En un motor de combustión interna , un turbocompresor (también conocido como turbo o turbocompresor ) es un dispositivo de inducción forzada que se alimenta mediante el flujo de gases de escape. Utiliza esta energía para comprimir el aire de admisión, lo que obliga a que entre más aire en el motor para producir más potencia para un desplazamiento determinado . [1] [2]
La clasificación actual es que un turbocompresor es impulsado por la energía cinética de los gases de escape, mientras que un sobrealimentador es impulsado mecánicamente (generalmente por una correa del cigüeñal del motor). [3] Sin embargo, hasta mediados del siglo XX, un turbocompresor se llamaba "turbosupercargador" y se consideraba un tipo de sobrealimentador. [4]
Antes de la invención del turbocompresor, la inducción forzada solo 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 aire en un motor de combustión interna. [6]
La patente de 1905 de Alfred Büchi , un ingeniero suizo que trabajaba en Sulzer , a menudo se considera 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 experimentada por los motores de aeronaves debido a la disminución de la densidad del aire a grandes altitudes. [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 de la turbina de vapor francés 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 podía permitir que un motor evitara cualquier pérdida de potencia (en comparación con la potencia producida al nivel del mar) a una altitud de hasta 4250 m (13 944 pies) sobre el nivel del mar. [10] Las pruebas se llevaron a cabo en Pikes Peak en los Estados Unidos utilizando el motor de avión Liberty L-12 . [14]
La primera aplicación comercial de un turbocompresor fue en junio de 1924, cuando el primer turbocompresor de servicio pesado, el modelo VT402, fue entregado desde las obras 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 salida 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 fue licenciado a varios fabricantes y los turbocompresores comenzaron a usarse en aplicaciones marinas, de vagones ferroviarios y grandes estacionarias. [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 utilizó turbocompresores producidos por General Electric. [10] [19] Otros primeros aviones turboalimentados incluyeron el Consolidated B-24 Liberator , el Lockheed P-38 Lightning , el Republic P-47 Thunderbolt y variantes experimentales del Focke-Wulf Fw 190 .
La primera aplicación práctica para camiones fue realizada por la empresa suiza de fabricación de camiones Saurer en la década de 1930. Los motores BXD y BZD se fabricaron con turbocompresor opcional a partir de 1931. [20] La industria suiza jugó un papel pionero con los motores turboalimentados como lo atestiguaron Sulzer, Saurer y Brown, Boveri & Cie . [21] [22]
Los fabricantes de automóviles comenzaron a investigar sobre motores turboalimentados durante la década de 1950, sin embargo, los problemas de "turbo lag" y el tamaño voluminoso del turbocompresor no pudieron resolverse en ese momento. [8] [13] Los primeros automóviles turboalimentados fueron el efímero Chevrolet Corvair Monza y el Oldsmobile Jetfire , ambos introducidos en 1962. [23] [24] La mayor adopción de la turboalimentación en los automóviles de pasajeros comenzó en la década de 1980, como una forma de aumentar el rendimiento de los 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 entre en el colector de admisión . [25] En el caso de un turbocompresor, el compresor es alimentado por la energía cinética de los gases de escape del motor, que es extraída por la turbina del turbocompresor . [26] [27]
Los componentes principales del turbocompresor son:
La sección de la turbina (también llamada "lado caliente" o "lado de escape" del turbo) es donde se produce la fuerza rotatoria para impulsar el compresor (a través de un eje giratorio que pasa por el centro del turbo). Una vez que el escape ha hecho girar la turbina, continúa hacia el conducto de escape y sale del vehículo.
La turbina utiliza una serie de álabes para convertir la energía cinética del flujo de gases de escape en energía mecánica de un eje giratorio (que se utiliza para impulsar 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 una carcasa que se adapte mejor a las características del motor y los requisitos de rendimiento.
El rendimiento de un turbocompresor está estrechamente vinculado a su tamaño [30] y a 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 sobrealimentación. Las turbinas pequeñas pueden producir sobrealimentación rápidamente y a caudales más bajos, ya que tienen una inercia rotacional menor, 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 las turbinas grandes.
Los motores diésel de gran tamaño suelen utilizar una turbina de entrada axial de una sola etapa en lugar de una turbina radial. [ cita requerida ]
Un turbocompresor de doble entrada utiliza dos entradas de gases de escape independientes para aprovechar los pulsos del flujo de los gases de escape de cada cilindro. [33] En un turbocompresor estándar (de entrada simple), los gases de escape de todos los cilindros se combinan y entran en el turbocompresor a través de una única entrada, lo que hace que los pulsos de gas de cada cilindro interfieran entre sí. En 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, y luego viajan a través de dos cámaras espirales independientes ("volutas") antes de entrar en la carcasa de la turbina a través de dos boquillas independientes. 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 tienen tamaños diferentes: la boquilla más pequeña está instalada en un ángulo más pronunciado y se utiliza para una respuesta a bajas revoluciones, mientras que la boquilla más grande está menos inclinada y optimizada para momentos en que se requieren altos rendimientos. [36]
Los turbocompresores de geometría variable (también conocidos como turbocompresores de tobera 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 álabes ajustables ubicados 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 rotatorio para abrir y cerrar los álabes, [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, 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 de motor más altas. [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 de la que se produce a altas velocidades del motor.
Un turbocompresor asistido eléctricamente combina una turbina tradicional impulsada por los gases de 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 orificios", en la que un anillo de orificios o ranuras circulares permite que el aire circule alrededor de los álabes del compresor. Los diseños de cubierta con orificios pueden tener una mayor resistencia a las sobrecargas del compresor y pueden mejorar la eficiencia de la rueda del compresor. [38] [39]
El conjunto giratorio del eje central (CHRA) alberga el eje que conecta la turbina al compresor. Un eje más liviano puede ayudar a reducir el retraso del turbo. [40] El CHRA también contiene un cojinete que permite que este eje gire a altas velocidades con una fricción mínima.
Algunos CHRA se enfrían con agua y tienen tuberías por donde fluye el refrigerante del motor. Una de las razones de la refrigeración por agua es proteger el aceite lubricante del turbocompresor del sobrecalentamiento.
El tipo más simple de turbocompresor es el turbocompresor flotante libre . [41] Este sistema podría lograr el máximo impulso a las revoluciones máximas del motor y al máximo acelerador, sin embargo se necesitan componentes adicionales para producir un motor que sea manejable 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 ocurre entre presionar el acelerador y el turbocompresor se pone en marcha para proporcionar presión de refuerzo. [44] [45] Este retraso se debe al aumento del flujo de gases de escape (después de que se abre repentinamente el acelerador) que tarda en hacer girar la turbina a velocidades en las que se produce el refuerzo. [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 supercargadores no sufren de retraso del turbo porque el mecanismo del compresor es impulsado directamente por el motor.
Los métodos para reducir el retraso del turbo incluyen: [ cita requerida ]
Un fenómeno similar que a menudo se confunde con el retraso del turbo es el umbral de sobrealimentación . En este caso, la velocidad del motor (rpm) está actualmente por debajo del rango operativo del sistema del turbocompresor, por lo que el motor no puede generar una sobrealimentación significativa. A bajas rpm, el caudal de los gases de escape no puede hacer girar la turbina lo suficiente.
El umbral de refuerzo provoca retrasos en la entrega de potencia a bajas rpm (ya que el motor sin refuerzo debe acelerar el vehículo para aumentar las rpm por encima del umbral de refuerzo), mientras que el retraso del turbo provoca retrasos en la entrega de potencia a mayores rpm.
Algunos motores utilizan varios turbocompresores, generalmente para reducir el retraso del turbo, aumentar el rango de rpm en el que se produce el impulso o simplificar el diseño del sistema de admisión y escape. La disposición más común es la de turbocompresores dobles, aunque en ocasiones se han utilizado configuraciones de triple o cuádruple turbo en 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 coloca una carga mecánica directa en el motor, aunque los turbocompresores colocan una 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 calienten el aire de admisión.
Una combinación de un turbocompresor impulsado por escape y un supercargador impulsado por motor puede mitigar las debilidades de ambos. [50] Esta técnica se llama twincharging .
Los turbocompresores se han utilizado en las siguientes aplicaciones:
En 2017, el 27% de los vehículos vendidos en los 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 la mayoría de los turbocompresores en Europa y los EE. UU. 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 provocará fugas de aceite en los cilindros, lo que provocará la aparición de humo azul grisáceo. En los motores diésel, esto puede provocar un exceso de velocidad, una condición conocida como embalamiento del motor diésel .
