MeM 001: Mecánica Automotriz Los turbos que se vienen
Artículos Técnicos mecánica automotriz TurbosLa tendencia actual es el downsizing, es decir, reducir lo máximo posible la cilindrada de los motores. Para ello es necesario utilizar un turbo-compresor.
Mecánica Automotriz
Turbo-compresor: el nuevo requisito
Los pequeños motores a gasolina equipados con turbo-compresor prometen una buena relación potencia/cilindrada motor, bajo consumo y una importante disminución de las emisiones, al mismo tiempo que una más eficiente utilización de los recursos petroleros.
La clave para cumplir todas estas demandas es el turbo-compresor. Esto no es más que un dispositivo por el cual una turbina unida por medio de un eje a un compresor permite aumentar el llenado de los cilindros sin ninguna asistencia de energía externa. La turbina recibe el flujo de los gases de escape del motor y el compresor comprime el aire proveniente del filtro y en dirección al múltiple de admisión.
La fuente de energía para comprimir el aire que entrará a los cilindros es la temperatura y la presión de los gases de escape.
Requerimientos de excelencia de un turbo
Según su diseño y utilización, la turbina puede llegar a las 300.000 rpm en unos pocos segundos. De esta manera el compresor tendrá la potencia necesaria para comprimir el aire de admisión (normalmente hasta 1.5 bar de presión relativa). La eficiencia y la potencia aumentan al igual que la temperatura de los gases de escape.
Cuando el motor funciona en torno a regímenes de carga máxima la temperatura puede ser un serio problema. Este problema no es sólo para el turbo en sí mismo, sino que hay que pensar que las válvulas de escape también están expuestas a este riesgo.
En los automóviles modernos equipados con catalizadores, las temperaturas que excedan los 1000ºC pueden ser letales. Pocos segundos de extrema temperatura representan para el motor un daño importante y de alto costo de reparación.
Hasta hoy, la única manera de disminuir la temperatura de los gases de escape, y así proteger los componentes mencionados anteriormente, es haciendo uso de mezclas ricas. Esto claro está, en detrimento del consumo de combustible.
La combustión de una mezcla rica va a dar como resultado una disminución de temperatura de los gases de escape.
Nuevos métodos implican nuevos componentes
Hoy el abanico de posibilidades se abre un poco más y aparecen nuevos sistemas que, por medio de sistemas de control electrónico, permiten enfriar los componentes en riesgo por alta temperatura. Estos sistemas son en su mayoría intercambiadores de calor por medio de agua.
Todo en un debido equilibrio.
El reducir las temperaturas de operación es, en términos generales bueno, aunque no siempre. Este es por ejemplo el caso del catalizador, que como dijimos su temperatura de funcionamiento no debe superar en general los 1000ºC.
El punto crítico es el arranque en frío, donde el catalizador no presenta una buena eficiencia y, por tanto, habrá que esperar entonces a una temperatura de funcionamiento de 400ºC para que el tratamiento de los gases de escape pueda ser llevado a cabo eficientemente por el mismo.
Un tema importante desde el punto de vista del desarrollo de un turbo-compresor es el diseño del flujo de gases de escape para aumentar su comportamiento dinámico hasta el punto de máxima potencia motor.
Algunos ejemplos:
Para motores diesel, BMW desarrollo el Twin Scroll, que consiste en dos flujos independientes de los gases de escape que hacen girar la turbina.
Otro ejemplo es la sobrealimentación por etapas, con dos turbos que producen un salto escalonado de la presión de alimentación.
Lo más eficiente es sin embargo los turbos de geometría variable (VTG) que comienzan a hacerse sentir ni bien uno sale del régimen de ralentí.
Gasolina y Diesel también turbo-diferenciados
Del diesel a la gasolina las diferencias son grandes y esto también se refleja en las características que el turbo debe tener. Para empezar, los estudios termodinámicos de un ciclo a presión constante de un motor diesel indican que las temperaturas máximas oscilan entre 600 y 800ºC de acuerdo al diseño del motor.
En el caso de un ciclo termodinámico a volumen constante de un motor a gasolina las temperaturas pueden ser de hasta 200ºC superiores. Esto ya nos habla de solicitaciones totalmente distintas para un turbo que equipara a un motor diesel que a un naftero.
Por otra parte un motor diesel tendrá un régimen de vueltas máximo de alrededor de 4500 rpm mientras que un naftero será de por lo menos 6000 rpm (en motores deportivos los regímenes pueden ser bastante más elevados).
En 2006 los VTG experimentaron un salto tecnológico con el lanzamiento del Porsche 911 turbo. En este auto las temperaturas de escape eran tan elevadas que tuvieron que fabricarse piezas especiales a base de materiales resistentes a altas temperaturas.
VW también dio pasos importantes combinando turbo-compresores y compresores para lograr una sobrealimentación por etapas con sus sistemas Twincharger-TSI.
Hoy por hoy el objetivo de quienes diseñan turbo-compresores es el mismo, lograr alta eficiencia basándose en sistemas que sean relativamente simples.
Importante tener en cuenta
Impacto social
Más allá que la tecnología existe, no siempre se utiliza por motivos económicos. El mercado no siempre está dispuesto a pagar un precio elevado por un componente que tenga ciertas ventajas técnicas, y por aquellos pocos que sí lo deseen los costos de desarrollo no son viables.
bi-turbos
La tendencia hoy es la implementación de sistemas bi-turbo, con la ventaja de un dimensionamiento del turbo-compresor más pequeño, con menores inercias y mayor agilidad a la hora de conducir.
De esta manera se reduce considerablemente el tiempo muerto que existe entre la demanda de par motor (cuando el conductor aprieta el acelerador) y el momento motor efectivo con el fin de acelerar al vehículo.
Por qué es crítico el arranque en frío
Las emisiones y el consumo se miden en un ciclo de conducción de acuerdo al mercado donde el vehículo será comercializado (algunos de ellos son NEFZ para Europa y FTP75 para USA).
Un arranque en frio significa una mayor resistencia interna del motor y un alto grado de emisiones nocivas debido a la baja temperatura del catalizador, y por ende una mala performance en los ensayos de homologación.
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Excelente artículo.
Recientemente Audi comenzó a experimentar con turbos eléctricos para aumentar el par a bajas RPM. Pero en verdad no conozco mucho sobre el tema y estaría bueno conocer un poco.
Muy buen sitio!!!
Hola Germán, el problema de los turbos es justamente a bajas rpm. Es en estas condiciones donde el caudal másico de gases de escape no es suficiente para hacer girar a la turbina de la forma que se necesita. Si la turbina no gira lo suficientemente significa que el compresor no podrá hacer su trabajo. Como resultado de esto es que la presión en la admisión aumenta muy lentamente. La forma clásica de resolver este problema es utilizando turbos pequeños de forma tal de reducir la inercia. A pesar de todo, el tiempo de reacción del turbo sigue siendo importante (alrededor de 1 segundo). Es por eso que hoy se están utilizando turbos que tienen un pequeño motor eléctrico incorporado que hace girar a la turbina cuando las rpm del motor son bajas. De esta manera cuando la potencia mecánica (debido a la energía de los gases de escape) generada en el turbo no es suficiente, se utiliza potencia eléctrica para hacer girar al compresor. De todas maneras tendremos en cuenta tu comentario para nuestros próximos artículos técnicos.
Ciaooo
Juan