La historia de la turbo alimentación
No hay duda de que cada uno de nosotros ha notado la placa de identificación «turbo» en un automóvil de aspecto normal al menos una vez en su vida. A propósito, los fabricantes hacen estas placas de identificación de tamaño pequeño y en lugares discretos para que un transeúnte no iniciado no lo note y pase de largo. Y una persona consciente ciertamente se detendrá y estará interesada en el automóvil. La siguiente es una historia sobre las razones de este comportamiento.
Los diseñadores de automóviles (desde el momento en que apareció esta profesión) están constantemente preocupados por el problema del aumento de potencia del motor. Las leyes de la física establecen que la potencia del motor depende directamente de la cantidad de combustible quemado en un ciclo de trabajo. Cuanto más combustible quemamos, mayor es la potencia. Y, digamos, queremos aumentar la «cantidad de caballos» debajo del capó, ¿cómo hacer eso? Ahí es donde enfrentamos los problemas.
El hecho es que se necesita oxígeno para quemar combustible. Entonces no es un combustible, sino una mezcla de combustible y aire que se quema en cilindros. Es necesario mezclar combustible con aire no al ojo, sino en una cierta proporción. Por ejemplo, una mezcla para motores de gasolina se compone de una parte de combustible y 14-15 partes de aire, según el modo de funcionamiento, la composición del combustible y otros factores.
Como podemos ver, se requiere mucho aire. Si aumentamos el suministro de combustible (esto no es un problema), también tendremos que aumentar significativamente el suministro de aire. Los motores convencionales lo atraen por sí mismos debido a la diferencia de presión en el cilindro y en la atmósfera. La dependencia resulta ser directa: cuanto mayor sea el volumen del cilindro, más oxígeno entrará en cada ciclo. Eso es lo que hicieron los estadounidenses, produciendo enormes motores con un consumo de combustible alucinante. Pero, ¿hay alguna manera de bombear más aire en el mismo volumen?
Lo hay, y fue inventado por el Sr. Gottlieb Wilhelm Daimler. ¿Te resulta familiar este apellido? Por supuesto, se usa en el nombre DaimlerChrysler. Entonces, este alemán era muy bueno con los motores y, allá por 1885, inventó la forma de bombear más aire en ellos. Se le ocurrió la idea de bombear aire a los cilindros utilizando un sobrealimentador, que era un ventilador (compresor) que recibía la rotación directamente del eje del motor y bombeaba aire comprimido a los cilindros.
El ingeniero e inventor suizo Alfred J. Büchi fue aún más lejos. Estaba a cargo del desarrollo de motores diesel en la empresa Sulzers Brothers, y no le gustaba en absoluto el hecho de que los motores fueran grandes y pesados, y desarrollaran poca potencia. Tampoco quería quitarle energía al motor para hacer girar el compresor de accionamiento. Por lo tanto, en 1905, el Sr. Büchi patentó el primer dispositivo de carga de aire del mundo, que empleaba la energía de los gases de escape como fuente de energía. En pocas palabras, inventó la turboalimentación.
La idea del suizo inteligente es tan simple como ingeniosa. Los gases de escape hacen girar una rueda de palas mientras los vientos mueven las aspas del molino. La única diferencia es que la rueda es muy pequeña y hay muchas cuchillas. Una rueda de cuchillas se llama rotor de turbina y está montada en un eje con la rueda del compresor. De manera convencional, el turbocompresor se puede dividir en dos partes: un rotor y un compresor. El rotor recibe la rotación de los gases de escape y el compresor conectado a él bombea aire adicional a los cilindros, funcionando como un «ventilador». Toda esta construcción intrincada se llama turbocompresor (de las palabras latinas «turbo» – vórtice y «compressio» – compresión).
En un motor turboalimentado, el aire que ingresa a los cilindros a menudo debe enfriarse adicionalmente; luego, su presión puede aumentarse bombeando más oxígeno al cilindro. Después de todo, es más fácil comprimir aire frío (ya en el cilindro del motor de combustión interna) que caliente.
El aire que pasa a través de la turbina se calienta por compresión, así como de las partes de turboalimentación calentadas por los gases de escape. El aire suministrado al motor se enfría con el uso de un intercooler. Este es un radiador instalado en la ruta de aire desde el compresor hasta los cilindros del motor. Al pasar a través de él, cede su calor a la atmósfera. Y el aire frío es más denso, lo que significa que se puede bombear aún más aire al cilindro.
Cuantos más gases de escape ingresen a la turbina, más rápido girará y cuanto más aire adicional ingrese a los cilindros, mayor será la potencia. La eficiencia de esta solución en comparación, por ejemplo, con un supercargador de accionamiento es que se gasta muy poca energía del motor, solo el 1,5%, en el «automantenimiento» de la carga. El hecho es que el rotor de la turbina recibe energía de los gases de escape no a través de su desaceleración, sino a través de su enfriamiento: después de la turbina, los gases de escape aún son rápidos, pero más fríos. Además, la energía libre gastada en la compresión de aire aumenta la eficiencia del motor. Y la capacidad de obtener más potencia de un volumen de trabajo más pequeño significa menos pérdidas por fricción, menos peso del motor (y del automóvil en su conjunto). Todo esto hace que los coches turboalimentados sean más eficientes en combustible en comparación con sus homólogos atmosféricos de la misma potencia. Parecería que esto es felicidad. Pero no, no es tan simple. Los problemas acaban de empezar.
En primer lugar, la velocidad de rotación de la turbina puede alcanzar las 200 mil revoluciones por minuto, y en segundo lugar, la temperatura de las incandescentes alcanza, imagínense, ¡1000°C! ¿Qué significa todo esto? Es muy costoso y difícil fabricar un turbocompresor que pueda soportar cargas tan pesadas durante mucho tiempo.
Por estas razones, la turboalimentación se generalizó solo durante la Segunda Guerra Mundial y solo en la aviación. En los años 50, la empresa estadounidense Caterpillar logró adaptarlo a sus tractores, y maestros de Cummins diseñaron los primeros turbodiesel para sus camiones. Los motores turbo aparecieron en los automóviles de pasajeros en serie incluso más tarde. Ocurrió en 1962, cuando se lanzaron al mercado casi simultáneamente el Oldsmobile Jetfire y el Chevrolet Corvair Monza.
Pero la complejidad y el alto costo del diseño no son los únicos inconvenientes. El hecho es que la eficiencia de la turbina depende en gran medida de la velocidad del motor. A bajas velocidades, el volumen de gases de escape no es mucho, el rotor gira mal y el compresor casi no inyecta aire adicional en los cilindros. Por lo tanto, sucede que el motor no funciona en absoluto a menos de tres mil rpm, y solo luego, después de cuatro o cinco mil, «dispara». Esta mosca en el ungüento se llama retraso del turbocompresor. Además, cuanto más grande sea la turbina, más tiempo acumulará velocidad. En consecuencia, los motores con una relación potencia-peso muy alta y turbinas de alta presión, por regla general, sufren particularmente el retraso del turbocompresor. Pero las turbinas que crean baja presión casi no tienen retrasos en el turbo, pero no aumentan demasiado la potencia.
Un esquema de turbocompresor secuencial ayuda a eliminar casi por completo el retraso del turbo. A bajas velocidades del motor, funciona un pequeño turbocompresor de baja inercia que aumenta el empuje en los «fondos», y el segundo, más grande, se enciende a altas velocidades con un aumento en la presión de escape. En el siglo pasado, se utilizó un turbocompresor secuencial en el Porsche 959, y hoy, por ejemplo, los turbodiésel de BMW y Land Rover están dispuestos de acuerdo con este esquema. En los motores de gasolina Volkswagen, el papel de una pequeña «central eléctrica» lo desempeña un sobrealimentador de accionamiento.
En motores rectos, a menudo se usa un solo turbocompresor de doble entrada (un par de volutas) con un aparato de trabajo doble. Cada una de las volutas se llena con gases de escape de diferentes grupos de cilindros. Pero al mismo tiempo, ambos suministran gases a una turbina, haciéndola girar efectivamente a velocidades altas y bajas.
Aun así es más común encontrar un par de turbocompresores idénticos sirviendo a grupos separados de cilindros en paralelo. Un esquema típico para motores turbo en forma de V, donde cada unidad tiene su propio sobrealimentador. Aunque el motor V8 de M GmbH, que debutó en el BMW X5 M y X6 M, está equipado con un colector de escape de banco cruzado, que permite que el compresor twin-scroll reciba los gases de escape de los cilindros de diferentes bloques que funcionan en sentido opuesto. fase.
También es posible hacer que el turbocompresor funcione de manera más eficiente en todo el rango de velocidades cambiando la geometría de la parte de trabajo. Dependiendo de las rpm dentro de la voluta, giran cuchillas especiales y varía la forma de la boquilla. El resultado es una “súper turbina” que funciona bien en todo el rango de velocidades. Estas ideas estuvieron en el aire durante décadas, pero se implementaron hace relativamente poco tiempo. Además, al principio aparecieron turbinas con geometría variable en los motores diesel, afortunadamente, la temperatura de los gases allí es mucho más baja. Y el Porsche 911 Turbo fue el primer automóvil de gasolina en probar una turbina de este tipo.
El diseño de los motores turbo se puso en forma hace mucho tiempo y, recientemente, su popularidad ha aumentado de forma espectacular. Además, los turbocompresores resultaron ser prometedores no solo en términos de fuerza del motor, sino también en términos de aumento de la eficiencia y pureza del escape. Este es especialmente el caso de los motores diésel. Casi todos los diésel tienen el prefijo turbo hoy en día. Al mismo tiempo, la instalación de una turbina en los motores de gasolina le permite convertir un automóvil de aspecto normal en un verdadero «más ligero». El que tiene una pequeña placa «turbo» apenas perceptible.
Esta es una traducción. Puede leer el original aquí: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3303.html
