Turbocompresor

El turbocompresor tiene la particularidad de aprovechar la fuerza con la que salen los gases de escape para impulsar una turbina colocada en la salida del colector de escape, dicha turbina se une mediante un eje a un compresor. El compresor esta colocado en la entrada del colector de admisión, con el movimiento giratorio que le transmite la turbina a través del eje común, el compresor eleva la presión del aire que entra a través del filtro y consigue que mejore la alimentación del motor. El turbo impulsado por los gases de escape alcanza velocidades por encima de las 100.000 rpm, por tanto, hay que tener muy en cuenta el sistema de engrase de los cojinetes donde apoya el eje común de los rodetes de la turbina y el compresor. También hay que saber que las temperaturas a las que se va ha estar sometido el turbo en su contacto con los gases de escape van a ser muy elevadas (alrededor de 750 ºC).

Ciclos de funcionamiento del turbocompresor

• Funcionamiento a ralentí y carga parcial inferior: En estas condiciones el rodete de la turbina de los gases de escape es impulsada por medio de la baja energía de los gases de escape, y el aire fresco aspirado por los cilindros no será precomprimido por la turbina del compresor, simple aspiración del motor.
• Funcionamiento a carga parcial media: Cuando la presión en el colector de aspiración (entre el turbo y los cilindros) se acerca la atmosférica, se impulsa la rueda de la turbina a un régimen de revoluciones mas elevado y el aire fresco aspirado por el rodete del compresor es precomprimido y conducido hacia los cilindros bajo presión atmosférica o ligeramente superior, actuando ya el turbo en su función de sobrealimentación del motor.
• Funcionamiento a carga parcial superior y plena carga: En esta fase continua aumentando la energía de los gases de escape sobre la turbina del turbo y se alcanzara el valor máximo de presión en el colector de admisión que debe ser limitada por un sistema de control (válvula de descarga). En esta fase el aire fresco aspirado por el rodete del compresor es comprimido a la máxima presión que no debe sobrepasar los 0,9 bar en los turbos normales y 1,2 en los turbos de geometría variable.

Constitución de un turbocompresor

Los elementos principales que forman un turbo son el eje común que tiene en sus extremos los rodetes de la turbina y el compresor este conjunto gira sobre los cojinetes de apoyo, los cuales han de trabajar en condiciones extremas y que dependen necesariamente de un circuito de engrase que los lubrica.
Por otra parte el turbo sufre una constante aceleración a medida que el motor sube de revoluciones y como no hay limite alguno en el giro de la turbina empujada por los gases de escape, la presión que alcanza el aire en el colector de admisión sometido a la acción del compresor puede ser tal que sea mas un inconveniente que una ventaja a la hora de sobrealimentar el motor. Por lo tanto se hace necesario el uso de un elemento que nos limite la presión en el colector de admisión. Este elemento se llama válvula de descarga o válvula waste gate.

Regulación de la presión turbo

Para evitar el aumento excesivo de vueltas de la turbina y compresor como consecuencia de una mayor presión de los gases a medida que se aumenten las revoluciones del motor, se hace necesaria una válvula de seguridad (también llamada: válvula de descarga o válvula \»wastegate\»). Esta válvula está situada en derivación, y manda parte de los gases de escape directamente a la salida del escape sin pasar por la turbina.

La válvula de descarga o wastegate: esta formada por una cápsula sensible a la presión compuesta por un muelle (3), una cámara de presión y un diafragma o membrana (2). El lado opuesto del diafragma esta permanentemente condicionado por la presión del colector de admisión al estar conectado al mismo por un tubo (1). Cuando la presión del colector de admisión supera el valor máximo de seguridad, desvía la membrana y comprime el muelle de la válvula despegandola de su asiento. Los gases de escape dejan de pasar entonces por la turbina del sobrealimentador (pasan por el bypass (9)) hasta que la presión de alimentación desciende y la válvula se cierra.

La presión máxima a la que puede trabajar el turbo la determina el fabricante y para ello ajusta el tarado del muelle de la válvula de descarga. Este tarado debe permanecer fijo a menos que se quiera intencionadamente manipular la presión de trabajo del turbo, como se ha hecho habitualmente. En el caso en que la válvula de descarga fallase, se origina un exceso de presión sobre la turbina que la hace coger cada vez mas revoluciones, lo que puede provocar que la lubricación sea insuficiente y se rompa la película de engrase entre el eje común y los cojinetes donde se apoya. Aumentando la temperatura de todo el conjunto y provocando que se fundan o gripen estos componentes.

Ejemplo practico de modificación de la presión de soplado del turbo

Como ejemplo citamos aquí el conocido turbo Garret T2 montado en el clásico: Renault 5 GT Turbo, que tanto ha dado que hablar, por lo fácil que era modificar la presión de soplado del turbo, para ello simplemente había que atornillar/desatornillar el vástago (2) del actuador de la wastegate (4). Cuanto más corto sea el vástago, más presión se necesita para abrir la wastegate, y por consiguiente hay más presión de turbo.

Para realizar esta operación primero se quitaba el clip (1) que mantiene el vástago (2) en el brazo de la válvula (5). Afloja la tuerca (3) manteniendo bien sujeta la zona roscada (6) para que no gire y dañe la membrana del interior de la wastegate, ahora ya se puede girar el vástago (usualmente tiene dado un punto para evitar que la gente cambie el ajuste, así que hay que taládrarlo antes de girarlo).
Tres vueltas en el sentido de las agujas del reloj deberían aumentar la presión en 0.2 bar (3 psi), pero es un asunto de ensayo y error. Cuando finalmente tengas la presión de soplado deseada aprieta la tuerca y pon el clip.

Válvula de alivio

Mientras que la válvula de descarga o wastegate es utilizada en todos los turbocompresores, hay fabricantes que utilizan además, una válvula de alivio para limitar sobrepresiones en el colector de admisión.

La válvula de alivio se encuentra entre el turbo y la mariposa de entrada de la admisión (motores Otto). Se usa para liberar al exterior la sobrepresión producida en el conducto de admisión cuando dejamos de acelerar o efectuamos un cambio de marcha. Cuando dejamos de acelerar la mariposa se cierra y se crea una sobrepresión en el conducto de admisión debido a la inercia del rodete del turbo, es decir, que aunque levantemos el pie del acelerador la turbina sigue girando. Entonces aquí es cuando actúa la válvula de alivio, liberando la presión y evitando daños en la turbina y en los manguitos de admisión.

Las válvulas de alivio se pueden diferenciar por su funcionamiento y por su manera de actuación.

Por su funcionamiento se pueden dividir en válvulas que expulsan a la atmósfera parte de la sobrepresión en el colector de admisión, provocando el característico silvido (psssss….). Después están las válvulas que en vez de expulsar la sobrepresión a la atmósfera, lo devuelven a la entrada de la admisión después del caudalimetro, haciendo recircular el aire sobrante.

Por otra parte podemos dividir las válvulas de alivio dependiendo de su control a la hora de actuar, están las controladas mecánicamente y las gestionadas por medio de un control electrónico a través de una electroválvula.

Tipos de válvulas:

• Blow-off (válvula de alivio): también llamada Blow Off Valve (BOV). La presión sobrante sale al exterior del conducto de admisión (al vano motor para ser más precisos). Cuando se cierra la mariposa, se crea una presión mayor en el conducto que hay entre el turbocompresor y la mariposa, esto hace que haya una gran diferencia de presiones entre la admisión donde esta conectada la toma de vacío y el conducto antes mencionado. La depresión creada en el colector de admisión hace que se abra la válvula y deje escapar la presión sobrante a la atmósfera, provocando un sonido muy característico (silbido) en los vehículos que utilizan este sistema como puede ser algunos modelos de la marca Subaru.En algunos casos se denomina Blow-off Valve con recirculación, este sistema seria igual al que se ve a continuación, por lo tanto puede llevar a la confusión, los nombres que se dan a las válvulas de alivio.
• Bypass Valve: también conocida como Compressor Bypass Valve (CBV). La sobrepresión sobrante en el colector de admisión, en este caso, en vez de expulsarla a la atmósfera, se hace recircular otra vez por el colector de admisión después del caudalimetro. Esta válvula puede ir situada formando conjunto con el turbocompresor, también puede ir situada junto con el intercooler como se puede ver en las figuras siguientes.
• Diverter Valve (DV): su funcionamiento es como la anterior (CBV) y en muchos casos tambien se la denomina como válvula Blow-off, dependiendo del fabricante, Esta válvula puede ir montada al aire sobre las canalizaciones de admisión del motor o montada directamente sobre el turbocompresor.

La marca BMW denomina a la válvula de alivio en sus motores como: Diverter valve (blow-off).
Como ejemplo en la figura inferior tenemos el sistema de admisión del motor BMW N54, biturbo gasolina, seis cilindros en linea, 3.0L,

Otro ejemplo de la utilización de la válvula de alivio de la marca BMW, es la válvula Blow-off eléctrica montada directamente sobre el turbocompresor.

Comoejemplo de funcionamiento de las válvulas limitadoras de presión tanto en el escape como en la admisión podemos tomar como referencia el motor de 4 cilindros en linea, turboalimentado de 1,8 ltr. y 5 válvulas de Volkswagen.

A medida que aumenta el régimen del turbocompresor también aumenta la presión de sobrealimentación. Para no poner en peligro la vida útil del motor se procede a limitar la presión de sobrealimentación. Esta función corre a cargo de la regulación de la presión de sobrealimentación por la válvula de descarga o wastegate.
El control de recirculación de aire en deceleración impide que el turbocompresor sea frenado innecesariamente al cerrar la mariposa de forma repentina. Para esta función se utiliza una válvula de alivio o bypass comandada neumaticamente a través de una electroválvula.

La unidad de control del motor se encarga de calcular la presión de sobrealimentación teórica, tomando como base la demanda de par a realizar por el motor.
Gestionando el tiempo de apertura de la electroválvula para limitación de la presión de sobrealimentación N75, la unidad de control del motor regula la magnitud de la presión de sobrealimentación.

Para la regulación se genera una presión de control compuesta por la presión de sobrealimentación en la carcasa del compresor y la presión atmosférica. Esta presión de control actúa en contra de la fuerza del muelle en la válvula reguladora de la presión de sobrealimentación (caja membrana) y abre o cierra correspondientemente la válvula de descarga en el turbocompresor.
En estado sin corriente, la electroválvula N75 está cerrada y la presión de sobrealimentación actúa directamente sobre la caja membrana. La válvula reguladora de la presión de sobrealimentación ya abre al existir una leve presión de sobrealimentación.

Para el caso de avería en la regulación, la presión máxima de sobrealimentación se limita de esa forma a una presión de sobrealimentación básica (presión de sobrealimentación controlada mecánicamente).
Al estar cerrada la válvula wastegate, aumenta la presión de sobrealimentación. En la gama de regímenes bajos, el turbocompresor suministra así la presión de sobrealimentación o bien la cantidad de aire correspondientemente necesarias para la entrega de un par intenso.
En cuanto la presión de sobrealimentación ha alcanzado su valor calculado, la válvula wastegate abre empujada mecánicamente y deja pasar una cierta cantidad de gases de escape evadiendo la turbina. El régimen de revoluciones de la turbina disminuye a raíz de ello y, con éste, también la presión de sobrealimentación.

Si se cierra la válvula de mariposa se produce una presión acumulada en el circuito del compresor, por seguir aplicada la presión de sobrealimentación. La rueda de turbina experimenta una frenada intensa como consecuencia de ello. Al volver a abrir la mariposa sería necesario acelerar nuevamente el turbocompresor al régimen correspondiente.
Con el control de la recirculación de aire en deceleración se evita de esa forma el “bache turbo“ que suele presentarse en su defecto. La válvula de recirculación de aire es una versión de muelle y diafragma, de accionamiento mecánico y control neumático.
El sistema de gestión Bosch Motronic 7.5 controla la válvula Bypass a través de una electroválvula de recirculación de aire para el turbocompresor (N249).
En combinación con el depósito de vacío se consigue que la válvula de recirculación de aire (N249) trabaje independientemente de la presión reinante en el colector de admisión.
Si se avería la válvula de recirculación de aire, la gestión se lleva a cabo por medio del vacío generado por el motor detrás de la válvula de mariposa.

Temperatura de funcionamiento

Como se ve en la figura las temperaturas de funcionamiento en un turbo son muy diferentes, teniendo en cuenta que la parte de los componentes que están en contacto con los gases de escape pueden alcanzar temperaturas muy altas (650 ºC), mientras que los que esta en contacto con el aire de aspiración solo alcanzan 80 ºC.
Estas diferencias de temperatura concentrada en una misma pieza (eje común) determinan valores de dilatación diferentes, lo que comporta las dificultades a la hora del diseño de un turbo y la elección de los materiales que soporten estas condiciones de trabajo adversas.
El turbo se refrigera en parte ademas de por el aceite de engrase, por el aire de aspiración cediendo una determinada parte de su calor al aire que fuerza a pasar por el rodete del compresor. Este calentamiento del aire no resulta nada favorable para el motor, ya que no solo dilata el aire de admisión de forma que le resta densidad y con ello riqueza en oxigeno, sino que, además, un aire demasiado caliente en el interior del cilindro dificulta la refrigeración de la cámara de combustión durante el barrido al entrar el aire a una temperatura superior a la del propio refrigerante liquido.

Los motores de gasolina, en los cuales las temperaturas de los gases de escape son entre 200 y 300ºC más altas que en los motores diesel, suelen ir equipados con carcasas centrales refrigeradas por agua. Cuando el motor está en funcionamiento, la carcasa central se integra en el circuito de refrigeración del motor. Tras pararse el motor, el calor que queda se expulsa utilizando un pequeño circuito de refrigeración que funciona mediante una bomba eléctrica de agua controlada por un termostato. En un principio cuando se empezó la aplicación de los turbocompresores a los motores de gasolina, no se tuvo en cuenta la consecuencia de las altas temperaturas que se podían alcanzar en el colector de escape y por lo tanto en el turbo que esta pegado a el como bien se sabe. La consecuencia de esta imprevisión fue una cantidad considerable de turbos carbonizados, cojinetes defectuosos y pistones destruidos por culpa de la combustión detonante. Hoy en día los cárteres de los cojinetes de los turbocompresores utilizados para sobrealimentar motores otto se refrigeran exclusivamente con agua y se han desarrollado y se aplican materiales mas resistentes al calor. Los fondos de los pistones de los motores turbo casi siempre se refrigeran por medio de inyección de aceite. Con estas medidas se han solucionado la mayor parte de los problemas que tienen los motores de gasolina sobrealimentados por turbocompresor, eso si, siempre teniendo presente que si por algún motivo la temperatura de escape sobrepasa durante un tiempo prolongado el limite máximo de los 1000ºC el turbo podrá sufrir daños.

Intercooler

Para evitar el problema del aire calentado al pasar por el rodete compresor del turbo, se han tenido que incorporar sistemas de enfriamiento del aire a partir de intercambiadores de calor (intercooler). El intercooler es un radiador que es enfriado por el aire que incide sobre el coche en su marcha normal. Por lo tanto se trata de un intercambiador de calor aire/aire a diferencia del sistema de refrigeración del motor que se trataría de un intercambiador aire/agua.
Con el intercooler (se consigue refrigerar el aire aproximadamente un 40% desde 100°-105° hasta 60°- 65°). El resultado es una notable mejora de la potencia y del par motor gracias al aumento de la masa de aire (aproximadamente del 25% al 30%). Además se reduce el consumo y la contaminación.

En algunos casos para reducir las dimensiones del intercooler se recurre a una refrigeración aire/agua, mucho mas efectiva, pero mas complicada, por lo que implica la instalación de los manguitos de canalización del liquido refrigerante y su posterior refrigeración

El engrase del turbo

Como el turbo esta sometido a altas temperaturas de funcionamiento, el engrase de los cojinetes deslizantes es muy comprometido, por someterse el aceite a altas temperaturas y desequilibrios dinámicos de los dos rodetes en caso de que se le peguen restos de aceites o carbonillas a las paletas curvas de los rodetes (alabes de los rodetes) que producirán vibraciones con distintas frecuencias que entrando en resonancia pueden romper la película de engrase lo que producirá microgripajes. Además el eje del turbo esta sometido en todo momento a altos contrastes de temperaturas en donde el calor del extremó caliente se transmite al lado mas frió lo que acentúa las exigencias de lubricación porque se puede carbonizar el aceite, debiendose utilizar aceites homologados por el API y la ACEA para cada país donde se utilice (visita esta web para saber mas sobre aceites).

Se recomienda después de una utilización severa del motor con recorridos largos a altas velocidades, no parar inmediatamente el motor sino dejarlo arrancado al ralentí un mínimo de 30 seg. para garantizar una lubricación y refrigeración optima para cuando se vuelva arrancar de nuevo. El cojinete del lado de la turbina puede calentarse extremadamente si el motor se apaga inmediatamente después de un uso intensivo del motor. Teniendo en cuenta que el aceite del motor arde a 221 ºC puede carbonizarse el turbo.

El engrase en los turbos de geometría variable es mas comprometido aun, por que ademas de los rodamientos tiene que lubricar el conjunto de varillas y palancas que son movidas por el depresor neumático, al coger suciedades (barnices por deficiente calidad del aceite), hace que se agarroten las guías y compuertas y el turbo deja de trabajar correctamente, con perdida de potencia por parte del motor.

Turbocompresor de doble entrada (twin scroll)

El objeto de un turbocompresor de doble entrada es aprovechar mejor la presión de los gases de escape para impulsar la turbina.
Un colector de escape en el que están comunicados todos los cilindros, hay pérdidas de presión provocadas por el hecho de que una parte de los gases de escape es reaspirada por el motor. En mayor o menor medida, puede haber un retraso en el cierre de las válvulas de escape: permanecen abiertas cuando comienza la carrera de admisión. En ese caso, parte del gas de escape vuelve a entrar en el motor por las válvulas de escape.

Con el turbocompresor de doble entrada, lo que se consigue es separar al cilindro que suministra la presión en el colector en un momento determinado (el que está en la carrera de escape) del que puede provocar una reaspiración del gas de escape y, con ello, una reducción de la presión (el que está en la carrera de admisión).

En el caso de un motor de cuatro cilindros, el colector de escape tiene salidas separadas para los cilindros 1 y 4, por una parte, y para los cilindros 2 y 3 por otra. De esta manera, no ocurre nunca que las válvulas de escape de dos cilindros que comparten el canal en el colector de escape están abiertas simultáneamente. Cuando uno de los cilindros hace la carrera de escape, su pareja hace la de compresión.

El turbocompresor de doble entrada sólo es necesario cuando puede haber una reaspiración de gases de escape, como ocurre generalmente en motores de gasolina de cuatro cilindros. En otro tipo de arquitectura de motores no se utiliza este modelo de turbo.

Recomendaciones de mantenimiento y cuidado para los turbocompresores

El turbocompresor está diseñado para durar lo mismo que el motor. No precisa de mantenimiento especial; limitándose sus inspecciones a unas comprobaciones periódicas. Para garantizar que la vida útil del turbocompresor se corresponda con la del motor, deben cumplirse de forma estricta las siguientes instrucciones de mantenimiento del motor que proporciona el fabricante:

• Intervalos de cambio de aceite. Aceite recomendado por el fabricante y sino uno de calidad contrastada.
• Mantenimiento del sistema de filtro de aceite
• Control de la presión de aceite
• Mantenimiento del sistema de filtro de aire

El 90% de todos los fallos que se producen en turbocompresores se debe a las siguientes causas:

• Penetración de cuerpos extraños en la turbina o en el compresor.
• Suciedad en el aceite.
• Suministro de aceite poco adecuado (presión de aceite/sistema de filtro).
• Altas temperaturas de gases de escape (deficiencias en el sistema de encendido/sistema de alimentación).Estos fallos se pueden evitar con un mantenimiento frecuente. Cuando, por ejemplo, se efectúe el mantenimiento del sistema de filtro de aire se debe tener cuidado de que no se introduzcan fragmentos de material en el turbocompresor.

El futuro del turbocompresor

El turbocompresor todavía no ha llegado al final de su potencial de desarrollo, a continuación enumeramos la siguientes mejoras que están en fase de ensayo o ya se aplican y se fabrican en serie.

• Fabricación del cárter (carcasa) de la turbina y del colector de escape de una sola pieza. Con ello se pueden ahorrar la brida, conjuntamente con el sellado, y los anclajes caros entre el cárter de la turbina y el colector de escape. Al mismo tiempo se reduce también el peso. Además, se mejora la respuesta del motor turbo, por que se requiere calentar menos material.
• Reducción del grosor de las paredes del cárter de la turbina. La consecuencia es un peso menor y un mejor comportamiento en la respuesta.
• Las turbinas de aleación de titanio y aluminio son mas ligeras que las ruedas de acero de gran calidad. Esto también favorece el comportamiento de respuesta del motor, porque el turbocompresor acelera mas rápidamente.
• La geometría variable del cárter de la turbina mejora el rendimiento de un turbocompresor y, por tanto, del motor con respecto a todo el régimen de revoluciones. En el motor Diesel estos turbocompresores ya se utilizan con buenos resultados, en motores de gasolina no se utiliza, hace falta todavía que se perfeccionen mejor las características térmicas de los materiales con los que están construidos.
• La colocación de dos turbocompresores pequeños (en lugar de uno grande) sobre todo en motores en \»V\» o motores que tengan igual o mas de 6 cilindros. También la utilización de motores biturbo con turbos hermanados o escalonados que utilizan un turbo pequeño para cuando el motor funciona a bajas r.p.m. y un turbo mas grande cuando el motor funciona a altas r.p.m..