Funcionamiento del turbocargador


Esta sección estará dedicada al elemento que se encarga de suministrar el aire presurizado a las cámaras de combustión del motor, este elemento es: El Turbocargador

 

El turbocargador y/o turbocompresor
Este elemento tiene la peculiaridad de aprovechar la fuerza con la que salen los gases de escape para impulsar una turbina colocada en la salida del múltiple de escape, dicha turbina se une mediante un eje a un compresor.

El compresor esta colocado en la entrada del múltiple 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 la lubricación de los cojinetes donde se apoya el eje común de la turbina y el compresor.

También se debe 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 Turbo

 

  • Funcionamiento a velocidad baja y carga parcial inferior: En estas condiciones las aspas de la turbina de escape son impulsadas por medio de la baja energía de los gases de escape y el aire fresco aspirado por los cilindros no será comprimido por la turbina del compresor, será una simple aspiración del motor.
  • Funcionamiento a carga parcial media: Cuando la presión en el múltiple de admisión se acerque a la atmosférica, se impulsa las aspas de la turbina a un régimen de revoluciones mas elevado y el aire fresco aspirado por las aspas del compresor es comprimido 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 múltiple de admisión que debe ser limitada por un sistema de control (válvula de descarga). En esta fase el aire fresco aspirado por las aspas 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 turbo:

Los elementos principales que forman un turbo son el eje o flecha común (4) que tiene en sus extremos las aspas del compresor (1) y las aspas de la turbina (6), este conjunto gira sobre los cojinetes de apoyo, los cuales trabajan en condiciones extremas y dependen en gran medida de la lubricación
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 (imagen siguiente)

 

Regulación de la presión turbo
Para evitar el aumento excesivo de giro 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). Esta válvula está situada en derivación, y manda parte de los gases de escape directamente a la salida sin pasar por la turbina.

Válvula de descarga:

Está 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 múltiple de admisión, al estar conectado al mismo por un tubo (1). Cuando la presión del múltiple de admisión supera el valor máximo de seguridad, ésta empuja a la membrana y comprime el muelle de la válvula, separándola de su asiento. Los gases de escape dejan de pasar entonces por la turbina (pasan por el bypass 9) hasta que la presión de alimentación desciende y la válvula se cierra (imagen siguiente)

La presión máxima a la que puede trabajar el turbo la determina el fabricante y para ello ajusta el muelle (mediante tornillo) de la válvula de descarga. En el caso en que la válvula de descarga fallase, se origina un exceso de presión sobre la turbina que la hace alcanzar cada vez mas revoluciones, lo que puede provocar que la lubricación sea insuficiente y se rompa la película de aceite entre el eje común y los cojinetes donde se apoya. Aumentando la temperatura de todo el conjunto y provocando que se fundan los componentes.

Temperatura de funcionamiento:
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°C), mientras que los que esta en contacto con el aire de aspiración solo alcanzan 80ºC.
Estas diferencias de temperatura concentrada en una misma pieza (eje común o flecha) determinan valores de dilatación diferentes.
El turbo se refrigera por el aceite de lubricación del eje común o flecha; por el aire de la aspiración, cediendo una determinada parte de su calor al aire que fuerza a pasar por las aspas del compresor.

La compresión del aire de admisión por parte del compresor del turbo, hace que el aire que va dirigido a las cámaras de combustión se caliente. 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.

 

Intercooler o post-enfriador:
Para evitar el problema del aire calentado al pasar por las aspas del compresor del turbo, se han tenido que incorporar sistemas de enfriamiento del aire a partir de intercambiadores de calor. Estos intercambiadores de calor son radiadores que son enfriado ya sea por el líquido refrigerante del motor o por aire del ventilador de enfriamiento.
Con el intercambiador de calor (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%).