Mejora del rendimiento del motor con la innovación del turbocompresor de dos etapas de Cummins

Cummins Turbo Technologies (CTT) ha estado desarrollando y probando tecnologías de turbocompresores con especial atención en motores de servicio medio-pesado. Durante varias décadas, Cummins Components and Software ha brindado soluciones de turbocompresores duraderas y confiables con la marca Holset®.

Los motores comerciales necesitan tecnología avanzada para ser eficientes y cumplir con estrictos estándares de emisiones. Por lo tanto, Cummins Inc. ofrece varias tecnologías de turbo, como turbos fijos, variables y de dos etapas, todas diseñadas para mejorar la eficiencia y reducir costos.

Mientras continuamos trabajando en los últimos avances para la próxima generación de tecnología de motores, echemos un vistazo más de cerca a la tecnología de turbocompresores 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 dan a los motores más potencia al empujar más aire hacia los cilindros, lo que hace que el combustible se queme de manera más eficiente. Lo hacen utilizando 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 fuerza más aire fresco al 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 tanto un turbo pequeño como uno grande. El turbo más pequeño gira rápidamente para brindar un impulso instantáneo, mejorando el torque y la capacidad de respuesta a bajas velocidades o en condiciones de gran altitud. Luego, el turbo más grande se activa 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 velocidades altas o bajas.

En un sistema de dos etapas, los gases de escape se gestionan mediante sistemas de derivación llamados "wastegates". Estas válvulas de descarga se ajustan según 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 brindan una solución sólida al equilibrar el torque a bajas revoluciones y la potencia máxima, ofreciendo un mejor rendimiento a mayores altitudes y mejorando la eficiencia general del combustible.

¿Cómo funciona el sistema de turbocompresor de dos etapas?

Un sistema de turbocompresor de dos etapas utiliza dos turbocompresores colocados a lo largo del recorrido del 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 entre los gases de escape calientes y el aire fresco que se mueve a través de los turbocompresores HP y LP.

Los gases de escape calientes del motor ingresan primero a la turbina HP, donde se extrae la energía del gas a alta temperatura, lo que hace que las palas de la turbina giren. 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 la turbina LP, que a su vez alimenta 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 HP. A medida que aumenta la velocidad, algunos gases de escape pasan por alto la turbina HP, redirigiendo más energía al turbo LP.

Los turbocompresores de dos etapas ofrecen una mejor "adaptación de turbo", lo que mejora la respuesta transitoria, el par máximo y la potencia máxima, haciéndolos altamente eficientes en toda la curva de par del motor. Esto los hace ideales para motores de alta potencia, motores con grandes 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 turbo ha avanzado junto con 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, mejorando el rendimiento según el diseño de la cámara y el tamaño de la turbina. Con el tiempo, introdujimos turbocompresores Wastegate y de geometría variable.

Los turbocompresores Wastegate incluyen una válvula (wastegate) 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, incluidos turbocompresores secuenciales, compuestos, paralelos y de geometría variable.

• Turbocompresor secuencial: en 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 se activa 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 más grande y de alta presión, lo que permite altas presiones de sobrealimentación y una mayor eficiencia.

• Turbocompresor paralelo: en los motores V-8 o V-12, turbocompresor paralelo, dos turbocompresores idénticos reciben gases de escape de conjuntos de cilindros separados, proporcionando aire comprimido al sistema de admisión para equilibrar la producción de potencia 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 liviano con un amplio rango de velocidades o cuando se necesita un par más alto a RPM más bajas. Se destacan por brindar una respuesta rápida durante ciclos de aceleración baja del torque.
Las configuraciones de dos etapas se pueden combinar con un turbo Wastegate o VGT. Una configuración de dos etapas con 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, una válvula de descarga eléctrica (eWG) puede ser una buena opción, donde la válvula de descarga se controla electrónicamente, similar a una 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 del empaque, que pueden dificultar la integración de estos sistemas en diferentes configuraciones de motor, limitando su uso en varias plataformas de vehículos. Otro desafío clave es la fatiga termomecánica (TMF). La configuración del turbocompresor dual requiere interconexiones y estructuras de soporte fuertes para soportar cambios de temperatura significativos y tensiones mecánicas. Para abordar esto, Cummins utiliza una extensa validación TMF, tanto analítica como empíricamente, aprovechando años de experiencia para mitigar estas preocupaciones.

La inclusión de la funcionalidad de derivación de válvula de descarga añade mayor 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 más 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 ciclos de trabajo específicos del cliente y seleccionando cuidadosamente materiales según el tipo de combustible, ya sea diésel, gas natural o H2ICE.

Cummins Inc. ha sido líder durante mucho tiempo en tecnologías avanzadas de turbocompresor, aprovechando nuestra experiencia en ingeniería para superar los desafíos de los sistemas de dos etapas. Nuestro equipo supera constantemente los límites del diseño, abordando las limitaciones del embalaje, reduciendo la fatiga termomecánica y optimizando la funcionalidad de la válvula de descarga.

A través de rigurosas pruebas y refinamientos, Cummins ha implementado con éxito el turbocompresor de dos etapas en varias plataformas de motores, mejorando el rendimiento, la eficiencia del combustible y el cumplimiento de las emisiones. Nuestros materiales avanzados, fabricación de precisión y controles sofisticados garantizan que maximicemos los beneficios de esta tecnología.