martes, 11 de junio de 2013

EL TURBOCOMPRESOR, LA VIEJA NOVEDAD


Planta propulsora tractor VALTRA
DE NUEVO EL TURBO
Hace unos meses realicé la entrada “el turbocompresor ¿eficiencia o marketing?” en la cual “criticaba”, ligeramente el excesivo protagonismo que se daba a la palabra “turbo” en los motores agrícolas cuando se estaban utilizando presiones de soplado en exceso “humildes” y por lo tanto no incrementaban la potencia tanto como se pudiera pensar.
Aquella opinión fue un tanto criticada por algunos fabricantes que si bien reconocieron la “humildad” de las sobrepresiones también “daban fe” del incremento de potencia de forma apreciable. Como el turbocompresor en motor agrícola ya llegado para quedarse pues toca volver a hablar de él.

TURBO: ¿COMO CONVERTIR LO HUMILDE EN EXCELSO?
Las retransmisiones televisivas de F1 tienen sus seguidores. Lo noto porque desde hace unos meses se me pregunta por mi opinión en torno a la vuelta del empleo de motores sobrealimentados en la F1.
La F1 es un “escaparate” de alta tecnología en el sector automovilístico, muchas de las conclusiones obtenidas allí se ven más tarde en la calle. La próxima temporada será de nuevo el momento de ver como los fabricantes de motores de competición de F1 logran demostrar como unos motores pequeños, “poco revolucionados” pero sobrealimentados pueden igualar las cifras de potencia de los motores “gordos”.
En el 2014 los motores de los F1 cambiarán su arquitectura actual V8 a V6, con una “miserable” cilindrada de ¡1600 cc! Y girando sólo a 15000 rev min-1 (ahora el limitador está en 19000 vueltas) además la inyección será “mixta” con un 75 % de inyección directa y un 25 % de indirecta pero eso sí ¡el turbo podrá girar hasta las 125000 vueltas!
Motor Honda F1
¿Será una “birria” de motor? Pues no, ya los fabricantes han dicho que conseguirán hasta 850 CV en calificación (en carrera la potencia bajará pues no podrán sobrepasar un consumo determinado y no se podrá repostar en carrera)
El turbo de un tractor no hace tales maravillas, entre otras cosas porque gira más “lento” y con unas presiones de soplado muy inferiores (No se publicitan los datos de sobrepresión pero suele ser normal encontrar cifras entre 0,8 y 1,5 bares)

¿PARA QUÉ SIRVE?
El turbocompresor o “turbo” es un mecanismo que aprovecha la fuerza de salida de los gases de escape para mover una turbina que a través de un eje común mueve un compresor. El compresor esta colocado en la entrada del colector de admisión. El compresor eleva la presión del aire que entra a través del filtro y consigue que mejore la alimentación del motor.
Las velocidades de giro están por encima de las 100.000 rpm, y eso significa que el engrase de los cojinetes será un punto de máxima atención. 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)

ELEMENTOS de un turbocompresor
Turbo Garret
Los elementos principales que forman un turbo son:

  • La Turbina: recibe el empuje de los gases de escape sobre los álabes. El movimiento de rotación lo transmite a través de un eje común
  • El Compresor: recibe el movimiento de la turbina. Su diseño le permite comprimir el aire atmosférico incorporándole una sobrepresión y lo “empuja” hacia el colector de admisión
  • El eje común: une turbina con compresor. Va apoyado y gira sobre cojinetes. Es el punto crítico del diseño del turbo
  • Válvula de descarga (wastegate): Si el turbo sufriese una aceleración constante a medida que el motor sube de revoluciones y si no hubiese limite alguno en el giro de la turbina se podría llegar a elevar demasiado la presión. La wastegate es el limitador de presión en el colector de admisión (como la espita de seguridad en una olla a presión) y se sitúa en derivación mandando parte de los gases de escape a la salida sin pasar por la turbina
  • Intercooler (Intercambiador de calor): Componentes del turbo en contacto con los gases de escape llegan a alcanzar los 700 ºC pero otros en contacto con el aire de aspiración solo alcanzan 80 ºC, es decir, un enorme gradiente de temperatura concentrada en la misma pieza, el eje común. Además la altísima temperatura de los gases de escape repercute negativamente en la temperatura del aire de admisión (a menor temperatura mayor densidad del aire y por consiguiente mayor riqueza de oxígeno, por eso se intenta pasar aire “fresco” a los cilindros) La solución está en incorporar un sistema de enfriamiento del aire con un radiador (intercooler) del tipo aire/aire (normalmente usa el ventilador del motor) que consigue refrigerar el aire aproximadamente un 40% desde 100°-a 60° con una mejora de la masa de aire (25-30 %) que se traduce en reducir consumo y contaminación y aumentar potencia y par motor.

TURBO DE MOTOR DIESEL O GASOLINA: ¿SON IGUALES?
Diseño de un turbo (cortesía de turbochargers)
NO, no lo son. Los gases de escape en un motor de gasolina están a una temperatura de 200-300 ºC superior a los diesel y por eso casi se generaliza las carcasas del turbo con refrigeración líquida en el turbo de gasolina.
Una de las “averías” más frecuentes en los turbo es el “pegado” debido a que la turbina se “pega” a la carcasa ya que se queda carbonizado el aceite para lubricación y refrigeración, también el gripado de los cojinetes. Bueno pues la avería es más frecuente en los motores de gasolina que en diésel se produce más en motores de gasolina que en diésel.
Para evitar la avería se recomienda que tras un trabajo intenso del motor y antes de apagarlo se mantenga el motor unos instantes al ralentí. Existen motores que incluso cuando se para el motor una bomba eléctrica de agua refrigera la carcasa y se regula por un termostato.

El futuro del turbocompresor
Motor New Holland
Queda mucho potencial de desarrollo. Las líneas maestras de mejora de los fabricantes punteros están en la optimización de las técnicas de fabricación:

  • Reducir el grosor de las paredes del carter de turbina (menos peso significa menos inercia de respuesta)
  • Materiales novedosos. Por ejemplo turbinas fabricadas en aleación de titanio y aluminio (aleación que de nuevo significa ligereza)
  • Carcasa de la turbina y colector de escape fabricados en una sola pieza. La técnica permite ahorro (no existe brida de sujeción) y mejora del sellado

INCONVENIENTES DEL TURBO
Un turbo convencional a bajas revoluciones apenas mueve a la turbina, es decir, no “sopla” e incluso se comporta peor que un motor “atmosférico”. Para evitar el inconveniente los fabricantes optan por varias soluciones:

  • Turbo pequeño: son capaces de comprimir el aire de aspiración desde bajas revoluciones aunque tienen otro inconveniente y es que no son capaces de comprimir el aire necesario cuando el motor está a plena potencia
  • Turbocompresores “pequeños” hermanados: Se colocan dos turbocompresores pequeños en vez de uno grande (sobre todo en motores en "V" o 6 cilindros), también es frecuente el biturbo. En este caso se hermanan de forma escalonada teniendo uno “pequeño” a bajas vueltas y el “grande” para régimen de giro elevado
  • Geometría variable (VTG): Mejora el rendimiento del turbo en todo el régimen de revoluciones. Se usa mucho en motor diésel de alta especificación y es que el detalle importa (en gasolina se usan menos ya que las altas temperaturas de los gases de escape dan problemas en los álabes) El VTG utiliza una corona donde se montan unos álabes móviles capaces de regular el ángulo de ataque del aire. Si el motor gira a bajas revoluciones los álabes disminuyen la sección entre ellos y al aumentar las revoluciones del motor los álabes se mueven para disminuir la velocidad de los gases de escape. El motor no dispone de válvula wastegate (al limitar la velocidad de la turbina con altas revoluciones se disminuye la presión en el colector)
La sensación para el conductor de un VTG es que aumenta la progresividad en la entrega de potencia. Mejora mucho las curvas del motor ofreciendo cantidad de par desde bajas revoluciones y lo mantiene en una amplia franja de vueltas.
La gestión de la posición de los álabes es electrónica (el control se basa en multitud de parámetros: revoluciones motor, presión atmosférica, temperatura de los gases de escape y del aire de admisión e incluso se puede admitir la posibilidad de que el conductor elija conducción “tranquila” o “deportiva”)
El inconveniente de este tipo de turbo ya se sabe: el precio.
Gestión electrónica: Consigue que la presión de soplado se regule de forma más “fina” que con control mecánico y se toman “decisiones” inmediatas para regular el comportamiento del turbocompresor: Una electroválvula es la llave de paso que regula la presión. La electroválvula se gestiona desde la ECU que decide la presión a la que abre el bypass de la wastegate, recibe las instrucciones del conductor o de las necesidades de potencia, por ejemplo un pico de tiro del apero, y así ir modificando de forma continua el valor de la presión de soplado.
En algunos motores agrícolas modernos con Common Rail y gestión electrónica puede ocurrir que se controle la presión de soplado del turbo con una bomba de vacío. La disposición con bomba de vacío es cada vez más habitual al encontrar motores con válvula EGR (recirculación de gases de escape) que también funcionan por vacío.

Para ampliar: revista Agricultura, mayo 2013

4 comentarios:

  1. Tema muy interesante!!

    Una pregunta: ¿como se si mi tractor o mi coche tienen turbo de geometría variable?


    Saludos.
    Twins' Farm
    www.twins-farm.com

    ResponderEliminar
  2. Es muy fácil de ver, el turbo de geometría variable es más complejo, externamente lleva cerca un "actuador" que es el que mueve la orientación de los álabes. Pero es que además los fabricantes ya se preoucpan de pregonarlo en sus catálogos y en la especificación de sus motores. En verdad es un elemento que marca la diferencia.

    ResponderEliminar
  3. John Deere en su modelo 6195R y 6195M monta dos turbos en serie, no sé si lo habéis visto. Me resulta algo curioso, ya que creo que es el primer fabricante de tractores que lo incluye en alguno de sus motores.
    Doble turbo significa dobles problemas? Pues eso creo que va a pasar. Actualmente en mi 6930 con 3000horas tocó cambiar el actuador del turbo (1000€) y ahora con 8300 turbo completo con actuador, más de 2000€ en versión Reman.
    En en el anterior tractor que tuvimos, un 6910 con 8800 horas, jamás tuvimos que tocarle pero era de geometría fija.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. ¡Cuanto se aprende hablando con agricultores profesionales! Hablaremos de esto Kiko.
      Un saludo

      Eliminar