Motores sobrealimentados, geometria variable VTG

Los turbos convencionales tienen el inconveniente que a bajas revoluciones del motor el rodete de la turbina apenas es impulsada por los gases de escape, por lo que el motor se comporta como si fuera atmosférico. Una solución para esto es utilizar un turbo pequeño de bajo soplado que empiece a comprimir el aire aspirado por el motor desde muy bajas revoluciones, pero esto tiene un inconveniente, y es que a altas revoluciones del motor el turbo de bajo soplado no tiene capacidad suficiente para comprimir todo el aire que necesita el motor, por lo tanto, la potencia que ganamos a bajas revoluciones la perdemos a altas revoluciones. Para corregir este inconveniente se ha buscado la solución de dotar a una misma maquina soplante la capacidad de comprimir el aire con eficacia tanto a bajas revoluciones como a altas, para ello se han desarrollado los turbocompresores de geometría variable.

Funcionamiento
El turbo VTG (Geometría Variable) se diferencia del turbo convencional en la utilización de un plato o corona en el que van montados unos alabes móviles que pueden ser orientados (todos a la vez) un ángulo determinado mediante un mecanismo de varilla y palancas empujados por una cápsula neumática parecida a la que usa la válvula wastegate.

Para conseguir la máxima compresión del aire a bajas r.p.m. deben cerrarse los alabes ya que disminuyendo la sección entre ellos, aumenta la velocidad de los gases de escape que inciden con mayor fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina (menor Sección = mayor velocidad). Cuando el motor aumenta de r.p.m y aumenta la presión de soplado en el colector de admisión, la cápsula neumática lo detecta a través de un tubo conectado directamente al colector de admisión y lo transforma en un movimiento que empuja el sistema de mando de los alabes para que estos se muevan a una posición de apertura que hace disminuir la velocidad de los gases de escape que inciden sobre la turbina (mayor sección=menor velocidad).
Los alabes van insertados sobre una corona (según se ve en el dibujo), pudiendo regularse el vástago roscado de unión a la cápsula neumática para que los alabes abran antes ó después. Si los alabes están en apertura máxima, indica que hay una avería ya que la máxima inclinación la adoptan para la función de emergencia

Las posiciones fundamentales que pueden adoptar los alabes se describen en el siguiente gráfico:
En la figura de la izquierda: vemos como los alabes adoptan una posición cerrada que apenas deja espacio para el paso de los gases de escape. Esta posición la adopta el turbo cuando el motor gira a bajas revoluciones y la velocidad de los gases de escape es baja. Con ello se consigue acelerar la velocidad de los gases de escape, al pasar por el estrecho espacio que queda entre los alabes, que hace incidir con mayor fuerza los gases sobre la turbina. También adoptan los alabes esta posición cuando se exige al motor las máximas prestaciones partiendo de una velocidad baja o relativamente baja, lo que provoca que el motor pueda acelerar de una forma tan rápida como el conductor le exige, por ejemplo en un adelantamiento o una aceleración brusca del automóvil.
En la figura del centro: los alabes toman una posición mas abierta que se corresponde a un funcionamiento del motor con un régimen de revoluciones medio y marcha normal, en este caso el turbo VTG se comportaría como un turbo convencional. Las paletas adoptan una posición intermedia que no interfieren en el paso de los gases de escape que inciden sin variar su velocidad sobre la turbina.
En la figura de la derecha: los alabes adoptan una posición muy abierta debido a que el motor gira a muchas revoluciones, los gases de escape entran a mucha velocidad en el turbo haciendo girar la turbina muy deprisa. La posición muy abierta de los alabes hacen de freno a los gases de escape por lo que se limita la velocidad de la turbina. En este caso, la posición de los alabes hacen la función que realizaba la válvula wastegate en los turbos convencionales, es decir, la de limitar la velocidad de la turbina cuando el motor gira a altas revoluciones y hay una presión muy alta en el colector de admisión, esto explica por que los turbos VTG no tienen válvula wastegate.

Si los alabes están en apertura máxima, indica que hay una avería ya que la máxima inclinación la adoptan para la función de emergencia.

El funcionamiento que hemos visto para el Turbo VTG es teórico ya que el control de la cápsula manometrica lo mismo que en los turbos convencionales mas modernos, se hace mediante una gestión electrónica que se encarga de regular la presión que llega a la cápsula manometrica en los turbos VTG y a la válvula wastegate en los turbos convencionales, en todos los márgenes de funcionamiento del motor y teniendo en cuenta otros factores como son la temperatura del aire de admisión, la presión atmosférica (altitud sobre el nivel del mar) y las exigencias del conductor.

Las ventajas del turbocompresor VTG vienen dadas por que se consigue un funcionamiento mas progresivo del motor sobrealimentado. A diferencia de los primeros motores dotados con turbocompresor convencional donde habia un gran salto de potencia de bajas revoluciones a altas, el comportamiento ha dejado de ser brusco para conseguir una curva de potencia muy progresiva con gran cantidad de par desde muy pocas vueltas y mantenido durante una amplia zona del nº de revoluciones del motor.
El inconveniente que presenta este sistema es su mayor complejidad, y por tanto, precio con respecto a un turbocompresor convencional. Así como el sistema de engrase que necesita usar aceites de mayor calidad y cambios mas frecuentes.
Hasta ahora, el turbocompresor VTG sólo se puede utilizar en motores Diesel, ya que en los de gasolina la temperatura de los gases de escape es demasiado alta (200 - 300 ºC mas alta) para admitir sistemas como éstos.

Gestión electrónica de la presión del turbo
Con la utilización de la gestión electrónica tanto en los motores de gasolina como en los Diesel, la regulación del control de la presión del turbo ya no se deja en manos de una válvula de accionamiento mecánico como es la válvula wastegate, que esta sometida a altas temperaturas y sus componentes como son: el muelle y la membrana; sufren deformaciones y desgastes que influyen en un mal control de la presión del turbo, ademas que no tienen en cuenta factores tan importantes para el buen funcionamiento del motor como son la altitud y la temperatura ambiente.

Para describir como funciona un sistema de regulación de la presión turbo, tenemos un esquema (figura inferior) que pertenece a un motor Diesel (1.9 TDi de Volkswagen.) en el que se ven todos los elementos que intervienen en el control de la presión del turbo. La Gestión Electrónica Diesel (EDC Electronic Diesel Control) interpone una electroválvula de control de la presión (3) entre el colector de admisión y la válvula wastegate (4) que controla en todo momento la presión que llega a la válvula wastegate. Como se ve el circuito de control de la presión del turbo es similar a un circuito de control convencional con la única diferencia de la incorporación de la electroválvula de control (3).

Las características principales de este sistema son:
- Permite sobrepasar el valor máximo de la presión del   turbo.
- Tiene corte de inyección a altas revoluciones.
- Proporciona una buena respuesta al acelerador en todo   el margen de revoluciones.
- La velocidad del turbocompresor puede subir hasta las   110.000 r.p.m.

La electroválvula de control: se comporta como una llave de paso que deja pasar mas o menos presión hacia la válvula wastegate. Esta comandada por la ECU (unidad de control) que mediante impulsos eléctricos provoca su apertura o cierre. Cuando el motor gira a bajas y medias revoluciones, la electrovalvula de control deja pasar la presión que hay en el colector de admisión por su entrada (1) a la salida (2) directamente hacia la válvula wastegate, cuya membrana es empujada para provocar su apertura, pero esto no se producirá hasta que la presión de soplado del turbo sea suficiente para vencer la fuerza del muelle. Cuando las revoluciones del motor son altas la presión que le llega a la válvula wastegate es muy alta, suficiente para vencer la fuerza de su muelle y abrir la válvula para derivar los gases de escape por el bypass (baja la presión de soplado del turbo). Cuando la ECU considera que la presión en el colector de admisión puede sobrepasar los margenes de funcionamiento normales, bien por circular en altitud, alta temperatura ambiente o por una solicitud del conductor de altas prestaciones (aceleraciones fuertes), sin que esto ponga en riesgo el buen funcionamiento del motor, la ECU puede modificar el valor de la presión turbo que llega a la válvula wastegate, cortando el paso de la presión mediante la electroválvula de control, cerrando el paso (1) y abriendo el paso (2) al (3), poniendo así en contacto la válvula wastagate con la presión atmosférica que la mantendrá cerrada y así se aumenta la presión de soplado del turbo.

Para que quede claro, lo que hace la electroválvula de control en su funcionamiento, es engañar a la válvula wastegate desviando parte de la presión del turbo para que esta no actué.
La electroválvula de control es gobernada por la ECU (unidad de control), conectando a masa uno de sus terminales eléctricos con una frecuencia fija, donde la amplitud de la señal determina cuando debe abrir la válvula para aumentar la presión de soplado del turbo en el colector de admisión. La ECU para calcular cuando debe abrir o cerrar la electroválvula de control tiene en cuenta la presión en el colector de admisión por medio del sensor de presión turbo que viene incorporado en la misma ECU y que recibe la presión a través de un tubo (7) conectado al colector de admisión. También tiene en cuenta la temperatura del aire en el colector de admisión por medio de un sensor de temperatura (6), el nº de r.p.m del motor y la altitud por medio de un sensor que a veces esta incorporado en la misma ECU y otras fuera

En el esquema inferior tenemos el circuito de admisión y escape de un motor Diesel de inyección directa (TDi) que utiliza un turbocompresor de geometría variable (VTG). Como se ve en el esquema ya no aparece la válvula de descarga o wastegate, sin embargo la electroválvula de control de la presión turbo (3) si esta y de ella sale un tubo que va directamente al turbocompresor. Aunque no se ve donde va en concreto el tubo, esta conectado a la cápsula neumática o actuador (nº 8 en el primer dibujo). El funcionamiento del control de la presión del turbo es muy similar al estudiado anteriormente. la diferencia es que la válvula wastegate se sustituye por la cápsula neumática, ambas tienen un funcionamiento parecido mientras una abre o cierra una válvula, la otra mueve un mecanismo de accionamiento de alabes.
En este caso el sensor de altitud esta fuera de la ECU (unidad de control).

Otra forma de controlar la presión de soplado del turbo:
Hasta ahora hemos visto como se usaba la presión reinante en el colector de admisión para actuar sobre la válvula wastegate de los turbos convencionales y en la cápsula neumática en los turbos de geometría variable. Hay otro sistema de control de la presión del turbo (figura de la derecha) que utiliza una bomba de vacío eléctrica (2) que genera una depresión o vacío que actúa sobre la válvula wastegate (3) a través de la electroválvula de control o actuador de presión de sobrealimentación (1). En la figura de abajo vemos el esquema de admisión, escape y alimentación de un motor Diesel Common Rail, así como su gestión electrónica. El turbo va dispuesto de forma similar a lo visto anteriormente (no esta el intercooler), pero no se ve ningún tubo que lleve la presión reinante en el colector de admisión hacia la válvula wastegate a través de la electroválvula de control. Si aparece como novedad la bomba de vacío que se conecta a través de un tubo con la electroválvula de control (actuador de presión) y otros elementos actuadores que son accionados por vació como la válvula EGR (recirculación de gases de escape). Este sistema de control de la presión del turbo tiene la ventaja frente a los anteriormente estudiados, de no depender de la presión que hay en el colector de admisión que en caso de rotura del tubo que transmite dicha presión ademas de funcionar mal el sistema de control del turbo, se perdería parte del aire comprimido por el turbo que tiene que entrar en los cilindros y disminuye la potencia del motor sensiblemente.