Turbocompressor

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure.
Saltar a la navegació Saltar a la cerca
Nota de desambiguació.svg Desambiguació : aquí es refereix a "Turbo". Si esteu buscant altres significats, vegeu Turbo (desambiguació) .
Exemple de turbocompressor seccionat. Al costat esquerre de la imatge es pot veure el costat "calent", mentre que al costat dret el costat "fred".

El turbocompressor (de vegades conegut com a grup turbo o turbo ) és un sistema mecànic amb la finalitat de sobrealimentar el motor de combustió interna .

El turbocompressor consisteix en l'acoblament entre una turbina centrípeta (el costat "calent" o el costat d'escapament del turbocompressor, on es reben els gasos d'escapament d'alta temperatura) i un compressor centrífug (el costat "fred" o la succió , on entra l'aire ser comprimit és xuclat [1] ). És el mètode més comú per a la sobrecàrrega de motors de combustió interna, en particular els de vehicles de motor.

Posició

El turbocompressor s’instal·la el més a prop possible del capçal del motor de quatre temps, on es troben els conductes d’escapament i combustible. Els col·lectors d’escapament flueixen cap al costat calent del turbocompressor a través d’un únic conducte o, com en el cas dels turbocompressors Twin Scroll, cap a dos conductes. Pel que fa al costat fred del turbogrup, si comprimeix l’aire abans del component per barrejar el combustible amb el combustible (carburador o injector), aquests components de mescla, especialment si són del tipus carburador, es defineixen com bufats, mentre que si aquests components es col·loquen riu amunt del turbogrup, es diuen aspirats [2]

Estructura

Aquesta turbomàquina es compon de dues parts unides entre si:

Aquests dos elements es caracteritzen per un impulsor dedicat (en anglès s’anomena impeller), que pot girar a gran velocitat dins de la seva carcassa en forma de voluta . Per tant, al turbocompressor hi haurà un impulsor d’admissió i un d’escapament, que estan connectats entre si i integrats per un eix, i aquests rotadors giraran, dins dels seus allotjaments, a la mateixa velocitat angular.

L’impulsor de la turbina , situat dins de la femella d’escapament de ferro colat, es posa en rotació per l’acció dels gasos d’escapament, quan aquests últims tenen valors d’ entalpia suficientment elevats per ser transferits a la turbina en forma de treball (és a dir, l’energia alliberada per el flux de gasos d’escapament a l’impulsor de la turbina, també anomenat salt d’entalpia) i energia cinètica.

Per tant, la turbina recull l’energia (en forma d’ energia cinètica i entalpia ) dels gasos d’escapament i la transforma en energia mecànica útil per posar el compressor en rotació. Per tant, la rotació de l’impulsor d’escapament provoca en conseqüència la rotació de l’impulsor del compressor (generalment, aquest últim és d’aliatge de magnesi lleuger), ja que estan connectats entre si, al llarg del seu eix de rotació, mitjançant un petit arbre.

El rotor del compressor, dins de la seva estructura en espiral (aquest darrer fabricat en aliatge d’alumini i titani ), es mou en rotació per la turbina, comprimeix l’aire i després l’introdueix al col·lector d’admissió, proporcionant als cilindres del motor un volum d’aire més gran del que es podria aspirar en una unitat de temps si aquest motor fos simplement aspirat. Per tant, el turbocompressor és un conjunt altament eficient, ja que utilitza l’energia residual (que d’una altra manera es malgastaria) dels gasos d’escapament per accionar la turbina i, en conseqüència, el compressor.

Característiques

BMW 2002 Turbo , el primer turisme europeu a adoptar el turbo. [3]

D'aquesta manera, és possible introduir una major quantitat de mescla d'aire / gasolina o aire / dièsel a la cambra de combustió, garantint així un major rendiment en termes de potència i capacitat d'acceleració. Tot i això, precisament gràcies a aquesta potència, fins i tot els gasos d’escapament es veuen obligats a sortir més ràpidament, de manera que el turbocompressor també girarà més ràpidament, donant cada vegada més potència al motor. Els impulsors dels moderns turbocompressors poden assolir més de 180.000 revolucions per minut .

El turbocompressor funciona particularment bé a les altes revolucions del motor de combustió interna, mentre que fins a 2.000-3.000 rpm és gairebé sempre un desavantatge per al motor, a causa de la inèrcia del rotor d’escapament que alenteix la sortida de gas. l’impulsor de la turbina, quan està parat o gira a velocitats de rotació molt baixes, representa un obstacle al moviment del flux de gasos d’escapament, provocant un augment de l’anomenada “contrapressió” a l’escapament), però aquest problema és especialment vàlid per a sistemes turbo proporcionalment grans, tot i que no passa amb sistemes més petits, però que tenen una capacitat de sobrecàrrega menor.

En els motors d’altes prestacions hi ha, per tant, una tendència a instal·lar diversos turbocompressors petits en lloc d’un de sol, per tal de tenir un retard de resposta reduït a la pressió de l’accelerador (és a dir, un turbolag baix) associat a cabals considerables. .

En els darrers anys, per solucionar els problemes relacionats amb el Turbo-lag , els enginyers han recorregut a canalitzar el flux de gasos d’escapament per augmentar el rendiment del turbocompressor ja a baixes revolucions. El " Twin-scroll [4] " manté separats els fluxos polsants que provenen dels cilindres (en un motor de 4 cilindres, els canals s’acoblen de mitjana entre els cilindres 1 i 4, 2 i 3) per tal d’evitar interferències entre ells i maximitzar gràcies a això és la velocitat del rodet. En canalitzar específicament els fluxos mitjançant el sistema " Twin-entry ", hi ha 2 canals de diferents mides i angles basats en l'eix vertical del rotor d'escapament. La col·laboració dels dos canals permet limitar simultàniament les criticitats de la sobrealimentació mitjançant un turbocompressor, és a dir, el Turbo-lag i la interferència mútua de les ones de pressió que es generen alternativament a l’escapament. A més, el Twin-scroll [5] permet, mitjançant la depressió creada per l’acceleració dels fluxos d’escapament, rentar les cambres de combustió i facilitar l’entrada d’aire fresc als cilindres gràcies a l’encreuament de vàlvules (Superposició).

Juntament amb el Twin-scroll, d’acord amb les especificacions requerides pel fabricant, l’eix del rodet s’allotja sobre coixinets de boles, en lloc de sobre casquets / casquets i, en els motors amb més rendiment, aquests coixinets es troben sobre una base ceràmica per limitar o quasi eliminar la fricció. a causa de la rotació. Podem veure que tenim diversos tipus de turbocompressors capaços de carregar més de 2.000 CV

Precaucions

Per no incórrer en l’anomenat fenomen de detonació (és a dir, el cop al cap ), ni tan sols en l’avaria del propi motor, no és possible superar una determinada relació de compressió a l’interior dels cilindres i per aquest motiu i s’utilitzen sistemes de desviació, tant l’aire d’entrada com els gasos d’escapament, en forma de vàlvules especials:

  • vàlvula de comporta residual , per desviar (o evitar) l'excés de gasos d'escapament, que d'una altra manera donaria als impulsors turbo una velocitat de rotació massa alta, creant així problemes de fiabilitat; Aquesta vàlvula també s'utilitza per regular la pressió d'augment, modulant la seva obertura a través de l'ECU.
  • pop-off de la vàlvula (també anomenat de descàrrega, situat entre el turbocompressor i la vàlvula de papallona), que s'obre completament quan es deixa anar el pedal de l'accelerador, quan, tot i la vàlvula de papallona està totalment tancada, els impulsors de l'turbo continuen a causa rotate a la inèrcia de rotació, fent que el compressor continuï comprimint-se i empenyent l’aire cap a la vàlvula de l’accelerador. Aquesta vàlvula no és necessària en el motor de cicle dièsel, ja que no té el cos de l’accelerador. Quan s’obre la finestra emergent , aquest aire s’obre a l’exterior o a una canonada de retorn. Si aquest aire (que no s’introdueix als cilindres) no es ventilés, "colpejaria" la papallona tancada i crearia una ona de pressió de retorn cap al rotor del compressor, donant lloc a l'anomenat martell d' aigua, fenomen que pot pot ser molt perjudicial per a diversos components del turbocompressor.

Aquestes vàlvules poden ser de dos tipus:

  • amb ventilació interna (també anomenada "recirculació" o "by-pass"). A la part d’admissió del turbo, en el cas del pop-off , l’excés d’aire comprimit es transporta riu amunt del compressor a través d’una canonada (o màniga) connectada a l’escapament de la pròpia vàlvula, és a dir, la massa d’aire torneu a passar per l’ entrada de la boca (és a dir, des de la secció d’entrada) del compressor, cosa que també limitarà el fenomen del turbo-lag . Al costat d’escapament del turbo, en el cas de la vàlvula de comporta, els gasos d’escapament sobrants es transporten aigües avall de la turbina (és a dir, passen per alt la turbina), a través d’un conducte dedicat (situat a la femella de la turbina, en el cas d’un comporta interna , o situada al col·lector d’escapament en cas que sigui una comporta externa , separada de la turbina), l’obertura de la qual és controlada precisament per la vàlvula de comporta , des d’on surten pel col·lector d’escapament;
  • amb ventilació externa (o ventilació lliure). Aquest tipus només és vàlid, a la part d’entrada del turbo, per al pop-off. En aquest cas, l'excés d'aire comprimit és simplement expulsat a l'atmosfera per un broquet especial situat a la vàlvula, creant un efecte sonor audible (el típic bufat).

Altres sistemes més buscats i generalment limitats a determinades àrees són:

  • ALS ( Anti-Lag System ), un sistema que permet que la turbina tingui sempre un gran nombre de revolucions fins i tot durant la desacceleració, per tal de tenir una resposta ràpida quan es torni a obrir el control de l’accelerador.
  • El motor d'injecció d'aigua és un mètode que evita l'aparició del fenomen de la detonació.

Sistemes combinats

El sistema de turbocompressors també pot consistir en diversos turbocompressors organitzats de diverses maneres, o un o més turbos es poden associar a un compressor mecànic. Vegem alguns exemples.

Turbocompressor i compressor volumètric

Pel que fa al sistema combinat de turbocompressor i sobrealimentador volumètric, citem, per exemple, el sistema muntat al Lancia Delta S4 de 1985, el motor de quatre cilindres de 1.800 cm³ del qual estava disponible en dues versions, una versió de carretera que va lliurar 250 cavalls de potència (uns 185 kW) i un de ral·li que podria produir més de 500 cavalls de potència (uns 370 kW).

Aquesta unitat utilitzava un sistema de sobrecàrrega en el qual un sobrealimentador i un turbocompressor funcionaven en sèrie. El compressor volumètric va començar immediatament des del ralentí i la seva acció de bombament d’aire (el compressor era del tipus de lòbul volumètric) va augmentar proporcionalment amb les revolucions del motor. A una determinada rpm del motor es va iniciar el funcionament del turbocompressor que, per a un rang curt de rpm, funcionava juntament amb el compressor; quan el turbo va arribar a la condició de plena càrrega, el compressor es va passar per complet: una funció especialment útil a velocitats elevades del motor, per limitar l’absorció mecànica de potència al cigonyal que s’utilitzava per accionar el compressor.

Aquesta solució va ser adoptada recentment pel grup Audi-VW en molts motors TSI .

Multi-turbo

Motor de 2,5 litres d’un Maserati Biturbo del 1985, una de les primeres aplicacions del multi-turbo en un cotxe de producció. [6]

El multi turbo és un sistema de turbocompressor que utilitza dues o més unitats en lloc de la solució única; aquestes unitats es poden connectar de dues maneres:

Seqüencial

Aquest sistema utilitza diverses unitats amb característiques diferents per alimentar el tren motriu en diverses situacions de càrrega del motor.

Generalment s’utilitza un sistema dual, on hi ha un petit turbocompressor, que té una resposta ràpida de l’accelerador a revolucions baixes a mitjanes, però amb una capacitat de flux d’aire d’alimentació reduïda, mentre que l’altre turbocompressor és de mida mitjana-gran, amb un accelerador lent resposta a revolucions baixes-mitjanes, però amb cabals d’aire substancials a plena càrrega.

Aquestes unitats s’utilitzen en diferents moments i tot el funcionament dels turbocompressors està relacionat amb la gestió dels fluxos d’escapament i la seva acció sobre els impulsors de la turbina. Per tant, l'acció d'un sistema seqüencial es pot dividir en tres passos:

  • baixes velocitats del motor, en aquesta situació els gasos d’escapament es transporten a la turbina més petita i, en el rang de revolucions des de la velocitat del motor a la mitjana, també es transmet una part del gas d’escapament a la turbina més gran;
  • revolucions mitjanes , en aquesta situació els gasos d’escapament es transporten a les dues turbines i, en la transició de revolucions mitjanes a altes, els gasos d’escapament es dirigeixen principalment a la turbina més gran.
  • A velocitats elevades , en aquesta situació, tots els gasos d’escapament es transporten a la turbina més gran, mentre que la petita és totalment ignorada.

Aquest procediment permet tenir un funcionament molt lineal del sistema de sobrecàrrega, amb una resposta més ràpida a l'ordre de l'accelerador. D’altra banda, la gestió electrònica de les vàlvules que permeten realitzar els diversos transitoris és molt complexa, de manera que aquesta combinació és molt costosa i difícil d’instal·lar.

Paral·lel

Icona de la lupa mgx2.svg El mateix tema en detall: Triflux .

Aquest sistema transmet els gasos d’escapament provinents dels col·lectors d’escapament del motor, dividint-los en parts iguals dels diversos sistemes turbo, que, en aquest cas, són idèntics i alimenten parts iguals i diferents del motor, o poden funcionar de manera diferent segons la velocitat rpm i l’estat de càrrega del motor en què es troba el motor.

En l'exemple d'un sistema turbo doble, les turbines reben, per la part d'escapament, la part de gasos d'escapament de la meitat del motor i alimenten l'altra meitat del motor per la part d'admissió.

Mentre que en sistemes més sofisticats, les diferents turbines, pel costat calent, s’utilitzen de manera diferent segons la velocitat, fent que diverses turbines funcionin en paral·lel a mesura que augmenta la velocitat del motor.

Aquest sistema permet reduir el retard de resposta del sistema i, a més, permet que el motor funcioni fins i tot amb una turbina danyada, amb el defecte de tenir un cost elevat.

Evolucions

Per millorar l'eficiència i el rendiment del sistema turbo i el seu abast operatiu, s'han desenvolupat diverses solucions.

Desplaçament bessó

Secció lateral d'un Turbo Twin Scroll. Tingueu en compte les dues "U" vermelles a la femella de la turbina, que representen els dos col·lectors d'escapament típics d'aquests turbocompressors.

Twin Scroll Turbo, o simplement Twin Scroll , és un sistema en el qual un únic turbocompressor funciona amb dos canals d’escapament, en lloc d’un només com en els turbos normals o “turbos simples”. El turbocompressor té dues entrades d’escapament i dos broquets, una més petita i més angulada per a una resposta més ràpida i una més gran menys angulada per maximitzar el rendiment. Això permet millorar l’entrada de gasos d’escapament a la turbina i, alhora, augmentar-ne la pressió i la potència. El carter d’entrada està dividit, per tant, els col·lectors d’escapament dels cilindres s’uneixen per parelles i això fa que el flux d’entrada de gas sigui més eficient. Per tant, els gasos d’escapament, en haver de passar per un conducte de secció a la meitat en la mateixa unitat de temps, es mouen més ràpidament i amb major força, provocant una menor inèrcia a baixes revolucions. Amb el mateix volum de gasos d’escapament que entra al turbocompressor, els gasos d’escapament colpegen els impulsors de la turbina amb gairebé el doble de velocitat.

Aquesta disposició s’utilitza principalment en motors de 4 cilindres, en què els col·lectors d’escapament s’acoblen a l’esquema 2-2, en què els cilindres 1 i 4 van junts amb els cilindres 2 i 3, entrant per separat dins de la femella d’escapament del turbo, de manera que mantenir sempre les pulsacions de gas ordenades, per tal de reduir el turbo lag .

Els avantatges d’aquest sistema són una resposta més ràpida del motor en comparació amb un turbo normal gràcies a la pressió de funcionament més elevada i, en conseqüència, també una major potència a baixes revolucions i en comparació amb el doble turboaliment, hi ha menys ocupació de volum i espai. , cosa que el fa ideal per utilitzar-lo en motors de baixa cilindrada o en cotxes petits com ara cotxes petits i súper cotxes . [7] [8]

Turbocompressor de geometria variable

Conceptualment és idèntic al turbocompressor clàssic, però la diferència més gran respecte a aquest darrer és inherent al propulsor d’accionament o d’escapament. En el cas del turbo de geometria variable, l'impulsor de la turbina està, de fet, envoltat d'un anell de pales d'estator amb incidència variable. El moviment d’aquestes paletes estator, controlades per la unitat de control electrònica o mitjançant un depressor, consisteix en la variació del seu angle d’incidència respecte a les paletes rotatives de l’impulsor. En funció de la velocitat de rotació, es tanquen o s’obren per afavorir la velocitat o el cabal dels gasos d’escapament, en funció de les velocitats de funcionament del motor. Això condueix a una major flexibilitat i adaptabilitat del comportament en comparació amb el turbocompressor de geometria fixa, ja que, en explotar la incidència variable de les pales de l’estator en el costat d’escapament calent, un turbo de geometria variable permet obtenir la mateixa baixa inèrcia que un turbocompressor de petites dimensions i un alt flux d’aire d’alimentació (i, per tant, una potència del motor elevada) d’un turbo de grans dimensions. El camp d’aplicació més ampli és el dels turbodièsels d’ injecció d’alta pressió, com ara el common-rail i la injector-pump ; per als motors de gasolina, les altes temperatures d’escapament limiten la possibilitat d’utilitzar aquest sistema.

Nota

  1. ^ "Escape" es refereix al motor que allibera (descarrega) els gasos calents resultants de la combustió. "Càrrega" es refereix a la captació (càrrega) d'aire exterior a través del col·lector / filtre.
  2. ^ Carburació
  3. ^ BMW 2002 Hommage, el Turbo del 73 interpretat de manera moderna , a LaStampa.it . Consultat el 12 de febrer de 2017 .
  4. ^ Riccardo Pati, Turbocharging: Twin-scroll systems , a Auto Tecnica , 27 d'abril de 2018. Consultat el 22 de novembre de 2020 .
  5. ^ Riccardo Pati, Turbocharging: Twin-scroll systems , a Auto Tecnica , 27 d'abril de 2018. Consultat el 22 de novembre de 2020 .
  6. ^ Maserati Biturbo: d'una icona dels anys 80 a un cotxe d'època maltractat [FOTO ESPECIAL] , a Motorionline.com , 12 de gener de 2016. URL consultada el 12 de febrer de 2017 (arxivada des de l' URL original el 12 de febrer de 2017) .
  7. Twin Scroll Turbo System Design - Modified Magazine , a SuperStreetOnline , 20 de maig de 2009. Obtingut el 8 de febrer de 2017 .
  8. ^ Twin Scroll vs. Prova de turbo de desplaçament individual: revista DSPORT , a la revista DSPORT , el 29 de febrer de 2016. Obtingut el 8 de febrer de 2017 .

Articles relacionats

Altres projectes

Enllaços externs

  • Turbo-càrrega: sistemes de doble desplaçament: [1]
Control de l'autoritat Tesauro BNCF 56252 · LCCN (EN) sh85138729 · GND (DE) 4141045-2 · BNF (FR) cb12491468z (data)
Mecànica Portal de la mecànica : accediu a les entrades de Wikipedia relacionades amb la mecànica