Para saber cómo elegir un turbo diésel, comience por el caudal de aire y el ciclo de trabajo; después, verifique si ambos lados del turbocompresor pueden cumplir con los requisitos.
Un turbo que se pueda montar directamente o esté clasificado para la potencia requerida puede seguir siendo inadecuado para el remolque prolongado, la aceptación de carga de un generador o una remotorización. Aprender cómo elegir un turbo diésel implica evaluar conjuntamente el suministro de aire, la energía de los gases de escape y los límites de operación. Comience por el trabajo que debe realizar el motor; el diámetro de las ruedas se evalúa después.
¿Por dónde empieza el dimensionamiento de un turbo diésel?
Registre la cilindrada, los regímenes de operación, el par motor o la potencia previstos, el suministro de combustible, la altitud y la temperatura de admisión. Establezca los límites permitidos de presión en los cilindros, temperatura de escape y velocidad de giro del turbo a partir de las especificaciones aplicables del motor y del turbocompresor. La presión de sobrealimentación por sí sola no permite definir estos límites.
Para seleccionar un turbo diésel, el ciclo de trabajo determina qué puntos merecen prioridad:
| Aplicación | Puntos que debe cubrir el turbo | Prioridad práctica |
|---|---|---|
| Camión o equipo móvil | Barrido de rpm a plena carga y funcionamiento a bajas rpm con carga elevada | Suministro de aire cuando se demanda par motor |
| Generador de régimen fijo | Cargas desde el funcionamiento con carga ligera hasta la potencia nominal | Eficiencia en funcionamiento continuo y respuesta a cambios escalonados de carga |
| Propulsión marina con hélice de paso fijo | Puntos a lo largo de la curva real de carga de la hélice | Funcionamiento sostenido y aceleración |
Defina los requisitos teniendo en cuenta lo siguiente:
- Incluya el régimen mínimo al que el motor debe soportar una carga elevada.
- Incluya los puntos de trabajo habituales, no solo la potencia nominal.
- Incluya las condiciones previstas de altas temperaturas ambientales, altitud y cambios de carga.
Estime el caudal de aire a partir de la admisión y el suministro de combustible
Para estimar el caudal de aire necesario para un turbo en un motor de cuatro tiempos, calcule el caudal volumétrico de admisión en litros por segundo multiplicando la cilindrada en litros por las rpm y la eficiencia volumétrica, y dividiendo el resultado entre 120. El divisor tiene en cuenta una carrera de admisión cada dos revoluciones del cigüeñal y convierte los minutos en segundos.
Ese caudal volumétrico corresponde a las condiciones del colector de admisión. Multiplíquelo por la densidad del aire en el colector para obtener el caudal másico; la densidad depende de la presión absoluta y la temperatura. Defina la eficiencia volumétrica con respecto a esas mismas condiciones, para no aplicar dos veces una corrección por sobrealimentación.
Contraste el resultado con el suministro de combustible: el caudal másico de aire fresco necesario es el caudal másico de combustible multiplicado por la relación aire-combustible objetivo expresada en masa. Utilice el caudal de combustible medido o una estimación basada en la potencia y el consumo específico de combustible al freno. La cilindrada por sí sola no permite determinar el caudal de combustible ni la presión de sobrealimentación requerida.
Seleccione la relación aire-combustible objetivo a partir de datos validados del motor y de los requisitos de combustión. No es un ajuste universal que garantice la ausencia de humo. Este enfoque sencillo supone un motor de cuatro tiempos sin EGR; los gases de escape recirculados y el barrido de los motores de dos tiempos requieren cálculos adicionales.
Convierta la presión del colector en la relación de presión del compresor
El compresor debe vencer las pérdidas de presión en el filtro, los conductos de entrada, el enfriador del aire de sobrealimentación y las tuberías de descarga. Su relación de presión es la presión absoluta de salida dividida entre la presión absoluta de entrada, según las definiciones de presión especificadas para su mapa.
- Sume la pérdida de presión del sistema de sobrealimentación a la presión absoluta requerida en el colector.
- De la presión ambiente absoluta, reste la caída de presión en la entrada.
- Divida el primer resultado entre el segundo.
La presión manométrica de sobrealimentación se mide con respecto a la presión ambiente local. A mayor altitud, mantener la misma presión absoluta en el colector requiere una relación de presión del compresor más alta. Verifique también la temperatura de entrada y la velocidad de giro del turbo.
Eje horizontal: caudal másico de aire corregido.
Eje vertical: relación de presiones absolutas.
Límite de bajo caudal: surge.
Contornos: islas de eficiencia dentro del mapa.
Límite de alto caudal: zona de estrangulamiento.
Esquema cualitativo; no son datos de ensayo ni límites de funcionamiento.
Ejemplo de cálculo: cómo dimensionar un turbo para una remotorización diésel
Las siguientes cifras redondeadas son supuestos para un motor imaginario; no constituyen una calibración recomendada ni una confirmación de compatibilidad de un turbo:
- Motor diésel de cuatro tiempos de 6.0 litros a 2,200 rpm, con una eficiencia volumétrica del 90%.
- Caudal de combustible: 36 kg/h; relación aire-combustible seleccionada: 24:1 en masa.
- Temperatura del aire en el colector: 330 K, aproximadamente 57°C.
- Presión ambiente: 100 kPa absolutos; entrada del compresor: 95 kPa absolutos a 300 K (un filtro de aire bastante cargado de suciedad; un sistema limpio genera menos restricción).
- Pérdida de presión en el enfriador del aire de sobrealimentación y las tuberías de descarga: 15 kPa.
El caudal volumétrico de admisión es 6.0 × 2,200 × 0.90 ÷ 120 = 99 litros/segundo, o 0.099 metros cúbicos/segundo. El suministro de combustible requiere 36 × 24 = 864 kg/h de aire: 0.240 kg/s, aproximadamente 32 lb/min.
Al dividir 0.240 entre 0.099, se obtiene una densidad de aire necesaria en el colector de aproximadamente 2.42 kg por metro cúbico. Al aplicar la relación de los gases ideales a 330 K, se obtiene una presión absoluta en el colector de aproximadamente 230 kPa, o una presión manométrica de sobrealimentación de 130 kPa a la presión ambiente supuesta: alrededor de 19 psi.
Al sumar la pérdida de 15 kPa, se obtienen aproximadamente 245 kPa a la salida del compresor. Al dividir entre la presión de entrada de 95 kPa, se obtiene una relación de presión necesaria de aproximadamente 2.58.
Para un mapa ilustrativo con condiciones de referencia de 300 K y 100 kPa, y con la temperatura de entrada también supuesta en 300 K, el caudal corregido es el caudal real multiplicado por 100/95. Si la temperatura de entrada es diferente, también debe aplicarse la corrección de temperatura del mapa.
Agregue dos puntos supuestos de suministro de combustible a regímenes más bajos y mantenga constantes los demás supuestos:
| rpm del motor | Combustible, kg/h | Caudal real de aire, kg/s | Caudal corregido de aire, kg/s | Relación de presión, redondeada |
|---|---|---|---|---|
| 1,400 | 24 | 0.160 | 0.168 | 2.69 |
| 1,800 | 30 | 0.200 | 0.211 | 2.62 |
| 2,200 | 36 | 0.240 | 0.253 | 2.58 |
Estos puntos representan la demanda que se debe satisfacer. No demuestran que un turbocompresor candidato pueda suministrarla. La eficiencia volumétrica real, la temperatura y las pérdidas de presión en las tuberías varían con las condiciones de operación.
Si la temperatura real del aire de sobrealimentación es mayor, lograr el mismo caudal másico exige más presión en el colector. Si la contrapresión reduce el llenado de los cilindros, la presión requerida vuelve a aumentar. Repita el cálculo en lugar de suponer que el punto inicial se mantiene fijo.
Trace líneas de operación, no se limite a un único punto favorable
Grafique el caudal de aire corregido en el eje horizontal y la relación de presión en el eje vertical del mapa del compresor candidato. Utilice las condiciones de referencia y las unidades del mapa de ese fabricante; un valor de caudal de aire sin corregir puede situar el punto en una posición incorrecta.
Solicite el mapa correspondiente a la combinación exacta de rueda y carcasa del compresor; el mapa de un modelo similar no lo sustituye.
La tabla del ejemplo representa una línea supuesta de demanda a plena carga a medida que cambia el régimen del motor. El punto de menor régimen exige casi la misma presión con un caudal mucho menor, lo que puede revelar un problema de bombeo que queda oculto al considerar únicamente el punto de potencia nominal.
Trace barridos de carga por separado para un generador que funciona a un régimen regulado. Su caudal másico sigue variando con la presión de sobrealimentación y la temperatura de admisión. Una hélice de paso fijo sigue una curva de carga distinta, en la que la potencia absorbida suele aumentar aproximadamente con el cubo de la velocidad de giro. La propulsión con hélices de paso variable y la maquinaria móvil requieren un rango de operación más amplio.
Priorice una buena eficiencia en los puntos donde el motor pasa sus horas de trabajo. Mantenga, en todo el rango de operación, márgenes respaldados por el proveedor frente a los límites de bombeo, estrangulamiento y velocidad de giro. No existe un porcentaje universal de margen frente al bombeo que garantice una instalación adecuada.
Revise por separado el comportamiento transitorio: un mapa en régimen estacionario no puede predecir cada aceleración ni cada cambio escalonado de carga de un generador.
Verifique la turbina antes de dar por terminada la selección
En este ejemplo sin EGR, el caudal másico total de escape es aproximadamente la suma del aire y el combustible: 0.250 kg/s a la potencia nominal. Una válvula wastegate puede desviar parte de ese caudal para evitar su paso por la rueda de la turbina.
La selección de la turbina también requiere conocer la temperatura de escape, la relación de expansión, la eficiencia y la restricción del sistema de escape después de la turbina. Solicite datos de caudal de la turbina o una selección respaldada por el proveedor para las condiciones de trabajo previstas. El mapa del compresor por sí solo no indica si la turbina puede aportar la potencia necesaria al eje.
Una turbina restrictiva puede suministrar la presión de sobrealimentación solicitada y, al mismo tiempo, generar una presión excesiva en el colector de escape y pérdidas de bombeo. Un área de paso demasiado grande puede dejar una potencia insuficiente en el eje a bajo régimen. Valide tanto la potencia en régimen estacionario como la respuesta.
Turbo demasiado grande o demasiado pequeño: ¿qué problemas causa?
| Desajuste | Problema probable | Implicación para la selección |
|---|---|---|
| Compresor sobredimensionado | Los puntos de demanda de bajo caudal se acercan al límite de bombeo con la relación de presión requerida. | Revise los puntos de carga elevada a bajas rpm. |
| Compresor subdimensionado | Los puntos de alto caudal se acercan al estrangulamiento, a zonas de baja eficiencia o a los límites de velocidad de giro. | Revise la potencia nominal y la demanda en altitud. |
| Área de paso de la turbina sobredimensionada | Poca presión de sobrealimentación a bajo régimen y respuesta más lenta. | Revise la energía de escape disponible durante la toma de carga. |
| Área de paso de la turbina subdimensionada | Presión de escape excesiva y caudal restringido a carga elevada. | Revise la presión de escape y los límites de funcionamiento continuo. |
El tamaño de las ruedas por sí solo no permite diagnosticar el desajuste. Un compresor de mayor tamaño y una turbina restrictiva pueden combinar un mal comportamiento a bajo régimen con una presión de escape excesiva a carga nominal.
Ajuste el tamaño de la carcasa o de la tobera con un propósito claro
Dentro de una familia de turbinas compatibles, una carcasa con una relación A/R menor o una garganta de tobera más pequeña pueden mejorar la respuesta a bajo régimen, pero aumentar la restricción del escape a carga elevada. Un paso de mayor sección puede mejorar la capacidad de caudal y, al mismo tiempo, reducir la respuesta a bajo régimen. Los valores A/R de distintas familias de turbinas no permiten comparar directamente la capacidad.
Utilice combinaciones de carcasa y tobera validadas. Modificar la geometría de la turbina desplaza los puntos de operación, pero no amplía el mapa del compresor. El control VGT y los ajustes de la válvula wastegate deben mantenerse dentro de límites validados; no pueden compensar una capacidad insuficiente del compresor.
Sepa cuándo conservar la especificación OE
Si el suministro de combustible, la potencia, los controles y las condiciones de trabajo siguen siendo los de serie, un número de pieza OE o la referencia que lo sustituye, debidamente verificada, suele ser la elección adecuada. La selección original tiene en cuenta mucho más que la compatibilidad de las bridas, especialmente en los turbocompresores con control electrónico.
Si cambia la aplicación, valide la selección propuesta con una carga representativa antes de darla por terminada:
- Mida la presión de sobrealimentación, la temperatura de admisión, la presión en el colector de escape y la temperatura de escape en puntos definidos.
- Cuando sea posible medirla, compare la velocidad de giro del turbo con el límite del fabricante.
- Confirme la aceptación de carga, el comportamiento de las emisiones de humo y el funcionamiento de los controles en todas las condiciones de trabajo previstas.
Sin mapas, límites o datos de prueba adecuados, un turbo distinto del OE sigue siendo una opción sin verificar.
Preguntas frecuentes sobre cómo elegir un turbo diésel
¿Una mayor presión de sobrealimentación siempre significa más aire aprovechable?
No necesariamente. El aire de admisión más caliente es menos denso, y una mayor restricción del escape puede reducir el llenado de los cilindros. Compare el caudal másico de aire, la temperatura del aire de sobrealimentación y la presión en el colector de escape en el mismo punto de operación.
¿Mi turbo es demasiado grande para trabajar a bajo régimen?
Revise los puntos de demanda a bajo régimen. El compresor puede quedar demasiado cerca del límite de bombeo con la relación de presión requerida, mientras que una turbina grande puede tener dificultades para generar rápidamente potencia en el eje. Dimensione cada lado por separado.
¿Una carcasa de turbina más pequeña puede compensar un compresor sobredimensionado?
Puede mejorar la respuesta, pero no puede cambiar el mapa del compresor. Si el caudal de aire y la relación de presión requeridos quedan fuera de ese mapa, un cambio de carcasa no puede hacer que el compresor sea adecuado para la aplicación.
¿Un generador necesita la misma selección de turbo que un camión?
No necesariamente. Un generador de régimen fijo necesita eficiencia con carga constante y una respuesta aceptable a cambios escalonados de carga. Un camión debe suministrar aire en un rango de regímenes más amplio, incluso con un alto suministro de combustible a bajas rpm.
¿Cuándo debo conservar el turbocompresor OE?
Conserve la especificación OE cuando el motor, el suministro de combustible, los controles y las condiciones de trabajo sigan siendo los de serie. Considere una selección diferente cuando cambien los requisitos de operación documentados y se pueda validar el sistema completo.
¿Puedo dimensionar un turbo diésel solo a partir de la potencia en caballos de fuerza?
La potencia en caballos de fuerza es una referencia inicial. También necesita el caudal de combustible, las rpm de operación, el caudal de aire objetivo, la relación de presión y el ciclo de trabajo. Dos motores que producen la misma potencia pueden necesitar combinaciones diferentes de compresor y turbina.
¿Qué tamaño de turbo de reemplazo necesito?
Conserve la especificación OE cuando el motor, el suministro de combustible, los controles y las condiciones de trabajo sigan siendo los de serie. Si cambian los requisitos, seleccione el turbo según el caudal de aire y la relación de presión en todo el ciclo de trabajo y valide ambos lados del turbocompresor.
Comuníquese con LeadTurbo e indique el número de pieza de su turbocompresor, los datos del motor y las condiciones de trabajo previstas para analizar las opciones de reemplazo.
