Una válvula de descarga es una válvula que controla el flujo de gases de escape a la rueda de la turbina en un sistema de motor turboalimentado . [1]
La desviación de los gases de escape regula la velocidad de la turbina , que a su vez regula la velocidad de rotación del compresor . La función principal de la válvula de descarga es regular la presión máxima de sobrealimentación en los sistemas de turbocompresor, para proteger el motor y el turbocompresor. Una ventaja de instalar una válvula de descarga de montaje remoto en un turbo de flotación libre (o no WG) incluye un margen para una carcasa de turbina A/R más pequeña, lo que resulta en un menor tiempo de retraso antes de que el turbo comience a girar y generar impulso. [2] Uno de los primeros usos de una válvula de descarga moderna fue en el Saab 99 Turbo 1978 , presentado en 1977. [3]
Una válvula de descarga externa es un mecanismo autónomo que normalmente se utiliza con turbocompresores que no tienen válvulas de descarga internas. Una válvula de descarga externa requiere un colector turbo especialmente construido con un corredor dedicado que va a la válvula de descarga. La válvula de descarga externa puede ser parte de la propia carcasa de escape. Las válvulas de descarga externas se utilizan comúnmente para regular los niveles de impulso con mayor precisión que las válvulas de descarga internas en aplicaciones de alta potencia, donde se pueden lograr altos niveles de impulso. Las compuertas de descarga externas pueden ser mucho más grandes ya que no existe la restricción de integrar la válvula o el resorte en el turbocompresor y la carcasa de la turbina. Es posible utilizar una válvula de descarga externa con un turbocompresor con puerta interna. Esto se puede lograr mediante un soporte especialmente diseñado que se atornilla fácilmente y restringe el movimiento del brazo del actuador, evitando que se abra. Otra ruta implica soldar la compuerta de descarga interna para cerrarla, lo que evita que se abra permanentemente, pero una falla de la soldadura puede permitir que se abra nuevamente.
Las válvulas de descarga externas generalmente utilizan una válvula similar a la válvula de asiento que se encuentra en la culata del cilindro . Sin embargo, están controlados por sistemas neumáticos en lugar de por un árbol de levas y se abren en la dirección opuesta. Las compuertas de descarga externas también pueden usar una válvula de mariposa , aunque eso es mucho menos común.
Una válvula de descarga interna es una válvula de derivación incorporada y un pasaje dentro de la carcasa del turbocompresor que permite que el exceso de presión de escape desvíe la turbina hacia el escape aguas abajo. El control de la válvula de descarga interna mediante una señal de presión del colector de admisión es idéntico al de una válvula de descarga externa. Las ventajas incluyen una instalación más sencilla y compacta, sin tuberías de descarga externas. Además, todos los gases de escape residuales se devuelven automáticamente al convertidor catalítico y al sistema de escape. Muchos turbocompresores OEM son de este tipo. Las desventajas en comparación con una válvula de descarga externa incluyen una capacidad limitada para purgar la presión de escape debido al diámetro relativamente pequeño de la válvula de derivación interna y un rendimiento menos eficiente en condiciones de impulso.
Una válvula de descarga "divorciada" arroja los gases directamente a la atmósfera, en lugar de devolverlos con el resto del escape del motor. Esto se hace para evitar turbulencias en el flujo de escape y reducir la contrapresión total en el sistema de escape. Una tubería de descarga de residuos divorciada se conoce comúnmente como tubería chillona debido a los gases de escape residuales no amortiguados y los ruidos fuertes asociados que producen. [4]
El control más simple para una válvula de descarga es un enlace mecánico que permite al operador controlar directamente la posición de la válvula de descarga. Este control manual se utiliza en algunas avionetas turboalimentadas. [5]
El control de circuito cerrado más simple para una válvula de descarga es suministrar presión de refuerzo directamente desde el lado del aire de carga al actuador de la válvula de descarga. Se puede conectar una pequeña manguera desde la salida del compresor del turbocompresor, las tuberías de carga o el colector de admisión hasta la boquilla del actuador de la válvula de descarga. La válvula de descarga se abrirá más a medida que la presión de refuerzo empuje contra la fuerza del resorte en el actuador de la válvula de descarga hasta que se obtenga el equilibrio . Se puede agregar un control más inteligente integrando un controlador de refuerzo electrónico .
Las válvulas de descarga estándar tienen un puerto para conectar la línea de control de refuerzo desde la línea de suministro de aire de carga o el solenoide de control de refuerzo. Los avances recientes en los actuadores internos de válvula de descarga brindan control de puerto dual.
Una válvula de descarga de doble puerto agrega un segundo puerto en el lado opuesto del actuador. La presión del aire que se permite entrar en este segundo puerto ayuda al resorte a empujar con más fuerza en la dirección de cerrar la compuerta de descarga. Esto es exactamente lo opuesto al primer puerto. Se puede aumentar la capacidad de ayudar a que la válvula de descarga permanezca cerrada a medida que aumenta la presión de sobrealimentación. Esto también agrega mayor complejidad al control de impulso, requiriendo más puertos de control en el solenoide o posiblemente un segundo sistema de control de impulso completo con su propio solenoide separado. No es necesario el uso del segundo puerto. Los puertos secundarios, a diferencia de los puertos primarios, no pueden conectarse simplemente a una línea de control de impulso y requieren control electrónico o manual para ser útiles. El CO 2 también se puede utilizar para aplicar presión al segundo puerto, para controlar el impulso en un nivel mucho más preciso.
Algunos motores de aviones de la década de 1940 presentaban válvulas de descarga operadas eléctricamente, como el Wright R-1820 en el B-17 Flying Fortress . General Electric fue el mayor fabricante de estos sistemas. Al ser anteriores a la era de las computadoras, eran completamente analógicas. Los pilotos tenían un control de cabina para seleccionar diferentes niveles de impulso. Las válvulas de descarga eléctricas pronto cayeron en desgracia debido a filosofías de diseño que exigían la separación de los controles del motor del sistema eléctrico.
A partir del año modelo 2011, el motor de inyección directa (GDI) de gasolina turboalimentado Theta II de 2.0 litros introducido en el Hyundai Sonata incluye un servoactuador electrónico de válvula de descarga operado por PCM. Esto permite una estrategia de control de impulso que reduce la contrapresión del escape causada por el turbocompresor al abrir la compuerta de descarga cuando no se necesita el impulso del turbo, lo que resulta en una mejor economía de combustible. La válvula de descarga también se mantiene abierta durante el arranque en frío para reducir las emisiones al acelerar el encendido inicial del catalizador. [6]
A partir de noviembre de 2015, [7] los motores turboalimentados de inyección directa Honda Earth Dreams con cilindrada de 1,5 litros emplean una válvula de descarga eléctrica impulsada por ECU. Esto se introdujo por primera vez en el modelo Honda Civic 2016 y le siguió el CR-V en 2017. En 2018, los motores turboalimentados de inyección directa de 1,5 L y 2,0 L reemplazaron a los motores de 6 cilindros y 2,4 L y 3,6 L de aspiración natural en el Honda Accord. [8]
La mayoría de los aviones turboalimentados modernos utilizan un control de válvula de descarga hidráulica con aceite de motor como fluido. Los sistemas de Lycoming y Continental funcionan según los mismos principios y utilizan piezas similares que difieren sólo en el nombre. Dentro del actuador de la compuerta de descarga , un resorte actúa para abrir la compuerta de descarga y la presión del aceite actúa para cerrarla. En el lado de salida de aceite del actuador de la válvula de descarga se encuentra el controlador de densidad , una válvula de aceite controlada por aire que detecta la presión de la plataforma superior y controla la rapidez con la que el aceite puede fluir desde el actuador de la válvula de descarga al motor. A medida que la aeronave asciende y la densidad del aire disminuye, el controlador de densidad cierra lentamente la válvula y atrapa más aceite en el actuador de la válvula de descarga, cerrando la compuerta de descarga para aumentar la velocidad del turbocompresor y mantener la potencia nominal. Algunos sistemas también utilizan un controlador de presión diferencial que detecta la presión del aire a cada lado de la placa del acelerador y ajusta la válvula de descarga para mantener un diferencial establecido. Esto mantiene un equilibrio óptimo entre una carga de trabajo baja del turbocompresor y un tiempo de arranque rápido, y también evita el aumento repentino causado por un efecto de arranque.
El tamaño de la válvula de descarga es inversamente proporcional al nivel deseado de impulso y es algo independiente del tamaño o la potencia del motor. La guía de un proveedor para el tamaño de la válvula de descarga es la siguiente: [9]
Sin embargo, el flujo de escape es un efecto de la potencia. Entonces, otro cuadro de decisiones debería verse así. [ cita necesaria ]