Los turbocompresores tienen la particularidad de aprovechar la fuerza con la que salen los gases de escape para impulsar una turbina colocada en la salida del múltiple de escape. Dicha turbina se une mediante un eje a un compresor. El compresor está colocado en la entrada del múltiple de admisión y con el movimiento giratorio que le transmite la turbina a través del eje común, eleva la presión del aire que entra a través del filtro y consigue que mejore la alimentación del motor. El turbo impulsado por los gases de escape alcanza velocidades por encima de las 100.000 rpm, por lo tanto, hay que tener muy en cuenta el sistema de engrase de los cojinetes donde apoya el eje común de las aletas de la turbina y el compresor. También hay que saber que las temperaturas a las que se va ha estar sometido el turbo en su contacto con los gases de escape van a ser muy elevadas (alrededor de 750 ºC).
Ciclos de funcionamiento del Turbo:
Funcionamiento a ralentí y carga parcial inferior: En estas condiciones las aletas de la turbina son impulsadas por medio de la baja energía de los gases de escape, y el aire fresco aspirado por los cilindros no será precomprimido por la turbina del compresor, simple aspiración del motor.
Funcionamiento a carga parcial media: Cuando la presión en el múltiple de admisión (entre el turbo y los cilindros) se acerca la atmosférica, se impulsa la rueda de la turbina a un régimen de revoluciones más elevado y el aire fresco aspirado por las aletas del compresor es precomprimido y conducido hacia los cilindros bajo presión atmosférica o ligeramente superior, actuando ya el turbo en su función de sobrealimentación del motor.
Funcionamiento a carga parcial
superior y plena carga: En esta fase continúa aumentando la energía
de los gases de escape sobre la turbina del turbo y se alcanzará el valor
máximo de presión en el múltiple de admisión que
debe ser limitada por un sistema de control (válvula de descarga). En
esta fase el aire fresco aspirado por las aletas del compresor es comprimido
a la máxima presión que no debe sobrepasar los 0,9 bar en los
turbos normales y 1,2 en los turbos de geometría variable.
Los elementos principales que forman un turbo son el eje común (3) que tiene en sus extremos las aletas de la turbina (2) y el compresor (1) este conjunto gira sobre los cojinetes de apoyo, los cuales han de trabajar en condiciones extremas y que dependen necesariamente de un circuito de engrase que los lubrica.
Por otra parte el turbo sufre una constante aceleración a medida que el motor sube de revoluciones y como no hay límite alguno en el giro de la turbina empujada por los gases de escape, la presión que alcanza el aire en el múltiple de admisión sometido a la acción del compresor puede ser tal que sea más un inconveniente que una ventaja a la hora de sobrealimentar el motor. Por lo tanto se hace necesario el uso de un elemento que nos limite la presión en el múltiple de admisión. Este elemento se llama válvula de alivio o válvula waste gate (4).Regulación de la presión turbo:
Para evitar el aumento excesivo de vueltas de la turbina y compresor como consecuencia de una mayor presión de los gases a medida que se aumenten las revoluciones del motor, se hace necesaria una válvula de seguridad (también llamada: válvula de alivio o válvula waste gate). Esta válvula está situada en derivación, y manda parte de los gases de escape directamente a la salida del escape sin pasar por la turbina.
La válvula de descarga o wastegate esta formada por una cápsula sensible a la presión compuesta por un muelle (3), una cámara de presión y un diafragma o membrana (2). El lado opuesto del diafragma esta permanentemente condicionado por la presión del múltiple de admisión al estar conectado al mismo por un tubo (1). Cuando la presión del múltiple de admisión supera el valor máximo de seguridad, desvía la membrana y comprime el muelle de la válvula despegándola de su asiento. Los gases de escape dejan de pasar entonces por la turbina del sobrealimentador (pasan por el bypass (9)) hasta que la presión de alimentación desciende y la válvula se cierra.
Temperatura de funcionamiento:
Como se ve en la figura
las temperaturas de funcionamiento en un turbo son muy diferentes, teniendo
en cuenta que la parte de los componentes que están en contacto con los
gases de escape pueden alcanzar temperaturas muy altas (650 ºC), mientras
que las que están en contacto con el aire de aspiración solo alcanzan
80 ºC.
Estas diferencias de temperatura concentrada en una misma pieza (eje común)
determinan valores de dilatación diferentes, lo que produce dificultades
a la hora del diseño de un turbo y la elección de los materiales
que soporten estas condiciones de trabajo adversas.
El turbo se refrigera en parte además del aceite de engrase, por el aire
de aspiración cediendo una determinada parte de su calor al aire que
fuerza a pasar por las aletas del compresor. Este calentamiento del aire no
resulta nada favorable para el motor, ya que no sólo dilata el aire de
admisión de forma que le resta densidad y con ello riqueza en oxígeno,
sino que, además, un aire demasiado caliente en el interior del cilindro
dificulta la refrigeración de la cámara de combustión durante
el barrido al entrar el aire a una temperatura superior a la del propio refrigerante
líquido.
Los motores de gasolina,
en los cuales las temperaturas de los gases de escape son entre 200 y 300ºC
más altas que en los motores diesel, suelen ir equipados con carcasas
centrales refrigeradas por agua. Cuando el motor está en funcionamiento,
la carcasa central se integra en el circuito de refrigeración del motor.
Tras pararse el motor, el calor que queda se expulsa utilizando un pequeño
circuito de refrigeración que funciona mediante una bomba eléctrica
de agua controlada por un termostato.
Intercooler:
Para evitar el problema del aire calentado al pasar por las aletas del compresor del turbo, se han tenido que incorporar sistemas de refrigeración del aire a partir de intercambiadores de calor (intercooler). El intercooler es un radiador que es enfriado por el aire que incide sobre el coche en su marcha normal. Por lo tanto se trata de un intercambiador de calor aire/aire a diferencia del sistema de refrigeración del motor que se trataría de un intercambiador agua/aire.
El engrase del turbo:
Como el turbo está sometido a altas temperaturas de funcionamiento, el engrase de los cojinetes deslizantes es muy comprometido, por someterse el aceite a altas temperaturas y desequilibrios dinámicos de las dos aletas en caso de que se le peguen restos de aceites o suciedad que producirán vibraciones con distintas frecuencias que entrando en resonancia pueden romper la película de engrase lo que producirá microgripajes. Además el eje del turbo está sometido en todo momento a altos contrastes de temperaturas en donde el calor del extremo caliente se transmite al lado mas frío, lo que acentúa las exigencias de lubricación porque se puede carbonizar el aceite, debiéndose utilizar aceites homologados por el API y la ACEA para cada país donde se utilice
Se recomienda después de una utilización severa del motor con recorridos largos a altas velocidades, no parar inmediatamente el motor sino dejarlo arrancado al ralentí un mínimo de 30 seg. para garantizar una lubricación y refrigeración optima para cuando se vuelva arrancar de nuevo. El cojinete del lado de la turbina puede calentarse extremadamente si el motor se apaga inmediatemante despues de un uso intensivo del motor. Teniendo en cuenta que el aceite del motor arde a 221 ºC puede carbonizarse el turbo.
Recomendaciones de mantenimiento
y cuidado para los turbocompresores:
El turbocompresor está diseñado para durar lo mismo que el motor.
No precisa de mantenimiento especial; limitándose sus inspecciones a
unas comprobaciones periódicas. Para garantizar que la vida útil
del turbocompresor se corresponda con la del motor, deben cumplirse de forma
estricta las siguientes instrucciones de mantenimiento del motor que proporciona
el fabricante:
- Intervalos de cambio de aceite
- Mantenimiento del sistema de filtro de aceite
- Control de la presión de aceite
- Mantenimiento del sistema de filtro de aire
El 90% de todos los fallos
que se producen en turbocompresores se debe a las siguientes causas:
- Penetración de cuerpos extraños en la turbina o en el compresor
- Suciedad en el aceite
- Suministro de aceite poco adecuado (presión de aceite/sistema de filtro)
- Altas temperaturas de gases de escape (deficiencias en el sistema de encendido/sistema
de alimentación).
Estos fallos se pueden evitar con un mantenimiento frecuente. Cuando, por ejemplo,
se efectúe el mantenimiento del sistema de filtro de aire se debe tener
cuidado de que no se introduzcan fragmentos de material en el turbocompresor
