Los turbocompresores de geometría variable ( VGT ), ocasionalmente conocidos como turbocompresores de boquilla variable ( VNT ), son un tipo de turbocompresores , generalmente diseñados para permitir que la relación de aspecto efectiva (relación A/R) del turbocompresor se modifique a medida que cambian las condiciones. Esto se hace con el uso de paletas ajustables ubicadas dentro de la carcasa de la turbina entre la entrada y la turbina, estas paletas afectan el flujo de gases hacia la turbina. El beneficio del VGT es que la relación de aspecto óptima a bajas velocidades del motor es muy diferente a la de altas velocidades del motor.
Si la relación de aspecto es demasiado grande, el turbo no podrá generar impulso a bajas velocidades; Si la relación de aspecto es demasiado pequeña, el turbo ahogará el motor a altas velocidades, lo que provocará altas presiones en el colector de escape , altas pérdidas de bombeo y, en última instancia, una menor potencia de salida. Al alterar la geometría de la carcasa de la turbina a medida que el motor acelera, la relación de aspecto del turbo se puede mantener en su nivel óptimo. Debido a esto, los VGT tienen una cantidad mínima de retraso , un umbral de impulso bajo y una alta eficiencia a velocidades más altas del motor.
El VGT de paletas giratorias se desarrolló por primera vez bajo la dirección de Garrett y se patentó en 1953. [1]
Uno de los primeros coches de producción en utilizar estos turbocompresores fue el Honda Legend de 1988 ; Utilizaba un VGT refrigerado por agua instalado en su motor V6 de 2,0 litros.
El Shelby CSX-VNT de 1989 de producción limitada , del que se produjeron sólo 500 ejemplares, estaba equipado con un motor Chrysler K de 2,2 litros con un turbo Garrett llamado VNT-25 (porque utilizaba el mismo compresor y eje que el Garrett de geometría fija). T-25).
En 1991, Fiat incorporó un VGT al turbodiésel de inyección directa del Croma . [2]
El Peugeot 405 T16 , lanzado en 1992, utilizaba un turbocompresor Garrett VAT25 de geometría variable en su motor de 2,0 litros y 16 válvulas.
El Porsche 911 Turbo 2007 tiene dos turbocompresores de geometría variable en su motor de gasolina de seis cilindros horizontalmente opuestos y 3,6 litros.
En 2007, Acura presentó el RDX con turbocompresor de geometría variable siguiendo un diseño (VFT).
El Koenigsegg One:1 2015 (llamado así por su relación potencia-peso de 1:1) utiliza turbocompresores gemelos de geometría variable en su motor V8 de 5.0 litros, lo que le permite producir 1361 caballos de fuerza.
Las implementaciones más comunes de VGT son las turbinas de boquilla variable (VNT), las turbinas de pared deslizante y las turbinas de flujo variable (VFT).
Las turbinas de boquilla variable son comunes en motores livianos (automóviles de pasajeros, autos de carreras y vehículos comerciales ligeros); las paletas de la turbina giran al unísono, en relación con su buje, para variar su paso y área de sección transversal. Los VNT ofrecen mayores caudales y una mayor eficiencia máxima en comparación con otros diseños de geometría variable. [3]
Las turbinas de pared deslizante se encuentran comúnmente en motores de servicio pesado; las paletas no giran, sino que su ancho efectivo cambia. Esto generalmente se hace moviendo la turbina a lo largo de su eje, retrayendo parcialmente las paletas dentro de la carcasa. Alternativamente, una partición dentro del alojamiento puede deslizarse hacia adelante y hacia atrás. El área entre los bordes de las paletas cambia, lo que lleva a un sistema de relación de aspecto variable con menos partes móviles. [4]
Las turbinas de flujo variable son otra versión simplificada de una VGT en comparación con una VNT. Este diseño utiliza una carcasa de turbina de dos volutas con una compuerta de mezcla ubicada en el cuello. La compuerta puede variar el flujo entre los rollos para promediar la relación A/R óptima. En condiciones de flujo bajo, el gas de escape se dirige a través de la voluta primaria y, en condiciones de flujo máximo, se dirige a través de la voluta primaria y secundaria. Este diseño tiene un caudal más bajo en comparación con los tipos VNT, por lo que se puede incorporar una válvula de descarga con este diseño. [5]
Los VGT pueden controlarse mediante un actuador de vacío de membrana, un servo eléctrico , un actuador eléctrico trifásico, un actuador hidráulico o un actuador neumático que utiliza presión de freno de aire .
A diferencia de las turbinas de geometría fija, las VGT no requieren válvula de descarga . [6] Aunque los VGT no requieren una válvula de descarga, algunas aplicaciones que requieren una relación de flujo másico de aire alto se beneficiarán de una válvula de descarga adicional que se encuentra más comúnmente en los motores de encendido por chispa de alto rendimiento. [7] Esto contrasta con los motores diésel.
Los VGT tienden a ser mucho más comunes en los motores diésel, ya que las temperaturas de escape más bajas significan que son menos propensos a fallar. Los primeros VGT con motores de gasolina requerían un enfriamiento significativo de la precarga para extender la vida útil del turbocompresor a niveles razonables, pero los avances en la tecnología han mejorado su resistencia a los gases de escape de gasolina a alta temperatura y han comenzado a aparecer cada vez más en los automóviles con motor de gasolina. [1]
Por lo general, los VGT solo se encuentran en aplicaciones OEM debido al nivel de coordinación requerido para mantener las paletas en la posición más óptima para cualquier estado en el que se encuentre el motor. Sin embargo, hay unidades de control VGT de posventa disponibles y algunos motores de posventa de alta gama. Los sistemas de gestión también pueden controlar los VGT.
En los camiones, los VGT también se utilizan para controlar la proporción de escape recirculado a la entrada del motor (se pueden controlar para aumentar selectivamente la presión del colector de escape hasta que exceda la presión del colector de entrada, lo que promueve la recirculación de los gases de escape ). Aunque la contrapresión excesiva del motor es perjudicial para la eficiencia general del combustible , garantizar una tasa de EGR suficiente incluso durante eventos transitorios (como cambios de marcha) puede ser suficiente para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno hasta lo requerido por la legislación sobre emisiones (por ejemplo, Euro 5 para Europa y EPA). 10 para EE.UU.).
Otro uso de los turbocompresores de paletas deslizantes es como freno de escape aguas abajo , de modo que no se necesita una válvula de mariposa de escape adicional. El mecanismo también se puede modificar deliberadamente para reducir la eficiencia de la turbina en una posición predefinida. Este modo se puede seleccionar para mantener una temperatura de escape elevada para promover el "encendido" y la "regeneración" de un filtro de partículas diésel (esto implica calentar las partículas de carbón atrapadas en el filtro hasta que se oxidan en una reacción semiautomantenida). (similar al proceso de autolimpieza que ofrecen algunos hornos). El accionamiento de un VGT para el control del flujo de EGR, o para implementar modos de frenado o regeneración en general, requiere actuadores hidráulicos o servos eléctricos.
Los VGT ofrecen una respuesta transitoria mejorada en comparación con los turbocompresores convencionales de geometría fija. Esto hace que los VGT sean ideales para su uso en vehículos donde la demanda de energía es muy dinámica. En situaciones donde la carga del motor es constante, como en los generadores estacionarios, los turbocompresores de geometría fija pueden proporcionar una mayor eficiencia que los VGT. [8] Esto se debe a la resistencia adicional del escape creada a partir de las tolerancias de las piezas móviles dentro de un VGT.
Varias empresas fabrican y suministran turbocompresores de geometría variable de paletas giratorias, incluidas Garrett, BorgWarner y Mitsubishi Heavy Industries . Este diseño se limita principalmente a motores pequeños y aplicaciones ligeras (turismos, coches de carreras y vehículos comerciales ligeros).
El principal proveedor de VGT de paletas deslizantes es Holset Engineering . [7]
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