Turbocompresor

Un turbocompresor o tamién llamáu turbo ye un sistema de sobrealimentación qu'usa una turbina centrífuga pa remanar por aciu una exa coaxial con ella, un compresor centrífugu pa comprimir gases. Esti tipu de sistemes suelse utilizar en motor d'esplosión motores de combustión interna alternativos, especialmente nos motores diésel.

En dellos países, la carga impositiva sobre los automóviles depende de la cilindrada del motor. Como un motor con turbocompresor tien una mayor potencia máxima qu'otru de la mesma cilindrada, un modelu turbocargado pagaría menos impuestos qu'un motor non turbocargado de la mesma potencia.

Cronoloxía

En 1936 Cliff Garrett funda The Garrett Corporation en California, Estaos Xuníos.
En 1940 la teunoloxía del turbo ye aplicada a instalaciones marines, industriales y llocomotores.
En 1953 Caterpillar prueba'l primer turboalimentador desenvueltu pola compañía Garrett.
En 1962 el primer automóvil de producción en masa fabricáu en EEXX en tener un turbocargador de fábrica (el Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket).
En 1966 utilizar por primer vegada motores turbocargados nes 500 milles d'Indianapolis.
En 1977 utilizar por primer vegada motores turbocargados na F1, los introducíos pol equipu Renault. La primer victoria d'un motor turbo foi dos años dempués. Fueron prohibíos pol reglamentu en 1989 y reintroducíos nel 2014.

Funcionamientu

Nos motores sobrealimentados por aciu esti sistema, el turbocompresor consiste nuna turbina remanada polos gases d'escape del motor d'esplosión, en que'l so exa afitar un compresor centrífugu que toma l'aire a presión atmosférica dempués de pasar pol filtru d'aire y estrúyelo pa introducilo nos cilindros a mayor presión que l'atmosférica.

Los gases d'escape inciden radialmente na turbina, saliendo axialmente, dempués de vencer gran parte de la so enerxía interna (mecánica + térmica) a la mesma.

L'aire entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, col efeutu secundariu negativu d'un aumentu de la temperatura más o menos considerable. Esti efeutu compensar en gran midida con un enfriador (intercooler).

Esti aumentu de la presión consigue introducir nel cilindru una mayor cantidá d'osíxenu (masa) que la masa normal que'l cilindru aspiraría a presión atmosférica, llográndose más par motor en cada carrera útil (carrera d'espansión) y polo tanto más potencia qu'un motor atmosféricu d'igual cilindrada, y con una medría de consumu proporcional al aumentu de masa d'aire nel motor de gasolina. Nos diésel la masa d'aire nun ye proporcional al caudal de combustible, siempres entra aire por demás al ser por inyeición el suministru de combustible al cilindru, por ello ye nesti tipu de motores onde s'atopó la so máxima aplicación (motor turbodiésel).

Los turbocompresores más pequeños y de presión de sopláu más baxa exercen una presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi), ente que los más grandes algamen los 1,5 bares (21,75 psi). En motores de competición llegar a presiones de 3 y 8 bares dependiendo de si'l motor ye gasolina o diésel.

Como la enerxía utilizada pa comprimir l'aire d'almisión provién de los gases d'escape, que se refugaría nun motor atmosféricu, nun resta potencia al motor cuando'l turbocompresor ta trabayando, tampoco provoca perdes fora del rangu de trabayu del turbo, a diferencia d'otros compresores d'almisión, como los sistemes con compresor mecánicu (volumétrico), onde'l compresor ye remanáu por una polea coneutada al cigoñal.

Funcionamientu en distintos tipos de motores

Diésel

Llau compresor, con entrada d'aire pel llau de baxa presión y conexón d'alta presión a la membrana de la "Waste-Gate".

Nos motores diésel el turbocompresor ta más espublizáu por cuenta de que un motor diésel trabaya con escesu d'aire al nun haber caparina, per una parte; esto significa qu'a igual cilindrada unitaria ya igual réxime motor (rpm) entra muncho más aire nun cilindru diésel.

Per otra parte, y esto ye lo más importante, les presiones alcanzaes a la fin de la carrera de compresión y sobremanera mientres la carrera de trabayu son enforma mayores (40 a 80 bares) que nel motor de ciclu Otto (motor de gasolina) (15-25 bares). Esta alta presión, necesaria p'algamar l'alta temperatura riquida pal autu-inflamación o autu-ignición del gasóil, ye l'orixe de que la fuercia de los gases d'escape, a igual réxime, cilindrada unitaria y carga riquida al motor sía enforma mayor nel diésel que na gasolina.

Gasolina

En dómines recién la sobrealimentación en motores a gasolina viose más espublizada como una téunica pa sacar provechu de los motores de baxa cilindrada. Esto col fin de nun amenorgar el desempeñu arriendes de les esixencies de consumos más amenorgaos. Casi siempres ye similar el funcionamientu que nos motores diésel, sicasí equí la sobrealimentación xuega un papel bien importante por cuenta de que tien de ser realizada de manera precisa con cantidaes exactes con márxenes d'error de +/- 0.50 cm/3 , nesti casu al haber una caparina nel múltiple d'almisión d'aire, tien de regulase la proporción d'aire y combustible nel sistema d'inyeición, según calcular el valor de la rellación de compresión col fin de maximizar el desempeñu y ameyorar el consumu. Indireutamente estos motores pueden funcionar a mayor altitú ensin tener una amenorga significativa de potencia.

Coles mesmes ríquese cubicar el momentu de l'actuación del turbocompresor debíu al retardo d'esti mesmu (turbo-lag). Xeneralmente esto dase porque l'actuación del mesmu depende de la velocidá a la que s'espulsen los gases d'escape, que de la mesma dependen de les RPM del mesmu motor, casi siempres el mesmu va tener un desempeñu óptimo en rexímenes de rangu mediu (de 3000 a 5000 rpm), de la mesma tamién esto depende de la presión de sopláu del mesmu, que n'automóviles comunes casi siempres ye cubicada nunos pocos bares o psi, ente qu'en vehículos de competencia siempres van depender de más PSI o Bares por cuenta de les esixencies mayores les cualos pueden variar. Por casu, los vehículos de rally n'ocasiones tienen de depender de plaques restrictoras nel mesmu turbo pa caltener una cifra de potencia pareya, amás de mecanismos especiales que caltengan el mesmu xirando a tope ensin importar el ralentín o la carrera del acelerador, con cuenta de se tenga la potencia necesaria tantu en HP, como en Torque (par) lo cual de la mesma causa esos llamativos fogarales y esplosiones de los mesmos vehículos según el so tonu característicu de motor.

El so funcionamientu percibir con un xiblíu agudu qu'indica que la mesma parte principal ta xirando d'alcuerdu a la velocidá de los gases d'escape, de la mesma en dellos motores al dexar d'acelerar puede estremase un siseo similar al de los frenos d'aire d'un camión, indicación de que el turbo vuelve a un xiru lentu acorde al ralentín del motor.

Ente les primeres marques qu'implementaron turbocompresores en motores d'amenorgada cilindrada de manera más frecuente de primeres del sieglu XXI fueron les pertenecientes al Grupu Volkswagen darréu desenvolvieron sistemes qu'implementaríen la combinación de la carga estratificada de combustible y de la mesma una combinación de turbocompresor y supercargador que dexa llograr una potencia relativamente alta ensin sacrificar el consumu de combustible, pos el segundu puede funcionar de primeres yá que s'impulsa pol mesmu motor.

Darréu, más marques automotrices sumar al conceutu, ente elles Ford, quien desenvolvieron pa la mayoría de los sos motores tanto grandes como pequeños y en casi tolos sos modelos los llamaos Motores Ecoboost esto col mesmu fin de llograr más potencia ensin gastar más combustible del necesariu al empar que s'amenorguen les emisiones.

Intercooler

L'aire, al ser comprimíu, calezse y pierde densidá; esto ye, nun mesmu volume tenemos menos masa d'aire, polo que ye capaz de quemar menos combustible y, arriendes d'ello, xenérase menos potencia. Amás, al aumentar la temperatura d'almisión aumenta'l peligru de detonación, picáu de bieles picáu, o autoencendido y amenórgase la vida útil de munchos componentes por escesu de temperatura, y sobreesfuerzos del grupu térmicu.

Pa menguar esta problemática interpónse ente'l turbocompresor y l'almisión un "intercambiador de calor" o "intercooler". Esti sistema amenorga la temperatura del aire, colo que s'aumentar la densidá d'ésti, que s'introduz na cámara de combustión.

Nel llau negativu, los intercambiadores de calor provoquen una cayida de presión, polo que se mengua la densidá del aire, anque en munchos casos ye necesariu instalar unu pa evitar la detonación o autoignición.

Esisten tres tipos de intercoolers:

Aire/aire: nestos l'aire comprimío intercambia'l so calor con aire esterno.
Aire/agua: l'aire comprimío intercambia'l so calor con un líquidu que puede ser esfrecíu por un radiador o, en delles aplicaciones, con xelu nun depósitu allugáu nel interior del coche.
Crioxénicos: esfrezse l'amiestu por aciu la evaporación d'un gas sobre un intercambiador aire/aire.

Tiempu de respuesta del turbo (turbolag)

Los motores provistos de turbocompresor carecen d'una demoranza del tiempu de respuesta del turbo (conocíu como "turbolag" coloquialmente) mayor na disposición de la potencia que los motores atmosféricos (NA-Normal Aspiration o Aspiración Normal) o con compresor mecánicu, por cuenta de que'l rendimientu del turbocompresor depende de la presión exercida por ésti. Nesta demoranza inflúin la inercia del grupu (el so diámetru y pesu) y el volume del colector ente la turbina y la salida de los gases d'escape del cilindru.

Un turbocargador nun funcionar d'igual manera nos distintos rexímenes de motor. A baxes revoluciones, el turbocargador nun exerz presión yá que la escasa cantidá de gases nun emburria con abonda fuercia como pa xenerar una cantidá d'inercia considerable que se considere como respuesta de turbocarga. Un turbocompresor más pequeñu evita la demoranza na respuesta, pero exerz menos fuercia a altes revoluciones. Distintos fabricantes de motores diseñaron soluciones a esti problema.

Un "biturbo": ye un sistema con dos turbocargadores de distintu tamañu. A baxes revoluciones funciona solamente'l pequeñu, por cuenta de la so respuesta más rápida, y el grande funciona namái a altes revoluciones, yá que exerz mayor presión.
Un "biturbo en paralelu" o "twin turbo": ye un sistema con dos turbocargadores pequeños d'idénticu tamañu. Al ser más pequeños como si fuera un turbocargador únicu, tienen una menor inercia rotacional, polo qu'empiecen a xenerar presión a revoluciones más baxes y menguar la demoranza de respuesta.
Un "turbocargador asimétricu" consiste en poner un solu turbocargador pequeñu nuna bancada (la delantrera nel motor V6 asitiáu transversalmente) dexando la otra llibre. La idea nun ye consiguir una gran potencia, sinón que la respuesta sía rápida. Esti sistema foi inventáu pol fabricante suecu Saab y utilizáu nel Saab 9-5 V6.
Un "biturbo secuencial": componer de dos turbocargadores idénticos. Cuando hai pocu volume de gases d'escape unvia tou esti volume a un turbocompresor, y cuando esti volume aumenta, partir ente los dos turbocargadores pa llograr una mayor potencia y un menor tiempu de respuesta. Esti sistema ye utilizáu nel motor Wankel del Mazda RX-7.
Un "turbocargador de xeometría variable" (VTG): consiste nun turbocompresor que tien un mecanismu de "aletes" llamaes álabes móviles que s'abrir y cierren faciendo variar la velocidá de los gases d'escape al entrar na turbina. A menor caudal de gases d'escape (baxes revoluciones) ciérrase'l pasu ente los álabes provocando que los gases aumenten la velocidá al entrar na turbina; a mayor caudal (altes revoluciones) precisamos más pasu y estos ábrense. Esto déxanos tener una presión de trabayu bien llinial en tol réxime de trabayu del turbocargador. En motores diésel ye bien común pero en motores de gasolina solo Porsche desenvolvió un turbo que soporta más de 1000 °C nel modelu Porsche 911 turbo (2007).

Tamién Mazda, tien un prototipu de turbo llétricu.^[1] El sistema llétricu del coche nun puede dar abondu caudal pal motor a altes revoluciones, pero sí a baxes; asina dambos compleméntense. Con baxa carga y revoluciones, l'ayuda llétrica dexa un rápidu aumentu de presión y dempués la turbina puede suministrar tola potencia pa comprimir l'aire. Esti sistema aforra muncha más enerxía que combinándolo con un compresor mecánicu movíu pol motor.

Fiat Auto, S.P.A., enantes, Fiat Group Automobiles (FGA) creó y desenvolvió el sistema turbo + compresor mecánicu mientres la década de 1980. El vehículu nel cual desenvolvióse y enllantóse foi nel Lancia Delta (MKI), fabricáu ente los años 1985 y 1990. Algamando'l so máximu esponencial y desenvolvimientu nel Lancia Delta Integrale WRC.

Overboost

Conozse como Overboost^[2] el periodu mientres el cual el sistema produz a plena carga una presión de sobrealimentación mayor a la normal, con oxetivu d'aumentar el par motor.

Anguaño esti sistema, col control electrónicu fayadizu, puede tener en cuenta distintes aplicaciones.

Evolución del turbocompresor

La filosofía d'aplicación de los turbocompresores foi camudando: dende priorizar la potencia a altes revoluciones a priorizar que'l coche respuenda bien en tol réxime de xiru d'usu.

La válvula llamada waste-gate evita presiones escesives qu'estropien el motor. La waste-gate o válvula de descarga ye la que regula que cantidá de gases d'escape que se fuguen del cascoxu d'escape del turbo direutamente escontra l'escape del vehículu por aciu l'apertura de la válvula, d'esa forma a más gases fugaos menos presión de turbo, cola válvula zarrada algámase la máxima presión del turbo al pasar tolos gases d'escape pol cascoxu.

La dump valve o válvula d'aliviu (tamién llamada blow off) abre una fuga nel conductu d'almisión cuando se dexa d'acelerar por que la presión xenerada pola enorme inercia del turbo nun encha estos conductos, evitando coles mesmes la sópita des-aceleración de la turbina, allargando la so vida útil.

Refrigeración

De normal el turbocompresor suel tar esfrecíu con un sistema propiu por aceite que circula mientres el motor ta en marcha. Si apágase sópito'l motor dempués d'un usu intensivu y el turbocompresor ta bien caliente, l'aceite qu'esfrez los cojinetes del turbocompresor quédase enllancáu y la so temperatura aumenta, colo que puede empezar a carbonizar, menguando la so capacidá llubricante y encurtiando la vida útil del turbocompresor.

El turbo timer ye un sistema que caltién circulando l'aceite nel turbocompresor mientres un ralu de tiempu dempués del apagáu del motor. Dellos modelos funcionen con sensores que detecten la intensidá nel usu del turbocompresor pa dexar la lubricación forzada del mesmu por un tiempu prudencial dempués del apagáu del motor.

Ventayes d'usar un turbocompresor

Dexa aumentar la potencia d'un motor, ensin la necesidá de faer mayores cambeos.
Contribúi a la recuperación d'enerxía, yá que usa como mediu propulsor los gases d'escape del motor.
Añade pocu volume y pesu al motor, lo que dexa encaxar nun vehículu esistente ensin grandes cambeos esternos.
Por cuenta de que depende de la presión ente los gases d'escape y el mediu ambiente s'autu-afai a cualquier altitú sobre'l nivel del mar.
Dexa amenorgar el consumu de combustible emplegáu (esto llogrando más enerxía per llitru de combustible).

Referencies

Enllaces esternos

Compresión variable. (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).
Turbo llétricu de Honeywell.
Turbocompresor de doble entrada (twin scroll). (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).
Turbo de xeometría variable. Archiváu 2010-12-28 en Wayback Machine
Turbocompresor pulsátil y II.
Qué ye un turbocargador. Archiváu 2021-05-13 en Wayback Machine
www.turbodina.com.ar Archiváu 2013-06-24 en Wayback Machine

[1] 2010 Mazda RX-7 Review and Prices.

[2] Overboost.

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