HISTORIALa historia de la turbo alimentación es casi tan antigua como la del motor de combustión interna. Ya en 1885 y

1896, Gottlieb Daimler y Rudolf Diesel investigaron incrementar la potencia y reducir el consumo de combustible de sus motores mediante la pre compresión del aire de combustión. En 1925, el ingeniero suizo Alfred Büchi fue el primero en lograr la turbo alimentación por gases de escape, obteniendo un aumento de potencia superior al 40 %. Esto marcó el inicio de la introducción paulatina de la turbo alimentación en la industria automovilística.

Como muchas otras ideas innovadoras anteriores y posteriores, el turbo sobre alimentador de gases de escape, anuncio al mundo en 1905, progresó lentamente al principio. En una patente presentada ese año, el ingeniero suizo Alfred Buechi 1 describía un “motor de excitación mixta, altamente sobrealimentado“, que incluía un motor diesel, un compresor axial y una turbina axial montada sobre un árbol común. Mientras Buechi perfeccionaba su idea, otros inventores empezaban a tener éxito en otros lugares con sobre alimentadores mecánicos. Pero Buechi también tenía competidores directos, que seguían la misma línea. En 1920 se utilizaban pequeños turbo sobre alimentadores de gases de escape para aviones en Francia y Estados Unidos. Los turbo sobre alimentadores de gran potencia aún no consideraban económicamente viables.

Las cosas cambiaron en 1923 cuando en Alemania se publicó un informe sobre ensayos de sobrealimentación a baja presión realizados con éxito en un motor diesel de cuatro tiempos. Brown Boveri, una de las dos compañías fundadoras de ABB, decidió entonces aplicar sus amplios conocimientos técnicos a la construcción de turbinas y compresores para el desarrollo de turbo sobre alimentadores. Ese mismo año, Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) tenía en pruebas un motor experimental de dos tiempos que deseaba llevar a un nivel de potencia superior consumiendo menos combustible. Brown Boveri Recomendó utilizar un turbo sobre alimentador de gases de escape para alimentar los soplantes de barrido; poco después, SLM encargó una máquina de ese tipo. En junio de 1924 salía de la fábrica de Brown Boveri en Baden el VT402, el primer turbo sobre alimentador de gases de escape de gran potencia construido en el mundo

El primer turbo sobre alimentador del mundo para un motor diesel de gran potencia, entregado en 1924

LABZAMIENTO DEL VTR..0A partir de 1940, Brown Boveri desarrolló una nueva gama de turbo sobre alimentadores llamados VTR, que

incluían un compresor de flujo radial abierto (de aquí la R) y un rotor ligero, cojinetes de rodillos externos de montaje flexible y un sistema auto lubricante. La estandarización de componentes hizo posible la producción a gran escala. La introducción en el mercado de la serie VTR..0 en 1945 es un importante hito en la historia de los turbo sobre alimentadores BBC/ABB. Con una eficiencia del compresor del 75 % para una relación de presión de 2, la serie era sólo el anuncio de lo que estaba por venir, pero el VTR..0 marcó el comienzo de una nueva era.

LANZAMIENTO DEL VTR..1Los años cincuenta y sesenta del pasado siglo fueron testigos del desarrollo de nuevos compresores, más

eficientes y con mayores relaciones de presión, así como mayores caudales de paso. Se mejoró el diseño de los cojinetes y se reforzaron los montajes. En 1970 se introdujeron compresores con un caudal de paso aún mayor y seAmplió la carcasa de salida de gas. También se reformó la entrada de laTurbina.

Los turbo sobre alimentadores VTR originales podían ir equipados con un compresor de baja o de alta presión, pero este último presentaba obstáculos debido a un flujo volumétrico restringido. El desarrollo de compresores durante los años siguientes eliminaría esta desventaja, impulsando progresivamente la relación de presión a plena carga hacia un valor 3. En los primeros años de la década de los cincuenta, el incesante perfeccionamiento de la tecnología de turbo

Sobrealimentación había preparado el camino para el siguiente salto adelante. En octubre de 1952 fue botado el petrolero Dorthe Maersk, de 18.000 toneladas. Construido por los astilleros daneses A. P. Møller, fue el primer barco movido por motor diesel de dos tiempos turbo sobrealimentado (B&W, de 6 cilindros). Dos turbos sobre alimentadores VTR630 de montaje lateral elevaron la potencia del motor de5.530 a 8.000 CV. El Dorthe Maersk fue el primer hito de la turbo sobrealimentación marítima de dos tiempos.

El modelo VTR320 más compacto, a la izquierda, consigue una presión de sobrealimentación mucho más alta que el VT402, el modelo precedente.

Progreso en el rendimiento de los compresores para turbo sobre alimentadores ABB desde 1960 (plena carga, con compresor de aluminio)

TURBO-ALIMENTADORESUn turbocompresor es un sistema de sobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar mediante

un eje coaxial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores diesel.

Estos se accionan por los gases de escape expelidos del motor y no requieren potencia del motor para funcionar. En otras palabras, no le quitan potencia al motor. La cantidad de potencia perdida de la contrapresión creada es muy leve en comparación con la cantidad de potencia creada. Los motores turbo alimentados pueden tener aumentos de potencia de hasta un 60% sobre los motores aspirados naturalmente. Se puede alcanzar este aumento de potencia porque el turbo-alimentador ayuda en el barrido total de todos los gases de descarga del

cilindro. Además, el motor obtiene más aire, quema más combustible y produce más potencia. La operación de un turbo-alimentador depende del flujo de los gases de escape y puede aumentar la cantidad de flujo de aire con demandas crecientes sobre el motor para más rendimiento. Esto significa que el turbo-alimentador (Dibujo 2) responde a las demandas de carga del motor más que a la velocidad del motor, como en el caso del súper-alimentador

Dibujo 2Turbo alimentador

 CONSTRUCCION DE UN TURBO-ALIMENTADOREl turbo-alimentador es un compresor de aire que tiene los siguientes componentes:

Compartimiento del compresor

Rueda del rotor

Compartimiento de la turbina

Rueda de la turbina

Eje central

Compartimiento central

Sellos

Compuerta de descarga

CAMARA DEL COMPRESOREl compartimiento del compresor (Dibujo 3) sostiene la rueda del impulsor y comprime el aire que fluye dentro

del múltiple de admisión

Dibujo 2

Dibujo 3Compartimiento del compresor

 

Dibujo 4Rueda de impulsor

RUEDA DEL ROTORLa rueda del rotor (Dibujo 4) dirige el aire hacia el interior, lo comprime y lo dirige al múltiple de admisión.

 COMPARTIMIENTO DE LA TURBINA

El compartimiento de la turbina (Dibujo 4) contiene la rueda de la turbina por donde pasan los gases de escape desde el cilindro al sistema de escape

Dibujo 3

Dibujo 4

Dibujo 5Compartimiento de la turbina

 Dibujo 6

Rueda de la turbina

RUEDA DE LA TURBINALos gases de escape fuerzan a la rueda de la turbina (Dibujo 6) a girar a medida que éstos pasan por ésta

EJE CENTRALEste eje (Dibujo 7) une la rueda de la turbina a la rueda del impulsor y transmite el movimiento desde la turbina

al compresor.

Dibujo 5

Dibujo 6

COMPARTIMIENTO CENTRALEl compartimiento central (Dibujo 8) contiene los pasos de aceite para lubricar los rodamientos del eje y puede

contener los pasos del líquido refrigerante para ayudar a enfriar el turbo-alimentador.

SELLOSEl compartimiento central también contiene los sellos de la turbina y del compresor (Dibujo 9) que evitan que

los gases de escape y el aire de admisión ingresen al sistema de lubricación y también evitan que la lubricación ingrese a los sistemas de admisión y de escape

Dibujo 7

Dibujo 8

Dibujo 9Sellos típicos

Dibujo 10Compuerta de descarga (Válvula de Presión del sobre alimentador)

Compuerta de descarga (válvula de presión del sobre alimentador)Se puede incluir una válvula especial denominada compuerta de descarga (Dibujo10) para evitar la sobre-

presurización del aire en el múltiple de admisión.

INTERCAMBIADORES DE CALOR (INTERCOOLER/AFTERCOOLER)A medida que el aire ingresa al sistema se comprime en el turbo alimentador, las moléculas de aire son

obligadas a juntarse y a crear fricción. Esta fricción, más la fuerza de compresión, hace que el aire se caliente. Como el aire caliente se expande, esto anula el propósito del turbo alimentador. Un post-refrigerador de salida reduce la temperatura del aire justo antes de que ingrese a los cilindros. Esto permite que ingrese la máxima cantidad de aire permitiendo que se inyecte más combustible para una mayor salida de potencia.

Dibujo 9

Dibujo 10

El medio de refrigeración empleado difiere según la aplicación que incluye refrigerante aire a aire y aire a líquido. Dibujo 11

OPERACIÓN DEL TURBO ALIMENTADOREl diseño y la estructura de la turbina y el compartimiento determinarán la velocidad de rotación de la turbina y

la salida del compresor. Los diseños varían de acuerdo a la aplicación y tipo de sistema. Los gases de escape calientes que pasan a través del compartimiento hacen a girarla turbina. Como la turbina se conecta directamente al rotor a través de un eje, esta fuerza se transmite igualmente al rotor. El movimiento del rotor origina que el aire (o una mezcla de aire/combustible) se dirija al compresor. Éste se comprime y se entrega al múltiple de admisión. La combinación correcta de requerimientos del tamaño del motor, de rendimiento y del tamaño del turbo alimentador y la capacidades muy importante. Durante la operación, el aire ingresa al turbo alimentador por el centro y se descarga por la puerta del compartimiento. Este tipo de compresor se denomina compresor centrífugo. Éste convierte la energía cinética del aire (la energía creada por movimiento) en presión aumentada. Como el aire ingresa por el centro y literalmente se arroja hacia el exterior del compartimiento, éste debe ser llevado desde el perímetro exterior hacia el múltiple de admisión. Un difusor retarda el movimiento del aire y aumenta la presión sin producir turbulencia alguna. Esta función es como una boquilla a la inversa. Luego el compartimiento recolecta este aire comprimido para entrega a la turbina y sale por el centro del compartimiento.   Las aplicaciones normales para los turbo-alimentadores de descarga del flujo axial son para motores Diesel de velocidad baja y media.

CONTROLES DEL TURBO-ALIMENTADOREl término “sobre-presión” se refiere al aumento de la cantidad de presión de aire que produce el turbo-alimentador

en la admisión. Como el turbo-alimentador tiene la capacidad de producir grandes cantidades de aire a alta presión, se debe controlarla salida para evitar dañar tanto el turbo-alimentador como el motor. La mayoría de los motores Diesel se diseñan para limitar la sobre-presión. Los controles del turbo-alimentador pueden dividirse en dos categorías:

los que controlan la velocidad del turbo-alimentador

los que controlan la salida de presión.

LUBRICACION Y REFRIGERACION DEL TURBO –ALIMENTADOR Los turbo-alimentadores operan bajo condiciones extremas. Giran de manera consistente a velocidades que

exceden las 100.000 RPM y a muy altas temperaturas debido a los gases de escape y a la compresión del aire. No existen recomendaciones especiales para filtrar o lubricar el turbo-alimentador salvo las recomendaciones básicas del fabricante en cuanto a la calidad del aceite y los intervalos de mantención. El turbo-alimentador tiene un suministro constante de

Dibujo 11

aceite limpio a través de los rodamientos a la presión de aceite del motor. En la mayoría de las aplicaciones, el turbo-alimentador requiere un flujo constante de aceite tanto para la refrigeración como para la lubricación (Dibujo 10)

Dibujo 12Lubricación

 Las temperaturas del gas de escape en muchas operaciones pueden exceder los733°C (1.350°F) en motores Diesel. En

aplicaciones normales, el aumento de la temperatura del sistema de lubricación sólo puede ser un adicional de 27°C (80°F).

En algunas aplicaciones, el sistema de lubricación no puede controlar adecuadamente la cantidad de calor

desarrollado en el turbo-alimentador. Estos turbo-alimentadores también tienen pasos para el líquido refrigerante (Dibujo

13) para que el líquido refrigerante del motor absorba algo del calor desarrollado y alivie la carga de trabajo en el aceite

del motor. La mantención y la calidad del líquido refrigerante es muy importante para el funcionamiento a largo plazo del

turbo-alimentador.

Dibujo 13Pasos del líquido refrigerante

Dibujo 12

Dibujo 13

  Debido a las altas temperaturas de los gases de escape en combinación con las altas velocidades de rotación, el turbo-alimentador necesita una refrigeración adecuada.

VENTAJAS

• Permite aumentar la potencia de un motor existente, sin necesidad de hacer mayores cambios y/o rediseñar un motor existente.

• Utiliza como medio propulsor los gases de escape del motor, lo cual contribuye a rescatar esta energía, y hacer más eficiente el motor en general.

• Agrega poco peso y bulto a un motor, lo cual usualmente permite encajarlo en un vehículo sin modificaciones externas.

• A diferencia de un súper cargador, no le resta potencia al motor directamente, lo que lo hace más eficiente. • Debido a que depende la diferencia de presión entre los gases de escape y el medio ambiente, se auto-ajusta a

cualquier altitud sobre el nivel del mar. Esto los hace muy prácticos para utilizar en motores de avión. • Un súper cargador debe ser regulado manualmente para lograr este mismo efecto.

DESVENTAJAS• En los turbocompresores, siempre existe un efecto de retraso o "lag", que se manifiesta por una respuesta lenta

para que turbo comience a funcionar. • Dependiendo del tipo de turbocompresor, esto puede reducirse por diversos medios. Velocidad mínima del

motor.• Para que un turbo entre en acción, el motor debe llegar a una velocidad mínima específica, que depende del

tamaño y forma de la turbina utilizada.• Esto hace que el turbo sea prácticamente inutilizable a bajas velocidades• El costo de instalar un sistema turbo es elevado, ya que usualmente requiere mano de obra especializada, y

cambio de partes. • Pueden reducir la vida útil de un motor, ya que efectivamente se está "forzando" al motor a funcionar a límites

más altos de lo normal. Esto no aplica en turbocompresores instalados por los fabricantes de vehículos.

PARTES DEL TURBO CARGADOR

INTERCOOLEREl intercooler es un intercambiador (radiador) aire-aire o aire-agua que se encarga de enfriar el aire comprimido

por el turbocompresor o sobre alimentador de un motor de combustión interna. El intercooler rebaja la temperatura del aire de admisión a unos 60 °C, con lo que la ganancia de potencia gracias al intercooler está en torno al 10-15%, respecto a un motor solamente sobrealimentado (sin intercooler).

TIPOS DE INTERCOOLER• Aire/aire

En estos el aire comprimido intercambia su calor con aire externo. • Aire/agua

El aire comprimido intercambia su calor con un líquido que puede ser refrigerado por un radiador o, en algunas aplicaciones, con hielo en un depósito ubicado en el interior del coche.

• CriogénicosSe enfría la mezcla mediante la evaporación de un gas sobre un intercambiador aire/aire.

REFRIGERACIONNormalmente el turbocompresor suele estar refrigerado con aceite que circula mientras el motor está en marcha.

Si se apaga bruscamente el motor después de un uso intensivo, y el turbocompresor está muy caliente, el aceite que refrigera los cojinetes del turbocompresor se queda estancado y su temperatura aumenta, con lo que se puede empezar a carbonizar, disminuyendo su capacidad lubricante y acortando la vida útil del turbocompresor.

OVERBOOSTSe conoce como Overboost el periodo durante el cual el sistema produce a plena carga una presión de

sobrealimentación mayor a la normal, con objetivo de aumentar el par motor. Actualmente este sistema, con el control electrónico adecuado, puede tener en cuenta diferentes aplicaciones.

TURBO TIMEREs un sistema que mantiene circulando el aceite en el turbocompresor durante un lapso de tiempo después del

apagado del motor. Algunos modelos funcionan con sensores que detectan la intensidad en el uso del turbocompresor para permitir la lubricación forzada del mismo por un tiempo prudencial después del apagado del motor.

BOOST CONTROLLEREs un dispositivo electrónico o manual con el que se controla la presión que va a mandar el turbo al motor para

evitar overboost.

BITURBOUn "biturbo" es un sistema con dos turbocompresores de distinto tamaño. A bajas revoluciones funciona

solamente el pequeño, debido a su respuesta más rápida, y el grande funciona únicamente a altas revoluciones, ya que ejerce mayor presión.

Un "biturbo en paralelo" o "twin turbo" es un sistema con dos turbocompresores pequeños de idéntico tamaño. Al ser más pequeños que si fuera un turbocompresor único, tienen una menor inercia rotacional, por lo que empiezan a generar presión a revoluciones más bajas y se disminuye la demora de respuesta.

BITURBO SECUENCIALUn "biturbo secuencial" se compone de dos turbocompresores idénticos. Cuando hay poco volumen de gases de

escape se envía todo este volumen a un turbocompresor, y cuando este volumen aumenta, se reparte entre los dos turbocompresores para lograr una mayor potencia y un menor tiempo de respuesta. Este sistema es utilizado en el motor Wankel del Mazda RX-7.

TURBO DE GEOMETRIA VARIABLEEste trabaja variando el área de pasaje de gases de escape dentro de la carcasa de turbina, gracias a los alabes

existentes que cambian de posición de acuerdo con la necesidad del motor. La presión ofrecida por el turbo se obtiene a través de las oscilaciones de velocidad de los gases de escape dentro de la carcasa de turbina, o sea, en las bajas rotaciones del motor el turbo funciona con una carcasa de turbina bien ‘pequeña’, mejorando el torque del motor en estas condiciones, y en altas rotaciones cuando el motor estabiliza su trabajo, los alabes se abren y el turbo funciona como si fuese equipado con una carcasa de turbina grande. Principio de Funcionamiento El actuador controla el movimiento de todos los alavés a través del movimiento del anillo sincronizador. Alabes ‘Cerrados’ aumenta presión y aumenta rotación; Alabes ‘Abiertos’ disminuye presión y disminuye rotación.

TURBO ASIMETRICOConsiste en poner un solo turbocompresor pequeño en una bancada (la delantera en el motor V6 colocado

transversalmente) dejando la otra libre. La idea no es conseguir una gran potencia, sino que la respuesta sea rápida. Este sistema fue inventado por el fabricante sueco Saab y utilizado en el Saab 9-5 V6.

COMPRESORES VOLUMETRICOS

HISTORIAEl compresor de accionamiento mecánico también llamado compresor volumétrico o de desplazamiento positivo

no es ninguna novedad ya que se viene usando desde hace mucho tiempo, Volkswagen ya utilizaba un compresor centrífugo inventado en Francia en 1905. Ford y Toyota empleaban un compresor de tipo Roots inventado en 1854. El uso del compresor volumétrico estuvo en desuso a nivel comercial hasta que a finales de la década de de los 80, cobro un nuevo impulso cuando fabricantes como Lancia o Volkswagen iniciaron su aplicación en modelos de gran fabricación en serie. 

CONCEPTO

Los compresores volumétricos son bombas de aire. Este mecanismo puede producir fácilmente un 50% más de potencia que los motores atmosféricos del mismo tamaño. Los antiguos compresores producían un ruido considerable pero los actuales son mucho más silenciosos. Como ocurre con los alternadores, los compresores volumétricos son accionados por el cigüeñal, generalmente por una correa, pero en ocasiones, por una cadena o conjunto de engranajes. Giran a una velocidad de 10.000 a 15.000 rpm, por lo tanto son mucho más lentos que los turbocompresores. La presión de sobrealimentación está limitada por la velocidad del motor (no hace falta válvula de descarga como en los turbocompresores). 

Debido a su forma de accionamiento ofrece un mayor par motor a bajas rpm que un turbocompresor. Otra ventaja del compresor volumétrico frente al turbocompresor es que tiene una respuesta más rápida (no tiene el efecto "retardo" del turbo). La desventaja principal del compresor es que roba potencia al motor debido a su accionamiento mecánico y esta pérdida aumenta a medida que sube el régimen de giro del motor, por lo que no facilita un rendimiento eficaz del motor. 

OBJETIVOEl objetivo de la instalación en el automóvil de sobre alimentadores, como los compresores volumétricos, es

conseguir un mejor rendimiento del motor a base de llenar los cilindros lo más rápido y con la mayor cantidad de mezcla aire/combustible posible.

FUNCIONAMIENTOsu accionamiento es mecánico y para funcionar necesitan ser movidos por el cigüeñal del motor, arrastre que

supone una carga considerable en el potencial del motor esta desventaja tiene su gran contrapartida y es que al ser accionados directamente por el motor, se ponen en funcionamiento en el mismo instante en que éste arranca, y aumentan o disminuyen su función de sobrealimentación en perfecta armonía con el régimen de giro del motor. Debido a su forma de accionamiento ofrece un mayor par motor a bajas rpm que un turbocompresor. Otra ventaja del compresor volumétrico frente al turbocompresor es que tiene una respuesta más rápida (no tiene el efecto "retardo" del turbo). La desventaja principal del compresor es que roba potencia al motor debido a su accionamiento mecánico y esta pérdida aumenta a medida que sube el régimen de giro del motor, por lo que no facilita un rendimiento eficaz del motor. 

TIPOS DE COMPRESORES

COMPRESOR ROOTSEl compresor de desplazamiento más popular es el de tipo "Roots", denominado "compresor de lóbulos". En

este caso un par de rotores en forma de "ochos" conectados a ruedas dentadas que giran a la misma velocidad pero en sentidos contrarios bombean y comprimen el aire conjuntamente. Este compresor más que comprimir el aire lo que hace es impulsarlo. 

Los rotores se apoyan en unos cojinetes. En vista de que nunca se tocan entre sí, no se desgastan. En ocasiones, los lóbulos son helicoidales y, en otras, de corte recto. Esta versión sencilla con rotores de dos álabes origina una presión relativamente baja, y además la crea muy despacio al aumentar el régimen de giro. La potencia absorbida se sitúa para una sobrepresión de 0,6 bares y paso máximo de aire, en 12.2 CV. El rendimiento del compresor Roots no es muy alto y además empeora con el aumento del régimen de giro. La capacidad de suministro sólo supera el 50% en una gama muy limitada. El aire comprimido se calienta extraordinariamente. 

COMPRESOR GLos compresores utilizados por Volkswagen, llamados compresor centrífugo o cargador "G", presentan una

forma de sus cámaras similar a esta letra. Las piezas alojadas en su interior se desplazan en un movimiento excéntrico (no giran). Se caracteriza por un elemento desplazable dispuesto excéntricamente con estructura espiral en ambos lados (espiras móviles), que da lugar, junto con las carcasas (cárter fijo), también en espiral a cámaras de volumen variable. Dejó de utilizarse en la década de los 90 por sus problemas de lubricación y estanqueidad. El compresor G lo montaban los modelos VW Polo y Golf con los conocidos motores G40 y G60. 

COMPRESOR COMPREXEl comprex aprovecha las ventajas del turbocompresor y del compresor volumétrico para hacer una maquina

más eficaz en un principio, aunque luego veremos que también tiene sus inconvenientes. Transfiere la energía entre los gases de escape y el aire de alimentación por medio de unas "ondas de presión" generadas entre las finas paredes radiales de un tambor, que gira gracias a una conexión directa con el cigüeñal. Combina por lo tanto el funcionamiento de un turbocompresor el aprovecharse de la energía de los gases de escape del motor, si bien el accionamiento de su rotor solo requiere una parte muy pequeña de potencia del motor para el mantenimiento del proceso de las "ondas de presión". Este tipo de compresor funciona muy bien en los motores Diesel, pero presenta desventajas como su complejidad mecánica funcionamiento ruidoso y costes de fabricación. 

VENTAJAS• Al contrario de lo que solía pasar con los turbos, en los compresores volumétricos la sobrepresión máxima se

alcanza desde bajo número de revoluciones, lo cual facilita la conducción al aportar esta sobrealimentación extra en todo el rango de funcionamiento del motor.

• Se calcula que el límite de validez ronda los motores entre 1.6 y 2 litros. • En motores de pequeña cilindrada el compresor mecánico es ventajoso porque en ellos puede trabajar con un

buen rendimiento, y dar resultados a bajo régimen similares al de motores de gran cilindrada.

DESVENTAJAS• Consumen potencia directamente del motor que en ocasiones para regímenes de giro altos pueden alcanzar los

20 CV.• Es difícil conseguir la estanqueidad de los compresores, especialmente a bajas revoluciones, lo cual disminuye

notablemente el rendimiento• Los compresores volumétricos suelen ser de un gran tamaño y peso.