Los compresores
volumétricos funcionan acoplados directamente al
cigüeñal del motor, que transmite el giro a alguna
parte del compresor volumétrico(según del tipo que
se trate) que a su vez introduce el aire a alta presión en
los cilindros del motor. La ventaja fundamental sobre los
turbocompresores es que los efectos de los compresores
volumétricos se aprecian incluso a regímenes bajos
del motor. Su desventaja es que roban parte de la potencia del
motor para poder
funcionar aunque luego la devuelven con creces. Algunas de las
marcas
comerciales de compresores desarrollados son:
Constitución del
turbocompresor
El turbocompresor está compuesto de tres
secciones: la carcasa central, la turbina y el
compresor.
La carcasa central contiene dos cojinetes planos, juntas
de tipo segmento y un manguito de separación. Posee
también conductos para el suministro y vaciado del aceite
que entra y sale de la carcasa.
La rueda de la turbina gira dentro de su carcasa y es
solidaria con el eje central, que gira apoyado en unos cojinetes
lisos, acoplados en el interior de la carcasa central. La rueda
del compresor, que se monta en el otro extremo del eje, forma con
la de la turbina un conjunto de rotación
simultánea.
Un turbocompresor puede girar a velocidades de 120.000
RPM. En algunas unidades de alto rendimiento.
Funcionamiento del turbocompresor
En términos generales existen dos tipos de
turbocompresor: el de impulso y el de presión constante.
Cada uno tiene sus propias características de funcionamiento y, sin
embargo, ambos actúan de la misma forma
básica.
El turbocompresor está montado en la brida de
salida de escape del colector de escape del motor. Una vez puesto
en marcha el motor, los gases de escape de motor que pasan a
través del alojamiento de turbina hacen que giren la rueda
de turbina y el eje, los gases se descargan a la atmósfera
después de pasar por el alojamiento de turbina.
La rueda del compresor, que está montada en el
extremo opuesto del eje de la rueda de turbina, gira con la rueda
de turbina. La rueda de compresor aspira el aire de ambiente al
alojamiento de compresor, comprime el aire y lo manda al soplador
del motor.
Durante el funcionamiento, el turbocompresor responde a
las exigencias de carga del motor reaccionando al flujo de los
gases de escape del motor. Al ir aumentando cl rendimiento del
motor aumenta el flujo de los gases de escape y la velocidad y el
rendimiento del conjunto rotatorio aumentan proporcionalmente
mandando mas aire al soplador del motor.
Algunos motores están dotados de Ínter
enfriadores para reducir la temperatura de
descarga del aire del turbocompresor antes de su entrada en el
soplador
El turbocompresor tipo impulso, necesita un colector de
escape especialmente diseñado para llevar impulsos de
escape de alta energía a la turbina del turbocompresor.
Este diseño,
con sus bifurcaciones individuales, como se muestra en la
figura 4.4, evita la interferencia entre las descargas de gas de
escape procedentes de los distintos cilindros del motor,
produciéndose de este modo una corriente de impulso de
alta velocidad, que
no se consigue con otros diseños.
En algunas aplicaciones, la carcasa de la turbina se
divide en dos zonas (impulso dividido), consiguiéndose con
ello una mejor ayuda para cebar el conjunto de rotación,
al inicio de ésta. El diseño
presenta dos cámaras en espiral, en vez de una. El
término "cámara en espiral" viene dado por la forma
en espiral de la carcasa de hi turbina, la cual disminuye en
volumen hacia
el centro, como la concha de un caracol.
Cada cámara recibe la mitad de la corriente de
escape del motor, por ejemplo, en un motor de cuatro cilindros,
los dos delanteros vierten el gas de escape en la cámara
primera, mientras que los otros dos lo hacen en la
segunda.
Con el tipo de turbocompresor de presión
constante, el gas de escape de todos los cilindros fluye al
interior de un colector común, donde desaparecen los
impulsos, dando lugar a una entrada del gas en la turbina a una
presión constante.
En ambos tipos de turbocompresor, el gas de escape entra
en la turbina formando un anillo en espiral (toroide), lo que
produce una aceleración radial a una presión
reducida y velocidad incrementada sobre las paletas de la
turbina, las cuales están especialmente diseñadas,
de tal forma que se aproveche la fuerza del gas
para la impulsión de la turbina, su eje y la rueda del
compresor unida a él.
El conjunto del compresor es de diseño y construcción similar, tanto en el
turbocompresor de impulso, como en el de presión
constante.
El compresor consta de una rueda y una carcasa, que
lleva incorporada una única espiral o difusor. El aire
entra en la cámara del compresor (aspirado por el giro del
mismo) entre las paletas de la rueda, y es expulsado por efecto
de la fuerza
centrífuga, al interior de la espiral durante la
rotación de la rueda. En este momento la velocidad del
aire disminuye y se produce el correspondiente incremento de la
presión. A medida que el aire asciende alrededor de la
espiral, se va reduciendo su velocidad y la presión
aumenta en función
del diámetro de la sección transversal de la
cámara.
En resumen, el turbocompresor tipo impulso presenta una
rápida excitación del conjunto giratorio, debido a
la rápida sucesión de impulsos de gas de escape
sobre el conjunto de la turbina. Se usa principalmente en
aplicaciones automotrices, cuando es importante la respuesta en
aceleración.
Los turbocompresores de presión constante son
utilizados principalmente en grandes motores Diesel, en máquinas
excavadoras y en aplicaciones marinas, donde la respuesta de
aceleración no es tan crítica.
Para motores alimentados con carburador, según donde se
coloque el sistema de
sobrealimentación se pueden distinguir dos
casos:
Colocación del turbocompresor.
Para motores alimentados con carburador, según donde se
coloque el sistema de sobrealimentación se pueden
distinguir dos casos:
Carburador soplado: el carburador se sitúa entre el
compresor y el colector de admisión. De esta forma el aire
que entra en el compresor es aire limpio directamente del
exterior.
Carburador aspirado: el carburador se monta antes del compresor
por lo que en este caso lo que se comprime es una mezcla de aire
y gasolina.
Este último sistema fue el más utilizado
en las primeras aplicaciones de la sobrealimentación, por
su sencillez y porque proporcionaba una mezcla de aire- gasolina
de temperatura más baja que el sistema soplado.
Sin embargo acualmente se utiliza más el sistema
de carburador soplado ya que este sistema permite la
utilización de un intercambiador de calor o
intercooler. Para motores diesel o motores de gasolina
alimentados por inyección esta clasificación no
tiene sentido ya que los inyectores de combustible se colocan
siempre despues del sistema de
sobrealimentación
El sistema intercooler consiste en un intercambiador de
calor en el que se introduce el aire que sale del turbocompresor
para enfriarlo antes de introducirlo en los cilindros del
motor.
Al enfriar el aire disminuye la densidad de éste
por lo que para el mismo volumen de los cilindros se puede
introducir mayor masa de aire y así mejorar el rendimiento
del motor.
Ventajas de la
turboalimentación
Dado que el turbocompresor es activado por la
energía del gas de escape, que en su vertido al exterior
es desperdiciada, un motor turboalimentado ofrece muchas ventajas
sobre los del tipo convencional. De entre ellas podemos
destacar:
Incremento de la relación
potencia-peso
Un turbocompresor puede incrementar la potencia y el par
motor de un Diesel en un 35% por encima de la versión
convencional. De esta manera, un motor turboalimentado de cuatro
o seis cilindros, de menor tamaño, puede realizar el trabajo de
otro mayor, como un V8 de tipo Convencional.
Reducción del ruido del
motor
La carcasa de la turbina actúa como un conjunto
de absorción del ruido de los
gases de escape del motor. Del mismo modo, la sección del
compresor reduce el ruido de admisión producido por los
impulsos en el colector de admisión. Como resultado de
todo ello, un motor turboalimentado es, normalmente, más
silencioso que otro convencional, aunque generalmente se percibe
un silbido característico cuando el motor está
bajo carga o acelerando.
Un motor turboalimentado tiene un rendimiento
volumétrico más alto que el convencional, con el
que se logra una combustión más completa, que da
como resultado un consumo mas
bajo de combustible.
Los turbocompresores suministran al motor una cantidad
suplementaria de aire en el funcionamiento a media y alta
velocidad, que da lugar a una fase de combustión mucho
más eficaz y limpia, lo que reduce considerablemente la
producción de humos.
Inconvenientes:
Potencias reducidas a bajas revoluciones. Cuando se lleva poco
pisado el acelerador y por lo tanto un régimen de vueltas
bajo, los gases de escape se reducen considerablemente y esto
provoca que el turbo apenas trabaje. La respuesta del motor
entonces es poco brillante salvo que se utilice una marcha
convenientemente corta que aumente el régimen de giro.
El mantenimiento
del turbo es más exigente que el de un motor
atmosférico.
Los motores turbo requieren un aceite de mayor calidad y cambios
de aceite más frecuentes, ya que éste se encuentra
sometido a condiciones de trabajo más duras al tener que
lubricar los cojinetes de la turbina y del compresor
frecuentemente a muy altas temperaturas.
Los motores turboalimentados requieren mejores materiales y
sistemas de
lubricación y refrigeración más
eficientes.
Una de las mejoras más necesarias en los motores
turboalimentados tiene que ver con su prestación a bajo
régimen. Avances en este apartado implican una mejora en
la prestación de la turbina, junto a mayores flujos y
rendimientos del compresor.
Para conseguir esto una de las últimas técnicas
empleadas es la utilización de turbinas de admisión
variable. Con esta técnica se mejoran tanto los valores
máximos de par y potencia como la respuesta a cualquier
régimen.
El peso es otro aspecto a mejorar. En sus últimos
modelos,
Garrett (fabricante de turbocompresores) ha llegado a reducir el
peso en más del 50% de los 7 Kg. del modelo T3 a
los 3 Kg. del GT12.
En los turbo para motores de gasolina otra necesidad es
el aumento de la fiabilidad a alta temperatura. A plena carga se
pueden pasar de 1000 ºC en la turbina y el material
más habitual , denominado inconel, sufre cambios en su
estructura a
partir de esos grados. En el futuro se usará acero
austenítico inoxidable para el envolvente, costoso en la
actualidad, pero garantizado por su uso en
competición.
Una de las mejoras más necesarias en los motores
turboalimentados tiene que ver con su prestación a bajo
régimen. Avances en este apartado implican una mejora en
la prestación de la turbina, junto a mayores flujos y
rendimientos del compresor.
Para conseguir esto una de las últimas
técnicas empleadas es la utilización de turbinas de
admisión variable. Con esta técnica se mejoran
tanto los valores
máximos de par y potencia como la respuesta a cualquier
régimen.
El peso es otro aspecto a mejorar. En sus últimos
modelos,
Garrett (fabricante de turbocompresores) ha llegado a reducir el
peso en más del 50% de los 7 Kg. del modelo T3 a
los 3 Kg. del GT12.
En los turbo para motores de gasolina otra necesidad es
el aumento de la fiabilidad a alta temperatura. A plena carga se
pueden pasar de 1000 ºC en la turbina y el material
más habitual, denominado inconel, sufre cambios en su
estructura a
partir de esos grados. En el futuro se usará acero
austenítico inoxidable para el envolvente, costoso en la
actualidad, pero garantizado por su uso en
competición.
El compresor tipo Comprex utiliza la energía
transmitida, por contacto directo, entre los gases de escape y
los de admisión, mediante las ondas de
presión y depresión
generadas en los procesos de
admisión y escape. El Comprex resulta de un tamaño
bastante grande, y es accionado por el cigüeñal a
través de una correa. Por ambas razones las posibilidades
para elegir ubicación son muy reducidas.
a.-Cámara de gases.
b.-Rotor.
c.-Correa de transmisión
cigüeñal-comprex.
d.-Colector de admisión.
1.-Mezcla de admisión.
2.-Mezcla de presión.
3.-Gases de escape del motor
4.- Escape.
El sistema Comprex, al igual que los sistemas turbo,
aprovecha la energía de los gases de escape. Su principal
ventaja es que responde con mayor rapidez a los cambios de carga
del motor, por lo que éste tendrá un comportamiento
más alegre. Los principales inconvenientes que presenta
este sistema son:
- Precios dos o tres veces mayores que los de un
turbocompresor equivalente. - Presencia de un silbido agudo durante las
aceleraciones. - Altas temperaturas de los gases de admisión,
al haber estado en
contacto las paredes con los gases del escape.
Turbocompresores
de tipo axial.
Los turbocompresores axiales funcionan como los
ventiladores del mismo tipo, pero normalmente están
construidos de varias etapas. Cada corona de álabes fijos
juega el papel de
difusor para el rotor precedente y de distribuidor para el
siguiente. Su constitución general nos recuerda la
turbina a reacción.
El porcentaje de compresión por etapa es
sensiblemente más bajo que el correspondiente a un
compresor centrífugo. Con una velocidad circunferencial de
200 a 250 m/s se puede obtener, para el aire, una relación
de compresión de 1,08 por rotor,
aproximadamente.
La corrección del perfil de los álabes es
de la máxima importancia; dicho perfil debe estudiarse de
acuerdo con las leyes de la
mecánica de los fluidos. En efecto, la
fuerza centrifuga no permite, como en el caso de compresores
centrífugos, la adherencia del fluido con la pared del
álabe; una desviación mínima de la
inclinación de esta última da lugar a la
formación de torbellinos, al despegue de la vena
aeráulica y al descebado del compresor. O sea, el
rendimiento óptimo corresponde a un margen de
variación del caudal muy estrecho y como por otro lado, la
curva característica de presión-caudal presenta una
pendiente muy pronunciada, los compresores axiales sólo
son indicados para aquellas aplicaciones en que, para una
velocidad constante, el caudal esté bien
determinado.
No obstante, ciertos compresores axiales están
dotados de un dispositivo de regulación de la
orientación de los álabes, sea con turbocompresor
parado, o bien con la máquina en funcionamiento, lo cual
permite adaptarlos a las condiciones de
utilización.
El trayecto recorrido por el fluido es mucho más
directo que en el caso de compresores centrífugos, lo que
permite una construcción con dimensiones más
reducidas y de menor peso; en régimen normal puede
obtenerse un incremento sensible del rendimiento óptimo el
rendimiento adiabático puede llegar hasta el
85%.
Los compresores axiales se utilizan en el ciclo de las
turbinas de gas y de los turborreactores de avión, su
empleo. Su
empleo
característico es el de turbocompresores no refrigerados,
para grandes caudales (300 a 3000 m3/min.) y
débiles presiones (2 ó 3 Kg/cm2
efectivos) para la inyección de aire en altos hornos.
Asimismo, se construyen compresores mixtos, en los cuales las
primeras etapas son del tipo axial y las restantes del tipo
centrifugo.
4. Ciclos ideales y
sus procesos
A pesar de que el motor de combustión no funciona
de acuerdo con un ciclo termodinámico el concepto del
ciclo sigue siendo un expediente muy útil para mostrar los
efectos de los cambios en las condiciones de operación,
para indicar el rendimiento máximo y para comparar un tipo
de motor de combustión con uno respecto a otro.
Cuando en un ciclo hipotético se presupone que el
fluido motor es aire solamente, se le conoce como un ciclo de
aire normal. Se considera, que el calor es suministrado
directamente al ciclo o rechazado por él se ignoran las
pérdidas de calor, en tanto que el poder
calorífico del aire, se estima como constante.
El ciclo Otto. Se puede trazar un ciclo
hipotético para el motor Otto (así como para el
motor común EC diesel), a partir de un diagrama PV.
Los procesos de
compresión y dilatación vienen a ser idealmente,
procesos isoentrópicos. La combustión y la "fuga"
del escape que se verifican casi a volumen constante en el motor,
ahora, para el ciclo propuesto se consideran como procesos a
volumen específico constante. En los diagramas PV y
TS, se observan los mismos procesos que son:
ab: compresión isoentrópica
bc: aportación de calor a volumen
constante
cd: dilatación isoentrópica
da: rechazo de calor a volumen constante
Para este ciclo, por unidad de peso de aire se
tiene:
QArev=
cp(Tc-Tb)
QRrev=
cv(Ta-Td)
Como las relaciones de compresión y de
expansión son iguales:
En este caso, rv, es la relación de
expansión o dilatación del ciclo. (una
relación de volúmenes):
Pero esto último también es la
relación de compresión puesta que el émbolo
volverá a recorrer sus mismos pasos al completar d
ciclo.
El valor de k no
es constante, dado que disminuye con la temperatura, tanto para
los gases reales como para los perfectos, se obtendrán
varios valores del
rendimiento térmico para cada valor de
rv. Más aún, se podrá seleccionar
para el ciclo un fluido con un valor k mayor que el del
aire.
El ciclo Diesel. Es posible trazar un ciclo
teórico para el motor Diesel, a partir del diagrama PV.
En el ido ideal, los procesos de compresión y
dilatación vienen a ser procesos isoentrópicos; el
periodo de combustión se toma como proceso
presión constante; la salida de los gases de escape se
hace como proceso a volumen específico constante. En la
figura se muestran los diagramas PV y TS
para este ciclo idealizado:
ab: compresión isoentrópico
bc:, adición de calor a presión
constante
cd: expansión isoentrópica
da: rechazo de calor a volumen constante para este
ciclo
Para este ciclo:
Llamando a Tc/Tb la
relación de carga L y sustituyendo se tiene:
Esta ecuación es diferente para el ciclo Diesel y
para el ciclo Otto, solamente por el término en el
paréntesis rectangular que siempre es mayor que la unidad.
Por lo tanto, el rendimiento del ciclo Diesel es menor que el del
ciclo Otto, cuando se hace la comparación con la misma
relación de expansión y para el mismo medio
motor.
El ciclo Otto era independiente de la carga, el del
ciclo Diesel aumenta progresivamente a medida que la carga
disminuye y llega a ser igual al del ciclo Otto en el
límite de cero carga.
El ciclo Otto permite la expansión más
completa y obtiene la eficiencia
más alta, porque todo el calor es suministrado antes que
el proceso de expansión se inicie. En el ciclo Diesel dado
la última parte del calor es suministrada al fluido que
tiene una dilatación relativamente pequeña,
después del rechazo.
Esta comparación es importante porque el motor
diesel real usa altas relaciones de compresión, en tanto
que el motor ECH está titado a relaciones relativamente
bajas por las restricciones impuestas por la
detonación.
5. Tipos de
compresores mas utilizados
Algunas de las marcas
comerciales de compresores desarrollados son:
Compresores Eaton Roots.
Compresor de pistones rotativos Wankel.
Compresor de hélice Sprintex.
Compresor Pierbug de pistón rotativo.
Compresor KKK de pistón rotativo.
Compresor G de Volkswagen.
Se trata de una máquina pura de
circulación, en las que no se comprime el aire. La
presión de carga efectiva no se crea hasta llegar al
colector de admisión.
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.
Al igual que el anterior tampoco comprime el aire
internamente, sin embargo la sobrepresión de carga, bajo
las mismas condiciones, alcanza un máximo más
elevado.
La potencia absorbida se sitúa en sólo 8
CV y la temperatura del aire se eleva menos. El rendimiento de
este compresor supera el 50% en una gama más
alta.
Compresor
Volumétrico De Pistones Rotativos Wankel
Su funcionamiento es similar al del roots, pero variando
sustancialmente su geometría.
De esta manera se mejoraron notablemente las
propiedades.
La sobrepresión que se alcanza es alta. La
potencia absorbida para una presión de 0,6 bares y
máximo paso de aire alcanza 8.2 CV. La temperatura del
aire no se eleva mucho.
El rendimiento está por encima del 50% para capacidad de
circulación media y en una pequeña gama incluso
supera el 60%.
Este compresor fabricado en Escocia presenta un elevado
consumo de
energía, para una baja capacidad de suministro, con el
máximo en casi 11 CV. La causa parece radicar en los
cojinetes lisos del compresor Sprintex que ayudados por el
rozamiento interno eleva mucho la temperatura del aire. El
rendimiento no es muy bueno y sólo con alta
sobrepresión y un elevado grado de paso de aire se acerca
al 50%.
Compresor Pierburg De
Pistón Rotativo
Este compresor tiene un parentesco cinématico con
el motor Wankel. Un rotor de tres álabes describe una
trayectoria circular en un tambor rotativo con cuatro
cámaras. Las cámaras en su rotación van
cambiando de volumen y por lo tanto el aire se comprime dentro
del compresor.
El consumo de energía es muy bajo también
en carga parcial, entre 2.7 y 8.2 CV. La elevación de la
temperatura es reducida. El rendimiento del compresor supera el
50% en una amplia gama de capacidad media de
suministro.
Compresor KKK De
Pistón Rotativo
Es una modificación del compresor
Roots. El rotor gira en un tambor que lo envuelve, que
también gira por su parte. La creación de la
sobrepresión de carga y el paso del aire es muy
rápido en el KKK. La potencia necesaria para conseguir una
elevada presión y un alto grado de flujo es relativamente
baja, con valores que se acercan a los 8 CV. El aire se calienta
muy poco por la sobrepresión. El rendimiento del compresor
KKK es muy bueno y en una amplia gama ronda el 50% y en una gama
más pequeña supera el 60%.
Se diferencia de otros modelos sobre todo porque no se
compone de elementos en rotación para conseguir la
circulación. La compresión del aire en el conducto
del caracol es consecuencia de un movimiento
oscilante de la pieza interior. La característica de
suministro del compresor G cumple el requisito de una
rápida creación de presión. Una elevada
capacidad de circulación se aúna aquí con un
bajo consumo de energía, ya que las pérdidas por
rozamiento son muy pequeñas en los cojinetes del compresor
G. El rendimiento alcanza en determinadas gamas de carga,
máximos del 60%.
El compresor G de Volkswagen ya no se utiliza, y se ha
estado
incorporando en algunos motores del W. Polo, W Golf y W. Passat
durante menos de una década.
Se puede concluir del presente trabajo que el
turbocompresor da a los motores de combustión interna
mejores características que permiten mejorar en forma
sustancial, al incrementar en formar determinante el aumento de
la masa de mezcla combustible requerida para el proceso de
combustión en la cámara.
El trabajo ha dejado suficientemente claro la
relación PV y TS en la cual al incrementar los valores de
presión y temperatura, el valor del rendimiento aumenta
como consecuencia del equilibrio
termodinámico.
Se han visualizado los diferentes tipos de compresores
que formar parte del turboalimentador destacando de ello sus
ventajas, desventajas y principales
características.
El inconveniente presentado con el material
bibliográfico posiblemente no he permitido ahondar mas
profundamente en el tema, el cual es de suma importancia en los
controles de motores, sin embargo esta se ha cumplido con el
objetivo propusto.
Manual de mantenimiento
de motores diesel
Motores Diesel y Sistemas de Inyección. Barry
Wellington
Fundamentos de termodinámica. Gordon Van Wylen
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