Cómo funcionan los turbocompresores

Galería de imágenes: Turbocompresores El sistema de turbocompresor del Mitsubishi Lancer Evolution IX. Vea más imágenes del turbocompresor. YOSHIKAZU TSUNO / AFP / Getty Images

Cuando la gente habla de coches de carreras o deportivos de alto rendimiento, el tema de turbocompresores suele aparecer. Los turbocompresores también aparecen en grandes motores diesel. Un turbo puede aumentar significativamente la potencia de un motor sin aumentar significativamente su peso, que es el gran beneficio que hace que los turbos sean tan populares.!

En este artículo, aprenderemos cómo un turbocompresor aumenta la potencia de salida de un motor mientras sobrevive condiciones de funcionamiento extremas. También aprenderemos cómo las compuertas de descarga, los álabes de turbina de cerámica y los rodamientos de bolas ayudan a los turbocompresores a hacer su trabajo aún mejor. Los turbocompresores son un tipo de sistema de inducción forzada. Ellos comprimir el aire que fluye hacia el motor (consulte Cómo funcionan los motores de automóvil para obtener una descripción del flujo de aire en un motor normal). La ventaja de comprimir el aire es que permite que el motor introduzca más aire en un cilindro, y más aire significa que se puede agregar más combustible. Por lo tanto, obtienes más potencia de cada explosión en cada cilindro. Un motor turboalimentado produce más potencia en general que el mismo motor sin la carga. Esto puede mejorar significativamente la relación potencia / peso del motor (consulte Cómo funcionan los caballos de fuerza para obtener más detalles)..

-Para lograr este impulso, el turbocompresor utiliza el flujo de escape del motor para hacer girar un turbina, que a su vez hace girar un bomba de aire. La turbina del turbocompresor gira a velocidades de hasta 150.000 revoluciones por minuto (rpm), eso es aproximadamente 30 veces más rápido de lo que pueden ir la mayoría de los motores de los automóviles. Y como está conectado al escape, las temperaturas en la turbina también son muy altas..

Siga leyendo para averiguar cuánta potencia más puede esperar de su motor si agrega un turbocompresor.

Contenido

1. Turbocompresores y motores
2. Diseño de turbocompresor
3. Piezas del turbocompresor
4. Uso de dos turbocompresores y más piezas de turbo

Dónde se encuentra el turbocompresor en el automóvil.

Una de las formas más seguras de obtener más potencia de un motor es aumentar la cantidad de aire y combustible que puede quemar. Una forma de hacer esto es agregar cilindros o agrandar los cilindros actuales. A veces, estos cambios pueden no ser factibles: un turbo puede ser una forma más simple y compacta de agregar potencia, especialmente para un accesorio del mercado de accesorios..

Los turbocompresores permiten que un motor queme más combustible y aire empaquetando más en los cilindros existentes. El impulso típico proporcionado por un turbocompresor es de 6 a 8 libras por pulgada cuadrada (psi). Dado que la presión atmosférica normal es de 14,7 psi al nivel del mar, puede ver que está introduciendo aproximadamente un 50 por ciento más de aire en el motor. Por lo tanto, esperaría obtener un 50% más de potencia. No es perfectamente eficiente, por lo que puede obtener una Mejora del 30 al 40 por ciento en lugar.

Una de las causas del ineficacia proviene del hecho de que la energía para hacer girar la turbina no es gratuita. Tener una turbina en el flujo de escape aumenta la restricción en el escape. Esto significa que en la carrera de escape, el motor tiene que empujar contra una contrapresión más alta. Esto resta un poco de potencia a los cilindros que están disparando al mismo tiempo..-

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Cómo se conecta un turbocompresor en un automóvil Imagen cortesía de Garrett

El turbocompresor está atornillado al colector de escape del motor. El escape de los cilindros hace girar el turbina, que funciona como un motor de turbina de gas. La turbina está conectada por un eje al compresor, que se encuentra entre el filtro de aire y el colector de admisión. El compresor presuriza el aire que entra en los pistones.

Dentro de un turbocompresor Imagen cortesía de Garrett

El escape de los cilindros pasa por el cuchillas de turbina, haciendo que la turbina gire. Cuanto más escape atraviesa las cuchillas, más rápido giran.

En el otro extremo del eje al que está conectada la turbina, el compresor bombea aire a los cilindros. El compresor es un tipo de bomba centrífuga: aspira aire en el centro de sus palas y lo lanza hacia afuera mientras gira..

Para manejar velocidades de hasta 150.000 rpm, el eje de la turbina debe apoyarse con mucho cuidado. La mayoría de los cojinetes explotarían a velocidades como esta, por lo que la mayoría de los turbocompresores utilizan un cojinete de fluido. Este tipo de cojinete sostiene el eje sobre una fina capa de aceite que se bombea constantemente alrededor del eje. Esto tiene dos propósitos: enfría el eje y algunas de las otras partes del turbocompresor, y permite que el eje gire sin mucha fricción..

Hay muchas compensaciones involucradas en el diseño de un turbocompresor para un motor. En la siguiente sección, veremos algunos de estos compromisos y veremos cómo afectan el rendimiento..

Demasiado impulso?

Dado que el turbocompresor bombea aire a los cilindros bajo presión y luego el pistón lo comprime aún más (consulte Cómo funcionan los motores de automóvil para ver una demostración), existe un mayor peligro de golpe. Golpes sucede porque a medida que se comprime el aire, la temperatura del aire aumenta. La temperatura puede aumentar lo suficiente como para encender el combustible antes de que se encienda la bujía. Los automóviles con turbocompresores a menudo necesitan funcionar con combustible de mayor octanaje para evitar golpes. Si la presión de sobrealimentación es muy alta, es posible que deba reducirse la relación de compresión del motor para evitar golpes..

Los turbocompresores proporcionan impulso a los motores a altas velocidades. © Fotógrafo: Max Dimyadi | Agencia: Dreamstime.com

Uno de los principales problemas con los turbocompresores es que no proporcionan un impulso de potencia inmediato cuando pisa el acelerador. La turbina tarda un segundo en ponerse al día antes de que se produzca el impulso. Esto da como resultado una sensación de retraso cuando pisa el acelerador, y luego el automóvil se lanza hacia adelante cuando el turbo se pone en movimiento..

Una forma de disminuir el retraso del turbo es reducir el inercia de las partes giratorias, principalmente reduciendo su peso. Esto permite que la turbina y el compresor se aceleren rápidamente y comiencen a proporcionar impulso antes. Una forma segura de reducir la inercia de la turbina y el compresor es hacer que el turbocompresor sea más pequeño. Un turbocompresor pequeño proporcionará impulso más rápidamente y a velocidades más bajas del motor, pero es posible que no pueda proporcionar mucho impulso a velocidades más altas del motor cuando entra una gran cantidad de aire en el motor. También corre el peligro de girar demasiado rápido a velocidades más altas del motor, cuando muchos gases de escape pasan a través de la turbina..

La mayoría de los turbocompresores de automoción tienen Wastegate, lo que permite el uso de un turbocompresor más pequeño para reducir el retraso y evitar que gire demasiado rápido a altas velocidades del motor. La válvula de descarga es una válvula que permite que el escape pase por alto las palas de la turbina. La válvula de descarga detecta la presión de sobrealimentación. Si la presión aumenta demasiado, podría ser un indicador de que la turbina está girando demasiado rápido, por lo que la válvula de descarga evita parte del escape alrededor de las palas de la turbina, lo que permite que las palas disminuyan la velocidad..

Algunos turbocompresores utilizan rodamientos de bolas en lugar de cojinetes de fluido para soportar el eje de la turbina. Pero estos no son sus rodamientos de bolas normales, son rodamientos súper precisos hechos de materiales avanzados para manejar las velocidades y temperaturas del turbocompresor. Permiten que el eje de la turbina gire con menos fricción que los cojinetes de fluido utilizados en la mayoría de los turbocompresores. También permiten utilizar un eje un poco más pequeño y ligero. Esto ayuda al turbocompresor a acelerar más rápidamente, reduciendo aún más el retraso del turbo..

Palas de turbina de cerámica son más ligeras que las palas de acero utilizadas en la mayoría de los turbocompresores. Nuevamente, esto permite que la turbina gire a una velocidad más rápida, lo que reduce el retraso del turbo..

Un cupé rotativo Mazda RX-8 equipado con un sistema de turbocompresor del mercado de accesorios. TOSHIFUMI KITAMURA / AFP / Getty Images

Algunos motores usan dos turbocompresores de diferentes tamaños. El más pequeño acelera muy rápidamente, reduciendo el retraso, mientras que el más grande toma el control a velocidades más altas del motor para proporcionar más impulso..

Cuando se comprime el aire, se calienta; y cuando el aire se calienta, se expande. Entonces, parte del aumento de presión de un turbocompresor es el resultado de calentar el aire antes de que ingrese al motor. Para aumentar la potencia del motor, el objetivo es introducir más moléculas de aire en el cilindro, no necesariamente más presión de aire..

Un intercooler o enfriador de aire de carga es un componente adicional que se parece a un radiador, excepto que el aire pasa tanto por el interior como por el exterior del intercooler. El aire de admisión pasa a través de pasajes sellados dentro del enfriador, mientras que el aire más frío del exterior es soplado a través de las aletas por el ventilador de enfriamiento del motor..

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El intercooler aumenta aún más la potencia del motor al enfriar el aire presurizado que sale del compresor antes de que ingrese al motor. Esto significa que si el turbocompresor está operando a un impulso de 7 psi, el sistema intercooler colocará 7 psi de aire más frío, que es más denso y contiene más moléculas de aire que el aire más caliente..

Un turbocompresor también ayuda a altitudes altas, donde el aire es menos denso. Los motores normales experimentarán una potencia reducida a grandes altitudes porque por cada carrera del pistón, el motor obtendrá una masa de aire más pequeña. Un motor turbocargado también puede tener potencia reducida, pero la reducción será menos dramática porque el aire más delgado es más fácil de bombear para el turbocompresor..

Los automóviles más antiguos con carburadores aumentan automáticamente la tasa de combustible para igualar el aumento del flujo de aire que ingresa a los cilindros. Los coches modernos con inyección de combustible también harán esto hasta cierto punto. El sistema de inyección de combustible se basa en sensores de oxígeno en el escape para determinar si la relación aire-combustible es correcta, por lo que estos sistemas aumentarán automáticamente el flujo de combustible si se agrega un turbo..

Si se agrega un turbocompresor con demasiado impulso a un automóvil con inyección de combustible, es posible que el sistema no proporcione suficiente combustible, ya sea que el software programado en el controlador no lo permita o la bomba y los inyectores no sean capaces de suministrarlo. En este caso, será necesario realizar otras modificaciones para sacar el máximo provecho del turbocompresor..

Para obtener más información sobre turbocompresores y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.

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