Un mapa del compresor del turbo permite comprobar si este puede suministrar el caudal de aire y la presión de sobrealimentación que necesita su motor de forma eficiente en todo su rango de funcionamiento.
Para quien busca mejorar el rendimiento y está aprendiendo cómo leer un mapa del compresor del turbo, lo importante es determinar si el compresor se adapta al motor desde el régimen previsto de inicio de la sobrealimentación hasta el régimen máximo de funcionamiento. Un único punto favorable de potencia máxima no permite responder esa pregunta.
Para un mecánico que sustituye un turbocompresor original, la compatibilidad con la aplicación suele importar más que la comparación de mapas. Comience por revisar cómo verificar la compatibilidad del turbo antes de hacer el pedido y recurra al análisis del mapa cuando las modificaciones cambien las necesidades del motor.
El mapa del compresor del turbo: caudal en horizontal y relación de presiones en vertical
La mayoría de los mapas de compresor para aplicaciones automotrices muestran el caudal másico corregido en el eje horizontal y la relación de presiones del compresor en el eje vertical. Revise las etiquetas: las unidades y los criterios de corrección varían.
| Elemento del mapa | Qué describe | Uso práctico |
|---|---|---|
| Eje horizontal | Generalmente, el caudal másico de aire corregido, en lb/min o kg/s | Comparar la demanda de aire del motor con la capacidad del compresor |
| Eje vertical | Presión absoluta de salida dividida entre la presión absoluta de entrada | Tener en cuenta la presión de sobrealimentación y las pérdidas de presión del sistema |
| Islas de eficiencia | Curvas de igual eficiencia del compresor | Evaluar el calentamiento y la potencia que requiere el compresor |
| Líneas de velocidad | Velocidad constante del eje o velocidad corregida | Comprobar la velocidad de funcionamiento y el margen disponible |
| Línea de bombeo | Límite de estabilidad con caudal bajo | Evitar exigir una presión excesiva con un caudal insuficiente |
| Zona de estrangulamiento | Extremo de caudal alto del funcionamiento útil del compresor | Identificar la capacidad limitada y la disminución del rendimiento |
El caudal másico es la masa de aire que pasa por unidad de tiempo. Se diferencia del caudal volumétrico: un pie cúbico de aire caliente y poco denso contiene menos masa que un pie cúbico de aire frío y denso.
Por qué se «corrige» el caudal de aire
El comportamiento de un compresor cambia cuando varían la temperatura y la presión de entrada. El caudal de aire corregido lleva esas condiciones de entrada a una base de referencia para poder comparar el punto de funcionamiento con el mapa publicado.
Una fórmula habitual para el cálculo del caudal de aire corregido del turbo es:
Caudal másico corregido = caudal másico real × √(temperatura de entrada ÷ temperatura de referencia) ÷ (presión de entrada ÷ presión de referencia)
Las temperaturas deben ser absolutas, normalmente en kelvin, y las presiones también deben ser absolutas. Utilice los valores de referencia de quien publica el mapa; no suponga que todos los fabricantes utilizan los mismos.
El caudal corregido es un valor que se utiliza para trazar puntos en el mapa. Aplicar una corrección no significa que el motor consuma físicamente más aire.
Diferencia entre relación de presiones y presión de sobrealimentación del turbo: utilice presiones absolutas
El cálculo básico es:
Relación de presiones = presión absoluta de salida del compresor ÷ presión absoluta de entrada del compresor
Un manómetro de sobrealimentación suele indicar la presión por encima de la presión atmosférica local. Su lectura por sí sola no proporciona ninguno de los dos valores necesarios para ese cálculo.
La presión de entrada del compresor puede ser inferior a la atmosférica debido al filtro y a los conductos de admisión. La presión de salida debe superar la del colector de admisión para compensar las pérdidas del intercooler y de las tuberías de aire de sobrealimentación.
Los mapas publicados suelen utilizar presiones totales. Las mediciones de taller realizadas mediante tomas de presión estática proporcionan una estimación; una selección precisa requiere puntos de medición y definiciones de presión coherentes con los del mapa.
Islas de eficiencia: por qué importa su ubicación
Una isla de eficiencia del turbo es una curva cerrada que delimita puntos de funcionamiento con una eficiencia del compresor similar. La zona de mayor eficiencia suele estar dentro de otras curvas de menor eficiencia que la rodean.
El valor de eficiencia indica cuánto se aproxima la compresión a un proceso ideal. No significa que ese porcentaje del aire llegue al motor ni que se conserve ese mismo porcentaje de la potencia del motor.
Con la misma temperatura de entrada y relación de presiones, un compresor menos eficiente produce aire de salida más caliente y requiere más potencia en el eje para un caudal másico determinado. Esto implica:
- Más calor que debe disipar el intercooler.
- Una temperatura potencialmente mayor en el colector de admisión.
- Una mayor demanda de potencia de la turbina.
- Menos margen térmico durante el funcionamiento con carga sostenida.
La compresión calienta el aire incluso cuando la eficiencia es alta. El objetivo es evitar un calentamiento innecesario en el rango de funcionamiento relevante para el vehículo.
En un camión que pasa tiempo realizando trabajo de tracción con carga, examine esos puntos de funcionamiento sostenido en un mapa del compresor de un turbo diésel. No basta con alcanzar brevemente la mejor isla cerca del régimen máximo en rpm.
Líneas de velocidad, bombeo y estrangulamiento
Las líneas de velocidad unen puntos con la misma velocidad de giro del compresor. Algunos mapas muestran las rpm reales del eje; otros utilizan la velocidad corregida. Lea la leyenda antes de compararlas con un límite de velocidad del eje.
Estas líneas no guardan una relación fija con las rpm del motor. La velocidad de un turbo depende del equilibrio entre la potencia de la turbina y la demanda del compresor. Consulte la explicación sobre a qué velocidad gira un turbo para obtener más detalles.
No extrapole más allá de los límites de velocidad publicados porque una zona sin datos parezca estar cerca de una línea trazada.
La línea de bombeo
El límite izquierdo suele marcar el límite de bombeo. Cerca de él, el compresor intenta mantener la presión mientras deja pasar relativamente poco aire. Fuera del rango estable, la presión y el caudal pueden oscilar, e incluso puede invertirse el flujo.
Un compresor sobredimensionado, combinado con una demanda elevada de presión de sobrealimentación a bajas rpm, puede situar el punto de funcionamiento del motor demasiado cerca de este límite. El cierre de la mariposa genera una condición transitoria diferente que los puntos de funcionamiento estable no describen por completo.
Deje un margen adecuado en lugar de situar el objetivo directamente sobre la línea. La configuración de la carcasa y las condiciones de instalación influyen, por lo que no existe un margen universal válido para todos los mapas. Nuestra guía sobre el bombeo del compresor y el sonido de aleteo del turbo explica los síntomas y las condiciones de funcionamiento.
La zona de estrangulamiento
En el extremo de caudal alto, llega un momento en que aumentar la velocidad apenas aporta caudal útil adicional. El flujo puede alcanzar condiciones sónicas en algunos conductos internos, mientras disminuyen la eficiencia y la capacidad de generar presión.
El borde derecho del mapa no es necesariamente una única línea de estrangulamiento marcada con precisión. Considere los límites publicados como fronteras que debe analizar, no como objetivos que deba superar.
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 resuelto: estime la relación de presiones y el caudal de aire
Considere un motor de gasolina hipotético de cuatro tiempos. Los siguientes son valores supuestos con fines didácticos, no especificaciones de ningún vehículo ni ajustes recomendados de sobrealimentación:
- Cilindrada del motor: 2.0 liters.
- Régimen del motor: 6,000 rpm.
- Eficiencia volumétrica: 90%, referida a las condiciones del colector de admisión.
- Presión de sobrealimentación objetivo en el colector: 100 kPa manométricos, aproximadamente 14.5 psi.
- Presión atmosférica local: 100 kPa absolutos.
- Restricción en la admisión: 5 kPa.
- Pérdida de presión entre el compresor y el colector: 10 kPa.
- Temperatura de entrada del compresor: 300 K, aproximadamente 80°F.
- Temperatura del aire en el colector de admisión: 323 K, aproximadamente 122°F.
- Condiciones de referencia del mapa hipotético: 100 kPa absolutos y 300 K.
Es importante distinguir la temperatura de entrada de la temperatura del colector. El caudal de aire que entra en los cilindros depende de la densidad del aire en el colector; la corrección para el mapa utiliza las condiciones de entrada al compresor.
Paso 1: cómo calcular la relación de presiones del turbo
La presión absoluta del colector es:
100 kPa de presión atmosférica + 100 kPa de sobrealimentación = 200 kPa
La presión de salida necesaria del compresor es:
200 + 10 = 210 kPa absolutos
La presión de entrada del compresor es:
100 − 5 = 95 kPa absolutos
Por lo tanto:
Relación de presiones = 210 ÷ 95 ≈ 2.21
Dividir la presión del colector entre la presión atmosférica daría 2.00, lo que subestimaría la exigencia de presión del compresor.
Paso 2: estime el caudal volumétrico hacia los cilindros
Un motor de cuatro tiempos completa un ciclo de admisión cada dos revoluciones del cigüeñal. Con la eficiencia volumétrica supuesta:
Caudal volumétrico = 0.002 m³ × (6,000 ÷ 2) × 0.90
El resultado es 5.4 m³/min, o 0.090 m³/s, referido a las condiciones del colector.
La eficiencia volumétrica es una estimación del llenado de los cilindros. Utilice datos fiables del motor cuando estén disponibles y compruebe cómo se definen sus valores de eficiencia volumétrica (VE) antes de incorporarlos al cálculo.
Paso 3: convierta el caudal volumétrico en caudal másico
Según la aproximación de gas ideal para el aire, la densidad es la presión dividida entre el producto de la constante específica del gas para el aire y la temperatura absoluta.
En las condiciones supuestas del colector:
Densidad del aire ≈ 200,000 ÷ (287 × 323) ≈ 2.16 kg/m³
Entonces:
Caudal másico real ≈ 0.090 × 2.16 ≈ 0.194 kg/s
Esto equivale aproximadamente a 25.7 lb/min.
Esta estimación supone fugas despreciables de aire de sobrealimentación y ninguna contribución de la recirculación de gases de escape (EGR). Las configuraciones de motor más complejas requieren considerar factores adicionales.
Paso 4: corrija el caudal para el mapa
La temperatura de entrada y la de referencia son ambas de 300 K, por lo que la corrección de temperatura es 1. La corrección de presión es:
Caudal corregido ≈ 0.194 ÷ (95 ÷ 100) ≈ 0.204 kg/s
Esto equivale aproximadamente a 27.0 lb/min.
Por lo tanto, el punto que debe trazar en este mapa hipotético es:
27.0 lb/min de caudal de aire corregido con una relación de presiones de 2.21.
En un mapa real con condiciones de referencia diferentes, vuelva a calcular el caudal corregido.
Trace puntos a varios regímenes del motor
Repita el cálculo con valores supuestos realistas de presión de sobrealimentación, temperatura y VE a varios regímenes del motor. No dé por hecho que la presión máxima de sobrealimentación está disponible en todo el rango.
A modo de ejemplo, mantenga las temperaturas y las pérdidas de presión anteriores mientras cambia las rpm, la VE y la presión de sobrealimentación:
| Régimen del motor | VE supuesta | Presión de sobrealimentación supuesta en el colector | Relación de presiones | Caudal de aire corregido |
|---|---|---|---|---|
| 2,500 rpm | 85% | 50 kPa manométricos | 1.68 | 8.0 lb/min |
| 4,000 rpm | 90% | 100 kPa manométricos | 2.21 | 18.0 lb/min |
| 6,000 rpm | 90% | 100 kPa manométricos | 2.21 | 27.0 lb/min |
Mantener constantes las pérdidas de presión simplifica este ejemplo. Las pérdidas reales de la admisión y del intercooler cambian con el caudal, y la temperatura del colector y la VE también varían.
Marque estos puntos en el mapa del compresor que está considerando y únalos para obtener una trayectoria de funcionamiento aproximada. Compruebe lo siguiente:
- ¿El punto a bajas rpm está suficientemente alejado del bombeo?
- ¿Los puntos de funcionamiento habituales atraviesan zonas de eficiencia útiles?
- ¿La demanda a las rpm máximas se aproxima al estrangulamiento o a un límite de velocidad?
- ¿Un clima más cálido o una mayor altitud desplazarían algún punto hacia una zona problemática?
Sin el mapa real del compresor, estos valores no permiten determinar si un turbo es adecuado. Describen la demanda, no un rendimiento garantizado.
El mapa del compresor tampoco permite demostrar que la turbina proporcionará suficiente potencia para alcanzar el objetivo a bajas rpm. El dimensionamiento de la turbina y el control de la presión de sobrealimentación mediante wastegate o geometría variable (VGT) requieren una evaluación independiente.
Errores comunes que cambian el resultado
Ignorar la altitud. Una presión atmosférica menor reduce la presión de entrada del compresor. Por lo tanto, mantener una presión absoluta determinada en el colector requiere una relación de presiones mayor. Si su objetivo es una presión de sobrealimentación manométrica, vuelva a calcular también la presión absoluta del colector.
Ignorar la restricción en la admisión. Un filtro restrictivo o un conducto de entrada demasiado pequeño reducen la presión en el compresor. Utilice las condiciones de entrada con carga en lugar de suponer que la presión atmosférica llega sin pérdidas a la rueda compresora.
Ignorar la caída de presión del intercooler. La presión de sobrealimentación del colector se encuentra aguas abajo del compresor. El compresor debe proporcionar la presión adicional que se pierde en el sistema de aire de sobrealimentación.
Utilizar la temperatura incorrecta. La temperatura de entrada del compresor se utiliza en la corrección. La temperatura del colector se utiliza para calcular la densidad del aire que entra en los cilindros.
Mezclar unidades o definiciones del mapa. Distinga kg/s de lb/min, la presión absoluta de la manométrica y el caudal corregido del real. No suponga que un valor en CFM corresponde a las mismas condiciones de referencia.
Por qué un repuesto OE debe mantener la correspondencia con el original
En un motor sin modificaciones, conserve la especificación prevista del turbo o utilice un equivalente verificado. Un mapa del compresor para reemplazar un turbo original solo abarca una parte del comportamiento del conjunto.
La geometría de la turbina, las carcasas, la calibración del actuador, las conexiones de aceite y refrigerante y los controles del motor influyen en la compatibilidad. Un compresor más grande puede situar algunos puntos de funcionamiento en una isla favorable y, al mismo tiempo, generar problemas en otras zonas.
Identifique la unidad siguiendo las indicaciones sobre cómo encontrar el número de pieza de su turbocompresor. Si considera sustituir el conjunto central, revise la comparación entre sustituir el CHRA y sustituir el turbocompresor completo. El conjunto central debe ser compatible con el resto del turbocompresor; el diámetro de la rueda por sí solo no basta.
Preguntas frecuentes
¿La relación de presiones es lo mismo que la presión de sobrealimentación?
No. La presión de sobrealimentación suele ser una presión manométrica medida con respecto a la presión atmosférica local. La relación de presiones del compresor se calcula dividiendo la presión absoluta de salida entre la presión absoluta de entrada, teniendo en cuenta las restricciones y las pérdidas de presión.
¿Por qué los mapas de compresor utilizan el caudal de aire corregido?
El caudal de aire corregido expresa las condiciones de funcionamiento con respecto a unos valores de referencia específicos de presión y temperatura de entrada. Permite comparar el caudal calculado con los datos de ensayo del mapa. Utilice siempre las condiciones de referencia y el método de corrección indicados para ese mapa.
¿La isla de mayor eficiencia indica cuál es el mejor turbo?
Por sí sola, no. Su motor necesita una trayectoria de funcionamiento útil a distintos regímenes y cargas, con márgenes adecuados respecto al bombeo y al límite de velocidad. La adecuación de la turbina, la respuesta, el control de la presión de sobrealimentación y la compatibilidad de instalación también influyen en la elección.
¿Un mapa de compresor permite saber cuándo se alcanzará la presión máxima de sobrealimentación?
No. Muestra el comportamiento del compresor, pero la respuesta de sobrealimentación también depende de la energía de los gases de escape, el dimensionamiento de la turbina, la inercia de los elementos giratorios, el funcionamiento del motor y el control de la presión de sobrealimentación. Un punto trazado a bajo régimen representa un requisito, no una prueba de que el turbo pueda alcanzarlo.
¿Puedo utilizar el mapa de una rueda compresora de tamaño similar?
Solo como comparación aproximada. El diseño de los álabes de la rueda, el trim, la geometría de la carcasa y otros detalles afectan el rendimiento. Para tomar una decisión de compra, obtenga un mapa de la configuración real del compresor.
¿Necesito un mapa de compresor para sustituir un turbo original?
Por lo general, la prioridad es que el repuesto corresponda correctamente al equipo original (OE). Confirme el número de pieza del turbo, la aplicación de motor, las conexiones de las carcasas y la compatibilidad del actuador. El mapa resulta más útil cuando cambian las necesidades de caudal de aire del motor o la configuración del turbo.
¿Por qué deja de aumentar el caudal de aire del turbo?
El caudal de aire del turbo puede estabilizarse cuando el compresor se aproxima a su zona de estrangulamiento. El flujo puede alcanzar condiciones sónicas en algunos conductos internos, por lo que aumentar la velocidad del turbo aporta poco caudal útil adicional mientras disminuyen la eficiencia y la capacidad de generar presión. Compruebe si el punto de funcionamiento de su motor a las rpm máximas se aproxima al estrangulamiento o a un límite de velocidad publicado.
¿Necesita ayuda para identificar un repuesto? Contacte con LeadTurbo e indique el número de pieza de su turbo, los datos del vehículo, las modificaciones y los síntomas.
