Publicado por Taller Actual

Evolución y futuro del turbocompresor

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Sabemos que el turbocompresor de geometría variable TGV. también denominado en inglés TVN., posee la “parte fija” o el cárter de la turbina, es decir la parte por donde pasan los gases de escape.

Sobre esa parte en un disco o anillo, se encuentran posicionados una serie de álabes o aletas móviles, que se abren o cierran de manera simultánea. En bajos regímenes de rpm.,los álabes se cierran, de manera que los gases de escape se aceleran velozmente, aumentando de esta forma el empuje sobre la turbina . Al aumentar la velocidad del motor , los álabes se abren disminuyendo de esta forma la compleja contrapresión.

Esto es debido, al pasaje de los gases de escape, que impiden que los mismos fluyan libremente, sin pasar por el rotor de la turbina, hacia el tubo de escape. Con este tipo de turbocompresor, la conocida válvula “waste gate” no es necesaria debido a que la presión de sobre alimentación está controlada al actuar sobre la variación del ángulo de los álabes móviles.

La regulación de dichos álabes o aletas, puede efectuarse con una válvula accionada por depresión, posicionada en el conducto de admisión, o por medio de un pequeño motor eléctrico gestionado por la unidad de control electrónico del motor.

El turbo se adapta a las exigencias, que presenta en la actualidad el motor térmico del automóvil o de los vehículos en general, esto sin duda provocó un estudio en profundidad, de los componentes desde el punto de vista mecánico, metalúrgico, de rendimiento, de diseño, dimensional, etc. Estos estudios e investigaciones, permitieron la aparición de nuevas generaciones de turbos, desarrollados incluso para motores “downsizing” de pequeña cilindrada, cabe destacar que, la tendencia del turbo - respecto a la investigación y el desarrollo- se orienta camino a la geometria variable (TGV. o VNT), la miniaturización y los nuevos materiales, procesos y tratamientos.

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LA TECNICA DEL TURBOSOBREALIMENTADOR

Si consideramos la característica del gas de escape, en el colector de un motor aspirado, su presión es de 1,3 a 1,7 bares en tanto que la temperatura es de 700-750 grados C para los motores nafteros y de menos de 600 grados C, para los motores Diesel. Estos gases, se encuentran en condiciones todavía de liberar una cierta cantidad de energía.

El parámetro que define la sobrealimentación de un motor, es la presión del aire a la salida del compresor. En los motores de Alto Rendimiento, esta presión supera en valor a la atmosférica hasta 2-2,5 bares.

En tanto que en los motores de serie, este valor de presión de sobrealimentación alcanza un máximo de 0,6 a 0,9 bares. También el Gas de Escape sale a presión y temperatura mayor. En los motores Diesel, las presiones son de hasta 3 bares y las temperaturas se mantienen casi a los mismos niveles que en los motores aspirados, o sea 600-700 grados C.

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Estas condiciones le son favorables al turbosobrealimentador, que a cambio de su trabajo recibe gases de escape con mayor energía. De esta manera el ciclo se cierra, y el fenómeno de turbosobrealimentación se concreta positivamente.

Respecto a las dimensiones del Turbocompresor, podemos decir lo siguiente; las dimensiones óptimas para un buen funcionamiento, están dadas por los valores elegidos de la Presión de Sobrealimentación en base a la cual se dimensiona el motor.

De esto depende la robustez de los órganos, en función de la Relación de Compresión.

Lo ideal sería tener un valor constante de esta presión, a todos los distintos regímenes de funcionamiento del motor, porque sólo así es posible tener buenos rendimientos en toda la gama de funcionamiento.

Sin embargo ocurre que, a bajas revoluciones el aire es comprimido en forma insuficiente, porque los gases de escape son “pocos”.

Este escaso volumen de gases de escape, hace girar en forma lenta la turbina del turbocompresor, en tanto que a regímenes más elevados la presión es excesiva.

En este caso, lo ideal sería seleccionar una turbina, la más pequeña posible, que recupere suficientemente potencia también en los casos que el motor gire lentamente. Cuando por el contrario, el volumen de gases de escape es muy elevado para pasar a través de la turbina -y esto aumentaría también la contrapresión del escape disminuyendo el rendimiento del motor y dañando las válvulas- se abre una válvula automática que descarga una parte del gas directamente en el silenciador de escape, puenteando a través de un by-pass a la turbina (waste gate).

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Esta válvula automática es normalmente “piloteada” por la presión del aire a la salida del compresor, o por la presión del gas de escape, y en algunos casos por las dos presiones en forma simultánea.

El resultado de todo esto es que, la presión de sobrealimentación es, por lo menos a partir de un cierto régimen, aquella deseada por el constructor.

El rendimiento del compresor debería ser el más elevado posible (en general está comprendido entre el 50 y el 75 por ciento), ya que depende de la energía mecánica “captada” de la turbina que es transformada efectivamente en “aire comprimido” el resto va lamentablemente a calentar el aire, que aparece así menos denso en detrimento del llenado de los cilindros.

El DISEÑO DEL TURBO

El estudio del turbosobrealimentador nos va a conducir a aplicar, numerosos resultados obtenidos en la termodinámica, y a abordar un tema conocido, que es aquel de la recuperación de la energía contenida en los gases de escape.

Nacido de la asociación de una Turbina y un Compresor, el turbocompresor o turbosobrealimentador además de los problemas que crean cada uno de sus componentes (caudales, regímenes de rotación, resistencia de los apoyos al calentamiento, equilibrado dinámico de las masas rotativas), depende del acople de ambos Turbina- Compresor.

Considerando las distintas formas de funcionamiento (en régimen estabilizado o a continuación de una solicitación que obedece a un régimen o tiempo de respuesta), el turbosobrealimentador resulta ser un mecanismo complejo y debe en realidad “complementarse” perfectamente con el motor que deberá sobrealimentar (adecuación entre sus características y aquellas del motor).

En un segundo plano, se verá cuales son las interacciones del turbo sobre el motor mismo, y los nuevos inconvenientes que aparecen (limitación de la relación volumétrica, enfriamiento de los gases de admisión, puesta a punto, resistencia de los materiales).

Algunos de estos puntos, serán desarrollados más en profundidad, y será a través de ellos que se tomará conciencia, respecto de los caminos a seguir.

Entre estos caminos se encuentran los aportes, que efectúa la electrónica; a través del cerebro electrónico del microcalculador, de las sondas o sensores, etc.

Para poder entender las razones de la utilización, de sistemas tan sofisticados, es necesario volver sobre los conocimientos básicos (combustión en los motores).

Posteriormente veremos como son constituidos los elementos del turbosobrealimentador, incluyendo al compresor.

EL COMPRESOR CENTRÍFUGO

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El principio de funcionamiento del compresor centrífugo, está basado sobre la acción de un rotor provisto de álabes o paletas sobre los filetes fluidos.

El movimiento de rotación de los filetes fluidos, que resulta creado por cada partícula elemental produce una fuerza elemental dirigida hacia la periferia de las paletas.

A condición de dirigir perfectamente estos fluidos (el rotor gira dentro de un cárter o estator), y de reducir su velocidad, es posible obtener a la salida del compresor una presión notablemente superior a aquella existente a la entrada.

DESCRIPCIÓN

El compresor centrífugo está constituido por ios siguientes elementos:

• La Envuelta de Entrada. La misma recibe los gases a la entrada del compresor, y los distribuye sobre toda la periferia. En los turbosobrealimentadores de uso normal, la entrada del compresor es axial y la tubería de admisión es conectada por una brida, a la envuelta de entrada.

• El Rotor. Este mecanismo es prácticamente el corazón del compresor, está provisto de álabes o paletas, que denominaremos álabes móviles contrariamente a los álabes fijos, que están dispuestos sobre el difusor a la salida del compresor.

• El Estator. Denominado también cuerpo o carcasa, el mismo cubre en forma total al rotor, siendo el que guía los filetes fluidos y los canaliza hacia el difusor.

• El Difusor. El mismo puede ser liso, o estar provisto de álabes fijos, él transforma la energía cinética -de movimiento- y potencial de los filetes fluidos en energía recuperable bajo la forma de un incremento de presión.

Su diseño, la superficie y el posicionamiento de los álabes fijos son factores determinantes en cuanto a la obtención, de una presión de salida lo más elevada posible.


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