Turbocompresor de doble entrada y de geometría variable

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Video resumen Turbocompresor de doble entrada y de geometría variable

Aumentar el llenado de los cilindros del motor en admisión es un objetivo prioritario para lograr mejores prestaciones.

A esta ventaja se han de añadir reducir consumo y contaminación.

Para conjugar esos tres aspectos la sobrealimentación es una buena solución y se implanta asiduamente en el motor térmico.

La sobrealimentación se puede lograr genéricamente con el compresor volumétrico arrastrado por el motor, o con el turbocompresor accionado por los gases de escape.

Esta última es la tecnología de sobrealimentación más utilizada, la única en diésel y la más frecuente en gasolina.

Para que la implantación del turbocompresor en el motor de un coche de calle sea eficiente, se tiene que contar con buena respuesta al acelerador desde bajas RPM, y hasta conseguirlo se ha ido pasando por sucesivas evoluciones técnicas.

En este artículo se van a exponer dos de estas evoluciones.

Para explicar los procesos y el funcionamiento de estas tecnologías se citan conceptos, complementos y otros detalles que están muy relacionados con el tema.

Por si resulta de interés ampliar información en estos contenidos se incluyen enlaces a otros artículos del blog que los explican.

El turbocompresor y la resonancia en colectores

Por los colectores de admisión y escape circulan los gases de entrada y salida del motor, a muy elevadas velocidades, lo que implica generar inercias sumamente intensas que afectan al llenado y vaciado de gases.

Se ve un motor de cuatro cilindros en línea sobrealimentado por turbocompresor resaltando estos componentes. Es el motor que se va a utilizar también en las siguientes explicaciones.
Filtro de aire.
Turbina en la salida de gases de escape del motor.
Compresor, está situado en el colector de admisión y es movido por el eje que le une a la turbina.
Se pone el motor en marcha.
Los gases de escape salen del motor con más o menos velocidad según las RPM y energía de las explosiones o combustiones, e inciden sobre la turbina haciéndola girar.
El eje de la turbina hace girar al compresor que toma aire del exterior pasando por el filtro y lo envía a la admisión del motor, con más o menos presión según las RPM.
Los gases de escape salen del motor y al llegar a la turbina se frenan, la mayor parte tras hacer girar a la turbina siguen por la línea de escape al exterior, pasando por los sistemas anticontaminación y silenciadores. Parte de gases de escape rebotan por el efecto freno de la turbina y retroceden hacia el motor, si están cerradas las válvulas de escape rebotan de nuevo hacia la turbina…
… estos movimientos de vaivén entre las válvulas de escape y la turbina es la resonancia, que varía con las RPM y aceleración. Se diseña el motor (diagrama de distribución) para que a determinado régimen de giro del motor los efectos de la resonancia ayuden a vaciar los gases de escape de los cilindros (y aumentar el llenado en admisión), son las RPM de par máximo.
La resonancia a bajas RPM, con poca aceleración, reduce el empuje de los gases de escape sobre la turbina por el efecto de retorno de parte de los gases, lo que supone que la respuesta al acelerador disminuye hasta que suben las RPM y aumenta la velocidad de los gases, más frecuencia de resonancia.
Aparece la válvula de descarga, es su función evitar exceso de presión de sobrealimentación y RPM del turbocompresor, para esto hace que parte de los gases de escape no incidan sobre la turbina puenteándola por un conducto específico. La válvula de descarga actúa por la presión de sobrealimentación alcanzada en el colector de admisión, al que está conectada por un conducto.
Al aumentar la presión del aire de admisión también se calienta, lo que disminuye su densidad reduciendo el llenado, se palia este efecto intercalando entre el compresor y entrada de aire a presión al motor un intercambiador térmico, intercooler, que baja la temperatura del aire a sobrepresión.
La resonancia que se ha explicado también se produce en admisión, pero en este artículo nos centramos en el escape al ser el relacionado con las tecnologías que se van a explicar.
Desde el sistema de engrase del motor; aceite en el cárter, bomba de aceite, filtro y circuito de lubricación, sale un conducto que llega al turbocompresor con tres funciones; lubricar a los elementos internos, refrigerarlos y generar un colchón de aceite que hace de cojinete hidráulico disminuyendo mucho los rozamientos, cuando está caliente el aceite, lo que es trascendental al girar conjunto turbina – eje – compresor a 200.000 RPM o más.

El turbocompresor es un componente sometido a cargas térmicas y mecánicas sumamente severas, por lo que se diseña con materiales adaptados a su trabajo.

Las condiciones de utilización más críticas son; motor en fase de calentamiento y parada del motor, sobre todo tras un recorrido exigente por velocidad o con temperaturas ambiental elevada.

De hecho, en la selección del aceite de lubricación del motor se tiene muy en cuenta si dispone de turbocompresor, para que su calidad (ACEA) y especialmente adaptación térmica a la temperatura de arranque en frío (grado SAE W) permita generar lo antes posible el efecto de cojinete hidráulico de sustentación del eje.

Es habitual que el accionamiento de la válvula de descarga sea electrónico sustituyendo al neumático, para contar con más capacidad de respuesta y versatilidad.

Comparación de turbocompresor pequeño o grande

El turbocompresor TC aumenta el llenado de los cilindros, pero para lograrlo ha de girar a suficientes RPM.

Si se acelera desde bajas RPM la capacidad del TC de subir rápidamente de RPM depende de su inercia, es decir del tamaño.

Se ve un motor sobrealimentado por un TC de pequeño tamaño.
- Por su tamaño la inercia es reducida y al acelerar desde bajo régimen del motor el TC sube ágilmente de RPM.
- Al superar las medias RPM del motor, para aportar más caudal de aire el TC pequeño debería girar a RPM muy elevadas lo que comprometería su fiabilidad, por lo que se ha de asumir que a altas RPM del motor el aumento del llenado ofrecido por un TC pequeño no es demasiado elevado.
- Al no tener más llenado adicional a altas RPM de motor la potencia alcanzada no es muy alta.
A continuación se equipa a este motor con un TC grande en lugar del pequeño.
- La elevada inercia del TC limita su agilidad para subir de RPM al acelerar, queda reflejado en las curvas de par y potencia.
- Al acelerar el motor desde bajo régimen le cuesta al TC subir de RPM por su inercia, aumentando poco el llenado hasta que alcanza suficiente velocidad de giro.
- Una vez superado el medio régimen de giro del motor, el TC grande ya va a suficiente velocidad para aumentar mucho el llenado del motor lo que permite altos valores de par y sobre todo potencia a más RPM.
Tras estas explicaciones se llega a estas conclusiones.
- El TC pequeño tiene menos tiempo de respuesta al acelerar desde bajas RPM y menos potencia.
- El TC grande tiene más tiempo de respuesta al acelerar desde bajas RPM y más potencia.

Para lograr la respuesta del motor más acorde a su pliego de condiciones, se ha de primar el par o la potencia, o llegar a una opción de compromiso con un TC de tamaño intermedio.

Las soluciones para contar con buenos valores de par y potencia, con amplio margen de RPM de respuesta del motor con TC son diversas, estas estas; TC de doble entrada, TC de geometría (variable estas dos tecnologías son el tema de este artículo), más de un TC en el motor, TC eléctrico de asistencia y motor eléctrico de asistencia (también en motores no sobrealimentados), de las que hay artículos en el blog que se indican al final.

Turbocompresor de doble entrada en motor de gasolina

Los gases de escape salen de cada cilindro secuencialmente, lo que implica que la resonancia de los gases de escape de cada uno tenga efectos sobre el conjunto al llegar a la turbina.

Este hecho permite encontrar una solución para mejorar la respuesta del motor desde bajas RPM, buen par motor, manteniendo un TC de más tamaño que aporte llenado a altas RPM, potencia.

Se separa el colector de escape conjunto de los cuatro cilindros en dos partes o tramos
Un tramo es para el escape de los cilindros 1 – 4 y el otro para los 2 – 3.
La turbina tiene dos entradas independientes de gases de escape, una para cada tramo. Su denominación es; turbocompresor de doble entrada o de doble caracola (“twin schroll”).
Esta tecnología es frecuente en motores de gasolina, pues al tener mariposa de gases y estar bastante cerrada a bajas RPM, el escaso llenado propicia que el rebote de gases por la resonancia al incidir en la turbina, en colectores comunes a los cuatro cilindros, haga que se frene la llegada de los gases de escape del cilindro siguiente lo que reduce el empuje sobre la turbina, más tiempo de respuesta.
Con el TC de doble entrada, la llegada de gases de escape a la turbina por uno de los tramos y rebotar, no afecta a la llegada de gases de escape por el otro tramo, manteniendo así el empuje sobre la turbina lo que mejora el tiempo de respuesta.
La agrupación de colectores de escape depende del orden de encendido del motor, en este es 1 – 3 – 4 – 2, por lo que unen los de los cilindros que no son consecutivos en los tiempos motor para que no afecte la salida de escape de uno sobre el otro. Por ejemplo; cuando está en escape el 1 y rebotan parte de sus gases en la turbina, el siguiente en escape es el 3 cuyos gases llegan por el otro tramo no siendo afectado por la resonancia de escape del 1.

Esta solución es bastante efectiva, por lo que se utiliza habitualmente en motores de gasolina, sobre todo cuando la cilindrada del motor requiere un TC de buen tamaño para aportar potencia a altas RPM.

Concepto de turbocompresor de geometría variable

En motores sin mariposa de gases, o que se mantenga abierta en la mayor parte de situaciones de funcionamiento del motor, con más llenado incluso a bajas RPM, los efectos de resonancia en la turbina a bajas RPM tienen menos incidencia y se cuenta con buen caudal de salida de gases de escape.

Al no necesitar el motor diésel mariposa de gases, pues funciona con exceso de aire, se da esta situación.

Al no haber en el colector de admisión obstrucción al paso del aire de admisión, el llenado del motor es bueno incluso a bajas RPM.
Como en el motor diésel la aceleración se regula adaptando el caudal de gasóleo inyectado, a bajas RPM se inyecta poco y la combustión es de escasa intensidad, poca presión y velocidad de salida de gases de escape, pero en gran cantidad.
Al haber mucho caudal de salida de gases de escape del motor, se puede hacer una disminución del paso de estos gases justo antes de la turbina.
Al reducirse el paso de los gases de escape y seguir empujando los que vienen detrás, han de aumentar de velocidad lo que incrementa el empuje que generan sobre la turbina, haciéndola subir más rápidamente de RPM, mejor tiempo de respuesta.
Se basa este concepto de TC de geometría variable en contar con muchos gases de escape a bajas RPM, obstruir parcialmente su sección de paso a la turbina para aumentar su velocidad y reducir el tiempo de respuesta.
Es una tecnología idónea para el motor diésel, como se comentó, pues al no precisar mariposa de gases entra mucho aire y se producen muchos gases de escape incluso a bajas RPM.

Se ha representado el concepto de TC de geometría variable y a continuación se explica el sistema real más utilizado.

Hay otro poco frecuente que se presenta al comparar los diferentes sistemas de TCvariables.

Turbocompresor de geometría variable en motor diésel con álabes móviles

Vamos a explicar la tecnología utilizada habitualmente en motores diésel de TC de geometría variable, con álabes móviles.

La turbina está en el interior de su cárter …
… está la turbina rodeada de un conjunto de álabes móviles que pueden giran desde su punto de apoyo cada uno todos a la vez.
Se ve a continuación el filtro de aire, conducto desde este al cárter que contiene al compresor, conducto de aire a presión desde el compresor hacia el colector de admisión pasando por el intercooler.
Al funcionar el motor diésel a bajas RPM se inyecta poco gasóleo, saliendo los gases de escape a reducida velocidad y presión, pero en gran cantidad pues ha entrado mucho aire en admisión al no estar limitado por la mariposa.
En esta situación están los álabes muy próximos dejando pasos muy estrechos a los gases de escape, que aumentan de velocidad por el empuje de los que siguen saliendo del motor.
Al aumentar la velocidad de incidencia de los gases de escape tras pasar por los pasos estrechos entre álabes empujan con más energía a la turbina, que sube rápidamente de RPM mejorando el tiempo de respuesta.
La actuación sobre los álabes móviles se hace mediante un sistema neumático comunicado por un conducto con el colector de admisión, es similar a la válvula de descarga.
Según sube el motor de RPM aumenta la presión de sobrealimentación, lo que hace que el sistema neumático vaya abriendo el paso entre los álabes de los gases de escape, que ya salen con más velocidad y energía pues se inyecta más gasóleo al acelerar.
Al llegar a la máxima presión de sobrealimentación, determinada por el tarado del muelle del sistema neumático, se abre tanto el paso de gases de escape entre los álabes que hace la función de válvula de descarga limitando la presión de sobrealimentación y RPM del TC.

Este sistema de TC de geometría variable se utiliza también en algunos motores de gasolina, para que sea más eficiente se ha de contar con buen llenado a bajas RPM, es decir con plena o casi apertura de mariposa o sistema similar de aceleración (alzado variable de válvulas de admisión).

Los motores de gasolina más adaptados a este tipo de TC de geometría variable son con inyección directa y mezcla pobre.

El sistema de accionamiento de los álabes puede ser electrónico para mejorar su control.

Comparación de curvas de par y potencia en motores con turbocompresor TC

Los resultados prácticos en uso del automóvil con TC variable, de doble entrada o álabes móviles se traducen en mejorar el tiempo de respuesta al aceleras desde bajas RPM.

Para empezar, se representa un TC ni grande ni pequeño, de tamaño intermedio como compromiso.
Las curvas de par y potencia reflejan cuál es su comportamiento, hay una cierta demora al acelerar el motor desde bajo régimen hasta que se llega a medias RPM.
TC variables; de doble entrada y de geometría variable con álabes móviles, más otro similar.

- Se ve el TC de doble entrada en la turbina.
- A continuación el TC de geometría variable por álabes móviles.
- Y otro TC de geometría variable no explicado, es de cono deslizante. Al desplazarse el cono varia la sección de paso de los gases de escape hacia la turbina, con efectos similares al de álabes móviles pero no tan eficiente. El sistema de accionamiento para el desplazamiento del cono es similar al de alabes móviles, neumático o electrónico.
- Al comparar las curvas de par y potencia de estos TC variables con la base de las del TC estándar, se aprecia como al acelerar desde bajas RPM de motor la subida de par, y potencia, es bastante más rápida disminuyendo sensiblemente el tiempo de respuesta.

La mejora del tiempo de respuesta permite poder utilizar el motor a RPM más bajas y alargar los desarrollos de transmisión en la caja de cambios (relación entre los km/h y las RPM), para que el motor funcione a menos RPM, con mejoras en uso normal del consumo y contaminación.

Aplicaciones de turbocompresor variable

En las imágenes siguientes se ven aplicaciones prácticas de los TC variables explicados.

TC de doble entrada en un motor de gasolina. Se ven las dos entradas en la turbina, a la que rodean conformando como dos caracolas, de donde deriva una de sus denominaciones.
TC de geometría variable por álabes móviles, se aprecian estos alrededor de la turbina en un motor diésel.
TC de geometría variable por cono deslizante. Se representan dos posiciones del cono, a la izquierda con mucha sección de paso, altas RPM, y a la derecha con poca sección de paso, bajas RPM.

En los dos TC de geometría variable el sistema de accionamiento es neumático, en el de álabes móviles en la parte superior derecha del TC, y en el de cono deslizante en el mismo eje del cono a su derecha.