Los turbocompresores de geometría variable ( VGT ), a veces conocidos como turbocompresores de tobera variable ( VNT ), son un tipo de turbocompresores , generalmente diseñados para permitir que la relación de aspecto efectiva (relación A/R) del turbocompresor se altere a medida que cambian las condiciones. Esto se hace con el uso de álabes ajustables ubicados dentro de la carcasa de la turbina entre la entrada y la turbina, estos álabes 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 de la que se produce a 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 generará 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 VGT tienen una cantidad mínima de retraso , un umbral de impulso bajo y una alta eficiencia a velocidades de motor más altas.
El VGT de paletas rotativas fue desarrollado por primera vez por Garrett y patentado en 1953. [1]
Uno de los primeros automóviles 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 producción limitada de 1989 , del que solo se produjeron 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 T-25 de geometría fija).
En 1991, Fiat incorporó un VGT al turbodiésel de inyección directa del Croma . [2]
El Peugeot 405 T16 , lanzado en 1992, utilizó un turbocompresor de geometría variable Garrett VAT25 en su motor de 16 válvulas de 2.0 litros.
El Porsche 911 Turbo 2007 tiene dos turbocompresores de geometría variable en su motor de gasolina de seis cilindros opuestos horizontalmente de 3,6 litros.
En 2007, Acura presentó el RDX con turbocompresor de geometría variable siguiendo un diseño (VFT).
El Koenigsegg One:1 2015 utiliza dos turbocompresores 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 tobera variable son comunes en los motores de servicio ligero (automóviles de pasajeros, autos de carrera y vehículos comerciales ligeros). Los álabes de la turbina giran al unísono, en relación con su eje, para variar su paso y área de sección transversal. Las turbinas de tobera variable ofrecen mayores caudales y 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. Los álabes no giran, sino que, en cambio, se modifica su ancho efectivo. Esto se hace generalmente moviendo la turbina a lo largo de su eje, retrayendo parcialmente los álabes dentro de la carcasa. Alternativamente, una partición dentro de la carcasa puede deslizarse hacia adelante y hacia atrás. El área entre los bordes de los álabes cambia, lo que da lugar a un sistema de relación de aspecto variable con menos piezas móviles. [4]
Las turbinas de flujo variable son otra versión simplificada de una turbina de flujo variable en comparación con una turbina de flujo variable. 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 las volutas para promediar la relación aire/combustible óptima. En condiciones de flujo bajo, los gases de escape se dirigen a través de la voluta primaria y, en condiciones de flujo máximo, se dirigen a través de la primaria y la secundaria. Este diseño tiene un caudal más bajo en comparación con los tipos de turbina de flujo variable, por lo que se puede incorporar una válvula de descarga en este diseño. [5]
Los VGT pueden controlarse mediante un actuador de vacío de membrana, un servomotor 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 una válvula de descarga . [6] Aunque las VGT no requieren una válvula de descarga, algunas aplicaciones que requieren una alta relación de flujo de aire másico 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 turbocompresores de turbina 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 turbocompresores de turbina con motor de gasolina requerían un enfriamiento previo significativo 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 necesario para mantener los álabes 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 sistemas de gestión de motores de posventa de alta gama también pueden controlar los VGT.
En los camiones, los VGT también se utilizan para controlar la proporción de escape recirculado de regreso 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 al nivel requerido por la legislación sobre emisiones (por ejemplo, Euro 5 para Europa y EPA 10 para los EE. UU.).
Otro uso de los turbocompresores de álabes deslizantes es como freno de escape posterior , 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 carbono atrapadas en el filtro hasta que se oxiden en una reacción semiautosostenida, 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 servomotores eléctricos.
Los turbocompresores de geometría fija ofrecen una respuesta transitoria mejorada en comparación con los turbocompresores de geometría fija convencionales. Esto hace que los turbocompresores de geometría fija sean ideales para su uso en vehículos donde la demanda de potencia 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 turbocompresores de geometría fija. [8] Esto se debe a la resistencia de escape adicional creada a partir de las tolerancias de las piezas móviles dentro de un turbocompresor de geometría fija.
Varias empresas fabrican y suministran turbocompresores de geometría variable con álabes rotativos, entre ellas Garrett, BorgWarner y Mitsubishi Heavy Industries . Este diseño se limita principalmente a motores pequeños y aplicaciones de servicio ligero (automóviles de pasajeros, automóviles de carreras y vehículos comerciales ligeros).
El principal proveedor de turbinas de gas de paletas deslizantes es Holset Engineering . [7]
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