En un motor de combustión interna , un turbocompresor (también conocido como turbo o turbocompresor ) es un dispositivo de inducción forzada que es impulsado por el flujo de gases de escape. Utiliza esta energía para comprimir el aire de admisión, forzando que entre más aire al motor para producir más potencia para una cilindrada determinada . [1] [2]
La categorización actual es que un turbocompresor funciona con la energía cinética de los gases de escape, mientras que un sobrealimentador funciona mecánicamente (normalmente mediante una correa del cigüeñal del motor). [3] Sin embargo, hasta mediados del siglo XX, un turbocompresor se llamaba "turbosobrealimentador" y se consideraba un tipo de sobrealimentador. [4]
Antes de la invención del turbocompresor, la inducción forzada sólo era posible utilizando sobrealimentadores accionados mecánicamente . El uso de sobrealimentadores comenzó en 1878, cuando se construyeron varios motores de gas de dos tiempos sobrealimentados utilizando un diseño del ingeniero escocés Dugald Clerk . [5] Luego, en 1885, Gottlieb Daimler patentó la técnica de utilizar una bomba accionada por engranajes para forzar el ingreso de aire a un motor de combustión interna. [6]
La patente de 1905 de Alfred Büchi , un ingeniero suizo que trabajaba en Sulzer , se considera a menudo el nacimiento del turbocompresor. [7] [8] [9] Esta patente era para un motor radial compuesto con una turbina de flujo axial impulsada por escape y un compresor montado en un eje común. [10] [11] El primer prototipo se terminó en 1915 con el objetivo de superar la pérdida de potencia que experimentaban los motores de los aviones debido a la disminución de la densidad del aire a gran altura. [12] [13] Sin embargo, el prototipo no era confiable y no llegó a producción. [12] Otra patente temprana para turbocompresores fue solicitada en 1916 por el inventor francés de turbinas de vapor Auguste Rateau , para su uso previsto en los motores Renault utilizados por los aviones de combate franceses. [10] [14] Por otra parte, las pruebas realizadas en 1917 por el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) y Sanford Alexander Moss demostraron que un turbocompresor podría permitir que un motor evitara cualquier pérdida de potencia (en comparación con la potencia producida al nivel del mar) a una altitud de hasta 4.250 m (13.944 pies) sobre el nivel del mar. [10] La prueba se realizó en Pikes Peak en los Estados Unidos utilizando el motor de avión Liberty L-12 . [14]
La primera aplicación comercial de un turbocompresor tuvo lugar en junio de 1924, cuando el primer turbocompresor de servicio pesado, modelo VT402, fue entregado desde la fábrica de Baden de Brown, Boveri & Cie , bajo la supervisión de Alfred Büchi, a SLM, Swiss Locomotive and Machine Works en Winterthur. [15] Esto fue seguido muy de cerca en 1925, cuando Alfred Büchi instaló con éxito turbocompresores en motores diésel de diez cilindros, aumentando la potencia de 1.300 a 1.860 kilovatios (1.750 a 2.500 hp). [16] [17] [18] Este motor fue utilizado por el Ministerio de Transporte alemán para dos grandes barcos de pasajeros llamados Preussen y Hansestadt Danzig . El diseño obtuvo licencia para varios fabricantes y los turbocompresores comenzaron a utilizarse en aplicaciones marinas, ferroviarias y estacionarias de gran tamaño. [13]
Los turbocompresores se utilizaron en varios motores de aviones durante la Segunda Guerra Mundial, comenzando con el Boeing B-17 Flying Fortress en 1938, que utilizaba turbocompresores producidos por General Electric. [10] [19] Otros primeros aviones turboalimentados incluyeron el Consolidated B-24 Liberator , Lockheed P-38 Lightning , Republic P-47 Thunderbolt y variantes experimentales del Focke-Wulf Fw 190 .
La primera aplicación práctica para camiones la realizó la empresa suiza de fabricación de camiones Saurer en los años 1930. Los motores BXD y BZD se fabricaron con turbocompresor opcional a partir de 1931. [20] La industria suiza desempeñó un papel pionero en el ámbito de los motores turboalimentados, como lo atestiguan Sulzer, Saurer y Brown, Boveri & Cie . [21] [22]
Los fabricantes de automóviles comenzaron a investigar los motores turboalimentados durante la década de 1950, sin embargo, los problemas del "turbo lag" y el voluminoso tamaño del turbocompresor no pudieron resolverse en ese momento. [8] [13] Los primeros automóviles con turbocompresor fueron el efímero Chevrolet Corvair Monza y el Oldsmobile Jetfire , ambos introducidos en 1962. [23] [24] La mayor adopción del turbocompresor en los automóviles de pasajeros comenzó en la década de 1980, como una forma de aumentar el rendimiento de motores de menor cilindrada . [10]
Al igual que otros dispositivos de inducción forzada, un compresor en el turbocompresor presuriza el aire de admisión antes de que ingrese al colector de admisión . [25] En el caso de un turbocompresor, el compresor es accionado por la energía cinética de los gases de escape del motor, que es extraída por la turbina del turbocompresor . [26] [27]
Los principales componentes del turbocompresor son:
La sección de la turbina (también llamada "lado caliente" o "lado de escape" del turbo) es donde se produce la fuerza de rotación para accionar el compresor (a través de un eje giratorio que pasa por el centro de un turbo). Una vez que el escape ha hecho girar la turbina, continúa hacia el escape y sale del vehículo.
La turbina utiliza una serie de palas para convertir la energía cinética del flujo de gases de escape en energía mecánica de un eje giratorio (que se utiliza para alimentar la sección del compresor). Las carcasas de la turbina dirigen el flujo de gas a través de la sección de la turbina y la propia turbina puede girar a velocidades de hasta 250.000 rpm. [28] [29] Algunos diseños de turbocompresores están disponibles con múltiples opciones de carcasa de turbina, lo que permite seleccionar la carcasa que mejor se adapte a las características del motor y a los requisitos de rendimiento.
El rendimiento de un turbocompresor está estrechamente relacionado con su tamaño [30] y con los tamaños relativos de la rueda de la turbina y la rueda del compresor. Las turbinas grandes suelen requerir mayores caudales de gases de escape, lo que aumenta el retraso del turbo y el umbral de impulso. Las turbinas pequeñas pueden producir impulso rápidamente y con caudales más bajos, ya que tienen una inercia rotacional más baja, pero pueden ser un factor limitante en la potencia máxima producida por el motor. [31] [32] Varias tecnologías, como se describe en las siguientes secciones, a menudo tienen como objetivo combinar los beneficios de las turbinas pequeñas y grandes.
Los motores diésel grandes suelen utilizar una turbina de entrada axial de una sola etapa en lugar de una turbina radial. [ cita necesaria ]
Un turbocompresor de doble entrada utiliza dos entradas de gases de escape separadas para aprovechar los pulsos en el flujo de los gases de escape de cada cilindro. [33] En un turbocompresor estándar (de desplazamiento único), los gases de escape de todos los cilindros se combinan y ingresan al turbocompresor a través de una sola admisión, lo que hace que los pulsos de gas de cada cilindro interfieran entre sí. Para un turbocompresor de doble entrada, los cilindros se dividen en dos grupos para maximizar los pulsos. El colector de escape mantiene separados los gases de estos dos grupos de cilindros, luego viajan a través de dos cámaras en espiral separadas ("scrolls") antes de ingresar a la carcasa de la turbina a través de dos boquillas separadas. El efecto de barrido de estos pulsos de gas recupera más energía de los gases de escape, minimiza las pérdidas parásitas y mejora la capacidad de respuesta a bajas velocidades del motor. [34] [35]
Otra característica común de los turbocompresores de doble entrada es que las dos boquillas son de diferentes tamaños: la boquilla más pequeña se instala en un ángulo más pronunciado y se utiliza para una respuesta a bajas revoluciones, mientras que la boquilla más grande tiene menos ángulo y está optimizada para momentos en los que se necesitan altas salidas. requerido. [36]
Los turbocompresores de geometría variable (también conocidos como turbocompresores de boquilla variable ) se utilizan para alterar la relación de aspecto efectiva del turbocompresor a medida que cambian las condiciones de funcionamiento. Esto se hace con el uso de paletas ajustables ubicadas dentro de la carcasa de la turbina entre la entrada y la turbina, que afectan el flujo de gases hacia la turbina. Algunos turbocompresores de geometría variable utilizan un actuador eléctrico giratorio para abrir y cerrar las paletas, [37] mientras que otros utilizan un actuador neumático .
Si la relación de aspecto de la turbina 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 turbocompresores de geometría variable a menudo tienen un retraso reducido, un umbral de impulso más bajo y una mayor eficiencia a velocidades más altas del motor. [30] [31] El beneficio de los turbocompresores de geometría variable es que la relación de aspecto óptima a bajas velocidades del motor es muy diferente a la de altas velocidades del motor.
Un turbocompresor asistido eléctricamente combina una turbina tradicional impulsada por escape con un motor eléctrico para reducir el retraso del turbo. Esto se diferencia de un sobrealimentador eléctrico , que utiliza únicamente un motor eléctrico para alimentar el compresor.
El compresor aspira aire exterior a través del sistema de admisión del motor, lo presuriza y luego lo introduce en las cámaras de combustión (a través del colector de admisión ). La sección del compresor del turbocompresor consta de un impulsor, un difusor y una carcasa de voluta. Las características de funcionamiento de un compresor se describen en el mapa del compresor .
Algunos turbocompresores utilizan una "cubierta con puerto", mediante la cual un anillo de orificios o ranuras circulares permiten que el aire purgue alrededor de las palas del compresor. Los diseños de cubierta con puertos pueden tener una mayor resistencia a la sobretensión del compresor y pueden mejorar la eficiencia de la rueda del compresor. [38] [39]
El conjunto giratorio del cubo central (CHRA) alberga el eje que conecta la turbina al compresor. Un eje más ligero puede ayudar a reducir el retraso del turbo. [40] El CHRA también contiene un cojinete para permitir que este eje gire a altas velocidades con una fricción mínima.
Algunos CHRA están refrigerados por agua y tienen tuberías por las que fluye el refrigerante del motor. Una razón para la refrigeración por agua es proteger el aceite lubricante del turbocompresor contra el sobrecalentamiento.
El tipo más simple de turbocompresor es el turbocompresor de flotación libre . [41] Este sistema podría lograr el máximo impulso a máximas revoluciones del motor y aceleración máxima; sin embargo, se necesitan componentes adicionales para producir un motor que se pueda conducir en un rango de condiciones de carga y rpm. [41]
Los componentes adicionales que se utilizan comúnmente junto con los turbocompresores son:
El retraso del turbo se refiere al retraso (cuando las rpm del motor están dentro del rango operativo del turbocompresor) que se produce entre que se presiona el acelerador y el turbocompresor se acelera para proporcionar presión de sobrealimentación. [44] [45] Este retraso se debe al aumento del flujo de gases de escape (después de que se abre repentinamente el acelerador) que toma tiempo para hacer girar la turbina a velocidades en las que se produce el impulso. [46] El efecto del retraso del turbo es una respuesta reducida del acelerador , en forma de un retraso en la entrega de potencia. [47] Los sobrealimentadores no sufren retraso del turbo porque el mecanismo del compresor es impulsado directamente por el motor.
Los métodos para reducir el retraso del turbo incluyen: [ cita necesaria ]
Un fenómeno similar que a menudo se confunde con el retraso del turbo es el umbral de impulso . Aquí es donde la velocidad del motor (rpm) está actualmente por debajo del rango operativo del sistema de turbocompresor, por lo que el motor no puede producir un impulso significativo. A bajas revoluciones, el caudal de gases de escape no puede hacer girar la turbina lo suficiente.
El umbral de impulso provoca retrasos en la entrega de potencia a bajas revoluciones (ya que el motor no impulsado debe acelerar el vehículo para aumentar las revoluciones por encima del umbral de impulso), mientras que el retraso del turbo provoca un retraso en la entrega de potencia a revoluciones más altas.
Algunos motores utilizan múltiples turbocompresores, generalmente para reducir el retraso del turbo, aumentar el rango de rpm donde se produce el impulso o simplificar el diseño del sistema de admisión/escape. La disposición más común es la de dos turbocompresores, aunque ocasionalmente se han utilizado disposiciones de triple o cuádruple turbo en los automóviles de producción.
La diferencia clave entre un turbocompresor y un sobrealimentador es que un sobrealimentador es impulsado mecánicamente por el motor (a menudo a través de una correa conectada al cigüeñal ), mientras que un turbocompresor es impulsado por la energía cinética de los gases de escape del motor . [49] Un turbocompresor no ejerce una carga mecánica directa sobre el motor, aunque los turbocompresores ejercen contrapresión de escape en los motores, lo que aumenta las pérdidas de bombeo. [49]
Los motores sobrealimentados son comunes en aplicaciones donde la respuesta del acelerador es una preocupación clave y es menos probable que los motores sobrealimentados empapen el aire de admisión.
Una combinación de un turbocompresor impulsado por el escape y un sobrealimentador impulsado por el motor puede mitigar las debilidades de ambos. [50] Esta técnica se llama carga gemela .
Los turbocompresores se han utilizado en las siguientes aplicaciones:
En 2017, el 27% de los vehículos vendidos en EE. UU. tenían turbocompresor. [52] En Europa, el 67 % de todos los vehículos tenían turbocompresor en 2014. [53] Históricamente, más del 90 % de los turbocompresores eran diésel; sin embargo, la adopción en motores de gasolina está aumentando. [54] Las empresas que fabrican el mayor número de turbocompresores en Europa y Estados Unidos son Garrett Motion (anteriormente Honeywell), BorgWarner y Mitsubishi Turbocharger . [2] [55] [56]
Las fallas del turbocompresor y las altas temperaturas de escape resultantes se encuentran entre las causas de los incendios de automóviles. [57]
La falla de los sellos hará que el aceite se filtre en los cilindros y produzca humo gris azulado. En los motores diésel, esto puede provocar un exceso de velocidad, una condición conocida como descontrol del motor diésel .
