MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EN AUTOMOCIÓN (PARTE XI)

Hola de nuevo

En el anterior artículo hablamos de un tipo especial de sistema de admisión de aire para motores de combustión interna, me refiero a la sobrealimentación.
Vimos, en primer lugar, el compresor volumétrico de aire, que no es más que un dispositivo que comprime el aire antes de que entre a la cámara de combustión, aumentando el rendimiento de nuestro motor, es decir elevando las cifras de par motor y pootencia ofrecidas por el motor. Pero, si recordais, el compresor tenia un efecto negativo para el motor, ya que al ser arrastrado por el propio motor (a través de su cigüeñal) este perdia parte se su rendimiento en rozamientos para mover el compresor. Además estaba el problema del tamaño del compresor, en algunos casos imposible de alojar en cualquier coche, y el aumento de peso considerable por culpa del propio compresor.
¿Qué hicieron los ingenieros para superar estos problemas? Simplemente implementar un sistema que era conocido desde la invención de la máquina de vapor (siglo XIX), utilizar un dispositivo llamado turbina para acelerar el flujo de aire (y comprimirlo). A este dispositivo se le llamo turbocompresor. Este dispositivo es el resultado de mezclar el compresor y la turbina y unirlos en uno solo:

La sección del compresor aumenta la presión del aire de entrada gracias a la rotación de su rueda de paletas (rodete) y aumentando su velocidad a la vez, funcionando igual que una bomba centrífuga para impulsar agua del depósito de los bloques de viviendas o también, introduciendo el fluido por el conducto de entrada de mayor diámetro que el de salida. La sección de la turbina es la encargada de impulsar la sección del compresor gracias a que el eje que hace girar los rodetes es el mismo, así que girarán solidarios uno con otro. En una bomba centrífuga es un motor eléctrico el encargado de hacer girar el rodete.
Bien, conocido ya el fundamento teórico, veamos más pormenorizadamente como es un turbocompresor:

En la fotografía de arriba se observa un corte de un turbocompresor. La zona izquierda (pintada de azul por dentro) corresponde al compresor y la zona derecha (pintada de rojo interiormente) corresponde a la turbina que pone en marcha el dispositivo.
En el esquema inferior observamos (1) el rodete del compresor, (2) el rodete de la turbina, (3) el eje de giro de ambos rodetes (el mismo) y (4) la válvula de regulación de presión del turbo o wastegate. Bien, hay que decir que la turbina gira impulsada por los gases de escape del motor, que gracias al eje solidario de giro con el compresor, este se mueve a la misma velocidad. Pero este eje descansa sobre cojinetes lubricados por el mismo aceite que lubrica el motor, porque si no fuera así y con las velocidades de giro que puede alcanzar, se griparia.

Gripar en ingenieria es un término que se refiere al suceso por el cual dos piezas metálicas que se rozan continuamente se sueldan debido al calor, es decir se unen y agarrotan y dejan de realizar su movimiento. En este caso las piezas suceptibles de gripar serían nuestro eje con los cojinetes correspondientes.

Por otra parte hemos visto que los gases de escape impulsan la turbina, luego esta ganará velocidad conforme las rpm del motor sean más altas (recordad, más rpm hacen que salgan más gases de escape). Bien, esto sería un problema porque podríamos alcanzar velocidades inadmisibles, y presiones de soplado del turbocompresor (presión del aire fresco que insufla el compresor) inadmisibles también. Para ello se usa la válvula de regulación de presión del turbo, válvula de descarga o, en inglés, wastegate (válvula de desperdicios).

Arriba podeis observar una válvula de descarga por dentro. Con su muelle arriba (que ejerce una fuerza determinada y una membrana acoplada encima) y un agujero de entrada del aire fresco que empuja el muelle, su vástago y válvula propiamente dicha, y conducto de entrada (debajo de la válvula) y de salida (la boca que se observa a la izquierda) de gases de escape. En el esquema de abajo podeis ver como funciona exactamente la válvula. Los gases de escape pasan a la turbina mientras la válvula está cerrada, porque la fuerza con la que los gases frescos empujan no es suficiente para vencer la fuerza del muelle (a través del diafragma o membrana). Pero si el compresor gira más rápido de la cuenta, el aire fresco si vencerá la fuerza de empuje del muelle, y este abrirá la válvula, dejando escapar parte de los gases de escape sin pasar por la turbina y saliendo directamente al sistema de escape. Veamos un esquema más genérico:

En este esquema se observa mejor como los gases de escape, cuando la wastegate está abierta, esquivan su paso por la turbina. La turbina pierde energía cinética (velocidad) y por consiguiente el compresor también. El aire a presión que sale del compresor deja de vencer la fuerza del muelle, y este recoge de nuevo la válvula de descarga para cerrar el conducto de bypass. 
Después de observar y estudiar esto, podemos concluir que el turbocompresor tiene menor peso e inercia, y además al no estar arrastrado por el cigüeñal, no roba potencia al motor para su arrastre. Sin embargo este dispositivo no empieza a aumentar el rendimiento del motor hasta pasado un régimen determinado de revoluciones, siendo lógico esto porque al ser arrastrada la turbina por los gases de escape, al ralentí y bajas revoluciones no sale suficiente cantidad de gases para impulsarla con la suficiente velocidad para que el compresor comprima una cantidad significativa de aire fresco. Otro gran problema que sufren los turbocompresores es la gran disparidad térmica entre sus componentes, en una misma pieza (eje de los rodetes) encontramos diferencias de temperatura bestiales. La turbina puede estar trabajando entre unos 600º y 800º centígrados. El compresor rara vez superara los 100º C, luego el diseño de esta pieza es clave porque una parte dilatará muchas veces más que la otra.
Estos inconvenientes hicieron que durante los años 90 del siglo pasado, se optara por desarrollar los motores atmosféricos en detrimento de los sobrealimentados por turbo, aunque en los motores Diésel las ventajas eran más que suficientes para olvidarse de estos incovenientes.
El problema de las temperaturas se resuelve con una ejor lubricación, y materiales mejorados (sin aumentar en exceso el precio). Pero, ¿y el problema del retardo o lag en la entrega de potencia? ¿Cómo lo resuelven? Aquí entra en funcionamiento de nuevo (en mecánica de fluidos es muy usado) el principio de Bernoulli, por el cual si reducimos la sección de paso de un fluido cualquiera que circula con una velocidad y presión determinadas, este verá incrementada su velocidad (y por ende su presión) al pasar por el estrechamiento. Esto nos indica, que aunque dispongamos de la misma cantidad de fluido (en este caso gases de escape), si reducimos su sección de paso podemos aumentar la presión aún sin aumentar la cantidad de fluido.

Esta foto corresponde a un rodete de impulsión de una turbina radial, con álabes de geometría variable (las paletas exteriores que se observan). Estos álabes pueden girarse en un ángulo determinado para acelerar o frenar el flujo de fluido (en nuestro caso gases de escape). Este concepto se usa desde antes de los años 60 del siglo XX, en instalaciones de generación de energía eléctrica o impulsión de agua (turbinas Francis). Y si, aunque ahora los fabricantes lo vendan como algo revolucionario, es un concepto que se manejaba y dominaba desde hace tiempo, pero su implementación en motores pequeños vino derivada por las mejoras de los procesos productivos. Veamos unos esquemas para conocer mejor este sistema:

Aquí observamos el corte de la zona de la turbina del turbocompresor. El mando que hace moverse a los álabes es de tipo neumático (no necesitamos mucha fuerza para moverlos), desde la cápusla neumática (8) se impulsa la leva (4) a través del vástago (6) para que actúe sobre el plato (3) y gire los álabes (2) al ángulo correcto.

Aquí se observa mejor el sistema para girar los álabes y así cambiar el ángulo en el que se disponen los mismos.

En este esquema observamos como la orientación de los álabes cambia según las revoluciones del motor sean altas o bajas. Como os dije al principio de esta explicación, según el principio de Bernoulli, si disminuimos la sección de paso, aumentamos la velocidad. Eso es lo que se persigue a bajas revoluciones, aumentar la velocidad de los gases de escape y, por tanto, aumentar la presión a la que funciona el turbocompresor. Los gases de escape recordad que empujan de manera transversal al rodete, luego si acercamos unos álabes con otros, disminuimos la sección por la que pasan los gases de escape.

Por último el esquema completo, con el esquema de control electrónico del turbocompresor de geometría variable o VGT. El intercooler os recuerdo que es un intercambiador de calor (radiador) que se coloca antes de la entrada al cilindro, para enfriar el aire de entrada y así hacerlo más denso (y rico en oxígeno disuelto).
Por último decir que el futuro de los turbocompresores se presenta muy bien para años próximos. Es un dispositivo que permite mejoras sustanciales sin necesidad de inversiones exageradas, y sin incrementar mucho el precio.

Aquí vemos un sistema por el cual se fabrican los colectores de escape con su turbina correspondiente. Esto ahorra costes, y peso del conjunto, además de utilizar menos piezas de unión para estanqueidad (juntas tóricas y demás piezas).

Este esquema corresponde a un motor biturbo. Pueden ser un compresor y un turbo, o dos turbocompresores de distinto tamaño (el 1 más pequeño que el 2, siempre). El aire de escape, a bajas revoluciones de motor, siempre se dirige al turbo 1, bloqueamos la salida directa hacia el turbo 2.

En este caso el motor está funcionando a un régimen medio de revoluciones. La mariposa que regula la salida de gases directa hacía el turbo 2 ahora esta entreabierta, y el turbo 2 funciona a una potencia menor que el turbo 1, pero está apoyando. Así obtenemos una entrega de potencia y par motor suave y controlable.

Ahora las tornas cambian, y bloqueamos la entrada de gases al turbo 1, y salen todos hacia el turbo 2 (de mayor tamaño que 1). Esto es a altas revoluciones de motor, así conseguimos mayor rendimiento y no desfayece el motor antes de llegar a su régimen máximo.

Esta solución es la llamada twin turbo o de turbos gemelos. En este caso los turbos tienen el mismo tamaño, y por ende la misma potencia. Se realiza en motores de gran cilindrada y por encima de los 6 cilindros (normalmente con configuración en V). Esta disposición consgue que la entrega de potencia sea escalonada, pero contundente. Quiero decir que el motor no va a entregar la potencia con retrasos, de manera suave pero constante.
Recientemente BMW presentó un motor con 3 turbos, usando el mismo principio, pero al ser 3 podemos repartir aún más y escalonar la entrega de potencia, consiguiendo motores con grandes cifras de potencia y par motor, pero muy fáciles de manejar.

Me voy a despedir de vosotros con unos consejos de utilización, si teneis motor con turbocompresor sobre todo:

1. Al arrancar el motor esperar unos 5-10 seg hasta iniciar la marcha, sobre todo si lo hacemos en frío. Esto se hace para que el aceite lubricante llegue bien a los cojinetes del turbocompresor, y es muy importante sobre todo en motores Diésel.
2. Al principio esperar a que la temperatura del motor vaya subiendo para exigirle al motor carga de trabajo. Si es Diésel con más motivo, no subir de revoluciones excesivamente.
3. Una vez alcanzada una temperatura óptima (recomiendo esperar a los 90º del agua al menos) podremos exigirle al motor. Aquí utilizarlo bien, pero sin excederse al igual que hariamos con un motor aspirado.
4. Cuando hayamos estado rodando mucho tiempo, y a velocidades elevadas, al detener el vehículo esperar al menos 1 minuto al ralentí antes de pararlo. El turbocompresor es una pieza que llega a girar a más de 150.000 rpm, por lo que no se frenará al instante y tardará un ratito. Así nos aseguramos que el eje este en todo momento bien lubricado.
5. No escatimar con el aceite lubricante usado para el motor, y respetar los ciclos de cambio estipulados por el fabricante.
6. Procurar no llevar el motor siempre en la zona roja del cuentavueltas. Esto sirve para un motor atmosférico también.

Bien, creo que con estos consejos de utilización es suficiente, y ya me despido de todos vosotros hasta el próximo artículo. Espero os haya gustado.

A continuación, la bibliografía consultada:


- http://www.taringa.net/posts/autos-motos/15207285/El-poder-del-turbocompresor_.html
- http://pitbox.wordpress.com/2011/08/04/motor-tsi-fsi-funcionamiento-de-un-motor-biturbo-tsi-%C2%BFque-es-tsi-compresor-y-turbo/
- http://crocketteng.com/intro-to-turbo-control/
- http://www.taringa.net/posts/autos-motos/9878723/Turbo---Wastegate-_Valvulas-reguladora-de-precion_.html
- http://www.fullcustom.es/guias/turbocompresor-geometria-varible
- http://www.fullcustom.es/guias/turbocompresor
- http://www.turbocoche.com/blog/que-es-un-turbocompresor
- http://mishumildesobrasdearte.blogspot.com.es/2012/06/mecanica-como-funciona-un.html