Un turbocompresor es esencialmente un compresor de aire que aumenta el volumen de aire de admisión comprimiendo aire. Utiliza la fuerza de inercia de los gases de escape del motor para impulsar una turbina dentro de la carcasa de la turbina. La turbina, a su vez, impulsa un impulsor coaxial, que comprime el aire suministrado a través del filtro de aire y lo fuerza hacia los cilindros. A medida que aumenta la velocidad del motor, la velocidad de los gases de escape y la velocidad de la turbina también aumentan sincrónicamente, lo que hace que el impulsor comprima más aire en los cilindros. El aumento de la presión y la densidad del aire permiten la combustión de más combustible. Al aumentar la cantidad de combustible y ajustar la velocidad del motor, se puede aumentar la potencia de salida del motor. Los coches de carreras suelen tener turbocompresores instalados en sus motores para generar mayor potencia. Un motor genera energía quemando combustible en sus cilindros. La cantidad de entrada de combustible está limitada por la cantidad de aire que ingresa a los cilindros, lo que limita la producción de potencia. Si el motor ya está funcionando en su estado óptimo, sólo se puede lograr un mayor aumento de la potencia de salida comprimiendo más aire en los cilindros para aumentar la cantidad de combustible y mejorar la eficiencia de la combustión. En las condiciones tecnológicas actuales, un turbocompresor es el único dispositivo mecánico que puede aumentar la potencia de salida del motor sin cambiar su eficiencia.
La mayor ventaja de un turbocompresor es su capacidad para aumentar significativamente la potencia y el par del motor sin aumentar la cilindrada. Generalmente, la potencia y el par de un motor con turbocompresor aumentan entre un 20% y un 30%. La desventaja de un turbocompresor es el retraso, lo que significa que debido a la inercia del impulsor, reacciona lentamente a los cambios repentinos de aceleración, provocando un retraso en la producción de potencia del motor. Esto puede provocar una sensación momentánea de lentitud en los coches que intentan acelerar o adelantar bruscamente.
Actualmente, los principales vehículos turboalimentados del mercado chino son el Audi 1.8T y el Passat 1.8T. Primero, analicemos la estructura general y el principio de funcionamiento de un turbocompresor. Un turbocompresor de gases de escape se compone principalmente de un impulsor de bomba y una turbina, junto con otros componentes de control. El impulsor de la bomba y la turbina están conectados por un eje, que es el rotor. Los gases de escape del motor impulsan el impulsor de la bomba, que a su vez hace girar la turbina. Luego, la turbina presuriza el sistema de admisión. El turbocompresor está instalado en el lado de escape del motor, por lo que su temperatura de funcionamiento es muy alta y la velocidad del rotor es extremadamente alta, alcanzando cientos de miles de revoluciones por minuto. Estas altas velocidades y temperaturas hacen que los rodamientos mecánicos de agujas o de bolas habituales no sean adecuados para el rotor. Por lo tanto, los turbocompresores generalmente utilizan cojinetes totalmente flotantes, lubricados con aceite de motor y enfriados con refrigerante. Anteriormente, los turbocompresores se utilizaban principalmente en motores diésel, pero ahora algunos motores de gasolina también los utilizan. Debido a que la gasolina y el diésel tienen diferentes métodos de combustión, el tipo de turbocompresor utilizado en estos motores también difiere.
Los motores de gasolina se diferencian de los motores diésel en que no introducen aire directamente en los cilindros; en cambio, alimentan una mezcla de gasolina y aire. Una presión excesiva en esta mezcla puede provocar fácilmente una detonación. Por tanto, la instalación de un turbocompresor debe evitar la detonación, lo que implica dos cuestiones relacionadas: el control de alta temperatura y el control del tiempo de encendido.
La turboalimentación forzada aumenta la temperatura y la presión durante la compresión y la combustión en un motor de gasolina, aumentando la tendencia a la detonación. Además, las temperaturas de escape de los motores de gasolina son más altas que las temperaturas de escape de los motores diésel, y no es aconsejable aumentar el ángulo de superposición de las válvulas (el momento en que las válvulas de admisión y de escape están abiertas simultáneamente) para mejorar el enfriamiento de los gases de escape; Reducir la relación de compresión dará como resultado una combustión incompleta. Además, los motores de gasolina funcionan a velocidades más altas que los motores diésel, lo que genera mayores variaciones en el flujo de aire, lo que fácilmente puede provocar un retraso en el turbocompresor. Los ingenieros han realizado mejoras específicas para abordar estos problemas con el uso de turbocompresores en motores de gasolina, permitiendo que los turbocompresores de gases de escape también se utilicen en motores de gasolina.
intercooler
El aumento de temperaturas no sólo afecta la eficiencia de la carga sino que también aumenta el riesgo de detonación. Por lo tanto, se necesita un dispositivo para reducir la temperatura del aire de admisión; este es el intercooler. Se instala entre la salida del turbocompresor y el colector de admisión para enfriar el aire que ingresa a los cilindros. El intercooler, al igual que un radiador, utiliza aire o agua para enfriar el aire, permitiendo que el calor se disipe a la atmósfera. Las pruebas muestran que un intercooler de buen rendimiento puede mantener una relación de compresión constante del motor sin causar detonación, al mismo tiempo que reduce la temperatura para aumentar la presión de admisión, mejorando aún más la potencia efectiva del motor.
Impulso
Debido al amplio rango de velocidades y las grandes variaciones en el flujo de aire en los motores de gasolina, el impulsor del compresor del turbocompresor presenta un complejo diseño de aspas curvas tridimensionales de paredes ultradelgadas, generalmente con 12 a 30 aspas dispuestas en un patrón de curva radial. El grosor de la hoja es inferior a 0,5 mm y está hecha de aluminio mediante un método de fundición especial. La calidad de la forma de las palas afecta directamente el rendimiento del motor turboalimentado. Una forma y un ángulo del impulsor más racionales y un peso más ligero dan como resultado un arranque más sensible del impulsor y minimizan el "retraso de respuesta" inherente del turbocompresor.
Sensor de detonación
Además de reducir la temperatura para disminuir la posibilidad de detonación, también se utiliza un sensor de detonación. Su función es detectar vibraciones anormales cuando se producen golpes e inmediatamente enviar la información al sistema de control de la ECU (Unidad de control electrónico) del motor, retardando ligeramente el tiempo de encendido. Una vez que se eliminan los golpes, el tiempo de encendido vuelve a la normalidad.
Debido a que los motores de gasolina de los turismos tienen velocidades más altas y un flujo de aire más rápido y variable, sus turbocompresores enfrentan requisitos más altos. Los motores de turismos modernos utilizan ampliamente sistemas de inyección electrónica de combustible y, con el apoyo de la tecnología de control electrónico y nuevos materiales, la aplicación de turbocompresores en motores de gasolina será cada vez más común.
Los turbocompresores de escape de turismos utilizan una carcasa de turbina de entrada única, lo que significa que utilizan únicamente la energía de presión de los gases de escape sin requerir otras fuentes de energía auxiliares. Debido al amplio rango de velocidades de los motores de los turismos, los turbocompresores de escape deben tener mecanismos de ajuste para garantizar una presión de sobrealimentación relativamente constante dentro de un determinado rango de velocidades. Además, los motores de gasolina utilizan encendido por chispa y sus relaciones de compresión son limitadas; relaciones de compresión excesivamente altas pueden provocar detonaciones. Por lo tanto, también se requiere un mecanismo de control y detección de detonación para ajustar el ángulo de avance del encendido según sea necesario.
El turbocompresor de gases de escape de un automóvil generalmente se instala cerca del tubo de escape. La turbina y el impulsor están montados en la carcasa de la turbina y el turbocompresor respectivamente, conectados rígidamente de forma coaxial y girando sincrónicamente.
Actualmente, la mayoría de los mecanismos de ajuste del turbocompresor se encuentran en el lado del escape. Cuando no se necesita impulso, como al ralentí o cuando hay signos de golpes, algunos gases de escape se escapan a través de una válvula de derivación en lugar de ingresar al turbocompresor. Cuando la velocidad del motor alcanza las 1800 rpm, la válvula solenoide cierra la válvula de derivación, dirigiendo el flujo de escape hacia la turbina y provocando que gire. Otro diseño ajusta el ángulo de las palas de la turbina, cambiando la velocidad de la turbina alterando la resistencia, cambiando así la presión de sobrealimentación.
Enfriar el aire hace que se contraiga y aumente su densidad, lo que permite empaquetar más aire en el mismo volumen y también evita golpes. Por lo tanto, los turbocompresores de los automóviles están equipados con un intercooler. Este intercooler generalmente está enfriado por aire y se instala delante, al lado o en un lugar separado del radiador del motor, utilizando el flujo de aire entrante o su propio ventilador para enfriar.
El componente clave de un turbocompresor es el rodamiento. Este tipo de rodamiento, denominado según su método de lubricación, se denomina "rodamiento totalmente flotante". Funciona a velocidades extremadamente altas y en entornos hostiles. Por lo tanto, garantizar una lubricación adecuada es fundamental. Si la baja presión de aceite provoca un suministro lento de aceite, dañará el cojinete y provocará una falla en el turbocompresor. Este tipo de falla no ocurrirá durante los arranques normales del motor, pero si el motor se arranca por primera vez después de un cambio de aceite y filtro de aceite, puede ocurrir un suministro lento de aceite, lo que resulta en una lubricación insuficiente del cojinete. En este caso, después del arranque, deje el motor en ralentí durante unos 3 minutos; no aumente inmediatamente la velocidad del motor hasta la velocidad inicial del turbocompresor. Del mismo modo, después de conducir a altas velocidades o cuesta arriba, no pare inmediatamente el motor; déjelo en ralentí durante aproximadamente 1 minuto para garantizar que el cojinete del turbocompresor, que todavía está en ralentí, no carezca de lubricación. Por tanto, los conductores de vehículos turboalimentados deben seguir estrictamente las instrucciones del fabricante y prestar mucha atención a la calidad del aceite del motor; Los vehículos turboalimentados no deben funcionar como vehículos normales.
(1) Válvula solenoide, (2) Cámara de combustión del cilindro, (3) Intercooler, (4) Filtro de aire, (5) Impulsor, (6) Turbina, (7) Válvula de derivación de escape
Por tanto, respecto a este principio estructural, cabe señalar algunas cuestiones a la hora de utilizar este tipo de motores:
1. Después de arrancar el motor, debe funcionar en ralentí durante un tiempo para permitir que el aceite lubricante alcance una cierta temperatura y presión de trabajo, a fin de evitar un desgaste acelerado o incluso el agarrotamiento de los cojinetes debido a la falta de aceite cuando la carga aumenta repentinamente.
2. Cuando el vehículo está estacionado, debido a que el rotor del turbocompresor tiene cierta inercia, no se debe apagar el motor inmediatamente. Debe estar inactivo durante un período de tiempo para permitir que la temperatura y la velocidad del rotor del turbocompresor disminuyan gradualmente. Apagar inmediatamente el motor hará que el aceite pierda presión, y el rotor se dañará por falta de lubricación al girar por inercia.
3. Verifique periódicamente el nivel de aceite para evitar fallas en los cojinetes y agarrotamiento de las piezas giratorias debido a una cantidad insuficiente de aceite.
4. Cambie el aceite y el filtro de aceite con regularidad. Debido a que los rodamientos totalmente flotantes tienen altos requisitos de aceite lubricante, se debe utilizar el grado de aceite especificado por el fabricante. 5. Limpie y reemplace periódicamente el filtro de aire. Un filtro de aire sucio aumentará la resistencia de admisión y reducirá la potencia del motor.
6. Compruebe con frecuencia la estanqueidad del sistema de admisión. Las fugas permitirán que entre polvo al turbocompresor y al motor, dañándolos.
7. Debido a que los cojinetes del rotor del turbocompresor tienen una precisión muy alta, el entorno de trabajo durante el mantenimiento y la instalación requiere un control estricto. Por lo tanto, si el turbocompresor funciona mal o está dañado, se debe reparar en un taller de servicio autorizado.
En los últimos 30 años, los turbocompresores se han generalizado en muchos tipos de automóviles. Compensan algunas deficiencias inherentes de los motores de aspiración natural, permitiendo que los motores aumenten la potencia de salida en más de un 10% sin cambiar la cilindrada.
Por lo tanto, muchos fabricantes de automóviles utilizan esta tecnología de turbocompresor para mejorar la potencia de salida del motor, logrando así coches de alto rendimiento.
