Turbocompresor Y Supercargador 5t1j6a

Instituto Politécnico Nacional ESIME Culhuacán Sistemas automotrices Turbocompresor y supercargador Profesor Crispín Quintanar Paz

José Javier Chávez Ruíz 5SM1

Turbocompresor Un turbocompresor o también llamado turbo es un sistema de sobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar mediante un eje coaxial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores diésel. En 1962 el primer automóvil de producción en masa fabricado en EEUU en tener un turbocargador de fábrica (el Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket). Entre las primeras marcas que implementaron turbocompresores en motores de reducida cilindrada de manera más frecuente al principio del siglo XXI fueron las pertenecientes al Grupo Volkswagen posteriormente desarrollaron sistemas que implementarían la combinación de la carga estratificada de combustible y a su vez una combinación 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.

Elementos que conforman el sistema del turbocompresor 

Filtro de aire

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Rueda compresora

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Intercooler

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Multiple de isión

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Rueda propulsora

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Muliple de escape

Estructura del turbocompresor

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Caracol de isión: recolecta el aire comprimido y lo redirecciona al muldiple de isión

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Rueda compresora: aspira aire del ambiente y lo envía al motor

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Plato: soporta el caracol de isión y brinda una superficie aerodinámica

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Caracol de escape: recolecta los gases de escape y los dirige a la rueda turbina

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Rueda turbina: convierte la energía de los gases de escape en potencia para accionar la rueda compresora

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Cuerpo central: contiene el conjunto de elementos rotativos

 La válvula waste-gate o de descarga: 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 

La dump valve o válvula de escape: abre una fuga en el conducto de isión 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.

Funcionamiento 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 atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión

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. Los turbocompresores más pequeños y de presión de soplado más baja ejercen una presión máxima de 0,25, mientras que los más grandes alcanzan los 1,5 bar. En motores de competición se llega a presiones de 3 y 8 bares dependiendo de si el motor es gasolina o diésel.

En los motores diésel el turbocompresor está más

difundido debido a que un motor diésel trabaja con exceso de aire al no haber mariposapor una parte, por otra las presiones alcanzadas al final de la carrera de compresión y sobre todo durante la carrera de trabajo son mucho mayores (40 a 80 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 del gasóleo, 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.

Ventajas 

un motor con turbocompresor tiene una mayor potencia máxima para una cilindrada dada

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estos motores pueden funcionar a mayor altitud sin tener una merma significativa de potencia.

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Contribuye a la recuperación de energía, ya que usa como medio propulsor los gases de escape del motor.

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Añade poco volumen y peso al motor, lo que permite encajarlo en un vehículo existente sin grandes modificaciones externas.

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Permite reducir el consumo de combustible empleado (esto obteniendo mas energía por litro de combustible).

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Al girar a 100,000 rpm (revoluciones por minuto) o mas, es capaz de presurizar mas cantidad de aire. Es mas barato que un SuperCargador (hablando obviamente de capacidades similares). En bajas revoluciones el consumo de combustible no aumenta (basicamente funciona a mas de 2500 rpm) Diseño bastante simple

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Desventajas 

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Es bastante delicado asi que requiere de ciertos cuidados y mantenimientos (recomendado cambios de aceite cada 5,000 km). Puede llegar a mas de 750*C (celcius) asi que puede sufrir daños por sobrecalentamiento y mala lubricacion. No tiene respuesta inmediata, por lo general empiezan a presurizar entre las 2,500 y 3,000 rpm.

Refrigeración del aire 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 isión 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 isión 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.

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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.

Tipos de sistemas de turbocompresor 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 turbocargador no funciona de igual manera en distintos regímenes de motor. A bajas revoluciones, el turbocargador 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.

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Un "biturbo": es un sistema con dos turbocargadores 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.

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Un "biturbo en paralelo" o "twin turbo": es un sistema con dos turbocargadores 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.

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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.

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Un "biturbo secuencial": se compone de dos turbocargadores 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 turbocargadores para lograr una mayor potencia y un menor tiempo de respuesta. Este sistema es utilizado en elmotor Wankel del Mazda RX-8. 

Un "turbocargador de geometría variable": 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 álabesprovocando 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 turbocargador. 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).

Refrigeración del turbocompresor 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 los cojinetes 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.

Supercargador

Es un compresor instalado en un motor de combustión para generar una sobrealimentación, aumentando así su potencia específica. La energía para el supercargador se proporciona mecánicamente por medio de correas, cadenas o ejes conectados al cigüeñal del motor. Depende de qué tipo de supercargador sea, en el caso del supercargador centrífugo esta energía hace girar un rotor con álabes que introduce aire a presión al motor. Esto da a cada ciclo de isión del motor más oxígeno, permitiendo que se queme más combustible y que haga

más trabajo, lo que aumenta la potencia del mismo. Los sobrealimentadores en la década del 90 son simplemente compresores de aire que reciben su mando del motor, es decir, se alimentan de la fuerza del motor. Usado en los coches de pasajeros, los sobrealimentadores reciben la fuerza por una correa desde el eje del cigüeñal, a un ritmo que va a la velocidad del motor. Aunque cierta potencia del motor es consumida por el sobrealimentador, la ganancia de potencia obtenida es superior.

Tipos de supercargador

Hay varios tipos de diseños de sobrealimentadores. El más común y mas antiguo es la variedad Rootes. En este diseño, la potencia del motor activa un eje que atraviesa toda la longitud de la cubierta del sobrealimentador. Este eje se acopla a través de engranajes a un segundo eje, paralelo a él, también dentro de la cubierta. Ambos ejes tienen rotores con lóbulos que son los que se acoplan entre sí, como un engranaje muy grueso del tipo de 2 o 3 dientes. Los rotores dan vuelta de manera que los lóbulos se separen justo en la isión de la cubierta, absorbiendo aire dentro de ésta. A medida que los rotores giran y sus lóbulos se separan uno de otro, cada uno lleva al interior de la cubierta el aire fresco atrapado en sus lóbulos. Cuando los lóbulos se vuelven a encontrar en el escape de la cubierta, los lóbulos mezcladores de los rotores obligan el aire a fluir dentro del múltiple de isión.

El girar constante de los rotores trae más aire dentro del motor del que éste puede consumir, lo que ocasiona que la acumulación de aire ejerza presión sobre el múltiple. Cuando las válvulas individuales de isión de los cilindros se abren, el aire a presión es forzado dentro de los cilindros. Para prevenir los incrementos de presión peligrosos en la isión, una válvula controlada por el ordenador del motor se

abre, permitiendo que el aire recircule de nuevo hacia el lado de isión del sobrealimentador. Esta válvula también regula el nivel de refuerzo según las condiciones de funcionamiento del motor. Como el sobrealimentador está conectado directamente al motor por medio de una correa, su refuerzo se consigue a todas las velocidades del motor. Esto proporciona un mejor rendimiento en toda la gama de velocidades, incluyendo las de crucero. Los supercargadores más recientes son los centrífugos. Es un compresor (parecido a la turbina) que va unido a la polea, la cual es accionada por una banda al motor. Su ventaja es que ocupa menos espacio que el Roots y que es menos complicada su instalación. Pero su desventaja es que presenta una pequeña demora, y que su régimen óptimo de funcionamiento del compresor es a altas revoluciones. Más o menos la velocidad de giro del rotor debe de ser entre 70, 000 a 100, 000 rpm.

Ventajas   

Respuesta inmediata, al estar directamente a las poleas del motor la respuesta es ideal para competencia. No se calienta tanto como el turbo por lo que el funcionamiento es mas confiable. No requiere gran cantidad de mantenimiento.

Desventajas 

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Al ser impulsado por las poleas del motor cunsume cierta potencia del mismo tal como lo hace un compresor de A/A (aire Acondicionado). Alto costo (muchas veces viene junto con el multiple de ision). Capacidad de Presurizacion menor a la de un TurboCompresor equivalente. Diseño mas complejo y por lo tanto mas pesado.

Diferencias entre Turbocompresor y supercargador

La diferencia mas marcada es el método que impulsa cada un de los sistemas, mientras que el turbocompresor es activado por los gases de escape, el cuper cargador se impulsa a través de bandas que mueven una polea, generando el movimiento necesario para que se lleve a cabo la compresión del aire. La finalidad de ambos elementos es la misma, suministrar aire comprimido a las cámaras de combustión para mejorar la potencia entregada por el motor disminuyendo el consumo de combustible.