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Fundamentos de la turboalimentación 101: Lección 3: Bombeado
Un artículo de Import Racer! Por Dino G. Tadokawa

Introducción
LECCIÓN 1
LECCIÓN 2
LECCIÓN 3
LECCIÓN 4



APLICACIONES PARA CARRERAS

Para nuestra próxima lección haremos un análisis comparativo para una aplicación de motor turbo de carrera completa (para carrera de autos). Para esta aplicación, basaremos este estudio a partir de uno de los motores de carrera Honda B-18A VTEC de cuatro cilindros con el que Gary Kubo estableció récords mundiales. En este caso las prioridades/suposiciones son bastante diferentes a la de los análisis comparativos previos de turbocompresores destinados al público en general.

Algunas de las suposiciones básicas para aplicaciones de adaptación de turbocompresores para carreras de auto son:
  • La potencia máxima es muy importante, la respuesta no es tan importante siempre que te encuentres dentro de la banda de potencia deseada.
  • La eficiencia del enfriador de aire es muy elevada debido a un enfriador de aire con sistema de refrigerado por hielo líquido, por lo que los niveles de alimentación más altos pueden ser utilizados sin arriesgar la detonación.
  • Las r.p.m del motor son más elevadas (por lo tanto produce un flujo de volumen más elevado).
  • El motor está muy bien afinado (admisión, escape, serie de válvulas, manejo avanzado del motor... etc.) por lo que el desempeño volumétrico y la potencia específica (caballos de fuerza/libra de flujo de aire) son más altos de lo normal.




Para este ejemplo basaremos este análisis comparativo en uno de los motores Honda con el que Kubo Racing estableció récords el año pasado. (Y tú creías que revelaríamos los secretos del programa en el que está trabajando actualmente... ¡sí, cómo no!). Para este motor de carreras en particular, Kubo tenía una meta de línea roja de 9,000 rpm con el objetivo de hacer más de 600 caballos de fuerza a aproximadamente 8,500 rpm. Esto era bastante fácil de lograr.

Suponiendo una efectividad del enfriador de aire del 90 por ciento, un desempeño promedio del compresor del 75 por ciento, y un desempeño volumétrico del 97.5 por ciento, y utilizando nuestro método de cálculo rápido que te enseñamos en la lección anterior, podemos determinar que las capacidades de relación de presión y de flujo del compresor GT45 se ven bastante prometedoras.



En su forma más básica se puede ver un turbo como un compresor de aire que utiliza la energía de los gases de escape o simplemente como una bomba de aire. Por supuesto, ¡una bomba de aire mucho más sofisticada! En general, cuanto más aire entra en el motor se genera más potencia; esto se logra con la proporción correcta de combustible y la regulación adecuada de la chispa. La integridad del diseño del motor y también la cilindrada, el máximo de rpm y la eficiencia volumétrica juegan un papel importante en este supuesto. En cualquier caso, un turbocompresor incorporado hace que tu motor de poca cilindrada crea que realmente es un motor con muchas pulgadas cúbicas de cilindrada. Tu pequeño 1.8 VTEC turbo puede colocarse a la par de los grandotes nacionales y en muchos casos puede dejar las normas de Detroit en el olvido. Volvamos a visitar a los expertos en turbo (con la ayuda de nuestro amable asesor) para ver lo que puede hacer un motor con un poco de aire comprimido.

Comparando esta línea operativa con la obtenida con el T28 convencional de la lección anterior, podemos observar las siguientes diferencias:

  • Estamos circulando muy por encima de las 60 libras/min de aire, esto debería dar como resultado niveles de potencia superiores a 600 caballos de fuerza en un motor de carreras muy bien afinado.
  • El número de rpm en las que el turbo comenzará a producir cantidades importantes de presión es significativamente mayor que aquella para el T28 (5,000 rpm contra 3,000 rpm para la relación de presión = 1.8). Esto es ocasionado por la etapa de turbina más grande en este turbo.
  • Las relaciones de presión máximas que se utilizan son mucho más altas que aquellas para el T28. Esto tiene como resultado los niveles de presión más elevados que se necesitan para mover la cantidad de aire a través del motor necesarios para los más de 600 caballos de fuerza. Si hubiéramos tratado de operar estos niveles de presión con el T28, la relación del flujo de aire hubiera sido demasiado alta para el compresor. Entonces para esta aplicación necesitábamos un compresor que tuviera la capacidad de hacer circular más aire que un T28, pero también teníamos que incrementar la cantidad de presión para conseguir esta cantidad de flujo de aire. Este es uno los conceptos fundamentales que deberías haber aprendido en la Lección 2.
  • Los desempeños a lo largo de la línea operativa no son tan buenos como para el T28. Desafortunadamente hay muy pocos (o directamente ninguno) rotores del compresor disponibles con buenos desempeños en relaciones de presión superiores a 3:1, así que no hay mucho que podamos hacer. Este rotor tenía los mayores niveles de desempeño a lo largo de la línea operativa que pudimos encontrar.




De manera que aquí tenemos un buen ejemplo del tipo de turbo que deberías escoger para una aplicación de carreras de autos trucados pura, y podemos compararlo con el turbo más convencional de la lección anterior. Puedes ver las diferencias que se obtendrán (respuesta, flujo de aire, presión necesaria) como así también lo que se necesita para satisfacer los diferentes requisitos.

Algunos de ustedes tal vez han notado que el lado de la turbina ha sido en gran parte ignorado en estas lecciones. Para el cálculo de las líneas operativas finales se utilizó información del desempeño real y la ecuación de equilibrio de potencia de la turbina. Sin embargo, incluir estos detalles en estas lecciones hubiera aumentado considerablemente el nivel de dificultad de este material de estudio, por lo que decidimos no incluirlos. Si estás interesado y tienes acceso a mapas de desempeño de la turbina, investigar estos detalles constituye un excelente proyecto de estudio independiente. Para aquellos que no están interesados, las tendencias generales de coincidencia de turbinas tratadas en la Lección 2 deberían proporcionar pautas para la elección de una buena turbina de referencia.

Finalmente, hay algunos puntos a tener en cuenta al realizar una prueba de dinamómetro. Como en muchas otras áreas de la vida, cuanta más información tengas, mejor preparado estarás para tomar una decisión. En este caso, para desarrollar tu sistema de motor/turbo deberías tratar de medir los siguientes parámetros (los puntos en negrita son muy importantes):

  • Temperatura y presión de descarga del compresor (antes del enfriador de aire de admisión o mariposa del acelerador)
  • Temperatura y presión de entrada de la turbina
  • Velocidad de flujo de la masa de aire del sistema de admisión
  • Temperatura y presión del colector de admisión (probablemente ya está siendo medido)
  • Temperatura y presión de entrada del compresor
  • Temperatura y presión de descarga de la turbina



Flujo de gas de la turbina contra el gráfico de relación de presión


Con la información que figura en NEGRITA puedes hacer las cinco comparaciones siguientes:

  1. Si conoces la presión de descarga del compresor y la velocidad del flujo de aire, puedes trazar la línea operativa de tu compresor en diversos gráficos del compresor y potencialmente encontrar un mejor compresor para tu aplicación. Dependiendo de tus necesidades, esto puede lograrse mediante un mejor desempeño, una menor velocidad de flujo de sobretensión, o una mayor velocidad de flujo del estrangulador.
  2. Si tienes la temperatura de descarga del compresor, puedes distinguir cuál compresor del turbocompresor está funcionando con mayor eficiencia para un nivel dado de velocidad del flujo de aire y de presión (a menor temperatura de descarga, mayor eficiencia).
  3. Si observas que las temperaturas de descarga del compresor son relativamente altas a rpm bajas, puede ser que el auto esté andando con un aumento de tensión (marcado en el mapa GT45 y caracterizado por una inestabilidad de flujo, ruidos y muy bajo desempeño). En este caso, tal vez desees cambiar a un compresor de flujo más pequeño.
  4. Si observas una disminución de la presión a una rpm muy alta (incluso con la compuerta de descarga cerrada), entonces probablemente el auto esté andando con el cebador (caracterizado por un límite fijo de flujo, marcado en el mapa GT45) y deberás considerar cambiar a un compresor que tenga una tasa de flujo más alta. También puede ser que el auto esté andando con un límite fijo de flujo en el sistema de admisión, por eso debes controlar esto antes de cambiar los turbocompresores.
  5. Si observas que la presión de admisión de la turbina (contrapresión) aumenta rápidamente cuando el motor tiene rpm altas, entonces tal vez debas considerar una turbina de flujo más grande para mejorar la potencia máxima reduciendo la contrapresión; de lo contrario, no comprenderás por qué estás teniendo una buena respuesta.




Para aplicaciones callejeras, es importante también que pruebes tu sistema de control de motor (principalmente los ajustes de combustible) y los ajustes del acelerador al agregar o modificar el sistema de turbocompresor.

Desafortunadamente, existe una gran cantidad de despliegue publicitario sobre los turbocompresores en el mercado. Nosotros recomendamos que cualquiera que participe en la fabricación de motores con turbocompresor debe buscar toda la información cualificada sobre maquinaria de turbocompresores como sea posible para ayudar a encontrarle un sentido a todo. Recuerda, es como ir al doctor, ¡una segunda opinión nunca viene mal!

Bueno, espero que la lección de hoy satisfaga las ansias de conocimiento que tienen todos. Tal vez veamos a algunas personas contentas, personas que utilizaron la información de estas lecciones para poder tomar mejores decisiones acerca de sus turbocompresores.

En la sesión final echaremos un vistazo y haremos una comparación de los turbocompresores estándar y aquellos turbocompresores para carreras con verdaderas “modificaciones con respecto al original de fábrica”... Pueden retirarse.

De verdad profesor, mi perro se comió mi tarea...

En la última lección (Turbocompresores básicos 101, Sesión 2) dejamos fuera, sin querer, algunos elementos que deben ser encarados a fin de completar el entendimiento básico de la comparación del turbocompresor y el motor.

Faltaba la leyenda en el cuadro “Tasa de flujo vs. Relación de presión”. Las diferentes líneas representan los diferentes niveles de sofisticación en el diseño de un sistema de turbocompresor; para ayudarte a utilizar la comparación razonable más “rápida” para tu aplicación debes saber qué representa cada una. Las líneas eran:



En el mapa del compresor T28 (página 22), vemos dos líneas operativas marcadas. La línea con cuadrados representaba los resultados de la comparación rápida que realizamos usando el cuadro “Tasa de flujo vs. Relación de presión”, y la línea con círculos y rayas representaba la línea operativa luego de haberse realizado una completa comparación del turbocompresor y el motor, incluyendo el desempeño de la turbina. Resulta de particular interés la diferencia entre las dos líneas a 3,000 rpm. El análisis detallado muestra que el compresor no funcionará a la misma relación de presión a la que funcionaba en el análisis rápido. Esto se debe a que la turbina no le puede proporcionar suficiente energía al compresor en esta tasa de flujo baja, incluso con la compuerta de descarga completamente cerrada. En una situación real, esto se experimenta como una incapacidad para tener el nivel de desempeño deseado a una baja velocidad del motor; hace referencia, por lo general de manera incorrecta, a un “desfase del turbocompresor”. Se podrían lograr niveles más altos de desempeño (a 3,000 rpm) si la turbina fuera más pequeña (A/R y/o ruedas más pequeñas), pero luego se perdería algo de desempeño cuando el motor tuviera altas rpm debido a una cantidad excesiva de contrapresión. Para esta aplicación, se decidió que esto era aceptable porque todavía existía un desempeño positivo a 3,000 rpm.

Esto conduce a los siguientes puntos simplificados necesarios para completar la discusión sobre la comparación del turbocompresor y el motor, además de los puntos que ya discutimos en lecciones anteriores:

  • El turbocompresor y el motor deben ser comparados en términos de la relación de presión y la tasa de flujo de aire (ésta era la Sección 2).
  • La turbina debe ser capaz de proporcionarle al compresor la potencia necesaria para funcionar según las tasas de relación de presión y flujo de aire deseadas (desde la línea operativa del turbocompresor y el motor), a las velocidades adecuadas con el flujo de aire igual o menor (compuerta de descarga) que aquel que fluye a través del motor.
  • La potencia es una función de la tasa de flujo, la relación de presión y la temperatura cambian; si cualquiera de éstas aumentan, aumentará la potencia. En concreto, la ecuación de la potencia (compresor o turbina) es: Potencia = WC p³T, donde W es la tasa del flujo de masa, Cp es una constante termodinámica y ³T es el cambio de temperatura a través del compresor o la turbina (esto se puede calcular a partir de las ecuaciones de Lección 2).