Turbocompresor y Supercargador

Instituto Politécnico Nacional ESIME Culhuacán Sistemas automotrices Turbocompresor y supercargador Profesor Crispín uintanar Pa!

 "osé "a#ier Chá#e! $uí! %SM&

Turbocompresor 'n turbocompresor o también llamado turbo es un sistema de sobrealimentaci(n )ue usa una turbina centrífuga para accionar mediante un e*e coa+ial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases- Este tipo de sistemas se suele utili!ar en motores de combusti(n interna alternati#os, especialmente en los motores diéselEn &./0 el primer autom(#il de producci(n en masa fabricado en EE'' en tener un turbocargador de fábrica 1el 2ldsmobile "et3re Turbo $oc4et5Entre las primeras marcas )ue implementaron turbocompresores en motores de reducida cilindrada de manera más frecuente al principio del siglo 66I fueron las pertenecientes al 7rupo 8ol4s9agen posteriormente desarrollaron sistemas )ue implementarían la combinaci(n de la carga estrati3cada de combustible y a su #e! una combinaci(n de turbocompresor y supercargador )ue permite obtener una potencia relati#amente alta sin sacri3car el consumo de combustible, pues el segundo puede funcionar al principio ya )ue se impulsa por el mismo motor-

Elementos )ue conforman el sistema del turbocompresor :iltro de aire $ueda compresora Intercooler Multiple de admisi(n $ueda propulsora Muliple de escape

Estructura del turbocompresor

Caracol de admisi(n; recolecta el aire comprimido y lo redirecciona al muldiple de admisi(n $ueda compresora; aspira aire del ambiente y lo en#ía al motor Plato; soporta el caracol de admisi(n y brinda una super3cie aerodinámica Caracol de escape; recolecta los gases de escape y los dirige a la rueda turbina $ueda turbina; con#ierte la energía de los gases de escape en potencia para accionar la rueda compresora Cuerpo central; contiene el con*unto de elementos rotati#os en el motor-
:uncionamiento El turbocompresor consiste en una turbina accionada por los gases de escape del motor de e+plosi(n, en cuyo e*e se 3*a un compresor centrífugo )ue toma el aire a presi(n atmosférica después de pasar por el 3ltro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presi(n

El aire entra al compresor a+ialmente, saliendo radialmente, con el efecto secundario negati#o de un aumento de la temperatura más o menos considerable- Este efecto se contrarresta en gran medida con un enfriador1intercooler5Este aumento de la presi(n consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad de o+ígeno 1masa5 )ue la masa normal )ue el cilindro aspiraría a presi(n atmosférica, obteniéndose más par motor en cada carrera ?til 1carrera de e+pansi(n5 y por lo tanto más potencia )ue un motor atmosférico de cilindrada e)ui#alente, y con un incremento de consumo proporcional al aumento de masa de aire en el motor de gasolinaos y de presi(n de soplado más ba*a e*ercen una presi(n má+ima de @,0%, mientras )ue los más grandes alcan!an los &,% bar- En motores de competici(n se llega a presiones de A y B bares dependiendo de si el motor es gasolina o diésel-

En los motores diésel el turbocompresor está más

difundido debido a )ue un motor diésel traba*a con e+ceso de aire al no haber mariposapor una parte, por otra las presiones alcan!adas al 3nal de la carrera de compresi(n y sobre todo durante la carrera de traba*o son mucho mayores 1@ a B@ bares5 )ue en el motor de ciclo 2tto 1motor de gasolina5 1&%=0% bares5- Esta alta presi(n, necesaria para alcan!ar la alta temperatura re)uerida para la auto=inDamaci(n o auto=ignici(n del gas(leo, es el origen de )ue la fuer!a de los gases de escape, a igual régimen, cilindrada unitaria y carga re)uerida al motor sea mucho mayor en el diésel )ue en la gasolina-

8enta*as un motor con turbocompresor tiene una mayor potencia má+ima para una cilindrada dada estos motores pueden funcionar a mayor altitud sin tener una merma signi3cati#a de potenciaContribuye a la recuperaci(n de energía, ya )ue usa como medio propulsor los gases de escape del motor>ade poco #olumen y peso al motor, lo )ue permite enca*arlo en un #ehículo e+istente sin grandes modi3caciones e+ternas-

Permite reducir el consumo de combustible empleado 1esto obteniendo mas energía por litro de combustible5l girar a &@@,@@@ rpm 1re#oluciones por minuto5 o mas, es capa! de presuri!ar mas cantidad de aireEs mas barato )ue un SuperCargador 1hablando ob#iamente de capacidades similares5En ba*as re#oluciones el consumo de combustible no aumenta 1basicamente funciona a mas de 0%@@ rpm5 Fise>o bastante simple

Fes#enta*as Es bastante delicado asi )ue re)uiere de ciertos cuidados y mantenimientos 1recomendado cambios de aceite cada %,@@@ 4m5Puede llegar a mas de G%@HC 1celcius5 asi )ue puede sufrir da>os por sobrecalentamiento y mala lubricacionNo tiene respuesta inmediata, por lo general empie!an a presuri!ar entre las 0,%@@ y A,@@@ rpm-

$efrigeraci(n del aire El aire al ser comprimido se calienta y pierde densidad, es decir, en un mismo #olumen tenemos menos masa de aire, por lo )ue es capa! de )uemar menos combustible y, en consecuencia, se genera menos potencia- demás, al aumentar la temperatura de admisi(n aumenta el peligro de detonaci(n, picado, o autoencendido y se reduce la #ida ?til de muchos componentes por e+ceso de temperatura, y sobreesfuer!os del grupo térmicoPara disminuir esta problemática se interpone entre el turbocompresor y la admisi(n un intercambiador de calor o intercooler- Este sistema reduce la temperatura del aire, con lo )ue se aumenta la densidad de éste, )ue se introduce en la cámara de combusti(nEn el lado negati#o, los intercambiadores de calor pro#ocan una caída de presi(n, por lo )ue se disminuye la densidad del aire, aun)ue en muchos casos es necesario instalar uno para e#itar la detonaci(n o autoignici(n-

E+isten tres tipos de intercoolers; &- ireJaire; en estos el aire comprimido intercambia su calor con aire e+terno0- ireJagua; el aire comprimido intercambia su calor con un lí)uido )ue puede ser refrigerado por un radiador o, en algunas aplicaciones, con hielo en un dep(sito ubicado en el interior del cocheA- Criogénicos; se enfría la me!cla mediante la e#aporaci(n de un gas sobre un intercambiador aireJaire-

Tipos de sistemas de turbocompresor o e#ita la demora en la respuesta, pero e*erce menos fuer!a a altas re#oluciones- Fistintos fabricantes de motores han dise>ado soluciones a este problema-

'n biturbo; es un sistema con dos turbocargadores de distinto tama>o-  ba*as re#oluciones funciona solamente el pe)ue>o, debido a su respuesta más rápida, y el grande funciona ?nicamente a altas re#oluciones, ya )ue e*erce mayor presi(n'n biturbo en paralelo o t9in turbo; es un sistema con dos turbocargadores pe)ue>os de idéntico tama>o- l ser más pe)ue>os como si fuera un turbocargador ?nico, tienen una menor inercia rotacional, por lo )ue empie!an a generar presi(n a re#oluciones más ba*as y se disminuye la demora de respuesta'n turbocargador asimétrico consiste en poner un solo turbocargador pe)ue>o en una bancada 1la delantera en el motor 8/ colocado trans#ersalmente5 de*ando la otra libre-
entre los dos turbocargadores para lograr una mayor potencia y un menor tiempo de respuesta- Este sistema es utili!ado en elmotor Kan4el del Ma!da $6=B'n turbocargador de geometría #ariable; consiste en un turbocompresor )ue tiene un mecanismo de aletas llamadas álabes m(#iles )ue se abren y cierran haciendo #ariar la #elocidad de los gases de escape al entrar en la turbina-  menor caudal de gases de escape 1ba*as re#oluciones5 se cierra el paso entre los álabespro#ocando )ue los gases aumenten la #elocidad al entrar en la turbinaL a mayor caudal 1altas re#oluciones5 necesitamos más paso y estos se abren- Esto nos permite tener una presi(n de traba*o muy lineal en todo el régimen de traba*o del turbocargadorEn motores diésel es muy com?n pero en motores de gasolina solo Porsche ha desarrollado un turbo )ue soporta más de &@@@ C en el modelo Porsche .&& turbo 10@@G5-

$efrigeraci(n del turbocompresor Normalmente el turbocompresor suele estar refrigerado con aceite )ue circula mientras el motor está en marcha- Si se apaga bruscamente el motor después de un uso intensi#o y el turbocompresor está muy caliente, el aceite )ue refrigera los co*inetes del turbocompresor se )ueda estancado y su temperatura aumenta, con lo )ue se puede empe!ar a carboni!ar, disminuyendo su capacidad lubricante y acortando la #ida ?til del turbocompresorEl turbo timer es un sistema )ue mantiene circulando el aceite en el turbocompresor durante un lapso de tiempo después del apagado del motor- lgunos modelos funcionan con sensores )ue detectan la intensidad en el uso del turbocompresor para permitir la lubricaci(n for!ada del mismo por un tiempo prudencial después del apagado del motor-

Supercargador

Es un compresor instalado en un motor de combusti(n para generar una sobrealimentaci(n, aumentando así su potencia especí3caal del motor- Fepende de )ué tipo de supercargador sea, en el caso del supercargador centrífugo esta energía hace girar un rotor con álabes )ue introduce aire a presi(n al motor- Esto da a cada ciclo de admisi(n del motor más o+ígeno, permitiendo )ue se )ueme más combustible y )ue haga

más traba*o, lo )ue aumenta la potencia del mismoal, a un ritmo )ue #a a la #elocidad del motor- un)ue cierta potencia del motor es consumida por el sobrealimentador, la ganancia de potencia obtenida es superior-

Tipos de supercargador

Oay #arios tipos de dise>os de sobrealimentadores- El más com?n y mas antiguo es la #ariedad $ootes- En este dise>o, la potencia del motor acti#a un e*e )ue atra#iesa toda la longitud de la cubierta del sobrealimentador- Este e*e se acopla a tra#és de engrana*es a un segundo e*e, paralelo a él, también dentro de la cubierta- mbos e*es tienen rotores con l(bulos )ue son los )ue se acoplan entre sí, como un engrana*e muy grueso del tipo de 0 o A dientes
El girar constante de los rotores trae más aire dentro del motor del )ue éste puede consumir, lo )ue ocasiona )ue la acumulaci(n de aire e*er!a presi(n sobre el m?ltiple- Cuando las #ál#ulas indi#iduales de admisi(n de los cilindros se abren, el aire a presi(n es for!ado dentro de los cilindrosPara pre#enir los incrementos de presi(n peligrosos en la admisi(n, una #ál#ula controlada por el ordenador del motor se

abre, permitiendo )ue el aire recircule de nue#o hacia el lado de admisi(n del sobrealimentador- Esta #ál#ula también regula el ni#el de refuer!o seg?n las condiciones de funcionamiento del motorComo el sobrealimentador está conectado directamente al motor por medio de una correa, su refuer!o se consigue a todas las #elocidades del motor- Esto proporciona un me*or rendimiento en toda la gama de #elocidades, incluyendo las de cruceroa demora, y )ue su régimen (ptimo de funcionamiento del compresor es a altas re#oluciones- Más o menos la #elocidad de giro del rotor debe de ser entre G@, @@@ a &@@, @@@ rpm-

8enta*as $espuesta inmediata, al estar directamente a las poleas del motor la respuesta es ideal para competenciaNo se calienta tanto como el turbo por lo )ue el funcionamiento es mas con3ableNo re)uiere gran cantidad de mantenimiento-

Fes#enta*as l ser impulsado por las poleas del motor cunsume cierta potencia del mismo tal como lo hace un compresor de J 1aire condicionado5lto costo 1muchas #eces #iene *unto con el multiple de admision5Capacidad de Presuri!acion menor a la de un TurboCompresor e)ui#alenteFise>o mas comple*o y por lo tanto mas pesado-

Fiferencias entre Turbocompresor y supercargador