Motor turbocompuesto

Un motor turbocompuesto es un motor alternativo que utiliza una turbina para recuperar energía de los gases de escape y devolverla como potencia mecánica al motor. En lugar de usar esa energía para accionar un turbocompresor , como en muchos motores de aeronaves de alta potencia , la energía recuperada se transmite mecánicamente al cigüeñal para aumentar la potencia total que entrega el motor. Algunos ejemplos importantes en aeronaves son el Wright R-3350 Duplex-Cyclone y el Napier Nomad .

Como este proceso de recuperación no aumenta el consumo de combustible , tiene el efecto de reducir el consumo específico de combustible , la relación entre el uso de combustible y la potencia. ^{[ 1 ]} La turbocompresión se utilizó en aviones comerciales y en funciones similares de largo alcance y gran autonomía antes de la introducción de los motores turborreactores . Ejemplos que utilizan el Duplex-Cyclone incluyen el Douglas DC-7 , el Lockheed L-1049 Super Constellation y el Lockheed L-1649 Starliner , mientras que otros diseños no llegaron a utilizarse en producción para vuelos comerciales.

La mayoría de los motores de pistón producen gases de escape calientes que aún contienen una considerable cantidad de energía no aprovechada, la cual puede recuperarse para realizar trabajo útil. En un motor turbocompuesto, una turbina extrae parte de esta energía de los gases de escape y la reintroduce mecánicamente en el motor, aumentando la potencia y, en algunas aplicaciones, reduciendo el consumo específico de combustible . En lugar de utilizar la energía recuperada únicamente para accionar un turbocompresor , la turbocompresión la utiliza para complementar la potencia del motor.

En una configuración aeronáutica importante, la turbocompresión se lograba mediante el uso de turbinas de descarga para recuperar energía de los pulsos de gases de escape y devolverla al cigüeñal . Este sistema se utilizó en el Wright R-3350 Duplex-Cyclone , cuyas tres turbinas, cada una impulsada por los gases de escape de seis cilindros, devolvían la energía recuperada al cigüeñal a través de ejes, engranajes cónicos y acoplamientos hidráulicos. ^{[ 2 ]}

Otros motores turbocompuestos utilizaban una turbina de escape independiente para recuperar energía del flujo de escape del motor y devolver mecánicamente el exceso de potencia al cigüeñal . Esta configuración se empleó en el Napier Nomad , en el que los gases de escape impulsaban una turbina axial de tres etapas montada en la parte trasera, conectada al compresor y, mediante un acoplamiento hidráulico de velocidad variable, al cigüeñal; a baja potencia, el cigüeñal podía accionar el compresor, mientras que a mayor potencia, el exceso de potencia de la turbina se realimentaba al cigüeñal. ^{[ 3 ]}

Los primeros trabajos sobre turbinas de recuperación de energía de escape comenzaron en la década de 1940. ^{[ 4 ]} Para la década de 1950, las turbinas de descarga se habían convertido en una característica distintiva de la última generación de aviones de pasajeros estadounidenses de pistón de largo alcance, particularmente aquellos propulsados ​​por motores turbocompuestos Wright R-3350. ^{[ 5 ]}

El motor Rolls-Royce Crecy fue uno de los primeros motores de aeronaves investigados con una turbina de recuperación de potencia de escape. Una turbina acoplada a la parte trasera del cigüeñal tomaba los gases de escape de los cuatro colectores, proporcionando suficiente potencia para compensar el consumo del compresor y asistir al cigüeñal. Esta configuración pronosticaba una ventaja en el ahorro de combustible de entre el 15 y el 35 por ciento con respecto al Merlin , dependiendo de la carga y la altitud. ^{[ 6 ]}

El turbocompuesto se utilizó en varios motores de avión después de la Segunda Guerra Mundial , incluyendo el Napier Nomad ^{[ 7 ] [ 8 ]} y el Wright R-3350 . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Fuentes de Wright afirmaron que el sistema de escape completo del Wright R-3350 Duplex-Cyclone turbocompuesto era equivalente a una instalación de chimenea de chorro bien diseñada en la forma en que influía en el funcionamiento del motor. Cerca del final de la carrera de escape, la presión de escape caía por debajo de la atmosférica, en lugar de crear una contrapresión dañina , lo que ayudaba al barrido, mientras que el sistema turbocompuesto recuperaba alrededor de 240 hp (180 kW) en ajustes de crucero y alrededor de 550 hp (410 kW) en potencia de despegue en comparación con un R-3350 similar sin turbocompuesto. Se construyeron versiones turbocompuestas del Napier Deltic , Rolls-Royce Crecy y Allison V-1710 , pero ninguna se desarrolló más allá de la etapa de prototipo. Asimismo, se propuso un motor turbocompuesto Rolls-Royce Griffon , aunque se quedó en un proyecto teórico que nunca llegó a construirse. Posteriormente, los motores aeronáuticos turbocompuestos fueron reemplazados por motores turbohélice y turborreactores .    

Algunos fabricantes modernos de motores diésel para camiones pesados ​​han incorporado la turbocompresión en sus diseños. Ejemplos de ello son el motor Volvo D13TC , el Detroit Diesel DD15 y el motor diésel turbocompuesto DTC1101 de 11 litros de Scania, utilizado en el R113.400 . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

A partir de la temporada 2014, la Fórmula 1 adoptó unidades de potencia híbridas V6 turboalimentadas de 1.6 litros. ^{[ 13 ]} Estas incorporaban una unidad generadora de motor-térmica (MGU-H), definida por la FIA como una máquina eléctrica conectada a la turbina de escape del sistema de carga de presión, y una unidad generadora de motor-cinética (MGU-K) conectada al tren motriz como parte del sistema de recuperación de energía. ^{[ 14 ]} La MGU-H recuperaba energía del turbocompresor accionado por los gases de escape como energía eléctrica, que podía almacenarse en el depósito de energía, utilizarse para alimentar la MGU-K o para controlar la velocidad del turbocompresor y reducir el retardo del turbo. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

• Detroit Diesel
  • DD15 ^{[ 17 ]}
• Napier
  • Napier Nomad : El Nomad I utilizaba sistemas de propulsión de pistón y turbina mecánicamente independientes que impulsaban hélices contrarrotatorias, mientras que el Nomad II acoplaba el sistema de turbina/compresor al cigüeñal/accionamiento de la hélice principal y era la verdadera versión turbocompuesta.
• Wright Aeronautical
  • Wright R-3350 : La versión turbocompuesta fue el único motor aeronáutico turbocompuesto que se produjo en masa y se utilizó ampliamente; también fue el único motor turbocompuesto producido en masa en el mundo que utilizó turbinas de recuperación de potencia de velocidad de impulso, que recuperaban la energía de los gases de escape sin crear contrapresión y producían aproximadamente un 20 % más de potencia total en el cigüeñal. ^{[ 18 ]}
• Dobrynin
  • Dobrynin VD-4K
• Zvezda
  • Zvezda M503 : Motor diésel naval de 42 cilindros de fabricación soviética utilizado en la lancha misilística de la clase Osa . ^{[ 19 ]}
  • M504 : Motor diésel naval de 56 cilindros de fabricación soviética. ^{[ 19 ]}
  • M507 : Motor diésel naval soviético de 112 cilindros formado por el acoplamiento de dos motores M504 a través de una caja de cambios común. ^{[ 19 ]}
• Ferrari
  • Ferrari 059/3 : unidad de potencia híbrida de Fórmula Uno V6 turboalimentada de 1,6 litros con recuperación de energía de escape MGU-H, utilizada en el Ferrari F14 T. ^{[ 20 ] [ 21 ]}
• Renault
  • Renault Energy F1-2014 : unidad de potencia híbrida de Fórmula Uno V6 turboalimentada de 1,6 litros con recuperación de energía de escape MGU-H. ^{[ 20 ] [ 22 ]}
• Mercedes-Benz
  • Mercedes-Benz PU106A Híbrido : Unidad de potencia híbrida de Fórmula Uno con motor V6 turboalimentado de 1,6 litros y recuperación de energía de escape MGU-H. ^{[ 20 ] [ 23 ]}
• Honda
  • Honda RA615H : unidad de potencia híbrida de Fórmula Uno V6 turboalimentada de 1,6 litros con recuperación de energía de escape MGU-H, utilizada en el McLaren Honda MP4-30. ^{[ 20 ] [ 24 ]}
• Volvo
  • D13TC

• Motorjet
• Turbovapor
• Cogeneración
• Turbocompresor
• Turbina de gas
• turbocompuesto eléctrico