Turbocompresor

En un motor de combustión interna , un turbocompresor (también conocido como turbo o turbosupercargador ) es un dispositivo de inducción forzada que comprime el aire de admisión, forzando la entrada de más aire al motor para producir más potencia para una cilindrada determinada . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Los turbocompresores se distinguen de los sobrealimentadores en que un turbocompresor se alimenta de la energía cinética de los gases de escape, mientras que un sobrealimentador se alimenta mecánicamente, generalmente mediante una correa conectada al cigüeñal del motor . ^{[ 3 ]} Sin embargo, hasta mediados del siglo XX, un turbocompresor se denominaba "turbosobrealimentador" y se consideraba un tipo de sobrealimentador. ^{[ 4 ]}

Antes de la invención del turbocompresor, la sobrealimentación solo era posible mediante compresores mecánicos . El uso de compresores 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 usar 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 , se considera a menudo el nacimiento del turbocompresor. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Esta patente era para un motor radial compuesto con una turbina de flujo axial accionada 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 que experimentaban los motores de las aeronaves debido a la menor densidad del aire a grandes altitudes. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Sin embargo, el prototipo no era fiable y no llegó a la producción. ^{[ 12 ]} Otra patente temprana para turbocompresores fue solicitada en 1916 por el inventor francés de turbinas de vapor Auguste Rateau , para su uso previsto en los motores Renault utilizados por los aviones de combate franceses. ^{[ 10 ] [ 14 ]} Por separado, 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 a 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 , Estados Unidos, utilizando el motor de avión Liberty L-12 . ^{[ 14 ]}  

La primera aplicación comercial de un turbocompresor se produjo en junio de 1924, cuando el primer turbocompresor de servicio pesado, modelo VT402, fue entregado desde la fábrica de Baden de Brown, Boveri & Cie , bajo la supervisión de Alfred Büchi, a SLM, Swiss Locomotive and Machine Works en Winterthur. ^{[ 15 ]} A esto le siguió muy de cerca en 1925, cuando Alfred Büchi instaló con éxito turbocompresores en motores diésel de diez cilindros, aumentando la potencia de salida de 1300 a 1860 kilovatios (1750 a 2500 hp) . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} Este motor fue utilizado por el Ministerio de Transporte alemán para dos grandes buques de pasajeros llamados Preussen y Hansestadt Danzig . El diseño fue licenciado a varios fabricantes y los turbocompresores comenzaron a utilizarse en aplicaciones marinas, ferroviarias y de gran tamaño. ^{[ 13 ]} 

Los turbocompresores se utilizaron en varios motores de aeronaves durante la Segunda Guerra Mundial, comenzando con el Boeing B-17 Flying Fortress en 1938, que utilizaba turbocompresores fabricados por General Electric. ^{[ 10 ] [ 19 ]} Otros aviones turboalimentados de la época 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 desempeñó un papel pionero con los motores turboalimentados, como lo demuestran Sulzer, Saurer y Brown, Boveri & Cie . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Los fabricantes de automóviles comenzaron a investigar los motores turboalimentados durante la década de 1950; sin embargo, los problemas del "retraso del turbo" (el retraso en la generación de potencia causado por el tiempo necesario para que el turbocompresor alcance las rpm máximas) y el gran tamaño 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 presentados en 1962. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

El turbo tuvo un éxito temprano en el automovilismo. Las 500 Millas de Indianápolis de 1968 fueron la primera carrera a gran escala registrada que se ganó con un motor turboalimentado, y los turbos continuaron manteniendo el título en la pista en los años siguientes. Porsche fue pionero en los turbos en motores de producción en serie, como los motores derivados del Porsche 911 de 1963. El motor de seis cilindros opuestos refrigerado por aire, similar al motor del Chevrolet Corvair anterior, fue turboalimentado posteriormente en 1973. El Porsche 935 y el Porsche 936 ganaron ambos tipos de Campeonatos Mundiales de Sportcars en 1976, así como las 24 Horas de Le Mans , demostrando su fiabilidad. En la Fórmula 1 , las primeras victorias en carrera se produjeron con turbos a finales de la década de 1970, debido a que los turbos sobresalían en proporcionar potencia a motores de baja cilindrada. También había ganado el primer Campeonato Mundial de F1 en 1983, con un motor de 4 cilindros basado en el BMW M10 que data de 1961.

Los turismos turbodiésel entraron en el mercado mundial en la década de 1970 con el Mercedes 300 D. La mayor adopción de la turboalimentación en turismos 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 se alimenta de 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:

• Turbina – generalmente de diseño radial
• Compresor – normalmente un compresor centrífugo
• Conjunto giratorio del cubo de la carcasa central

Turbina

La sección de la turbina (también llamada "lado caliente" o "lado de escape" del turbocompresor) es donde se genera la fuerza de rotación que impulsa el compresor (mediante un eje giratorio que atraviesa el centro del turbo). Una vez que los gases de escape hacen girar la turbina, continúan su recorrido por el sistema de escape y salen 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 accionar la sección del compresor). Las carcasas de la turbina dirigen el flujo de gas a través de la sección de la turbina, y esta puede girar a velocidades de hasta 250 000 rpm. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Algunos diseños de turbocompresores ofrecen múltiples opciones de carcasa de turbina, lo que permite seleccionar la que mejor se adapte a las características del motor y a los requisitos de rendimiento.

El rendimiento de un turbocompresor está estrechamente ligado a su tamaño, ^{[ 30 ]} y a las dimensiones relativas de la turbina y el compresor. Las turbinas grandes suelen requerir mayores caudales de gases de escape, lo que aumenta el retardo del turbo y el umbral de sobrealimentación. Las turbinas pequeñas pueden generar sobrealimentación rápidamente y a caudales más bajos, ya que tienen menor inercia rotacional, pero pueden ser un factor limitante en la potencia máxima producida por el motor. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Diversas tecnologías, como se describe en las siguientes secciones, suelen estar dirigidas a combinar las ventajas de las turbinas pequeñas y las grandes.

Los motores diésel grandes suelen utilizar una turbina de entrada axial de una sola etapa en lugar de una turbina radial. ^{[ 33 ]}

Doble desplazamiento

Un turbocompresor de doble entrada utiliza dos entradas de gases de escape separadas para aprovechar los pulsos en el flujo de los gases de escape de cada cilindro. ^{[ 34 ]} En un turbocompresor estándar (de una sola entrada), los gases de escape de todos los cilindros se combinan y entran al turbocompresor a través de una sola entrada, lo que provoca 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, que luego viajan a través de dos cámaras espirales separadas ("espirales") antes de entrar en la carcasa de la turbina a través de dos boquillas separadas. El efecto de barrido de estos pulsos de gas recupera más energía de los gases de escape, minimiza las pérdidas de retorno parásitas y mejora la respuesta a bajas velocidades del motor. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

Otra característica común de los turbocompresores de doble entrada es que las dos boquillas son de tamaños diferentes: la boquilla más pequeña se instala con un ángulo más pronunciado y se utiliza para la respuesta a bajas revoluciones, mientras que la boquilla más grande tiene un ángulo menor y está optimizada para momentos en que se requieren altas potencias. ^{[ 37 ]}

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  Vista en sección transversal que muestra los dos rollos de un motor Mitsubishi de doble rollo (el rollo más grande está iluminado en rojo).
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  Colector de escape transparente y difusores del turbocompresor en un motor Hyundai Gamma , mostrando los cilindros emparejados (1 y 4, y 2 y 3).

Geometría variable

Los turbocompresores de geometría variable (también conocidos como turbocompresores de boquilla variable ) se utilizan para modificar la relación de aspecto efectiva del turbocompresor según cambian las condiciones de funcionamiento. Esto se logra mediante 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 rotativo para abrir y cerrar los álabes, ^{[ 38 ]} mientras que otros utilizan un actuador neumático .

Si la relación de aspecto de la turbina es demasiado grande, el turbo no generará presión 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 por bombeo y, en última instancia, una menor potencia de salida. Al modificar 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 valor óptimo. Debido a esto, los turbocompresores de geometría variable suelen tener un retardo reducido, un umbral de presión más bajo y una mayor eficiencia a velocidades más altas del motor. ^{[ 30 ] [ 31 ]} La ventaja 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 obtiene a altas velocidades del motor.

Turbocompresores con asistencia eléctrica

Un turbocompresor asistido eléctricamente combina una turbina tradicional accionada por los gases de escape con un motor eléctrico para reducir el retardo del turbo. Los avances en la tecnología de turbocompresores eléctricos a principios de la década de 2020, como la integración híbrida suave, ^{[ 39 ]} han permitido que los turbocompresores comiencen a girar antes de que los gases de escape proporcionen la presión adecuada. ^{[ 40 ]} Esto puede reducir aún más el retardo del turbo ^{[ 41 ]} y mejorar la eficiencia del motor, especialmente durante la conducción a baja velocidad y las frecuentes paradas y arranques que se observan en las zonas urbanas. Esto difiere de un sobrealimentador eléctrico , que utiliza únicamente un motor eléctrico para accionar el compresor.

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 mediante el diagrama del compresor . ^{[ 1 ]}

Cubierta perforada

Algunos turbocompresores utilizan una "cubierta perforada", en la que un anillo de orificios o ranuras circulares permite que el aire circule alrededor de las palas del compresor. Los diseños de cubierta perforada pueden ofrecer mayor resistencia a las sobretensiones del compresor y mejorar la eficiencia de la rueda del compresor. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

El tipo más simple de turbocompresor es el turbocompresor flotante . ^{[ 45 ]} Este sistema podría alcanzar la máxima presión de sobrealimentación a las máximas revoluciones del motor y a plena aceleración; sin embargo, se necesitan componentes adicionales para producir un motor que pueda funcionar en un rango de condiciones de carga y revoluciones por minuto. ^{[ 45 ]}

Los componentes adicionales que se utilizan habitualmente junto con los turbocompresores son:

• Intercooler : un radiador utilizado para enfriar el aire de admisión después de que ha sido presurizado por el turbocompresor ^{[ 46 ].}
• Inyección de agua : rociar agua en la cámara de combustión para enfriar el aire de admisión ^{[ 47 ].}
• Válvula de descarga : muchos turbocompresores son capaces de producir presiones de sobrealimentación en ciertas circunstancias que superan la capacidad de resistencia segura del motor; por lo tanto, a menudo se utiliza una válvula de descarga para limitar la cantidad de gases de escape que ingresan a la turbina.
• Válvula de descarga : para evitar que el compresor se cale cuando se cierra el acelerador.

El retardo del turbo se refiere al retraso que ocurre entre presionar el acelerador y que el turbocompresor alcance su velocidad de funcionamiento para proporcionar presión de sobrealimentación, suponiendo que las rpm del motor estén dentro del rango de funcionamiento del turbocompresor. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} Este retraso se debe a que el aumento del flujo de gases de escape (después de que se abre repentinamente el acelerador) tarda en hacer girar la turbina a velocidades donde se produce la sobrealimentación. ^{[ 51 ]} El efecto del retardo del turbo es una respuesta reducida del acelerador , en forma de un retraso en la entrega de potencia. ^{[ 52 ]} Los sobrealimentadores no sufren de retardo del turbo porque el mecanismo del compresor es accionado directamente por el motor. ^{[ 50 ]}

Los métodos para reducir el retardo del turbo incluyen:

• Reducir la inercia rotacional del turbocompresor mediante el uso de piezas de menor radio y materiales cerámicos y otros materiales más ligeros ^{[ 53 ] [ 54 ]}
• Modificación de la relación de aspecto de la turbina (relación A/R)
• Incrementar la presión de aire en la cubierta superior (descarga del compresor) y mejorar la respuesta de la válvula de descarga.
• Reducción de las pérdidas por fricción en los cojinetes, por ejemplo, utilizando un cojinete de lámina en lugar de un cojinete de aceite convencional.
• Utilizando turbocompresores de boquilla variable o de doble entrada .
• Disminuir el volumen de la tubería de la cubierta superior ^{[ 54 ]}
• Utilizar varios turbocompresores de forma secuencial o en paralelo.
• Utilizando un sistema antilag
• Utilizar una válvula de carrete del turbocompresor para aumentar la velocidad del flujo de gases de escape hacia la turbina (de doble entrada).
• Utilizar una válvula de mariposa para forzar el paso de los gases de escape a través de un conducto más pequeño en la entrada del turbocompresor.
• Turbocompresores eléctricos ^{[ 55 ]} y turbocompresores híbridos .

Un fenómeno similar que a menudo se confunde con el retardo del turbo es el umbral de sobrealimentación . ^{[ 56 ]} Este se produce cuando la velocidad del motor (rpm) está por debajo del rango de funcionamiento del sistema de turbocompresor, por lo que el motor no puede generar una sobrealimentación significativa. A bajas rpm, el caudal de gases de escape no es suficiente para hacer girar la turbina adecuadamente.

El umbral de sobrealimentación provoca retrasos en la entrega de potencia a bajas rpm (ya que el motor sin sobrealimentación debe acelerar el vehículo para aumentar las rpm por encima del umbral de sobrealimentación), mientras que el retardo del turbo provoca un retraso en la entrega de potencia a rpm más altas.

Algunos motores utilizan varios turbocompresores, generalmente para reducir el retardo del turbo, aumentar el rango de revoluciones por minuto en el que se produce la sobrealimentación o simplificar el diseño del sistema de admisión/escape. La configuración más común es la de dos turbocompresores; sin embargo, en ocasiones se han utilizado configuraciones de tres o cuatro turbocompresores en automóviles de producción, como el motor Bugatti W16 , utilizado en varios vehículos Bugatti . ^{[ 57 ]}

La principal diferencia entre un turbocompresor y un sobrealimentador es que este último es accionado mecánicamente por el motor (a menudo mediante una correa conectada al cigüeñal ), mientras que el turbocompresor se alimenta de la energía cinética de los gases de escape del motor . ^{[ 58 ]} Un turbocompresor no ejerce una carga mecánica directa sobre el motor, aunque sí genera contrapresión de los gases de escape, lo que aumenta las pérdidas por bombeo. ^{[ 58 ]}

Los motores sobrealimentados son comunes en aplicaciones donde la respuesta del acelerador es un factor clave, y es menos probable que los motores sobrealimentados sobrecalienten el aire de admisión.

Los turbocompresores se han utilizado en las siguientes aplicaciones:

• Motores de automóviles que funcionan con gasolina
• Motores diésel para automóviles y furgonetas
• Motores de motocicleta (muy raramente)
• Motores de camiones diésel , comenzando con un camión Saurer en 1938 ^{[ 60 ]}
• Motores diésel para autobuses y autocares
• motores de pistón de aeronaves
• Motores marinos
• Locomotoras y unidades múltiples diésel para trenes
• Motores estacionarios/industriales

En 2017, el 27% de los vehículos vendidos en EE. UU. eran turboalimentados. ^{[ 61 ]} En Europa, el 67% de todos los vehículos eran turboalimentados en 2014. ^{[ 62 ]} Históricamente, más del 90% de los turbocompresores eran diésel; sin embargo, su adopción en motores de gasolina está aumentando. ^{[ 63 ]} Las empresas que fabrican la mayor cantidad de turbocompresores en Europa y EE. UU. son Garrett Motion (anteriormente Honeywell), BorgWarner y Mitsubishi Turbocharger . ^{[ 2 ] [ 64 ] [ 65 ]}

Las fallas del turbocompresor y las consiguientes altas temperaturas de los gases de escape se encuentran entre las muchas causas de incendios de automóviles. ^{[ 66 ]}

La falla de los sellos provocará fugas de aceite en el sistema de escape, lo que a menudo produce humo azul grisáceo. ^{[ 67 ]} En los motores diésel, esto puede provocar una fuga de combustible .

• Indicador de presión
• Reducción del tamaño del motor
• Carga por presión de pulso de escape
• Motor turboalimentado Hot Vee