¡FELICES FIESTAS PARA TODOS!

Turbo de Geometría Variable

 

Los turbos convencionales tienen el inconveniente que a bajas revoluciones del motor el rodete de la turbina apenas es impulsada por los gases de escape, por lo que el motor se comporta como si fuera atmosférico. Una solución para esto es utilizar un turbo pequeño de bajo soplado que empiece a comprimir el aire aspirado por el motor desde muy bajas revoluciones, pero esto tiene un inconveniente, y es que a altas revoluciones del motor el turbo de bajo soplado no tiene capacidad suficiente para comprimir todo el aire que necesita el motor, por lo tanto, la potencia que ganamos a bajas revoluciones la perdemos a altas revoluciones. Para corregir este inconveniente se ha buscado la solución de dotar a una misma maquina soplante la capacidad de comprimir el aire con eficacia tanto a bajas revoluciones como a altas, para ello se han desarrollado los turbocompresores de geometría variable. 





Funcionamiento 

El turbo VTG (Geometría Variable) se diferencia del turbo convencional en la utilización de un plato o corona en el que van montados unos alabes móviles que pueden ser orientados (todos a la vez) un ángulo determinado mediante un mecanismo de varilla y palancas empujados por una cápsula neumática parecida a la que usa la válvula wastegate: 


Para conseguir la máxima compresión del aire a bajas r.p.m. deben cerrarse los alabes ya que disminuyendo la sección entre ellos, aumenta la velocidad de los gases de escape que inciden con mayor fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina (menor Sección = mayor velocidad). Cuando el motor aumenta de r.p.m y aumenta la presión de soplado en el colector de admisión, la cápsula neumática lo detecta a través de un tubo conectado directamente al colector de admisión y lo transforma en un movimiento que empuja el sistema de mando de los alabes para que estos se muevan a una posición de apertura que hace disminuir la velocidad de los gases de escape que inciden sobre la turbina (mayor sección=menor velocidad). 
Los alabes van insertados sobre una corona (según se ve en el dibujo), pudiendo regularse el vástago roscado de unión a la cápsula neumática para que los alabes abran antes ó después. Si los alabes están en apertura máxima, indica que hay una avería ya que la máxima inclinación la adoptan para la función de emergencia 





Las posiciones fundamentales que pueden adoptar los alabes se describen en el siguiente gráfico: 

En la figura de la izquierda: vemos como los alabes adoptan una posición cerrada que apenas deja espacio para el paso de los gases de escape. Esta posición la adopta el turbo cuando el motor gira a bajas revoluciones y la velocidad de los gases de escape es baja. Con ello se consigue acelerar la velocidad de los gases de escape, al pasar por el estrecho espacio que queda entre los alabes, que hace incidir con mayor fuerza los gases sobre la turbina. También adoptan los alabes esta posición cuando se exige al motor las máximas prestaciones partiendo de una velocidad baja o relativamente baja, lo que provoca que el motor pueda acelerar de una forma tan rápida como el conductor le exige, por ejemplo en un adelantamiento o una aceleración brusca del automóvil. 

En la figura del centro: los alabes toman una posición mas abierta que se corresponde a un funcionamiento del motor con un régimen de revoluciones medio y marcha normal, en este caso el turbo VTG se comportaría como un turbo convencional. Las paletas adoptan una posición intermedia que no interfieren en el paso de los gases de escape que inciden sin variar su velocidad sobre la turbina. 

En la figura de la derecha: los alabes adoptan una posición muy abierta debido a que el motor gira a muchas revoluciones, los gases de escape entran a mucha velocidad en el turbo haciendo girar la turbina muy deprisa. La posición muy abierta de los alabes hacen de freno a los gases de escape por lo que se limita la velocidad de la turbina. En este caso, la posición de los alabes hacen la función que realizaba la válvula wastegate en los turbos convencionales, es decir, la de limitar la velocidad de la turbina cuando el motor gira a altas revoluciones y hay una presión muy alta en el colector de admisión, esto explica por que los turbos VTG no tienen válvula wastegate. 



Si los alabes están en apertura máxima, indica que hay una avería ya que la máxima inclinación la adoptan para la función de emergencia. 

El funcionamiento que hemos visto para el Turbo VTG es teórico ya que el control de la cápsula manometrica lo mismo que en los turbos convencionales mas modernos, se hace mediante una gestión electrónica que se encarga de regular la presión que llega a la cápsula manometrica en los turbos VTG y a la válvula wastegate en los turbos convencionales, en todos los márgenes de funcionamiento del motor y teniendo en cuenta otros factores como son la temperatura del aire de admisión, la presión atmosférica (altitud sobre el nivel del mar) y las exigencias del conductor. 

Las ventajas del turbocompresor VTG vienen dadas por que se consigue un funcionamiento mas progresivo del motor sobrealimentado. A diferencia de los primeros motores dotados con turbocompresor convencional donde habia un gran salto de potencia de bajas revoluciones a altas, el comportamiento ha dejado de ser brusco para conseguir una curva de potencia muy progresiva con gran cantidad de par desde muy pocas vueltas y mantenido durante una amplia zona del nº de revoluciones del motor. 

El inconveniente que presenta este sistema es su mayor complejidad, y por tanto, precio con respecto a un turbocompresor convencional. Así como el sistema de engrase que necesita usar aceites de mayor calidad y cambios mas frecuentes. 
Hasta ahora, el turbocompresor VTG sólo se puede utilizar en motores Diesel, ya que en los de gasolina la temperatura de los gases de escape es demasiado alta (200 - 300 ºC mas alta) para admitir sistemas como éstos. 

Gestión electrónica de la presión del turbo 

Con la utilización de la gestión electrónica tanto en los motores de gasolina como en los Diesel, la regulación del control de la presión del turbo ya no se deja en manos de una válvula de accionamiento mecánico como es la válvula wastegate, que esta sometida a altas temperaturas y sus componentes como son: el muelle y la membrana; sufren deformaciones y desgastes que influyen en un mal control de la presión del turbo, ademas que no tienen en cuenta factores tan importantes para el buen funcionamiento del motor como son la altitud y la temperatura ambiente. 

Para describir como funciona un sistema de regulación de la presión turbo, tenemos un esquema que pertenece a un motor Diesel (1.9 TDi de Volkswagen.) en el que se ven todos los elementos que intervienen en el control de la presión del turbo. La Gestión Electrónica Diesel (EDC Electronic Diesel Control) interpone una electroválvula de control de la presión (3) entre el colector de admisión y la válvula wastegate (4) que controla en todo momento la presión que llega a la válvula wastegate. Como se ve el circuito de control de la presión del turbo es similar a un circuito de control convencional con la única diferencia de la incorporación de la electroválvula de control (3). 

Las características principales de este sistema son: 

- Permite sobrepasar el valor máximo de la presión del turbo. 
- Tiene corte de inyección a altas revoluciones. 
- Proporciona una buena respuesta al acelerador en todo el margen de revoluciones. 
- La velocidad del turbocompresor puede subir hasta las 110.000 r.p.m.. 



La electroválvula de control: se comporta como una llave de paso que deja pasar mas o menos presión hacia la válvula wastegate. Esta comandada por la ECU (unidad de control) que mediante impulsos eléctricos provoca su apertura o cierre. Cuando el motor gira a bajas y medias revoluciones, la electrovalvula de control deja pasar la presión que hay en el colector de admisión por su entrada (1) a la salida (2) directamente hacia la válvula wastegate, cuya membrana es empujada para provocar su apertura, pero esto no se producirá hasta que la presión de soplado del turbo sea suficiente para vencer la fuerza del muelle. Cuando las revoluciones del motor son altas la presión que le llega a la válvula wastegate es muy alta, suficiente para vencer la fuerza de su muelle y abrir la válvula para derivar los gases de escape por el bypass (baja la presión de soplado del turbo). Cuando la ECU considera que la presión en el colector de admisión puede sobrepasar los margenes de funcionamiento normales, bien por circular en altitud, alta temperatura ambiente o por una solicitud del conductor de altas prestaciones (aceleraciones fuertes), sin que esto ponga en riesgo el buen funcionamiento del motor, la ECU puede modificar el valor de la presión turbo que llega a la válvula wastegate, cortando el paso de la presión mediante la electroválvula de control, cerrando el paso (1) y abriendo el paso (2) al (3), poniendo así en contacto la válvula wastagate con la presión atmosférica que la mantendrá cerrada y así se aumenta la presión de soplado del turbo. 



Para que quede claro, lo que hace la electroválvula de control en su funcionamiento, es engañar a la válvula wastegate desviando parte de la presión del turbo para que esta no actué. 
La electroválvula de control es gobernada por la ECU (unidad de control), conectando a masa uno de sus terminales eléctricos con una frecuencia fija, donde la amplitud de la señal determina cuando debe abrir la válvula para aumentar la presión de soplado del turbo en el colector de admisión. La ECU para calcular cuando debe abrir o cerrar la electroválvula de control tiene en cuenta la presión en el colector de admisión por medio del sensor de presión turbo que viene incorporado en la misma ECU y que recibe la presión a través de un tubo (7) conectado al colector de admisión. También tiene en cuenta la temperatura del aire en el colector de admisión por medio de un sensor de temperatura (6), el nº de r.p.m del motor y la altitud por medio de un sensor que a veces esta incorporado en la misma ECU y otras fuera 



En el siguiente esquema tenemos el circuito de admisión y escape de un motor Diesel de inyección directa (TDi) que utiliza un turbocompresor de geometría variable (VTG). Como se ve en el esquema ya no aparece la válvula de descarga o wastegate, sin embargo la electroválvula de control de la presión turbo (3) si esta y de ella sale un tubo que va directamente al turbocompresor. Aunque no se ve donde va en concreto el tubo, esta conectado a la cápsula neumática o actuador (nº 8 en el primer dibujo). El funcionamiento del control de la presión del turbo es muy similar al estudiado anteriormente. la diferencia es que la válvula wastegate se sustituye por la cápsula neumática, ambas tienen un funcionamiento parecido mientras una abre o cierra una válvula, la otra mueve un mecanismo de accionamiento de alabes. 
En este caso el sensor de altitud esta fuera de la ECU (unidad de control). 



Otra forma de controlar la presión de soplado del turbo: 

Hasta ahora hemos visto como se usaba la presión reinante en el colector de admisión para actuar sobre la válvula wastegate de los turbos convencionales y en la cápsula neumática en los turbos de geometría variable. Hay otro sistema de control de la presión del turbo (figura de la derecha) que utiliza una bomba de vacío eléctrica (2) que genera una depresión o vacío que actúa sobre la válvula wastegate (3) a través de la electroválvula de control o actuador de presión de sobrealimentación (1). En la figura de abajo vemos el esquema de admisión, escape y alimentación de un motor Diesel Common Rail, así como su gestión electrónica. El turbo va dispuesto de forma similar a lo visto anteriormente (no esta el intercooler), pero no se ve ningún tubo que lleve la presión reinante en el colector de admisión hacia la válvula wastegate a través de la electroválvula de control. Si aparece como novedad la bomba de vacío que se conecta a través de un tubo con la electroválvula de control (actuador de presión) y otros elementos actuadores que son accionados por vació como la válvula EGR (recirculación de gases de escape). Este sistema de control de la presión del turbo tiene la ventaja frente a los anteriormente estudiados, de no depender de la presión que hay en el colector de admisión que en caso de rotura del tubo que transmite dicha presión ademas de funcionar mal el sistema de control del turbo, se perdería parte del aire comprimido por el turbo que tiene que entrar en los cilindros y disminuye la potencia del motor sensiblemente. 

 

Un Poco de historia

EL SOBREALIMENTADOR O COMPRESOR es en esencia un compresor impulsado por el mismo motor mediante una correa o cadena. Dicha correa o cadena une el cigüeñal con el cloche magnético del Sobrealimentador. Este cloche trabaja de la misma manera que el del aire acondicionado e igualmente se puede encender y apagar en cualquier momento.
Este hace entrar a las cámaras de combustión mas combustible (mezcla de aire y gasolina) del que normalmente llegaría.
Cuando se comenzó a experimentar con automóviles solo existía un diseño comercial adecuado. Era el compresor de rotores gemelos engranantes inventado nada menos que en 1866 por J. D. Roots en Connorsville, EE.UU., y diseñado para trabajos industriales.
En esencia, el compresor Roots básico comprende de una pareja de engranajes gemelos en rotación contraria. Dado que sus lóbulos son de forma cicloidal, y que ambos rotores son movidos positivamente para mantener la fase, engranan sin llegar a tocarse, de modo que la fricción interior es escasa. Los dos rotores van montados sobre ejes que giran en cojinetes anti-fricción alojados en las cubiertas extremas de una carcasa estacionaria, con un vaciado de forma aproximada a la de un ocho, que se adecua al área batida por los extremos de los lóbulos, que disponen de una pequeña holgura en el interior de la carcasa. En ésta hay conductos de admisión y salida, situados cada uno a un lado del estrechamiento de la carcasa. De esta forma la rotación aspira aire que se ve arrastrado, entre sus lóbulos y luego al conducto de salida. Dado que obviamente no existe compresión interna alguna, el compresor debería tener un mayor desplazamiento que el motor, o girar a mayor velocidad que este para producir el efecto de sobrealimentación.
* Ventajas:
1. Aumento significativo en la potencia.
2. Más eficaz que el compresor normal.
3. Se puede obtener gran cantidad de energía de un motor pequeño.
4. El consumo adicional de combustible es modesto.
5. Las emisiones de gas emanadas al ambiente son menores,
6. Se pude encender y apagar en cualquier momento a través de un switche.
7. No hay presencia de tubolag.
* Desventajas:
1. Tendencia al sobrecalentamiento. Por ello, este tipo de vehículos tienen sobre dimensionados los conductos del motor por donde fluye el refrigerante así como también el radiador.
2. Aumento de consumo de combustible.
3. La principal desventaja del Sobrealimentador esta en el hecho de que absorbe gran parte de la potencia que crea. La correa o cadena de accionamiento del soplador puede llegar a consumir hasta un treinta por ciento del incremento de la le potencia.
EL TURBO-COMPRESOR

El rendimiento térmico de los motores de combustión interna es muy bajo en general: solo el 25%. La mayor parte de la energía producida por la gasolina se pierde por el tubo de escape, pero el Turbo-compresor la aprovecha.
EL TURBO-COMPRESOR es en esencia un compresor impulsado por los gases de escape. Este, al igual que el sobrealimentador, hace entrar a las cámaras de combustión más combustible (mezcla de aire y gasolina) del que normalmente llegaría.
Funcionamiento
Este se acciona a través de una pequeña turbina ubicada dentro del Turbo-Compresor, el cual se coloca justo después del múltiple de escape, a través del cual pasan los gases de escape haciendo que gire a gran velocidad (comúnmente llega a girar hasta 100.000 rpm). Dicha turbina está unida mediante un eje al compresor, que es una rueda que tiene normalmente una docena de paletas curvadas. Cuando gira la turbina también gira el compresor recogiendo aire que viene desde la lumbrera de admisión impulsándolo a mucha velocidad. En el siguiente paso el aire llega al difusor que suele estar situado en el mismo alojamiento del compresor, este tiene forma de embudo pero al revés y su función es frenar la velocidad del aire para aumentar la presión considerablemente. Esta presión de aire penetra en el sistema de admisión a través del cuerpo de aceleración y llega a la cámara de combustión para seguir su ciclo normal de los cuatros tiempos. En vehículos donde la alimentación es a través de inyección de gasolina se deben sustituir los inyectores por otros que permitan mayor paso de gasolina en proporción directa con la presión de aire a la cual graduemos el turbo compresor. Al penetrar mas combustible en el motor este desarrolla mayor energía, de esta forma el turbo-compresor aumenta significativamente el rendimiento energético del motor. Este aumento del rendimiento energético viene regulado por los gases de escape que impulsan al Turbo Compresor, por ello el tubo de escape debe tener el menor número de restricciones y el grosor de la tubería se sobre dimensiona y el algunos casos se acorta. Al aumentar el flujo de los gases de escape la velocidad de la turbina y la eficiencia del motor aumenta en la misma proporción.
Intercooler
Es un refrigerador para el aire que respira el motor. Muchos de los vehículos equipados con turbo compresor llevan un Intercooler, que no es mas que una especie de radiador. Este dispositivo se encarga de enfriar el aire que entra al motor a través del filtro de aire y que luego se mezcla con el combustible. De esta manera las moléculas del aire ocuparan menos espacio en la cámara de combustión y así aumenta el volumen de combustible que puede entrar en las cámaras de combustión, en este momento la mezcla se hace mas densa. De esta manera se obtienen ventajas evidentes en el redimiendo energético, logrando en muchos casos ganar hasta un 20%. Además el motor se desgasta menos ya que la combustión de la mezcla es de menor temperatura. Con lo que se reduce el riesgo de quemar las válvulas, por cuanto el motor trabaja en general mucho más fresco. Cuando el Intercooler hace mas densa la mezcla también reduce la presión de la misma en el colector de admisión. Esto constituye una ventaja, pero a la vez una desventaja. Al reducir la presión se consigue que el trabajo del motor, una vez que la mezcla entra en el motor, se reduzca y también contribuye a evitar la detonación o combustión espontánea en las cámaras de combustión, que puede ocurrir cuando la relación de compresión es demasiado alta para el tipo de combustible que se usa. Pero la reducción de presión en el colector de admisión significa también que la presión de los gases de escape va a ser menor y que hay menor energía disponible para mover la turbina. Esta no es la única desventaja del intercooler (cuando son demasiado grandes), además de ser otro componente más el cual puede averiarse, debido a las altas presiones con las que trabaja, lo cual añade un riesgo más de falla mecánica.
Sistema de Escape
El último componente del Turbo Compresor es el Sistema de Escape. Que tiene dos partes: El colector o múltiple de escape, que se haya antes del Turbo-Compresor y a continuación el tubo de escape.
Antes de llegar a la turbina el gas de escape debe retener tanto como sea posible su calor, velocidad y presión a fin de que pueda mantener a la turbina en un giro eficaz, en consecuencia las toberas del múltiple de escape son relativamente estrechas. Pero después de la turbina se tienen otras consideraciones muy distintas. Una vez que el gas pasa a través de la turbina es esencial que salga del sistema tan rápidamente como sea posible de modo que no entorpezca el la salida del mismo y en consecuencia restrinja el flujo a través de la turbina. Cuando el gas de escape sale de la turbina, mantiene el movimiento giratorio, por lo que recorre un camino mas largo de lo necesario. Para solucionar este problema lo que se hace es un ensanchamiento repentino en la tubería de escape desde la salida de la turbina. Con esto se consigue interrumpir el movimiento giratorio y se acelera su salida al exterior.
Turbolag
Es una especie de "falla" o falta de fuerza, que presentan solamente los vehículos que tienen incorporado un Turbo-Compresor, que se podría confundir con una especie ahogamiento. Este se produce cuando se acelera violentamente justo antes de que se accione el compresor. La causa de este ahogamiento es que, a bajas revoluciones, la turbina se encuentra detenida interrumpiendo el flujo de los gases de escape. Luego de que el motor se encuentre a un régimen medio de revoluciones la turbina empezará a girar y el sistema funcionara normalmente.
* Ventajas:
1. Normalmente los gases de escape se desperdician completamente, pero el Turbo Compresor los aprovecha al 100% para poder funcionar.
2. Aumento significativo en la potencia pero no en el peso
3. Es muy ligero aproximadamente 11 Kg.
4. Más eficaz que el compresor normal.
5. Se puede obtener gran cantidad de energía de un motor pequeño.
6. El consumo adicional de combustible es modesto.
7. Se utiliza una fuente de energía la cual todos los demás vehículos desperdician.
8. Las emisiones de gas emanadas al ambiente son menores, ya que el turbo compresor proporciona mejor mezcla del combustible y mejor distribución de este dentro del motor.
10. Los motores equipados con Turbocompresor son más silenciosos que los normales.
* Desventajas:
1. Tendencia al sobrecalentamiento, por ello este tipo de vehículos tienen sobre dimensionados los conductos del motor por donde fluye el refrigerante así como el radiador.
2. Aumento de consumo de combustible.
3. Presencia de “TURBOLAG”.
Un dispositivo para todos…
Si los Turbocompresores hacen que un motor sea más eficaz, ¿por que no lo usan todos los automóviles junto con motores más pequeños para conseguir el mismo resultado? Por ejemplo: un motor de 1300 cc. con turbocompresor puede hacer el trabajo de un motor 2.1 cc. y probablemente con menor consumo de combustible.
Sin embargo en la práctica la cosa no es tan sencilla. Añadir un turbo compresor a un motor ya existente es muy costoso.
La mayoría de los conductores deberán esperar hasta que el turbo compresor salga de fabrica en los vehículos de serie. Algunas marcas que tienen vehículos con turbo-compresor de serie: SAAB, SEAT, VW, GM, FORD, RENAULD, y muchas otras compañías trabajan en la misma dirección.