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| turbocompresor de dos etapas |
Cuando todos hablan de
los eléctricos e híbridos, el motor diésel sigue dado novedades. En este caso
Holset, una empresa Cummins, ha presentado al mercado su tecnología de turbos
de dos etapas. Es decir un motor diésel tendrá ahora dos turbos un pequeño y un
grande. Esto permite que el turbo pequeño actúe a bajas RPM y el grande a altas
RPM. Así con ello el motor tiene un rango de potencia mejor, un par motor o torque
más parejo y con ello mejora el consumo y reduce las emisiones.
Cummins Turbo
Technologies (CTT) ha estado desarrollando y probando tecnologías de
turbocompresores con un enfoque especial en motores de servicio medio-pesado.
Durante las últimas décadas, Cummins Components and Software ha proporcionado
soluciones de turbocompresores duraderas y confiables con la marca Holset® .
Los motores comerciales
necesitan tecnología avanzada para ser eficientes y cumplir con los estrictos
estándares de emisiones. Por lo tanto, Cummins Inc. ofrece diversas tecnologías
de turbo, como turbos fijos, variables y de dos etapas, todos diseñados para
mejorar la eficiencia y reducir los costos.
A medida que
continuamos trabajando en los últimos avances para la próxima generación de
tecnología de motores, echemos un vistazo más de cerca a la tecnología de
turbocompresor de dos etapas que utiliza dos turbocompresores en serie para
mejorar el rendimiento y la eficiencia.
¿Qué es un sistema de
turbocompresor de dos etapas?
Los turbocompresores
proporcionan más potencia a los motores al introducir aire adicional en los
cilindros, lo que hace que el combustible se queme de forma más eficiente. Para
ello, utilizan la energía de los gases de escape del motor para hacer girar una
turbina. La turbina está conectada a un compresor mediante un eje y, a medida
que la turbina gira, también hace girar el compresor, lo que hace que entre más
aire fresco en el motor.
Un turbocompresor de
una sola etapa utiliza una turbina y un compresor. Si el turbocompresor es
grande, proporciona un par mayor a altas velocidades del motor, lo que
proporciona un buen rendimiento de potencia máxima. Sin embargo, es posible que
no entregue tanta potencia a bajas velocidades. Por otro lado, un
turbocompresor más pequeño es mejor para proporcionar potencia a bajas
velocidades, pero puede tener dificultades para dar suficiente impulso para
alcanzar la potencia máxima a altas velocidades.
Un turbocompresor de
dos etapas utiliza un turbo pequeño y uno grande. El turbo más pequeño gira
rápidamente para proporcionar un impulso instantáneo, lo que mejora el par y la
capacidad de respuesta a bajas velocidades o en condiciones de gran altitud.
Luego, entra en acción el turbo más grande para proporcionar una potencia suave
y constante a velocidades más altas. Esta configuración permite un mejor
rendimiento en una variedad de condiciones, no solo a bajas o altas
velocidades.
En un sistema de dos
etapas, los gases de escape se gestionan mediante sistemas de derivación
denominados "válvulas de descarga". Estas válvulas se ajustan en
función de la velocidad del motor para optimizar el rendimiento del
turbocompresor. Con el aumento de los precios del combustible y las normas de
emisiones más estrictas, los motores deben ser más eficientes. Los
turbocompresores de dos etapas ofrecen una solución sólida al equilibrar el par
motor a bajas revoluciones y la potencia máxima, lo que ofrece un mejor
rendimiento a mayores altitudes y mejora la eficiencia general del combustible.
¿Cómo funciona el
sistema de turbocompresor de dos etapas?
Un sistema de turbocompresor
de dos etapas utiliza dos turbocompresores ubicados a lo largo del recorrido de
escape. El que está más cerca del motor es el turbo de alta presión
("HP") y el que está más lejos es el turbo de baja presión
("LP"). Cada turbocompresor tiene un compresor y una turbina.
La eficiencia y el
rendimiento del sistema provienen del equilibrio de los gases de escape
calientes y el aire fresco que circulan por los turbocompresores HP y LP.
Los gases de escape
calientes del motor entran primero en la turbina HP, donde se extrae energía
del gas a alta temperatura, lo que hace que giren las aspas de la turbina. El
giro de las aspas de la turbina impulsa el compresor HP, que comprime aún más
el aire que ya ha sido presurizado por el compresor LP. Este aire comprimido
permite relaciones de presión más altas y más aire en la cámara de combustión
del motor. La energía restante en los gases de escape impulsa luego la turbina
LP, que a su vez impulsa el compresor LP para presurizar más aire para la etapa
HP.
Las válvulas de
derivación regulan los gases de escape. A bajas velocidades, las válvulas
permanecen cerradas para dirigir más energía al turbo de alta presión. A medida
que aumenta la velocidad, algunos gases de escape pasan por alto la turbina de
alta presión y redirigen más energía al turbo de baja presión.
Los turbocompresores de
dos etapas ofrecen una mejor "adaptación del turbo", lo que mejora la
respuesta transitoria, el par máximo y la potencia máxima, lo que los hace muy
eficientes en toda la curva de par del motor. Esto los hace ideales para
motores de alta potencia, motores con altas demandas de aire (por ejemplo,
motores de combustión interna de hidrógeno) y aplicaciones que operan a grandes
altitudes.
Tipos de sistemas de
turbocompresor de dos etapas
En Cummins, nuestra
tecnología de turbocompresores ha avanzado junto con las innovaciones en el
rendimiento del motor. Los turbocompresores de geometría fija, por ejemplo,
canalizan todos los gases de escape a través de una cámara en la carcasa de la
turbina hasta la rueda de la turbina, lo que mejora el rendimiento en función
del diseño de la cámara y el tamaño de la turbina. Con el tiempo, introdujimos
los turbocompresores de geometría variable y con válvula de descarga.
Los turbocompresores
con válvula de descarga incluyen una válvula que permite que algunos gases de
escape pasen por alto la rueda de la turbina, lo que reduce la velocidad y la
presión en el colector de escape y mejora el control del flujo de aire. Los
turbocompresores de geometría variable ajustan el paso de escape antes de la
rueda de la turbina para optimizar la presión y la velocidad del gas para un
mejor rendimiento.
Los turbocompresores de
dos etapas se pueden utilizar en diferentes configuraciones, incluidas la
turboalimentación secuencial, compuesta, paralela y de geometría variable.
Turbocompresor
secuencial: en las configuraciones de turbocompresor secuencial, el turbo más
pequeño maneja las velocidades más bajas del motor para reducir el retraso del
turbo y el más grande entra en acción a velocidades más altas para proporcionar
un impulso adicional.
Turbocompresor
compuesto: esta configuración, utilizada en motores diésel de servicio pesado
como camiones, barcos e industria, tiene dos turbos dispuestos en serie. Los gases
de escape pasan a través del turbo de alta presión y mayor tamaño, lo que
permite presiones de sobrealimentación más altas y una mayor eficiencia.
Turbocompresor
paralelo: En los motores V-8 o V-12, en el turbocompresor paralelo, dos
turbocompresores idénticos reciben gases de escape de conjuntos separados de
cilindros y proporcionan aire comprimido al sistema de admisión para equilibrar
la potencia de salida y mejorar los tiempos de respuesta.
Turbocompresores de
geometría variable en sistemas de dos etapas: algunos sistemas utilizan una
combinación de un turbocompresor fijo y un turbocompresor de geometría
variable, donde la capacidad del turbocompresor de geometría variable para
cambiar la relación de aspecto y optimizar en una amplia gama de velocidades
del motor es especialmente útil.
Ventajas de los
sistemas de turbocompresor de dos etapas:
Un sistema de
turbocompresor de dos etapas suele ser la mejor opción para optimizar tanto el
costo como el rendimiento. Por ejemplo, cuando un sistema de una sola etapa no
puede lograr una alta relación de compresión de manera eficiente, un
turbocompresor de dos etapas puede proporcionar el aumento de rendimiento
necesario.
Los turbocompresores de
dos etapas también son ideales para motores de servicio ligero con un amplio
rango de velocidad o cuando se necesita un mayor torque a menores RPM. Se
destacan por brindar una respuesta rápida durante ciclos bajos de aumento de
torque.
Las configuraciones de
dos etapas se pueden combinar con un turbo Wastegate o VGT. Una configuración
de dos etapas con un VGT ofrece un rango de flujo más amplio, mayor eficiencia
a flujos bajos y baja inercia, lo que es beneficioso para la respuesta
transitoria. Alternativamente, un Wastegate eléctrico (eWG) puede ser una buena
opción, donde el Wastegate se controla electrónicamente, similar a un VGT.
Desafíos de los
sistemas de turbocompresor de dos etapas:
Los turbocompresores de
dos etapas plantean varios desafíos de ingeniería en el diseño de motores
modernos. Un problema común son las limitaciones de empaquetamiento, que pueden
dificultar la integración de estos sistemas en diferentes configuraciones de
motor, lo que limita su uso en varias plataformas de vehículos. Otro desafío
clave es la fatiga termomecánica (TMF). La configuración de turbocompresor
doble requiere estructuras de soporte e interconexiones sólidas para soportar
cambios de temperatura y tensiones mecánicas significativos. Para abordar esto,
Cummins utiliza una validación TMF exhaustiva, tanto analítica como empírica,
aprovechando años de experiencia para mitigar estas preocupaciones.
La inclusión de la
función de derivación de la válvula de descarga agrega más complejidad a los
sistemas de turbocompresor de dos etapas. La turbina de alta presión (HP)
necesita puertos de descarga más grandes para gestionar el mayor flujo de
escape, lo que hace que la válvula de descarga funcione con mayor frecuencia en
la posición abierta en comparación con los sistemas de una sola etapa. Además,
los sistemas de turbocompresor secuencial requieren un mecanismo de derivación
del compresor adicional, lo que aumenta la complejidad del sistema y los
desafíos de control. Cummins aborda estos problemas validando los ciclos de
trabajo específicos del cliente y seleccionando cuidadosamente los materiales
en función del tipo de combustible, ya sea diésel, gas natural o H2ICE.
Cummins Inc. lleva
mucho tiempo liderando las tecnologías avanzadas de turboalimentación y
aprovechando nuestra experiencia en ingeniería para superar los desafíos de los
sistemas de dos etapas. Nuestro equipo constantemente supera los límites del
diseño, abordando las limitaciones de empaquetado, reduciendo la fatiga
termomecánica y optimizando la funcionalidad de la válvula de descarga.
A través de rigurosas
pruebas y mejoras, Cummins ha implementado con éxito la turboalimentación de
dos etapas en varias plataformas de motores, mejorando el rendimiento, la
eficiencia de combustible y el cumplimiento de las normas sobre emisiones.
Nuestros materiales avanzados, la fabricación de precisión y los controles
sofisticados garantizan que maximicemos los beneficios de esta tecnología.
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