(fuente: www.ae86rd.com)

 

¿Qué es un turbo compresor ?
Un turbocompresor es una maquina pensada para aprovechar la energía de los gases de escape de un motor y usarla en la acción de comprimir el aire fresco del conducto de admisión de un motor de combustión , se compone de una turbina , accionada por los gases de escape y un compresor que comprime los gases del conducto de admisión , unidos ambos por un eje que los hace girar solidarios.

¿Cómo funciona?
Los gases de escape de salida del motor atraviesan una turbina , entrando por su zona radial y abandonándola por su zona axial.
Estos gases sufren una expansión en los alabes de la turbina , lo que acelera su velocidad y la pasan al rodete mediante el cambio de dirección que este les proporciona, de esta forma ceden la energía térmica que llevan y la transforma en energía cinética, haciendo girar al rodete de la turbina.
El rodete de la turbina ,se encuentra unido por un eje a otro rodete , el cual realiza la función de compresor , aspirando aire por la zona central se descarga por la zona radial y se mandan al colector.
La energía cinética que proporcionan los gases es la que se aprovecha para elevar la presión del aire que atraviesa el compresor.

¿Para que se utiliza?
Tiene la misión de mantener en el conducto de admisión, la presión de alimentación que se considere adecuada, para el funcionamiento del motor.
Aunque su nacimiento vino motivado por el descenso de presión en la alimentación de motores de aviación al elevar su altura de vuelo, actualmente se emplean mucho, para sobrealimentar motores de combustión interna, ya sea estáticos o de automoción.

¿Qué es sobrealimentar?

Un motor de combustión funciona mediante la admisión de gases o mezcla, posteriormente estos se comprimen y se queman , la energía que disipan el quemado de los mismos, se aprovecha en la obtención de trabajo en la etapa final del ciclo (Expansión ) . Si se alimenta al motor con una presión superior a la atmosférica , su rendimiento aumenta al disponer de mayor cantidad de mezcla en el mismo volumen de cilindrada, a este efecto se le llama sobrealimentar el motor .

¿Qué ventajas tiene sobrealimentar?

Aparte de mantener los valores de potencia iguales a cualquier altura de uso sobre el nivel del mar, se puede aumentar la potencia máxima obtenida de un motor (mayor par motor), sin tener que diseñar otro de mayor cilindrada , por lo que reduce los gastos de diseño. La mayores prestaciones con menores inercias alternativas agiliza la subida de régimen del motor. En motores diesel introduce ventajas en el ciclo haciéndolos mas suaves.

¿Qué formas hay de sobrealimentar ?

Todos los dispositivos que sirvan para aumentar la cantidad de gases que entran en la cámara de combustión se pueden considerar sobrealimentadores, los mas usuales son :

Compresores volumétricos, accionados por el motor muy empleados por Mercedes (kompresor), consisten en una reducción de la cámara de alimentación del equipo compresor , lo que genera una subida de la presión de los gases que la contiene , la continua aportación de diversas cámaras enlazadas permite una alimentación en continuo.
Ventajas de este sistema:
Respuesta inmediata a la demanda del acelerador.
Volumen sobrealimentado proporcional al régimen de giro( muy útil para evitar sobrepresiones).

Inconvenientes del sistema:
Consumo de energía para su accionamiento
Gran volumen del equipo.
Difícil localización, al accionarlo el eje del motor.
Perdida de rendimiento por el aumento de rozamientos a altas revoluciones.


Turbocompresores, comprime el aire de admisión aprovechando la energía de los gases de escape. 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).

Ventajas de este sistema:
No consume energía extra en su accionamiento.
Fácil localización , sin accionamiento directo del eje del motor.
Reducido volumen , en relación a su caudal proporcionado.
Gran capacidad de compresión a altos regímenes y altos caudales
Inconvenientes del sistema:
Mala capacidad de respuesta en bajas cargas por el poco volumen de gases.
Retraso en su actuación, por la inercia de la masa móvil y su aceleración mediante gases.
Alta temperatura de funcionamiento ya que se acciona con los gases de escape.
Mayores cuidados de uso y mantenimiento.


Comprex, nace para eliminar los defectos del turbo en su lentitud de respuesta y casi nulo incremento de par a muy bajo régimen. Usa la energía de los gases de escape para comprimir los de admisión , precisa de una conexión con el motor para mover un eje entre cámaras de gases frescos y escape , por lo que aunque no consume potencia del motor ( solo la de accionar el eje en su giro , sin desarrollar trabajo) , si condiciona su localización . Su régimen de funcionamiento se cifra entre 15000 y 20000 rpm , de régimen máximo, a partir del cual pierde rendimiento muy rápidamente.

Ventajas de este sistema:
No consume energía en su accionamiento.
Respuesta inmediata al acelerador.
Margen de revoluciones amplio donde incrementa notablemente el par desde bajas vueltas
Inconvenientes del sistema:
Gran tamaño del equipo.
Alto precio frente a un turbo de similares características.
Mala localización por la necesidad de accionamiento mediante el motor.
Mala aplicación a motores de gasolina por un limite de giro muy pequeño.
No posibilidad de alejar los gases de escape de la admisión, excesiva proximidad entre los mismos.

Se han usado sistemas híbridos, por ejemplo compresor volumétrico y turbo, en vehículos de competencia, con la idea de mantener aporte en bajas revoluciones , mediante el compresor, dejando el trabajo de alimentar al turbo cuando el régimen de revoluciones hiciera inútil la ganancia en el compresor volumétrico.
Superado determinado régimen de revoluciones, el compresor volumétrico consume en su función de comprimir , mas energía de la que reporta como ganancia ( por los rozamientos crecientes a altas vueltas ), razón por la que no compensa seguir subiendo el régimen de giro. El uso de un turbo que alimente el motor sin consumo de energía extra puede seguir elevando las prestaciones que se obtiene del mismo , de esta manera, se consigue aunar los beneficios de los dos sistemas .

Actualmente no se mantiene en esta formula de alimentar, ya que las válvulas de descarga, permiten controles my precisos de presiones y mantiene aporte de gas desde bajos regímenes.

La mayor complicación del sistema por alargar los conductos, así como el elevado peso de los conjuntos compresores , hace que no sea recomendable mantener sistema dobles de sobrealimentación.

CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DEL TURBO

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.


CONSTITUCION 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.

REGULACION DE LA PRESION DEL 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 alivio, válvula de descarga, o válvula waste gate). 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, alivio, o wastegate esta formada por una cápsula sensible a la presión compuesta por un muelle, una cámara de presión y un diafragma o membrana. El lado opuesto del diafragma esta permanentemente condicionado por la presión del colector de admisión al estar conectado al mismo por un tubo. 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) 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.

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 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.

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 agua/aire.
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.

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.

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 inmediatemante despues 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 neumatico, 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.

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
- 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.