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Motores Sobrealimentados

Indice del curso

 

Motores biturbo, twin turbo

Actualmente, la evolución de los turbocompresores ha traído un nuevo gran cambio con el desarrollo de los motores biturbo y de compresión por etapas. Estas mecánicas incorporan dos turbocompresores que trabajan teniendo en cuenta el régimen de giro del motor.

Dentro de los motores dos tecnologías diferentes entran en juego cuando se utilizan dos turbocompresores. La tecnología "Twin turbo" o turbos en "paralelo" emplea dos turbocompresores iguales funcionando en paralelo. Cada turbocompresor suministra aire precomprimido a la mitad de los cilindros. Combinada con la inyección de alta precisión, esta tecnología permite obtener potencia con muy poco esfuerzo y un consumo especialmente bajo.
En cambio, la tecnología "serie" o secuencial, utiliza un turbocompresor grande y otro pequeño conectados en serie. A bajas revoluciones del motor, el turbo pequeño funciona como principal, alimentado a los cilindros en mayor medida. A velocidades elevadas, es el turbo de mayor tamaño el que suministra el aire al motor. Esta carga en dos fases permite valores de consumo extremadamente bajos en relación con el rendimiento, y una respuesta fácil de controlar por parte sobre todo de potentes motores Diesel, que son los que mas utilizan esta tecnología.

 

Es evidente que un motor biturbo tiene más piezas susceptibles de averiarse, pero a cambio ofrece –a igualdad de potencia– menos peso, un consumo inferior y un nivel más bajo de emisiones contaminantes, argumentos más que suficientes para que marcas de prestigio utilicen estos sistemas para propulsar sus automóviles.

En la figura inferior tenemos un motor clásico de 6 cilindros biturbo de Maserati. Este motor utiliza dos turbocompresores en paralelo que alimenta a la mitad de los cilindros a través de un carburador doble "soplado".

 

Cuando se habla de motores biturbo se pueden clasificar principalmente en dos grandes grupos según su configuración a la hora de alimentar los cilindros del motor

 

Fabricantes de automóviles como BMW utilizan la sobrealimentación para sus motores mediante distintas configuraciones como podemos ver en la figura inferior. A la izquierda un solo turbo "twin scroll" para todos los cilindros, en el medio el sistema biturbo paralelo o turbos iguales, a la derecha el biturbo serie o secuencial con turbos de distinto tamaño.

 

Ejemplos de estas configuraciones de motores sobrealimentados BMW en sus modelos:

 

 

Motores biturbo "paralelo"
Se utilizan dos turbocompresores de igual tamaño e iguales característica constructivas. Estos dos turbos son accionados cada uno de ellos por los gases de escape de la mitad de los cilindros del motor. Con esta configuración se consigue utilizar turbos mas pequeños que se adaptan mejor al funcionamiento del motor en todo su rango de revoluciones. Sobre todo a bajas revoluciones minimizando el famoso "turbolag" o retraso del turbo a la hora de conseguir fuertes aceleraciones cuando el motor empieza a subir de vueltas.
Este tipo de biturbo también llamado "Twin turbo" son usualmente usados en motores en "V" de 6 y 8 cilindros. Cada turbo alimenta a una de las bancadas de cilindros del motor. Como ejemplo tenemos el Ferrari F40 y 288 GTO, también el motor V6 del Mitsubishi 3000GT y el Nissan 300zx (Z32).

También se utiliza esta configuración de turbos en motores en linea, como el 6L de Nissan Skyline GT-R o los 6L de BMW 335i E90/E92. Cada turbo es propulsado por la mitad de los cilindros del motor.

A continuación tenemos varios ejemplos de motores biturbo "paralelo":

BMW N54
En el siguiente esquema se puede ver el esquema de admisión y escape de un motor biturbo gasolina BMW N54, 3.0L de 6 cilindros en linea.

 

 

 

 

 

BMW N63
Ahora vamos a ver un motor biturbo paralelo utilizado en un V8, En el siguiente esquema se puede ver el esquema de admisión y escape de un motor biturbo gasolina BMW N63, 4,4L de 8 cilindros en "V" a 90º.

 

 

 

 

 

 

 

Motores biturbo "serie"
Al motor biturbo "serie" también se le denomina de varias maneras dependiendo de los fabricantes, lo podemos leer como sistema biturbo "escalonado", serie "secuencial" o por "etapas", "two stage" y "2-stage". Su nombre viene por que se sitúa un turbo después que el otro en el circuito de admisión para alimentar todos los cilindros del motor. Estos turbocompresores como hemos comentado anteriormente son de distinto tamaño para que funcionen uno u otro o los dos a la vez, dependiendo del numero de revoluciones del motor. El turbo mas pequeño funcionara a bajos regímenes del motor, el turbo mas grande lo hará a altas revoluciones del motor y dependiendo del sistema de admisión y su gestión electrónica podrán funcionar los dos turbos a la vez.

Funcionamiento
El sistema está formado por un turbo pequeño y otro grande que reciben la energía de los gases de escape de forma escalonada. Los gases de escape pasan primero por el turbo pequeño, que se encarga de ofrecer una respuesta contundente desde casi el ralentí hasta el entorno de las 2.000 o 2.500 revoluciones por minuto. Cuando este primer turbo alcanza su presión máxima de soplado, el exceso de presión se destina a comenzar a mover la segunda turbo (mucho más grande), que progresivamente se va “embalando” para soplar en la parte alta del cuentavueltas. El resultado es un soplado constante y creciente desde poco más del ralentí hasta el corte de la inyección. En estas condiciones, es fácil hablar de entre 90 y 105 CV por litro, alcanzándose en competición los 150 CV por litro, con cifras de par motor que rondan los 270 kgm.
A bajo régimen del motor el accionamiento del turbo grande no es significativo, puesto que los gases residuales se han desecho de su energía cinética en la turbina del pequeño. Por ello, el aire fresco sale del mismo sin comprimir.
Actualmente se utiliza el sistema biturbo "serie" sobre todo en motores Diesel

En los siguientes esquemas se puede ver el flujo de gases de admisión y escape a distintas regimenes del motor, Mediante el control de las mariposas y válvulas se controla el funcionamiento de uno u otro turbo y de ambos a la vez dependiendo del numero de revoluciones del motor

 

 

A continuación tenemos varios ejemplos de motores biturbo "serie":


OPEL 2.0 CDTi biturbo
Este motor con biturbo en serie o escalonado fue desarrollado por los ingenieros resultantes del departamento deportivo de la marca de automóviles Opel OPC (Opel Performance Center). Basta con considerar las presiones efectivas alcanzados para darse cuenta del enorme potencial del motor equipado con dos turbos escalonados. Mientras que las versiones Diesel sobrealimentadas clásicas funcionan a presiones incluidas entre 1,7 y 1,9 bares, el motor de 1,9 L de dos tubos escalonados llega a presiones efectivas de 2,6 bares. Esta presión tiene una influencia directa sobre la potencia del motor: cuanto más alta es la cifra mayor es la potencia desarrollada por el motor. Para que se pueda utilizar la técnica de los turbos escalonados, es necesario que el bloque motor sea especialmente robusto y que pueda resistir presiones enormes, incluso después de un fuerte kilometraje.

 

 

Como ejemplo veremos de motor biturbo utilizado por OPEL en su modelo "Insignia" 2.0 Biturbo CDTI, que dispone de un motor con dos turbocompresores de diferentes tamaños que funcionan de forma conjunta o separada. Esta es la primera vez en un turismo que ambos turbocompresores tiene su propio intercooler. El objetivo principal en el desarrollo de este motor fue asegurar el rápido incremento en la presión de admisión a bajas revoluciones, al tiempo que dar una respuesta más rápida al acelerador a medio régimen. Para conseguirlo, el flujo de aire que pasa por el intercooler a los dos turbocompresores de diferente tamaño es ajustado de acuerdo al diferente par y regímenes. El aire de admisión está siempre comprimido a una sobrepresión de 2 bares. La tecnología BiTurbo junto con sus dos intercooler permite alcanzar una potencia especifica de 97,5 CV por litro de cubicaje (73,2 kW/l). Las prestaciones y el par motor llegan siempre de forma fluida con el BiTurbo diesel. Por ejemplo, a sólo 1.250 r.p.m. el motor entrega ya el 80% (320 Nm) de sus 400 Nm de par máximo.

 

Funcionamiento del sistema CDTI

 

 

 

 

 

Refrigeración del aire de admisión
Para reducir la temperatura del aire de admisión se usan los intercambiadores de calor o intercoolers, que refrigeran ese aire antes de meterlo en los cilindros. Eso aumenta la eficiencia de la combustión. Este motor tiene dos intercambiadores, uno de 9 litros (grande) y uno de 2 litros (pequeño).

 

Intercooler pequeño refrigerado por agua
El intercooler refrigerado por agua que enfría exclusivamente el aire comprimido del turbocompresor más pequeño es un factor muy importante en el carácter dinámico del nuevo motor.
- Utilizar agua para refrigerar el aire de admisión es más eficiente que hacerlo con el método convencional de utilizar una corriente de aire.
- El intercooler refrigerado por agua dedicado al turbocompresor pequeño ocupa menos espacio que un intercooler aire-aire comparable. Esto a cambio simplifica el diseño del vano motor y mejora la ventilación de toda el área. Los intercooler aire-agua son aproximadamente cuatro veces más pequeños que los aire-aire con nueve litros de volumen de aire. En principio, el proceso de refrigeración del aire aumenta la densidad del aire en los cilindros y rebaja la temperatura de combustión. Esto también lleva a una reducción de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx).
- Otra ventaja de este intercooler refrigerado por agua es que rebaja la temperatura del aire comprimido desde alrededor de los 140º C, hasta unos 50ºC.
- A 1.250 r.p.m. ya está disponible un valor del par 320 Nm de los 400 que entrega este motor. Esta compleja y exclusiva tecnología en el segmento medio asegura que el motor reacciona sin retardo a los movimientos del pedal del acelerador. También se evita el poco deseado efecto de "retraso" de la entrada del turbo mencionado anteriormente.

 

 

Turbocompresores
Las ruedas del compresor de ambos turbos han sido equilibradas dinámicamente y fresadas con equipos de manufactura de precisión. Están realizadas en aleación de aluminio que puede
soportar temperaturas de más de 180º Celsius. Las turbinas de los compresores están realizadas en una aleación resistente a las altas temperaturas. La turbina pequeña gira a unas 270.000 r.p.m., mientras que la grande lo hace a unas 180.000rpm.

 

BMW N47
Otro ejemplo de motor biturbo serie o secuencial es el BMW N47, Diesel de 4 cilindros, cuenta con varias versiones, una con una potencia de 105KW y 130KW, que utiliza un solo turbocompresor de geometría variable, con una presión máxima de sobrealimentación de 1,5 y 1,55 bar respectivamente.

La otra versión mas potente es la que ofrece una potencia de 150KW y 160KW. Utiliza dos turbos conectados en serie o secuenciales, que suministran una presión máxima de 2 bar.

 

 

 

En la siguiente imagen se puede ver el flujo del aire de admisión (azul) y los gases de escape (rojo).

 

 

Fases del funcionamiento del motor biturbo serie BMW N47. En los siguiente esquemas se ve su funcionamiento:

 

 

BMW N57
Mas ejemplos de motor biturbo serie secuencial es el motor Diesel de 6 cilindros de BMW (N57, M57). Estos motores usan una unidad de sobrealimentación formada por dos turbos conectados en serie del fabricante BorgWarner, como el que se ve a continuación. Este fabricante denomina a este sistema biturbo "two stage", "2-stage", aunque no deja de ser un biturbo serie.


 

 

 

 

 

Fases del funcionamiento del motor biturbo serie BMW N57. En el siguiente esquema se ve su funcionamiento:

 

 

 

Subaru Legacy
Otro ejemplo de motor biturbo serie lo encontramos en el Subary Legacy. La marca lo llamaba "Boxer 2-stage Twin Turbo". Motor 2.0L de 4 cilindros horizontales opuestos (BOXER).
Este motor contaba con dos turbos colocados en serie, el primero entregaba un gran par a bajas r.p.m. (278 Nm a solo 2.000 r.p.m.) y el segundo se activaba a altas revoluciones, para entregar un máximo de 320 Nm a 4.800 r.p.m..

 

 

Fases del funcionamiento del motor y su sistema de sobrealimentación biturbo:

 

 

Toyota Supra MKIV
Motor biturbo (twin turbo) serie de 6 cilindros en linea 2997cc. 280 CV a 5600 rpm.

 

 

 

Fases de funcionamiento del motor y su sistema de sobrealimentación biturbo:

 

Porsche 959
Motor boxer de seis cilindros biturbo, 2850cc. 450 CV. Con un bloque refrigerado por aire y válvulas refrigeradas por agua.

 

 

Fases de funcionamiento del motor y su sistema de sobrealimentación biturbo:

 

 

 

 

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