Motores turbo: Medir la presión de sobrealimentación es la clave del éxito
2016-08-04 03:09:44, STS Sensor Technik Sirnach AG Para cumplir con las normativas sobre emisiones de gases de escape cada vez más estrictas en todo el mundo, los fabricantes de equipos originales recurren cada vez más a motores de gasolina más pequeños. Estos motores, cada vez más pequeños, consumen menos combustible y emiten muchas menos emisiones. Sin embargo, requieren la sobrealimentación del motor, un método para aumentar la eficiencia de los motores de combustión interna mediante el suministro de aire a mayor presión, para ofrecer a los consumidores el rendimiento al que están acostumbrados de los vehículos modernos
La experiencia de conducción de estos motores turboalimentados más pequeños debe ser al menos igual a la de sus homólogos más grandes de aspiración libre. Esto requiere una presión de accionamiento completa a bajas revoluciones del motor. Al mismo tiempo, hay que evitar una pérdida de potencia a plena velocidad. Esto sólo puede lograrse con un sofisticado sistema de control de la presión de sobrealimentación.
Uno de los principales retos aquí es el control preciso de la relación aire-combustible cerca del valor estequiométrico a diferentes presiones de carga.
Control de la presión con derivación en el lado de la turbina
El control de la derivación en el lado de la turbina es la forma más sencilla de controlar la presión de sobrealimentación.
En cuanto se alcanza una presión de sobrealimentación determinada, parte del flujo de gases de escape se dirige alrededor de la turbina mediante un bypass. La válvula de control de la presión de sobrealimentación suele estar controlada por un diafragma accionado por un muelle, que abre y cierra el bypass en función de la presión de sobrealimentación.
Control de la presión con geometría de turbina variable
En el pasado reciente, los fabricantes han recurrido a la geometría de turbina variable para controlar la presión de sobrealimentación. Este enfoque permite adaptar la sección de flujo de la turbina a los parámetros de funcionamiento del motor.
A bajas velocidades, la sección transversal del flujo se reduce cerrando los álabes guía. La presión de sobrealimentación y, por lo tanto, también el par de los motores se incrementa como resultado de la mayor caída de presión entre la entrada y la salida de la turbina. Al acelerar desde bajas velocidades, los accesos se abren y se adaptan a las necesidades del motor correspondientes.
Mediante la regulación de la sección transversal de flujo de la turbina para el punto de funcionamiento respectivo, se puede optimizar la energía de los gases de escape y, por tanto, también el rendimiento del turbocompresor. La eficiencia del motor aumenta aún más gracias a este método en comparación con el control de bypass.
Sistemas electrónicos de control de la presión de sobrealimentación
Los sistemas electrónicos de control de la presión de sobrealimentación se utilizan ahora mayoritariamente en los modernos motores de gasolina. En comparación con el control puramente neumático, que sólo puede actuar como limitador de la presión a plena carga, el control flexible de la presión de sobrealimentación permite ajustar la presión óptima de sobrealimentación a carga parcial.
El funcionamiento de los flaps (o válvulas) está sujeto a una presión de control modulada en lugar de una presión de sobrealimentación total y puede ajustarse en función de diversos parámetros como la temperatura del aire de carga, el ajuste del punto de encendido y la calidad del combustible.
La simulación reduce el tiempo de producción y los costes de desarrollo
Dada la abundancia de variables complejas, los fabricantes confían en las simulaciones durante la fase de diseño y prueba.
Otro obstáculo que hay que superar es el estrecho rango en el que el compresor centrífugo debe funcionar de forma estable a altas presiones de carga.
Los ensayos exhaustivos en condiciones reales son la única manera de desarrollar un modelo de simulación eficaz. Las pruebas se realizan principalmente en bancos de pruebas de motores en cámaras climáticas.
La siguiente información de presión se registra durante los recorridos de prueba abiertos y parcialmente estrangulados:
-Presión del tubo de aspiración
-Presión de carga
-Presión del aire
Para obtener una imagen clara del rendimiento del motor en todo el rango de revoluciones, las pruebas se realizan teniendo en cuenta las temperaturas del motor (refrigerante y aceite).
Durante la prueba, es importante que los ingenieros registren cualquier desviación en el rendimiento. Ocurrencias como las pulsaciones de los gases de escape, que pueden provocar ondas estacionarias a determinadas velocidades del motor y excitar el impulsor a frecuencias críticas, reducen la vida útil del turbo o incluso provocan fallos catastróficos.
Por lo tanto, la medición de la salida de presión del compresor y la turbina es crucial para desarrollar un modelo de extrapolación preciso para su implementación durante la simulación.
Un modelo de simulación bien desarrollado ahorra a los desarrolladores tiempo y dinero en las pruebas en banco y en carretera. Sin embargo, un requisito previo para ello es el registro detallado de las presiones que se producen.
La experiencia de conducción de estos motores turboalimentados más pequeños debe ser al menos igual a la de sus homólogos más grandes de aspiración libre. Esto requiere una presión de accionamiento completa a bajas revoluciones del motor. Al mismo tiempo, hay que evitar una pérdida de potencia a plena velocidad. Esto sólo puede lograrse con un sofisticado sistema de control de la presión de sobrealimentación.
Uno de los principales retos aquí es el control preciso de la relación aire-combustible cerca del valor estequiométrico a diferentes presiones de carga.
Control de la presión con derivación en el lado de la turbina
El control de la derivación en el lado de la turbina es la forma más sencilla de controlar la presión de sobrealimentación.
En cuanto se alcanza una presión de sobrealimentación determinada, parte del flujo de gases de escape se dirige alrededor de la turbina mediante un bypass. La válvula de control de la presión de sobrealimentación suele estar controlada por un diafragma accionado por un muelle, que abre y cierra el bypass en función de la presión de sobrealimentación.
Control de la presión con geometría de turbina variable
En el pasado reciente, los fabricantes han recurrido a la geometría de turbina variable para controlar la presión de sobrealimentación. Este enfoque permite adaptar la sección de flujo de la turbina a los parámetros de funcionamiento del motor.
A bajas velocidades, la sección transversal del flujo se reduce cerrando los álabes guía. La presión de sobrealimentación y, por lo tanto, también el par de los motores se incrementa como resultado de la mayor caída de presión entre la entrada y la salida de la turbina. Al acelerar desde bajas velocidades, los accesos se abren y se adaptan a las necesidades del motor correspondientes.
Mediante la regulación de la sección transversal de flujo de la turbina para el punto de funcionamiento respectivo, se puede optimizar la energía de los gases de escape y, por tanto, también el rendimiento del turbocompresor. La eficiencia del motor aumenta aún más gracias a este método en comparación con el control de bypass.
Sistemas electrónicos de control de la presión de sobrealimentación
Los sistemas electrónicos de control de la presión de sobrealimentación se utilizan ahora mayoritariamente en los modernos motores de gasolina. En comparación con el control puramente neumático, que sólo puede actuar como limitador de la presión a plena carga, el control flexible de la presión de sobrealimentación permite ajustar la presión óptima de sobrealimentación a carga parcial.
El funcionamiento de los flaps (o válvulas) está sujeto a una presión de control modulada en lugar de una presión de sobrealimentación total y puede ajustarse en función de diversos parámetros como la temperatura del aire de carga, el ajuste del punto de encendido y la calidad del combustible.
La simulación reduce el tiempo de producción y los costes de desarrollo
Dada la abundancia de variables complejas, los fabricantes confían en las simulaciones durante la fase de diseño y prueba.
Otro obstáculo que hay que superar es el estrecho rango en el que el compresor centrífugo debe funcionar de forma estable a altas presiones de carga.
Los ensayos exhaustivos en condiciones reales son la única manera de desarrollar un modelo de simulación eficaz. Las pruebas se realizan principalmente en bancos de pruebas de motores en cámaras climáticas.
La siguiente información de presión se registra durante los recorridos de prueba abiertos y parcialmente estrangulados:
-Presión del tubo de aspiración
-Presión de carga
-Presión del aire
Para obtener una imagen clara del rendimiento del motor en todo el rango de revoluciones, las pruebas se realizan teniendo en cuenta las temperaturas del motor (refrigerante y aceite).
Durante la prueba, es importante que los ingenieros registren cualquier desviación en el rendimiento. Ocurrencias como las pulsaciones de los gases de escape, que pueden provocar ondas estacionarias a determinadas velocidades del motor y excitar el impulsor a frecuencias críticas, reducen la vida útil del turbo o incluso provocan fallos catastróficos.
Por lo tanto, la medición de la salida de presión del compresor y la turbina es crucial para desarrollar un modelo de extrapolación preciso para su implementación durante la simulación.
Un modelo de simulación bien desarrollado ahorra a los desarrolladores tiempo y dinero en las pruebas en banco y en carretera. Sin embargo, un requisito previo para ello es el registro detallado de las presiones que se producen.
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