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El turbo adaptado al motorEl turbo adaptado al motor
La adaptación de un turbo a un motor determinado, buscando una solu-ción, tiene dos caminos: el aumento de la potencia y la disminución delconsumo.
Nuvolari Enzo ©
El turbosobrealimentador es un dispositivo que en los motoresde ciclo Diesel -por ejemplo- envía al aire de admisión presuri-zado, a la cámara de combustión, a través de un compresormovido por una turbina accionada por los gases de escape.
Se trata de considerar la adaptación,de un turbo a un motor determina-do, que sería sobre todo buscar unasolución a un problema particular,con un objetivo muy preciso. El pro-blema de los constructores de moto-res, no es sin dudas el mismo que elde un usuario, es decir de aquel quelo usa, y que por lógica no puedepercibir ni evaluar todos los proble-mas a corto o mediano plazo, unavez montado el turbo.
Al respecto, existen dos caminosdiametralmente opuesto, que seríanlos siguientes;
1) La búsqueda del aumento de lapotencia.Fue la sobrealimentación concretadapor medio del compresor volumétri-co lo que inició este camino. En loscasos de los constructores o fabri-cantes de motores térmicos, endonde se cuenta con un motor ya
existente, en donde el montaje deun turbocompresor permite obteneruna potencia equivalente, a la de unmotor de cilindrada muy superior.Para lograr mayores potenciasespecíficas, se cuenta con losiguiente; el motor atmosférico ode aspiración natural, tomadocomo base, el compresor volumé-trico y el turbosobrealimentador.Hemos visto hasta hace pocosaños, motores no solo deportivos,
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Corte longitudinal de un turbosobrealimentador Garrett, conjuntodel cárter central y las partes rotativas (rotores / eje): 1. Bulón. 2.Placa freno del bulón (retención). 3. Tope. 4. Conjunto placa trasera. 5.Tuerca autofrenante. 6. Rotor del compresor. 7. Aro de estanqueidaddel compresor. 8. Buje de tope. 9. Anillo de estanqueidad. 10. Conjuntode cárter central. 11. Circlip. 12. Cojinete de apoyo. 13. Cubierta deprotección térmica. 14. Aro de estanqueidad de la turbina. 15.Conjunto eje/rotores.
En los motores Diesel, para combustionar una mayor cantidad degasoil, es necesario el aporte de una mayor cantidad de aire. 1- Aire apresión. 2- Gases de escape. 3- Entrada de aire. 4- Salida de escape.
si no también de fabricación engran serie utilizando las dos tecno-logías (compresor volumétrico yturbo), incluso usando el enfria-miento del aire presurizado, pormedio del intercambiador de caloro intercooler. En un futuro próximoa corto plazo, tendremos un mayordesarrollo de los componenteselectrónicos de gestión del motor,y del turbo (sensores y actuado-res), que brindarán un mayor ren-dimiento mecánico, termodinámi-co y volumétrico al conjunto.2) La búsqueda de la disminucióndel consumo.Respecto al nivel de consumo decombustible, se obtuvieron en estosúltimos años algunas ventajas consi-derables, con la espectativa de unaevolución al respecto, y de encon-trar además nuevas soluciones.Los motores de ciclo Diesel, queposeen relaciones de riqueza de0,70 a 0,80, tendrán un consumomenor que los motores nafterosconvencionales que funcionan conrelaciones de riqueza comprendidasentre 1,10 y 1,20. Respecto a losconstructores, es de importanciaconsiderar que el montaje de unturbocompresor, en un motor yaexistente, permite alcanzar rendi-
mientos bastante parecidos, a los deun motor atmosférico de mayorcilindrada. Las ventajas apreciablesson, la no realización de costososestudios y la velocidad operativa delmontaje en la producción en serie.En cuanto a la elección del turbo, sedebe considerar que en función dela cilindrada del motor a sobreali-mentar, se deberá elegir dentro dela gama de turbocompresores pro-puestos por los fabricantes, y dondelas características son los más aptas.Esta adaptación, que existe entre elcompresor y la turbina, se remontaal nivel del conjunto “motor-turbo-compresor”. El objetivo buscado es sobre todo,que los caudales del escape respon-dan a un buen rendimiento de la tur-bina, de manera tal que le permita alcompresor, funcionar en una zonatambién de buen rendimiento. Laprioridad deberá darse en el campode presión del compresor, de modotal que permita a la turbina funcionarcon su sistema de derivación.
Los com ponentes necesarios.
En las terminales automotrices,como en las fábricas de equipa-mientos, existen conjuntos comple-tos que se adaptan a los motores
comercializados, y sin los cuales elturbo no podría funcionar correcta-mente.Estos conjuntos podrían ser entreotros, los siguientes;Múltiples o colector de escape, ybrida de unión con el compresor,(con sus variantes en función deluso de carburación o inyección denafta, directa o indirecta). Válvulade derivación con tubería de uniónal sistema de escape. Válvula deseguridad en el circuito de admi-sión. Pistones del motor con nuevodiseño (reducción de la relación decompresión en los motores denafta/gasolina).
Lubricación específica del turbo.
Entre otros componenetes técni-cos, están los siguientes;
Intercambiador de calor o “inter-cooler”. Mejora de la lubricacióny del enfriamiento del motor (cir-cuito de aceite y de agua).Medición y control o monitoreode los parámetros del motor, endiferentes etapas (Presión y tem-peratura de los gases de admi-sión, detección y control de ladetonación, etc.), con la posibili-dad de seguimiento con dispositi-vos electrónicos (sensores, actua-dores, y calculador de a bordo).Puede apreciarse que el turboso-brealimentador, siempre tiene unanueva etapa de aplicación en losmotores térmicos, como conjuntomotor-turboestudiado como tal.Esto involucra logicamente a losmotores deportivos y de competi-ción n
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Volvo Trucks -líder en transportepesado de máximo rendimiento-,innova permanentemente en seguri-dad, eficiencia operacional y confortde manejo. La marca aprovechó lallegada a la Argentina del camiónmás rápido del mundo para presen-tar novedades en la línea F, enfoca-das en seguir mejorando el costooperativo de sus camiones. El flamante Volvo Iron Knight, con-sagrado por batir dos records envelocidad, es un desarrollo de lamarca para demostrar cómo la tec-nología y know how de los equipostécnicos y de diseño de VolvoTrucks, están orientados en desarro-llar vehículos de alto rendimientocapaces de lograr la más alta perfor-mance. En el marco de la presenta-ción en el país de este prototipo, lamarca sueca aprovechó para lanzarlas novedades en el tren motriz de lalínea F. Desarrolladas por el mismoequipo técnico, estas innovacionestambién ponen el foco en lograrresultados de alto rendimiento. Volvo introduce al mercado regionalinnovaciones en el tren motriz en lalínea F, en los motores de 13 litros,que permiten mejorar el consumo ycorregir posibles desvíos:
Evolución de motorNuevo diseño de turbo más eficien-te. Nuevas camisas y aros de motorcon materiales que reducen la fric-ción interna. Nueva unidad demotor con una mayor capacidad dememoria y mayor velocidad de pro-cesamiento. Todas estas evoluciones,junto con un software de motorcompletamente nuevo, permite opti-mizar el consumo de combustible.
Nuevo sistema de AceleraciónInteligenteEste nuevo desarrollo es capaz deadministrar con mayor precisión la
cantidad de combustible inyectadoy el torque, según la exigencia de lasdistintas topografías y tipos decarga. El nuevo software de motor trabajade forma inteligente dosificando laaceleración de forma más suave deacuerdo con la topografía de la ruta,la carga transportada y la variaciónde la velocidad. El nuevo sistemahace más autónomas las decisionesde la electrónica y permite corregirdesvíos en la conducción evitandoconsumos no deseados. La operación influye directamente enla mejora de consumo. A cargas máselevadas, mayor variación de pen-dientes y variaciones frecuentes develocidad, posibilita mejores resulta-dos de ahorro de combustible.
Nuevos programas de motor ycajaNueva calibración de programas demotor y caja que, junto con las nue-vas relaciones de diferenciales y loscambios de motor, trabajan demanera más eficiente a menoresrevoluciones y por consecuencia conmenor consumo. Esto se complementa con un nuevoprograma de pedal que facilita unaaceleración más gradual contribu-yendo a una conducción más con-trolada.
Nuevas relaciones de diferencialRelaciones más largas pensadas paraadaptarse a distintos tipos de cargasy topografías que permiten trabajara menores revoluciones, sin perder
rendimiento y reduciendo el consu-mo de combustible. Electrónica más rápida, nuevos pro-gramas de motor y caja, un sistemade aceleración inteligente y unmotor con menor rozamiento inter-no resumen los cambios en la tecno-logía apuntados a lograr un rendi-miento superador.
Pruebas empíricas de eficiencia Volvo tiene los camiones más efi-cientes del mercado en términos deconsumo, con eficiencia comproba-da localmente. Para poder asegurarel rendimiento de sus camiones entopografía local y acorde a las legis-laciones vigentes, previo a la intro-ducción al mercado, Volvo realiza ycomparte los resultados de pruebasde consumo a través de test drivelocales y muestra valores esperablesa sus clientes. Para comprobar la eficiencia de lasinnovaciones mencionadas en eltren motriz, la marca sueca realizóun nuevo test drive. Se recorrieronmás de 3000 kilómetros en topogra-fía plana y montañosa con un VolvoFH 460 6x2 Tractor con 52,5 tonela-das de peso bruto total combinado.
Acceder al video: https://www.you-tube.com/watch?v=uaXQWBYis4U&feature=youtu.be
Con un factor de carga del 100%, sealcanzó un consumo de 35 litros cada100 kilómetros. Con camión vacío elconsumo alcanzado fue de 20 litroscada 100 kilómetros. Con estos valo-
res se puede proyectar un consumo,con factor de carga del 50% de 27,5litros/100km y de 30,5 litros/100kmcon un factor de carga del 70%. Comparado con pruebas anteriores,realizadas en el mismo recorrido ycon el mismo factor de carga, con lanueva Tecnología de ConsumoInteligente se logró una reducciónde consumo de combustible del 6%con carga máxima y un ahorro dehasta 13% en recorridos sin carga. Enfocado en maximizar la rentabili-dad del negocio de sus clientes,Volvo sigue desarrollando evolucio-nes en pos de reducir el costo deoperación mediante la incorpora-ción de tecnologías cada vez máseficientes. Volvo Trucks ofrece soluciones inte-grales de transporte para profesio-nales y clientes exigentes, con unaamplia gama de camiones pesados ysemipesados para diferentes aplica-ciones. La atención al cliente estágarantizada por una red global de2.100 concesionarios y talleres enmás de 130 países. Los camionesVolvo se ensamblan en 16 países dedistintas partes del planeta. VolvoTrucks es parte de Volvo Group, unode los fabricantes más grandes delmundo de camiones, buses, equipospara la construcción y sistemas detracción para aplicaciones marinas eindustriales. El Grupo también ofre-ce soluciones de financiamiento yservicios. El trabajo de Volvo Trucksse basa en los valores fundamentalesde calidad, seguridad y respeto porel medio ambiente.
Volvo Trucks presenta una nuevaTecnología de Consumo Inteligente Desarrolladas específicamente para reducir el consumo de combustible,las innovaciones de Volvo en el tren motriz de la línea F demuestran un granpotencial de ahorro en diferentes topografías y con diferentes tipos de carga.
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En el motor D 28 en V se utiliza el concepto de doble turbo-intercooler para incrementar la potencia, y cumplir con el reglamento anticontami-nación.
Turbo compresor básicoTurbo compresor básicoNuvolari Enzo ©
Sin duda el estudio del turbocom-presor, es la conclusión de experien-cias termodinámicos, y es la recupe-ración de la energía contenida enlos gases de escape. El turbo es laasociación de una turbina y uncompresor, y cada uno de sus com-ponentes, es decir a pesar de los
problemas de cada uno de ellos;caudales, regímenes de rotación,resistencia de los apoyos al calenta-miento, equilibrado dinámico de lasmasas rotativas, depende del acoplede cada componente; turbina-com-presor.Considerando las variantes de fun-
cionamiento (en régimen estable, oa continuación de una solicitación),el turbo es un mecanismo complejoy debe en realidad complementarseperfectamente con el motor quedeberá sobrealimentar, es decir laadecuación entre las característicasdel turbo y las del motor.
Como segunda consideración, esimportante tener en cuenta, lasinteracciones del turbo sobre elmotor, y los nuevos inconvenientesque surgen (limitación de la rela-ción volumétrica, detonación,
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Turbosobrealimentador para vehículos comerciales con turbina dedoble flujo: 1- Carcasa del compresor. 2- Compresor volumétrico. 3 -Aire de admisión. 4 - Aire a presión. 5 - Entrada aceite del circuito delubricación. 6 - Cárter de la turbina. 7 - Turbina de los gases de escape.8 - Salida de los gases de escape. 9 - Cárter central. 10 - Gases de esca-pe entrada. 11 - Eje común. 12 - Retorno del aceite lubricante.
Turbocompresor en corte longitudinal: 1- Admisión. 2- Escape. 3-Rotor del compresor. 4- Rotor de la turbina. 5- Ingreso de los gases deescape desde el motor. 6- Entrada de aceite al cárter del turbo. 7-Salida del aceite lubricante.
enfriamiento de los gases de admi-sión, puesta a punto, resistencia delos materiales).
Se lo puede definir al turbosobreali-mentador, como una turbomáqui-na, como un dispositivo que asegu-ra un intercambio de energía mecá-nica, entre un fluído en movimientode circulación permanente, y unrotor en rotación permanente.Sabemos que existen dos tipos deturbomáquinas, que son; las turbo-máquinas generadoras de energía.Se caracterizan debido a que el fluí-do recibe energía, como es el caso
del aire del “compresor”.
Los turbomáquinas que recibenenergía. Se caracterizan debido aque el fluído cede su energía, comoes el caso de la “turbina”.El principio de funcionamiento delcompresor centrífugo, está basadoen la acción de un rotor provisto deálabes sobre los filetes fluídos. Elmoviemiento rotativo de los filetesfluídos, que resulta creado por cadapartícula elemental, genera unafuerza dirigida hacia la periferia delos álabes.Para dirigir estos fluídos a la perfec-
ción, (el rotor gira dentro del cár-ter), y reducir su velocidad, sepuede obtener a la salida del com-presor, una presión superior a la dela entrada.El compresor centrifugo está consti-tuido por lo siguiente:• El rotor: es el mecanismo quepracticamente es el corazón delcompresor, provisto de álabes.• El estator: denominado tambiéncarcasa, el mismo cubre en formatotal al rotor, siendo el que guía alos filetes fluidos y los canaliza haciael difusor.• La revuelta de entrada: que recibe
los gases de entrada del compresor,y los distribuye en toda la periferia.• El difusor: puede ser liso, o estarprovisto de álabes fijos, y es el quetransforma la energía cinética ypotencial de los filetes fluídos, enenergía recuperable bajo el aumen-to de presión.En cuanto a la influencia de la geo-metría interna del compresor, elrotor puede tener tres diseños dife-rentes:Los rotores de álabes derechos, losde álabes inclinados hacia adelan-
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Sistema de turbosobrealimentación con “intercooler”: 1- Entrada deaire desde el exterior. 2- Filtro de aire. 3- Turbocompresor. 4-Conexión con el intercooler (aire caliente a presión). 5- Intercooler ointercambiador de calor. 6- Conducto del aire enfriado hacia elmotor. 7- Múltiple de admisión. 8- Ingreso del aire a presión a travésde las válvulas de admisión. 9- Válvulas de escape, y salida de los gaseshacia el múltiple. 10- Salida de los gases al exterior.
Detalle del “rotor caliente” de la turbina accionada por los gases deescape, y del “rotor frío” del compresor, que presuriza al aire dentrode los cilindros del motor, ambos rotores unidos por un eje único.
Motor de 5,5 litros de 12 cilindros en V. doble turbo intercooler.
tes, y los de álabes inclinados haciaatrás. Estos últimos, posibilitan elaumento de la superficie de deequilibrio por cada álabe, favore-ciendo la circulación del aire.Comparando los rotores con álabesinclinados hacia atrás, con otros ála-bes, varia el rendimiento en funciónde las relaciones de compresión, decaudal, y de relaciones de presión.Respecto al enfriamiento del aire, ala salida del compresor, ya que exis-te un aumento de presión y tempe-ratura del aire de admisión, sabe-mos que la presión es beneficiosapero la temperatura no lo es. La ele-vación de la temperatura, traecomo consecuencia una disminu-ción de la masa volumétrica del aireque ingresa al motor en cada ciclo.Esta disminución conduce a unacaída de potencia, que será cadavez mayor cuanto mayor sea la tem-peratura. Los “intercambiadores decalor” o “intercoolers”, permitirán a
los gases ceder parte de su calor, aun fluído en circulación.
Nos hemos ocupado oportunamen-te de los orígenes del turbo, decomo funciona, de su tecnología yde su diseño. También pudimosdedicarnos a sus componentes (elcompressor, la turbina, el cartercentral, la válvula de descarga degases, y el mecanismo de geometríavariable TGV. o VNT.).
Entre los puntos a tratar a continua-ción, estarian los siguientes; Elenfriamiento a la salida del compre-sor, los intercambiadores de calor o“Intercoolers”, la adaptación,motor-turbo o “turbomatching”,las ventajas, el mantenimiento, y eldiagnóstico de fallas.Respecto al “enfriamiento” a la sali-da del compressor, el mismo se rea-liza debido a que la acción delturbo, produce un aumento de pre-
sión y de temperatura del aire queingresa a los cilindros. Si el primerefecto es beneficioso, el segundo nolo es.La elevación de la temperatura delaire, trae como consecuencia unadisminución de la masa volumétrica
de los gases – aire o mezcla- queingresan al motor en cada ciclo. Através de una conocida ley de la ter-modinamica sabemos que, unamisma masa de gas ocupa volúme-nes diferentes a temperaturas dife-rentes. La disminución de dicha
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El uso de un turbo en un motor, si sus componentes mecánicos losoportan, se traduce en un mayor llenado de los cilindros, cosa quelogra forzadamente.
El uso de un turbo en un motor, si sus componentes mecánicos losoportan, se traduce en un mayor llenado de los cilindros, cosa quelogra forzadamente.
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masa volumétrica en cada ciclo,produce una caida de potencia, queserá mayor, cuanto mayor sea elaumento de la temperatura.
Debido a ello, el enfriamiento de losgases antes de que entren al motor“intercambiadores de calor” o
“intercoolers”, permitirian a losgases ceder una parte de su calor, aun fluido en circulación.
Al respecto, existen dos tipos princi-pales de intercambiadores.• Los intercambiadores aire-aireEn este caso, el fluido refrigerante
está constituido por el aire ambien-te captado en una zona fria.•Los intercambiadores aire-líquidoEl fluido refrigerante está constitui-do por un líquido que circula por un
circuito enfriado a través de unradiador generalmente se utiliza elagua, con un aditivo adecuado.
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Esquema motor Diesel turbo intercooler y sus temperaturas. 1-Temperatura de aire 25ºC. 2- Temperatura de aire 120ºC. 3-Temperatura de aire 60º C.
Existen dos tipos de intercoolers; los de aire-aire, y los de aire-líquido,este ultimo constituye una solución más eficáz.
El Volvo D13 para Euro 6 se basa en el motor ensayado y comprobadoEuro 5 de Volvo. es un nuevo motor de seis cilindros en línea coninyectores unitarios y tratamiento catalítico de los gases de escape(SCR). Para cumplir los nuevos requisitos sobre emisiones, tambiénse utiliza la recirculación de los gases de escape (EGR), así como unfiltro de partículas Diesel (DPF).
La importancia de la inercia del conjunto rotores-eje, de alli el uso demateriales especiales de avanzada, que son más livianos y resistenmás cargas dinámicas y térmicas.
Pueden existir sistemas denomina-dos mixtos, con las dos técnicas.Cabe señalar que el montaje de unintercambiador de calor o “interco-oler” complica en parte el sistemade sobrealimentación.La solución aire-líquido, es en reali-dad una respuesta más eficáz que elintercambiador aire-aire, pero nece-sita un verdadero circuito de enfria-miento, incluyendo una bombacentrífuga. En el caso del turbo, elcompressor trabaja en proximidadde la turbina, y de los conductos dellegada de los gases de escape, queaportan calor al ya generado por elaumento de la presión, de allíentonces la necesidad de enfriar elaire que ingresa al motor turboso-brealimentado.Un incoveniente a resolver, es el“tiemo de respuesta” del turbocom-presor debido a la inercia del rotor,a menos que se la mantenga a regí-
menes sostenidos por medio deentradas de aire sucesivos, y en con-diciones de ser aspirados por laadmission en el momento adecua-do, o haciendo trabajar a dos turbosen forma alternativa. Cabe señalarque los rotores actúan como volan-tes de inercia.Siguiendo con los tiempos de res-puesta, está el conocido “turbo lag”,que es el tiempo que transcurreentre el accionamiento del pedalacelerar, y la disponibilidad depotencia transmitida a las ruedas delvehiculo que usa turbocompresor.Cuando más se nota, es en la reto-ma a bajos regímenes del motor, ycuanto mayor es la inercia del turboy las secciones de pasaje de los gasesde escape. Para disminuir o solucio-nar el “turbo lag” (que en ingles sig-nifica retardo o retraso), se usancompresores pequeños o turbos degeometria variable (TGV o VNT).
