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 genere sobrealimentación. [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 independiente y autónomo que se utiliza normalmente con turbocompresores que no tienen válvulas de descarga internas. Una válvula de descarga externa requiere un colector de turbo especialmente construido con un conducto 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 habitualmente para regular los niveles de sobrealimentación con mayor precisión que las válvulas de descarga internas en aplicaciones de alta potencia, donde se pueden conseguir niveles de sobrealimentación elevados. Las válvulas de descarga externas pueden ser mucho más grandes, ya que no existe ninguna restricción para 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 compuerta interna. Esto se puede lograr a través de un soporte especialmente diseñado que se atornilla fácilmente y restringe el movimiento del brazo del actuador, evitando que se abra. Otra vía consiste en soldar la válvula de descarga interna para cerrarla de forma permanente, pero una falla de la soldadura puede permitir que se abra de nuevo.
Las válvulas de descarga externas generalmente utilizan una válvula similar a la válvula de asiento que se encuentra en la culata . Sin embargo, están controladas por un sistema neumático en lugar de un árbol de levas y se abren en la dirección opuesta. Las válvulas de descarga externas también pueden utilizar una válvula de mariposa , aunque esto es mucho menos común.
Una válvula de descarga interna es una válvula de derivación incorporada y un conducto dentro de la carcasa del turbocompresor que permite que el exceso de presión de escape pase por la turbina hacia el escape posterior. 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 simple y compacta, sin tuberías externas de descarga. Además, todos los gases de escape residuales se dirigen automáticamente de regreso 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 sobrealimentación.
Una válvula de descarga "divorciada" descarga los gases directamente a la atmósfera, en lugar de devolverlos con el resto del escape del motor. Esto se hace para evitar la turbulencia en el flujo de escape y reducir la contrapresión total en el sistema de escape. Un tubo de descarga con válvula de descarga divorciada se conoce comúnmente como un tubo de escape chillón debido a los gases de escape residuales sin silenciar y los ruidos fuertes asociados que producen. [4]
El control más simple para una válvula de descarga es un mecanismo mecánico que permite al operador controlar directamente la posición de la válvula de descarga. Este control manual se utiliza en algunas aeronaves ligeras con turbocompresor. [5]
El control de circuito cerrado más simple para una válvula de descarga es suministrar presión de sobrealimentación 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 aún más a medida que la presión de sobrealimentación 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 sobrealimentación electrónico .
Las válvulas de descarga estándar tienen un puerto para conectar la línea de control de sobrealimentación desde la línea de suministro de aire de carga o el solenoide de control de sobrealimentación. Los avances recientes en los actuadores internos de las válvulas de descarga permiten un control de puerto doble.
Una válvula de descarga de doble puerto agrega un segundo puerto en el lado opuesto del actuador. La presión de aire que se permite que ingrese a este segundo puerto ayuda al resorte a empujar con más fuerza en la dirección de cerrar la válvula de descarga. Esto es exactamente lo opuesto al primer puerto. La capacidad de ayudar a que la válvula de descarga permanezca cerrada a medida que aumenta la presión de refuerzo se puede aumentar. Esto también agrega más complejidad al control de refuerzo, requiriendo más puertos de control en el solenoide o posiblemente un segundo sistema de control de refuerzo completo con su propio solenoide separado. El uso del segundo puerto no es necesario. Los puertos secundarios, a diferencia de los puertos primarios, no se pueden conectar simplemente a una línea de control de refuerzo y requieren un control electrónico o manual para ser útiles. El CO2 también se puede utilizar para aplicar presión al segundo puerto, para controlar el refuerzo a un nivel mucho más fino.
Algunos motores de avión de la década de 1940 contaban con válvulas de descarga operadas eléctricamente, como la 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 analógicos. Los pilotos tenían un control de cabina para seleccionar diferentes niveles de impulso. Las válvulas de descarga eléctricas pronto cayeron en desgracia debido a las 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 de gasolina turboalimentado Theta II de 2.0 litros (GDI) introducido en el Hyundai Sonata incluye un actuador electrónico de válvula de descarga operado por PCM. Esto permite una estrategia de control de impulso que reduce la contrapresión de escape causada por el turbocompresor al abrir la válvula 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 una cilindrada de 1,5 litros emplean una válvula de descarga eléctrica accionada por la ECU. Esto se introdujo por primera vez en el modelo Honda Civic 2016 y luego en el CR-V en 2017. En 2018, los motores turboalimentados de inyección directa de 1,5 y 2,0 litros reemplazaron a los motores de 6 cilindros de aspiración natural de 2,4 y 3,6 litros en el Honda Accord. [8]
La mayoría de los aviones modernos con turbocompresor utilizan un control hidráulico de la válvula de descarga con aceite de motor como fluido. Los sistemas de Lycoming y Continental funcionan con los mismos principios y utilizan piezas similares que difieren solo en el nombre. Dentro del actuador de la válvula de descarga , un resorte actúa para abrir la válvula 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 cubierta superior y controla la velocidad a la que el aceite puede sangrar desde el actuador de la válvula de descarga de regreso al motor. A medida que el avión 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 válvula de descarga para aumentar la velocidad del turbocompresor y mantener la potencia nominal. Algunos sistemas también utilizan un controlador de presión diferencial que detecta las presiones de 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 aceleración rápido, y también evita las sobrecargas causadas por un efecto de arranque.
El tamaño de la válvula de descarga es inversamente proporcional al nivel de sobrealimentación deseado y es en cierta medida 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. Por lo tanto, otro diagrama de decisiones debería verse así. [ cita requerida ]