión constante tiene un tubo/colector de escape común para todos los cilindros. Los puertos de escape de cada cilindro están conectados a un volumen común, llamado coleccionista. Así, antes de llegar a la turbina, las ondas de presión de los gases de escape de cada cilindro interfieren entre sí y amortiguan los picos de presión. La presión de los gases de escape antes de la turbina sólo tendrá pequeñas fluctuaciones alrededor de un constante valor.

Debido al diseño integrado, en un sistema de turbocompresor de presión constante, el número de cilindros del motor no juega un papel importante. Por ejemplo, desde el punto de vista de la turboalimentación, el comportamiento de un motor turboalimentado de 4 cilindros será el mismo que el de un motor de 6 cilindros.

Turbocompresores de presión constante también se llaman turbocompresores de un solo desplazamiento porque utilizan un único tubo común (scroll) para transportar los gases de escape desde los cilindros hasta la turbina.

Las ventajas de los sistemas de turbocompresor de un solo desplazamiento (presión constante) son:

  • Alta eficiencia de la turbina, dada por el flujo constante de gases de escape.
  • buen rendimiento con carga elevada (alto flujo de gases de escape)
  • Colector de escape y carcasa de turbina sencillos, fáciles de fabricar y rentables.

Las desventajas de los sistemas de turbocompresor de un solo desplazamiento (presión constante) son:

  • Menor energía de los gases de escape en la entrada de la turbina.
  • Bajo rendimiento a velocidad y carga del motor baja o media.
  • Mal rendimiento durante el funcionamiento transitorio del motor (aceleración)

Componentes del turbocompresor continental (RAAX)

Imagen: Turbocompresor de desplazamiento único (RAAX)
Crédito: Continental

  1. compresor
  2. carcasa del compresor
  3. alojamiento (central) del cojinete
  4. carcasa de turbina (desplazamiento único)
  5. turbina
  6. válvula de descarga

Cómo funcionan los turbocompresores de doble entrada

en un sistema turboalimentado por impulsosSegún el número y el orden de encendido de los cilindros, diferentes tubos conectan las lumbreras de escape de los cilindros con la turbina. En este caso, se elimina la interferencia de presión entre los cilindros y las ondas de presión (pulso pico alto) viajan hasta la entrada de la turbina.

Para un motor de 4 cilindros, con orden de encendido 1-3-4-2, los cilindros 1 y 4 tienen un tubo de escape común y los cilindros 2 y 3 tienen un segundo tubo de escape. Ambos tubos transportan los gases de escape hasta la entrada de la turbina. Dado que utiliza dos tubos para los gases de escape, el sistema se llama turbocompresor de doble desplazamiento.

Colector de escape VW MK IV (turbocompresor de doble entrada)

Imagen: Colector de escape para turbocompresor Twin-Scroll
Crédito: SPA Turbo

El turbocompresor Twin-scroll aprovecha al máximo la energía del pulso, lo que significa que la energía de los gases de escape disponible para su conversión en trabajo útil en la turbina es mayor.

En comparación con un turbocompresor de un solo desplazamiento (presión constante), un turbocompresor de doble desplazamiento (pulso) tiene las siguientes ventajas:

  • Mayor energía de entrada a la turbina debido al aprovechamiento de las ondas de presión (energía de pulso)
  • Buen rendimiento a régimen y carga del motor bajos o medios.
  • Buen rendimiento durante el funcionamiento transitorio del motor (aceleración).

Las desventajas de sistemas de turbocompresor de doble desplazamiento (pulsos) son:

  • Pobre eficiencia a altas cargas y velocidades del motor.
  • Colector de escape y carcasa de turbina complejos y costosos.

Explicación del turbocompresor Twin-Scroll (BMW)

Imagen: Explicación del turbocompresor Twin-scroll
Crédito: BMW

Los gases de escape de los dos pares de cilindros son conducidos a la turbina a través de canales separados en forma de espiral (scrolls) de diferente diámetro.

El canal más grande (A), que conecta el escape de los cilindros 2 y 3, dirige una corriente de escape al borde exterior de las palas de la turbina, lo que ayuda al turbocompresor a girar más rápido.

El canal más pequeño (B), que conecta el escape de los cilindros 1 y 4, dirige la otra corriente de escape hacia las superficies internas de los álabes de la turbina, mejorando la respuesta del turbocompresor durante operaciones transitorias (aceleración del motor).

La tecnología Twin-scroll combina una respuesta óptima en los graves con un excelente aumento de potencia en los agudos.

Crédito: BMW

Turbocompresor de doble desplazamiento (Voith)

Imagen: turbocompresor de doble desplazamiento
Crédito: Voith

Turbocompresores de un solo desplazamiento sólo están usando el energía térmica del gas de escape para comprimir el aire de admisión a través del compresor.

Turbocompresores de doble entrada están usando ambos energía térmica y de pulso (onda de presión) del gas de escape con el fin de obtener trabajo mecánico para accionar el compresor de aire de admisión.

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