El Turbo normal y el de geometría variable TGV o VNT

VISTAS 2030


A través del tiempo, no hemos dedicado a la evolución del turbocompresor, a su seguimiento respecto a su avances técnicos; mecánicos, electrónicos y mecatrónicos.

Tuvimos en cuenta el turbo básico aplicado tanto a los motores de ciclo Otto como Diesel. A la importancia del “turbomatching”, es decir de todos los aspectos relacionados con la adaptación del turbo al motor, y a su puesta a punto. En la actualidad, y con la venida de la tecnología “downsizing” en los motores, nos ocupamos de los turbos “twin scroll”, de los pequeños turbos con comando electrónico (sensores y actuadores), con nuevos materiales, turbos TGV o VTN.
Un capítulo de importancia, es la aplicación de la doble y la triple sobrealimentación (con dos y tres turbos en ambos ciclos) y la sobrealimentación combinada (turbo más compresor centrífugo).
Por último, y como tema de consideración, es el uso del turbo en los motores deportivos, en diferentes categorías incluyendo a la Fórmula 1, desde la década del ’70 hasta hoy la aplicación en la F1 del 2014. Los motores Diesel de la LeMans Serie, como Audi y Peugeot utilizan turbos de avanzada tecnología.

El denominado turbo, es un grupo compuesto por una turbina, puesta en movimiento a alta velocidad por los gases de escape del motor, y por un compresor centrífugo. La turbina suministra la energía necesaria al funcionamiento del sistema, mientras que el compresor comprime al aire proveniente del medio exterior hacia los cilindros del motor, incrementando la velocidad y la presión. La energía contenida en los gases de escape, es recuperada dentro de la turbina, ya sea a nivel de la presión, como a nivel térmico. El eje de unión entre la turbina y el compresor, trabaja en baño de aceite a elevados regímenes. El conjunto es completado básicamente por la denominada válvula “waste gate”, y casi siempre por un “intercooler”.
A igualdad de potencia, un motor turbo pesa entre el 20 y el 30 por ciento menos que uno normal. Bajo ese aspecto, es posible decir que el motor turbo ayuda a reducir el consumo de combustible a paridad de potencia.
El par motor más elevado de un motor turbo, puede ser utilizado para “alargar” las relaciones de transmisión, sabiendo que también esto, permite reducir el consumo a paridad de prestaciones respecto a un motor aspirado de igual potencia.
Es decir que, un turbocompresor está compuesto por una turbina y un compresor, conectados por un eje común que se apoya en un sistema de cojinetes. El turbo convierte, la energía contenida en los gases de escape del motor, para comprimir aire y enviarlo a los cilindros del motor. Esto permite al mismo, combustionar más combustible, produciendo mayor potencia y mejorando la eficiencia total del proceso de combustión.
La turbina consta de dos componentes; el rotor de la turbina y la que se denomina, el cárter o la carcasa de la misma. La energía de los gases de escape hace girar la turbina, y después que los gases pasaron a través de los álabes del rotor, dejan la carcasa hacia el área de salida al exterior.
El compresor sin embargo, trabaja en forma opuesta a la turbina. El mismo está compuesto por dos partes; el rotor del compresor y la carcasa o cárter del compresor. El rotor, está concectado con la turbina, por medio de un eje fabricado en acero forjado.
Como finalidad el compresor, es decir su rotor, tiene que conducir y comprimir el aire de admisión a través de sus álabes, a alta velocidad. El cárter esta diseñado para convertir, la alta velocidad de la corriente de aire de baja presión en una corriente de aire de baja velocidad y alta presión, a través de un proceso denominado difusión.
Para lograr la sobrealimentación, el turbo utiliza el flujo de gases de escape, para accionar la turbina, la cual gira como una bomba de aire. La turbina de un turbo puede alcanzar velocidades de más de 150.000 rpm. que son 30 veces más rápido que la velocidad de un motor corriente. Cuando se conecta con el escape, las temperaturas de la turbina son muy elevadas.
El aire penetra en el compresor, a una temperatura equivalente a la atmosférica, sin embrargo como la compresión eleva la temperatura, el compresor alcanza valores superiores a los 200 gradosC. El sistema de cojinetes del turbo es lubricado con el aceite a presión del circuito del motor.
Los cojinetes principales son del tipo flotantes rotativos, y para lograr un correcto rendimiento, el cojinete debe flotar en una película de aceite. La luz, el huelgo es muy pequeño, tanto como el diámetro de un cabello. La falta de aceite lubricante, el taponamiento parcial de los conductos o la ausencia momentánea de aceite, produce serios problemas en el turbo.

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LA VÁLVULA “WASTE GATE”
Se trata de una simple válvula, que permite pasar a parte de los gases de escape en forma directa, desde el múltiple de escape al caño de escape. Es un simple pero efectivo camino de control de la velocidad del turbo, y de la presión de sobrealimentación.
Para comprender la razón del uso de la válvula “waste gate”, es necesario ver las características de presión y velocidad del turbo, cuando se usa una turbina de geometría fija. Cabe señalar que existen una serie de diseños, tanto en turbinas como en compresores, y los problemas pueden darse con la velocidad del turbo, que es función en ciertos casos de la velocidad que desarrolla el motor. Si la velocidad del propulsor se incrementa, también aumenta la velocidad del turbo, y se corren riesgos de que se generen fallas graves para el turbo, para el motor, o para ambos.
Para evitar estos inconvenientes, es que se usa la válvula “waste gate”. Para lograr una buena presión de sobrealimentación, con bajas velocidades del motor se utilizan pequeñas turbinas, sin embargo la velocidad del turbo es siempre controlada, para tener un nivel de seguridad. Por eso, parte de los gases de escape del motor, no pasan por la turbina, sino que se derivan al medio exterior, a través de la válvula “waste gate”.
Recientemente, fue desarrollado un método alternativo, por la firma Cummins Turbo Technologies, y es la válvula de Comando Holset. Esta tecnología está conectada con la Unidad de Control Electrónico del motor (ECU), para controlar la válvula “waste gate” usando al aire presurizado -de sobrealimentacióndesde el compresor. Esto genera una alta presión de sobrealimentación, en la mitad de la gama de velocidades, sin exceder el límite de velocidades recomendadas. Además de controlar la presión de sobrealimentación, en bajos regímenes del motor, la válvula “waste gate” es utilizada para otras finalidades.

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EL USO FUTURO
Los sistemas de postratamiento de las emisiones contaminantes, son cada día más numerosos y variables, y para poder variar las características de una turbina de un turbo, es necesario que el sistema de escape tenga contrapresiones variables durante su vida útil, las cuales afectan las presiones, de sobrealientación.
Una tecnología como la de Holset TGV. (Turbo de Geometría Variable), ofrece más soluciones sofisticadas, respecto a la variación de la geometría de las turbinas, y al control de la presión de sobrealimentación. Las válvulas “waste gate” tienen todavía vigencia de aplicación, para las actuales y las futuras reglamentaciones anticontaminación, debido a su simpleza y bajo costo.

EL TURBO DE GEOMETRÍA VARIABLE (TGV)
El objetivo del turbosobrealimentador, es aumentar y controlar la presión de sobrealimentación, dentro de una amplia gama operativa del motor, tan amplia com sea posible. La Cummins Turbo Technologies, patento la tecnología Holset TGV. logrando una infinita gama de control de la presión de alimentación. El TGV. es un turbocompresor en el cual, la parte por donde pasan los gases de escape en la turbina, y se abren sobre el rotor a través de una serie de “álabes móviles” montados sobre un anillo, de forma de poder moverse en forma simultánea (todos los álabes se mueven al mismo tiempo).
A bajos regímenes, los álabes se cierran, de modo tal que los gases se aceleran velozmente, aumentando así la presión, el empuje sobre la turbina. Al aumentar la velocidad del motor, los álabes se abren, reduciendo así la contrapresión, muy perjudicial, que se genera debido al pasaje de los gases por el rotor, y que impide a los mismos fluir libremente hacia el conducto de escape.
Con este turbocompresor, la válvula “waste gate” no es necesaria, porque la presión de sobrealimentación es controlada, actuando sobre la variación del ángulo de los álabes móviles. La regulación de los álabes, se puede efectuar por medio de una válvula a depresión, sobre el conducto de admisión, o por medio de un pequeño motor eléctrico accionado por la Unidad de Control Electrónico del motor (ECU).
Entre los beneficios del turbo Holset TGV., se encuentran los siguientes;
• Buena respuesta momentánea
• Economía de combustible mejorada.
• Aumento del uso operativo del motor (amplia gama de velocidades).
• Diseño de probada duración
• Tamaño y dimensión del motor reducidos (volumen).
• Asistencia del control EGR (Recirculación de los Gases de Escape), para cumplir con las reglamentaciones anti-contaminación.
• Aumento de la capacidad de frenado (compresión).

El turbo Holset TGV., es parte de un sistema de control de aire y combustible totalmente integrado, controlado por la electrónica del motor. En cuanto a la actuación, ya sea eléctrica o neumática, puede ser usada para efectuar la regulación de la geometría de la turbina del turbo. La actuación neumática, necesita del aire a presión del sistema de frenos del vehículo.

Alternativamente un motor eléctrico, enfriado por agua y automaticamente calibrado, y contando con un actuador -instalación simplificada- es usado para mantener el sistema TGV. y la performance del turbocompresor.

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