Guía de Mecánica Automotriz. -...

Fundación Universidad de Atacama Escuela Técnico Profesional Unidad Técnico Pedagógica

Profesor: Sr. Jorge Hernández Valencia Módulo: Mantenimiento de Sobrealimentadotes de Motores.

Guía de Mecánica Automotriz.

(Fuente de información; http://www.geocities.com/mcascella/sobrealim/index.html)

Objetivo: Conocer la historia, evolución y proyección de los sistemas de sobrealimentación de los

motores de combustión interna. Conocer el funcionamiento y componentes de los “Turbo cargadores” y “Super

cargadores”. Analizar las ventajas y desventajas de cada sistema. 1. LA SOBREALIMENTACIÓN. Los aparatos de sobrealimentación para motores de combustión elevan por compresión

la cantidad de aire necesaria para la combustión del combustible, manteniendo constante la cilindrada y el número de revoluciones del motor, con lo cual facilitan una mayor densidad de potencia. Los aparatos de sobrealimentación para motores de combustión se denominan generalmente “compresores”.

Se distingue entre compresor mecánico, turbocompresor de gases de escape y compresor de onda de presión.

La potencia de compresión necesaria en los compresores mecánicos procede del cigüeñal del motor (acoplamiento mecánico motor/compresor), también denominados “supercargador”. En los turbocompresores de gases de escape se obtiene la potencia de los gases de escape (acoplamiento fluidico, motor/compresor).

En los compresores de onda de presión la potencia procede de los gases de escape, pero mediante un aparato de transmisión mecánico además (acoplamiento mecánico y fluidico).

2. HISTORIA. En los primeros años del automóvil la forma de conseguir más potencia fue

relativamente sencilla: si se querían más caballos se subía la cilindrada, bien empleando pistones de mayor tamaño o bien aumentando el número de cilindros. Este tipo de solución no presentaba problemas graves en vehículos de uso normal, pero en competición pronto se demostró que no era la solución ideal.

También se aumentó la velocidad de giro de los motores, pero la fragilidad y el aumento de peso no favorecían lo más mínimo a la hora de competir.

Ante este problema surgió una tercera vía para conseguir más potencia. Si ésta, en definitiva, dependía de la cantidad de gasolina que se quemaba dentro de los motores, si se forzaba su entrada a los mismos se podrían conseguir más caballos sin necesidad de construirlos con cilindradas enormes o con más cilindros.

La idea de la sobrealimentación es casi centenaria y existen patentes que se remontan al siglo XIX (años de 1800). Ya los hermanos Daimler patentaron un tipo de compresor en 1896, y el ingeniero Büchi también presentó en 1905 la primera idea de lo que podría ser un turbocompresor, la cual completó en 1910 con un sistema básicamente igual al que se utiliza hoy día. El mismo Büchi trabajó intensamente con su idea y en 1925 llegó a perfeccionarlo de tal manera que su invento aún está vigente en determinados tipos de motores diesel.

ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL. COPIAPÓ

ÁREA DE ELECTROMECÁNICA – ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ – 2007

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La llegada del turbo al motor de combustión interna se produjo más tarde y su aplicación comenzó en la competición después de que por los años sesenta se utilizase con profusión el compresor volumétrico. Los éxitos más notables en la implantación del turbo vinieron de la mano del ingeniero francés Auguste Rateau. Después, por encargo de Renault, comenzó en los años setenta, ya con los debidos medios, su aplicación a motores de competición en la categoría de los Sport Prototipos. Así nació el Renault Alpine A-442 que sirvió de base para el motor de Fórmula 1 que debuto en 1977. A partir de ese momento, comenzó una vertiginosa carrera en la aplicación del turbo para motores de vehículos de gran serie, hasta el punto de que en la actualidad no hay fabricante de prestigio que no comercialice alguno de sus modelos dotado de turbo.

3. Evolución del Turbocompresor. Después de la Segunda Guerra Mundial, con una economía que no permitía grandes

alegrías, la mayoría de los fabricantes Europeos se olvidaron de los motores sobrealimentados. Por un lado, resultaban complicados de fabricar, por otro, no había muchas economías que pudieran permitirse su adquisición.

Pasarían bastantes años hasta que una marca volviera a lanzar al mercado un coche de serie movido con un sistema fiable de sobrealimentación. Nos referimos a BMW, que con su 2.002 Ti Turbo a principios de los 70 dio el primer paso de lo que más tarde sería una moda que llegaría a todo el mundo de automóvil y que aún se sigue empleando con éxito.

La nueva forma de sobrealimentar era mucho más sencilla y barata que la de los compresores volumétricos. Un sistema de dos turbinas unidas por un eje se encargó de que el rendimiento de los motores subiera, como por arte de magia, de un 50 a 60 por ciento, con la ventaja añadida de no exigir grandes cambios en el motor y ser un sistema muy ligero.

La idea no puede ser más simple: los gases de escape, al salir del motor, mueven una turbina. Su movimiento es trasmitido, mediante un eje, a una segunda turbina que lo que hace es aspirar aire y mandarlo comprimido a los cilindros.

Bastaron algunas pequeñas modificaciones en los colectores de escape, en el sistema de alimentación, engrase y refrigeración para conseguir potencias de unos 100 caballos por litro. Algo que ahora nos parece relativamente normal, pero que parecía imposible conseguir, en un vehículo de calle, no hace muchos años.

Figura 1. Motor turboalimentado

Una idea tan buena rápidamente fue utilizada en competición, ya que gracias a ella se conseguían todos los objetivos de cualquier fabricante o preparador de motores de competición. Poco peso y alto rendimiento sin necesidad de complicar mucho el diseño del motor.

El turbocompresor no era una idea nueva, ya que se había venido utilizando hacía muchos años como sistema de sobrealimentación de motores Diesel estacionarios. En éstos al no existir cambios frecuentes en su velocidad de giro, poco importaba que el turbocompresor fuera muy pesado, pero en un motor destinado al automóvil había que conseguir que respondiera con rapidez y que fuera fiable.



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Como en otras muchas ocasiones, fue la mejora en la calidad de los materiales y de los lubricantes lo que permitió que se desarrollaran rápidamente.

El turbocompresor moderno tiene un tamaño muy pequeño, lo que permite que gire muy rápido y que tenga pocas inercias. Con esto se consigue que sobrealimente de forma progresiva y que no pase mucho tiempo entre el momento de pisar el acelerador y el de notar cómo el motor comienza a entregar caballos de forma espectacular.

4. TURBOCOMPRESOR. El turbocompresor podría definirse como un “aparato soplador” o compresor movido por

una turbina. Se puede considerar que está formado por tres cuerpos: el de la turbina, el de los cojinetes o central y el del compresor, van acoplados a ambos lados de los cojinetes.

Así, en uno de los lados del eje central del turbo van acoplados los álabes de la turbina, y en el otro extremo los álabes del compresor. Los gases de escape, al salir con velocidad hacen que giren los álabes de la turbina a elevadas velocidades, y ésta, a través del eje central, hace girar el compresor que, a su vez, impulsa el aire a presión hacia las cámaras de combustión.

Tanto los álabes de la turbina como los del compresor giran dentro de unas carcasas que en su interior tienen unos conductos de formas especiales para mejorar la circulación de los gases. El eje común central gira apoyado sobre cojinetes situados entre compresor y turbina, y también está recubierto por una carcasa. El eje y los cojinetes reciben del propio motor, lubricación forzada de aceite, que llega a la parte superior del cuerpo de cojinetes, se distribuye a través de conductos en el interior y desciende a la parte inferior.

En el cuerpo del compresor, el

aire entra por el centro de la carcasa dirigido directamente al rodete de álabes, que le dan un giro de 90° y lo impulsan hacia el difusor a través de un paso estrecho que queda entre la tapa, el cuerpo central y la pared interna del difusor. Este es un pasaje circular formado en la carcasa, que hace dar una vuelta completa al aire comprimido para que salga tangencialmente hacia el colector de admisión. Figura 2.

Figura 2. Turbocompresor en corte.

El sistema de alimentación por medio de turbocompresor, es una tecnología que alcanzó su validez en esta década. La disipación térmica, la lubricación de los componentes móviles y la dosificación de la presión, forman la clave del buen funcionamiento.

En el cuerpo de la turbina, los gases de escape entran tangencialmente y circulan por un pasaje de sección circular que se va estrechando progresivamente y los dirige hacia el centro, donde está situado el rodete de álabes de la turbina. Al chocar contra los álabes, los gases hacen girar la turbina, cambian de dirección 90° y salen perpendicularmente por el centro hacia el tubo de escape. El cuerpo de la turbina es de fundición, o de fundición con aleación de níquel, y el rodete se suele fabricar en aleaciones de níquel, de alta resistencia al calor.

La utilización del turbo no sería posible en un motor si no se pudiera regular la sobrepresión que en mayor o menor grado aporta, de acuerdo con su mayor o menor velocidad de giro. Es evidente que a pocas revoluciones del motor, la salida de gases es de poca consideración y la velocidad de giro de la turbina resulta muy moderada. Pero cuando el motor aumenta su régimen de giro, la turbina recibe una mayor densidad y velocidad de los gases de escape, de modo que aumenta también su giro y con ella lo hace el compresor, que adquiere de ese modo elevados valores de sobrepresión.



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Para que el conjunto funcione correctamente, el turbo no ha de sobrepasar ciertos valores de sobrepresión, que oscilan generalmente entre los 0,4 y 0,7 bares, según el diseño, de modo que se hace necesaria una válvula de seguridad que controle la presión máxima para la que el motor ha sido diseñado. Esto se consigue por medio de la válvula de descarga, también conocida como “waste gate” (puerta de desecho), que desvía las presiones de los conductos cuando alcanzan valores superiores a los establecidos. Esta válvula está gobernada automáticamente por una cápsula manométrica que actúa en función de la presión de admisión.

Como se decía al principio, la utilización del turbo suponía muchas ventajas pero al mismo tiempo aportaba algunos inconvenientes; lo que no quiere decir que muchos de ellos no estén solucionados satisfactoriamente o que supongan un peligro real para la vida útil del motor.

La enumeración de estos

problemas simplemente quiere reflejar que un motor turboalimentado, aunque fiable, resulta más delicado que un atmosférico; es la contrapartida a las altas cotas de rendimiento y potencia que proporciona la sobrealimentación con un turbo.

Por medio del turbocompresor,

se llegó a obtener una potencia considerable de un simple motor de dos mil centímetros cúbicos de cilindrada con cuatro cilindros en línea.

Un voluminoso intercambiador de calor junto a otro radiador del lubricante, han hecho posible el control de la temperatura.

(Figura 3)

Figura 3. A la vista de que la mezcla gasolina/aire es altamente explosiva cuando ya ha sido

preparada, y es muy sensible a las altas temperaturas y las altas presiones, la aplicación del turbo a un motor de chispa plantea problemas, precisamente porque aumenta las temperaturas y presiones. Este aumento de valores no sólo afecta a la mezcla sino también a las partes móviles del motor, por lo que debe ser preparado convenientemente en sus partes vitales. De ahí una de las razones del encarecimiento de los motores turboalimentados respecto a los atmosféricos.

Además del costo elevado de producción, hay una serie de cuestiones fundamentales a tener en cuenta a la hora de hacer una somera descripción de las desventajas del turbo, el aumento de temperatura y los problemas de engrase.

En cuanto a la detonación (explosión de la mezcla en la cámara de combustión sin que haya chispa), cuando un motor se somete a la sobrealimentación se produce un aumento de volumen en la entrada de la mezcla cada vez que se abre la válvula de admisión debido a que existe una mayor presión en el colector. El aire entra a mayor velocidad en el cilindro, y cuando se cierra la válvula ha entrado una mayor cantidad de mezcla. La importancia de este aumento se manifiesta en una considerable subida de los valores de temperatura y compresión, que producirá inevitablemente la detonación. Por lo tanto, un motor sobrealimentado ha de tener una relación de compresión inferior a la de un motor atmosférico, lo que se traduce en un rendimiento pobre del motor cuando el régimen de giro es bajo.

Respecto a la lentitud de respuesta del turbo, hay que tener en cuenta que la presión de sobrealimentación alcanzada por un turbo, resulta prácticamente proporcional a su régimen de giro, es decir, a más velocidad de giro, mayor caudal y también mayor valor de sobrepresión.



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Como el régimen de giro del turbo depende de los gases de escape, y éstos a su vez, del volumen de gas quemado, el turbo aumenta su presión de admisión sólo cuando los gases quemados son abundantes, y son abundantes sólo cuando son recibidos en las cámaras de combustión en suficiente cantidad. Es un problema, cuando se produce un retardo, cuando el motor está en un régimen bajo, lo que determina una lentitud de respuesta del turbo, problema que se agrava además ante la necesidad de una baja relación de compresión por las causas antes explicadas.

El constructor sueco Saab, ha logrado motores turboalimentados de elevada fiabilidad mecánica y buenas prestaciones (Figura 4). El propulsor que aparece en la figura, es un claro ejemplo de avanzada tecnología, en el que el turbocompresor ha jugado un papel determinante.

Este es un fenómeno que se está investigando y cuya solución pasa por un turbo que se mueva al compás del régimen de giro del motor, que tenga muy poca inercia y sea de tamaño reducido; además de ser muy sensible al paso de los gases, acelerando y desacelerando con gran rapidez.

Figura 4. Motor turboalimentado SAAB.

Otra solución, que ya comienza a desarrollarse, es la creación de turbinas con álabes de inclinación variable, pero al fin y al cabo son soluciones que aún no se han implantado en serie debido a los altos costos de producción.

El problema del aumento del calor es consecuencia de la alta temperatura que se alcanza en la cámara de combustión, del orden de los 3.000 grados centígrados en el momento de la explosión. Los gases de escape salen por los colectores con temperaturas cercanas a los 1.000 grados. Estos gases, que son los que mueven la turbina, acaban calentando los de admisión, movidos por el compresor, muy por encima del valor de temperatura ambiente. Esto se traduce en una dilatación del aire y pérdida de oxígeno en una misma unidad de volumen, lo que hace que el excesivo calor de la mezcla en la cámara de combustión eleve la temperatura de funcionamiento del motor, por lo que la refrigeración tradicional del mismo resulta insuficiente.

La solución llega con la adopción de un sistema de refrigeración del aire de admisión, por medio de un radiador enfriador aire - aire, conocido también como “intercooler”. Esta refrigeración del aire de admisión hace posible el uso continuado del turbo y dificulta enormemente la presencia de los efectos de detonación que se presentan con gran frecuencia con el aire caliente, en cuanto los valores de sobrepresión son importantes.

Sobre los problemas de engrase en los turboalimentadores, el aceite en los motores de gasolina ha de realizar una labor mucho más dura. Debido a las altas temperaturas que alcanza el turbo, el aceite ha de realizar una doble labor de engrase y refrigeración, lo que significa que está sometido a condiciones mucho más duras y extremas de lo que podría considerarse habitual en otros motores.



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En este esquema que pertenece al motor Alfa Romeo 2l. turboalimentado, se puede comprobar en todos sus detalles la instalación de la inyección electrónica. (Figura 5). Por ello, los motores turboalimentados tienen el cárter de aceite sobredimensionado, suelen llevar un radiador de refrigeración para el aceite y se utilizan formulaciones distintas a las habituales en la composición de estos aceites. Además, los fabricantes recomiendan acortar los períodos de cambio del aceite y seguir unas normas básicas para la puesta en marcha y apagado del motor.

Figura 5. Motor Turboalimentado Alfa Romeo 2 litros. 4. COLOCACIÓN DEL TURBOCOMPRESOR. Para motores alimentados con carburador, según donde se coloque el sistema de

sobrealimentación se pueden distinguir dos casos: * Carburador soplado: el carburador se sitúa entre el compresor y el colector de

admisión. De esta forma el aire que entra en el compresor es aire limpio directamente del exterior. (Figura 6)

Figura 6. Carburador Soplado.



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* Carburador aspirado: el carburador se monta antes del compresor por lo que en este caso lo que se comprime es una mezcla de aire y gasolina. (Figura 7)

Este último sistema fue el

más utilizado en las primeras aplicaciones de la sobrealimentación, por su sencillez y porque proporcionaba una mezcla de aire - gasolina de temperatura más baja que el sistema soplado.

Sin embargo actualmente se utiliza más el sistema de carburador soplado ya que este sistema permite la utilización de un intercambiador de calor o intercooler.

Para motores diesel o motores de gasolina alimentados por inyección esta clasificación no tiene sentido ya que los inyectores de combustible se colocan siempre después del sistema de sobrealimentación.

Figura 7. Carburador Aspirado. 5. SISTEMA DE INTERCOOLER. El sistema intercooler consiste en un intercambiador de calor en el que se introduce el

aire que sale del turbocompresor para enfriarlo antes de introducirlo en los cilindros del motor. (Figura 8)

La circulación del aire en el sistema de alimentación de un motor turbo es muy

complicada. A- Aire que llega desde el filtro. B- Aire que al pasar por el turbocompresor se calienta. C- Aire refrigerado por el intercambiador de calor. D- Gases productos de la combustión que van a la turbina de escape. E- Dichos gases se expulsan por el tubo de escape.

Figura 8. Sistema intercambiador de calor.



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Al enfriar el aire disminuye la densidad de éste por lo que para el mismo volumen de los

cilindros se puede introducir mayor masa de aire y así mejorar el rendimiento del motor. (Figura 9)

Figura 9. Sistema de enfriamiento “Intercooler”

6. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL TURBO. a) Ventajas:

Obtención de elevadas potencias a partir de cilindradas reducidas. Reducción del consumo de combustible. Reducción de peso y volumen del motor en comparación con motores de aspiración

atmosférica de similar potencia ya que los cilindros de estos últimos serán de mayores dimensiones.

Ruidos de funcionamiento relativamente menores que en motores de aspiración atmosférica ya que el turbo actúa como silenciador de los gases de escape y del aire o mezcla aire-gasolina.

b) Inconvenientes: Potencias reducidas a bajas revoluciones. Cuando se lleva poco pisado el acelerador

y por lo tanto un régimen de vueltas bajo, los gases de escape se reducen considerablemente y esto provoca que el turbo apenas trabaje. La respuesta del motor entonces es poco brillante salvo que se utilice una marcha convenientemente corta que aumente el régimen de giro.

El mantenimiento del turbo es más exigente que el de un motor atmosférico. Los motores turbo requieren un aceite de mayor calidad y cambios de aceite más

frecuentes, ya que éste se encuentra sometido a condiciones de trabajo más duras al tener que lubricar los cojinetes de la turbina y del compresor frecuentemente a muy altas temperaturas.

Los motores turboalimentados requieren mejores materiales y sistemas de lubricación y refrigeración más eficientes.



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7. COMPRESOR VOLUMÉTRICO. Uno de los sistemas más antiguos de

sobrealimentar motores ha sido la aplicación de compresores volumétricos, técnica que estuvo casi en desuso a nivel comercial durante años, hasta que a finales de la década de los 80, cobró un nuevo impulso cuando fabricantes como Lancia o Volkwagen iniciaron su aplicación en modelos de gran serie.

El objetivo de la instalación en el automóvil de sobrealimentadores, como los compresores volumétricos, es conseguir un mejor rendimiento del motor a base de llenar los cilindros lo más rápido y con la mayor cantidad de mezcla aire/combustible posible.

Existen varios tipos de compresor aunque casi todos han partido del mismo concepto: hacer circular aire a mayor velocidad de la que proporciona la presión atmosférica, para acumular la mayor cantidad de aire posible en el conducto de admisión y crear una sobrepresión en él.

Figura 10. Compresor Volumétrico.

Todos los compresores volumétricos tienen una característica en común, que además es una de sus principales desventajas: su accionamiento es mecánico y para funcionar necesitan ser movidos por el cigüeñal del motor, arrastre que supone una merma considerable en el potencial del motor.

Pero esta desventaja tiene su gran contrapartida y es que al ser accionados directamente por el motor, se ponen en funcionamiento en el mismo instante en que éste arranca, y aumentan o disminuyen su función de sobrealimentación en perfecta armonía con el régimen de giro del motor. Con ello, se consigue una sobrealimentación instantánea y muy equilibrada a cualquier régimen de giro, cosa que no ocurre con el turbo, que solo consigue entrar en funcionamiento útil cuando los gases de escape que lo accionan tienen la suficiente velocidad para arrastrar la turbina.

Uno de los compresores más utilizados hace años era el Eaton Roots 1, adoptado por prestigiosos fabricantes de motores, entre otros Abarth. En este compresor, la presión efectiva de carga no se creaba hasta llegar al colector de admisión y sus rotores de dos lóbulos originaban una presión relativamente baja. El Roots 1, para una presión de 0,6 bares y paso máximo de aire, absorbía 12,2 caballos de potencia del motor y su rendimiento, además de no ser muy alto, empeoraba con el aumento de régimen del motor.

Luego vino el Roots 2, una versión

posterior que llegó a mejores resultados gracias a una mayor complejidad en su construcción, con rotores de tres álabes y que para moverse sólo necesitaba 8 caballos de potencia para conseguir 0,6 bares de presión. (Figura 11)

Aquí se puede notar la presencia del Compresor Roots, definiendo al motor como un modelo Super Cargado (Super Charger).

Figura 11. Compresor Volumétrico Roots 2,

con rotores de tres álabes.



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Por su parte, los ingenieros de Wanquel construyeron un compresor de pistones rotativos inspirado en una versión de Roots, con distintas geometrías de rotores y una arquitectura más sencilla. Alcanzaba una presión mucho más alta y absorbía 8 caballos, pero conseguía además un rendimiento que superaba el 50 por ciento.

También el fabricante escocés Sprintex pasó a la historia por su compresor de hélice con diseño de rotores en forma de caracol, parecidos a una trituradora de carne, que no consiguió un rendimiento muy bueno, y además tenía un consumo de energía del motor muy elevado, que alcanzaba la cota de los 11 caballos de potencia.

Otra solución para la sobrealimentación fue el compresor Pierburg de pistón rotativo, con un cierto parentesco con el motor Wankel; un rotor de tres álabes describe una trayectoria circular en un tambor rotativo con cuatro cámaras. Puesto que éstas en su rotación van variando el volumen, la compresión del aire tiene lugar dentro del compresor y gracias a esto su rendimiento supera el 50 por ciento con un consumo de energía relativamente bajo, con valores comprendidos entre 2,5 y 8,2 caballos de potencia.

Otra modificación del compresor Roots es el KKK de pistón rotativo. En éste, el rotor gira en un tambor que lo envuelve, que a su vez también gira. La creación de presión de carga y el paso del aire es muy rápido en este compresor KKK, y la potencia necesaria para conseguir una elevada presión y un alto grado de flujo es relativamente baja, menos de 8 caballos.

Pero uno de los mejores logros dentro del campo de la sobrealimentación por medio de compresores volumétricos lo ha construido Volkswagen, aplicándolo en varios de sus modelos más populares. El G, es un compresor en espiral y se diferencia de otros modelos sobre todo porque su diseño ha eliminado los elementos en rotación para conseguir la circulación del aire.

En el compresor G, la compresión que se produce en el conducto del caracol es consecuencia del movimiento oscilante de su pieza interior, y las características de suministro de flujo de éste compresor cumplen el requisito más importante: una rápida creación de presión. A su elevada capacidad de circulación se aúna además un bajo consumo de energía, ya que las pérdidas por rozamiento son muy pequeñas en los cojinetes del compresor implantado en sus modelos por el fabricante alemán Volkwagen.

La marca japonesa Mazda utiliza un compresor volumétrico helicoidal en su motor V6,

mandado por una polea de diámetro variable. Esta polea, al variar su diámetro, y consecuentemente su relación de transmisión, es capaz de disminuir el esfuerzo de giro en regímenes altos. Gracias a ello se palian las pérdidas de potencia producidas por el arrastre del compresor en alta, conservando unas buenas cualidades de sobrealimentación.

En base a las experiencias obtenidas en los últimos tiempos, casi todos los fabricantes de automóviles, independientemente del tipo de sobrealimentación que hayan implantado en sus modelos, están de acuerdo en que el compresor volumétrico de accionamiento mecánico es ventajoso sobre todo en motores de pequeña cilindrada, porque en ellos puede trabajar con un buen rendimiento y con resultados altamente positivos.



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7. Tipos de Compresores Volumétricos. Compresores Eaton Roots

La solución del compresor volumétrico se ha empleado con éxito en coches de competición y de calle. Un ejemplo fueron los Lancia 037 de rally y el Volumex.

Los dos rotores compresores del compresor Roots giran de frente en una caja ovalada en sentidos contrarios y sin tocarse. La magnitud del intersticio que existe viene determinada por la construcción, el material elegido y las tolerancias admisibles. La sincronización de ambos rotores se realiza por medio de un par de ruedas dentadas que giran fuera de la cámara de trabajo.

(Figura 12)

Figura 12. Compresor Eaton Roots. a) COMPRESOR EATON ROOTS 1:

Se trata de una máquina pura de circulación, en las que no

se comprime el aire. La presión de carga efectiva no se crea hasta llegar al colector de admisión.

Esta versión sencilla con rotores de dos álabes origina una presión relativamente baja, y además la crea muy despacio al aumentar el régimen de giro.

La potencia absorbida se sitúa para una sobrepresión de 0,6 bares y paso máximo de aire, en 12.2 CV.

El rendimiento del compresor Roots no es muy alto y además empeora con el aumento del régimen de giro.

La capacidad de suministro sólo supera el 50% en una gama muy limitada. El aire comprimido se calienta extraordinariamente.

b) CROMPRESOR EATON ROOTS 2: Al igual que el anterior tampoco comprime el aire

internamente, sin embargo la sobrepresión de carga, bajo las mismas condiciones, alcanza un máximo más elevado. La potencia absorbida se sitúa en sólo 8 CV y la temperatura del aire se eleva menos.

El rendimiento de este compresor supera el 50% en una gama más alta.

c) COMPRESOR VOLUMÉTRICO DE PISTONES ROTATIVOS WANKEL:

Su funcionamiento es similar al del compresor roots, pero variando sustancialmente su geometría. De esta manera se mejoraron notablemente las propiedades. La sobrepresión que se alcanza es alta. La potencia absorbida para una presión de 0,6 bares y máximo paso de aire alcanza 8.2 CV. La temperatura del aire no se eleva mucho. El rendimiento está por encima del 50% para capacidad de circulación media y en una pequeña gama incluso supera el 60%.



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d) COMPRESOR DE HÉLICE SPRINTEX: Este compresor fabricado en Escocia presenta un elevado

consumo de energía, para una baja capacidad de suministro, con el máximo en casi 11 CV. La causa parece radicar en los cojinetes lisos del compresor Sprintex, que ayudados por el rozamiento interno eleva mucho la temperatura del aire. El rendimiento no es muy bueno y sólo con alta sobrepresión y un elevado grado de paso de aire se acerca al 50%.

e) COMPRESOR PIERBURG DE PISTÓN ROTATIVO:

Este compresor tiene un parentesco cinemático con el motor Wankel. Un rotor de tres álabes describe una trayectoria circular en un tambor rotativo con cuatro cámaras. Las cámaras en su rotación van cambiando de volumen y por lo tanto el aire se comprime dentro del compresor.

El consumo de energía es muy bajo también en carga parcial, entre 2.7 y 8.2 CV. La elevación de la temperatura es reducida. El rendimiento del compresor supera el 50% en una amplia gama de capacidad media de suministro.

f) COMPRESOR KKK DE ÉMBOLO ROTATIVO : Es una máquina de émbolo rotatorio de eje interno. El rodete

interior accionado (émbolo rotatorio) gira excéntricamente en el rodete cilíndrico exterior.

Los rodetes con una relación de transmisión de tres a dos giran uno frente al otro y sin contacto con la carcasa, alrededor de ejes de posición fija. A causa de la excentricidad se puede captar el volumen máximo, comprimirlo y expulsarlo. La magnitud de la compresión interna viene fijada por la posición del borde de salida. Por medio de unas aberturas de entrada y salida de gran superficie en el rodete exterior, se consigue un suministro casi continuo con tres llenados de cámara en cada revolución. La sincronización del movimiento se realiza por medio de un par de ruedas dentadas rectas. Estas y los cojinetes de los rodetes van engrasados permanentemente con grasa. El rodete interior y el exterior se unen por medio del escaso juego que existe entre sí.

La creación de la sobrepresión de carga y el paso del aire es muy rápido en el KKK. La potencia necesaria para conseguir una elevada presión y un alto grado de flujo es relativamente baja, con valores que se acercan a los 8 CV. El aire se calienta muy poco por la sobrepresión. El rendimiento del compresor KKK es muy bueno y en una amplia gama de alrededor de un 50% y en una gama más pequeña supera el 60%.

g) COMPRESOR G DE VOLKSWAGEN:

Se diferencia de otros modelos sobre todo porque no se compone de elementos en rotación para conseguir la circulación. La compresión del aire en el conducto del caracol es consecuencia de un movimiento oscilante de la pieza interior. La característica de suministro del compresor G cumple el requisito de una rápida creación de presión. Una elevada capacidad de circulación se une aquí con un bajo consumo de energía, ya que las pérdidas por rozamiento son muy pequeñas en los cojinetes del compresor G.

El rendimiento alcanza en determinadas gamas de carga, máximos del 60%. El compresor G de Volkswagen ya no se utiliza, y se ha estado incorporando en algunos motores del W. Polo, W Golf y W. Passat durante menos de una década.



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8. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL COMPRESOR. a) Ventajas:

Al contrario de lo que solía pasar con los turbos, en los compresores volumétricos la sobrepresión máxima se alcanza desde bajo número de revoluciones, lo cual facilita la conducción al aportar esta sobrealimentación extra en todo el rango de funcionamiento del motor.

En motores de pequeña cilindrada el compresor mecánico es ventajoso porque en ellos puede trabajar con un buen rendimiento, y dar resultados a bajo régimen similares al de motores de gran cilindrada. Se calcula que el límite de validez ronda los motores entre 1.6 y 2 litros.

b) Inconvenientes:

Los compresores volumétricos suelen ser de un gran tamaño y peso. Consumen potencia directamente del motor que en ocasiones para regímenes de giro

altos pueden alcanzar los 20 CV. Es difícil conseguir la estanqueidad de los compresores, especialmente a bajas

revoluciones, lo cual disminuye notablemente el rendimiento. 9. EJEMPLO DE APLICACIÓN. El VW Polo G40 fue lanzado al mercado automotor en la Primavera de 1991 y ha sido el

más rápido Polo construido en serie hasta la actual fecha por la casa VW, habiendo registros de los 0 a 100 km/h entre los 7,5 y 8,5 segundos, y velocidades máximas entre los 195 y 230 km/h.

Compresor G montado en el Volkswagen Polo G40 (Figura

13) El Polo G40 comparte muchas de las características de los

Polos normales y posee incluso algunas en común con el Polo GT, pero existe una diferencia muy importante que distingue al Polo G40 de sus demás “hermanos”; su sobrealimentación debido al compresor volumétrico G, inventado en 1905 por el francés LeCreux.

Figura 13. Compresor G Note el compresor G en

primer plano, accionado mediante correa desde el cigüeñal. (Figura 14)

Este compresor G instalado en el motor de aluminio de 4 cilindros, hace que el mismo llegue a 115 CV a 6250 RPM y un torque de 15,8 kgm a 3600 RPM en la versión sin catalizador, y 113 CV a 6000 RPM y un torque de 15,3 kgm a 3600 RPM en la versión con catalizador.

Figura 14.



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10. EL TURBO DEL FUTURO. Una de las mejoras más necesarias en los

motores turboalimentados tiene que ver con su prestación a bajo régimen. Avances en este apartado implican una mejora en la prestación de la turbina, junto a mayores flujos y rendimientos del compresor.

Para conseguir esto una de las últimas técnicas empleadas es la utilización de turbinas de admisión variable. Con esta técnica se mejoran tanto los valores máximos de par y potencia como la respuesta a cualquier régimen. (Figura 15)

El peso es otro aspecto a mejorar. En sus últimos modelos, Garrett (fabricante de turbocompresores) ha llegado a reducir el peso en más del 50% (de los 7 Kg del modelo T3 a los 3 Kg del GT12). Figura 15.

En los turbo para motores de gasolina otra necesidad es el aumento de la fiabilidad a

alta temperatura. A plena carga se pueden pasar de 1000ºC en la turbina y el material más habitual, denominado inconel, sufre cambios en su estructura a partir de esos grados. En el futuro se usará acero austenítico inoxidable para la envolvente, costoso en la actualidad, pero garantizado por su uso en competición.

11. COMPRESOR COMPREX. Es una máquina dinámica de gas, en la cual se verifica un cambio de energía del gas de

escape al aire fresco por medio de ondas de presión. Este cambio tiene lugar en las celdas del rotor, llamado también rodete celular, que debe ser accionado por el motor a través de correas trapezoidales para la regulación y mantenimiento del proceso de la onda de presión.

El cambio de energía se realiza en el rodete celular a la velocidad del sonido. Es función de la temperatura de los gases de escape y por ello depende principalmente del par motor y no del número de revoluciones. A relación constante de transmisión entre el motor y el sobrealimentador de onda de presión sólo es óptimo para un punto de trabajo. Incorporando “bolsas” apropiadas en los cuerpos del lado frontal se puede ampliar sin embargo el campo de buenos rendimientos a una zona amplia de funcionamiento, y con ello conseguir una buena característica de la presión de carga.

A consecuencia del cambio de energía en el rotor a la velocidad del sonido, el compresor de onda de presión reacciona rápidamente a los cambios de estado. Los tiempos de reacción vienen determinados por los procesos de llenado de los tubos de aire y de gases de escape. (Figura 15)

a.-Cámara de gases.

b.-Rotor.

c.-Correa de transmisión cigüeñal-coprex.

d.-Colector de admisión.

1.-Mezcla de admisión.

2.-Mezcla de presión.

3.-Gases de escape del motor.

4.- Escape.

Figura 15. Compresor Comprex.



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El rodete celular del compresor de onda de presión es accionado por el cigüeñal del

motor a través de correas trapezoidales. Para reducir el ruido, las celdas del rodete son de distintos tamaños. El rotor gira dentro de un cuerpo cilíndrico, en cuya cara frontal desembocan los conductos de aire y de gas, y además la entrada de aire a baja presión y el aire a alta presión por un lado, y el gas de escape a alta presión y la salida de gas a baja presión en el otro lado.

El rotor lleva cojinetes flotantes (los cojinetes se encuentran en el lado del aire),

conectado al circuito de aceite del motor. El compresor tipo Comprex utiliza la energía transmitida, por contacto directo, entre

los gases de escape y los de admisión, mediante las ondas de presión y depresión generadas en los procesos de admisión y escape.

El Comprex resulta de un tamaño bastante grande, y es accionado por el cigüeñal a través de una correa. Por ambas razones las posibilidades para elegir ubicación son muy reducidas.

El sistema Comprex, al igual que los sistemas turbo, aprovecha la energía de los gases de escape.

Su principal ventaja es que responde con mayor rapidez a los cambios de carga del

motor, por lo que éste tendrá un comportamiento más alegre.

Los principales inconvenientes que presenta este sistema son: Precios dos o tres veces mayores que los de un turbocompresor equivalente. Presencia de un silbido agudo durante las aceleraciones. Altas temperaturas de los gases de admisión, al haber estado en contacto las

paredes con los gases del escape.



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Fundación Universidad de Atacama Escuela Técnico Profesional Unidad Técnico Pedagógica

Profesor: Sr. Jorge Hernández Valencia Módulo: Mantenimiento de Sobrealimentadotes de Motores.

Material Anexo.

(Fuente de Información: http://www.club-escort.com.ar/tecnica/notas/turbo.htm) Sobrealimentación de motores La sobrealimentación es un método que se utiliza para dar potencia y rendimiento a un motor.

Sobrealimentar un motor puede definirse como la forma de utilizar un sistema mediante el cual se consiga aportar un mayor llenado al interior de los cilindros, es decir una mayor cantidad de mezcla fresca, para obtener así mayor energía y por lo tanto mayor trabajo del que podría obtenerse de un motor de aspiración natural. La sobrealimentación no sólo sirve para dar mayor potencia al motor, si no también para conseguir la misma potencia en condiciones atmosféricas anormales, como ser a grandes alturas (en el caso de los aviones o vehículos que transiten en zonas montañosas) o zonas de elevadas temperaturas.

El problema de las grandes alturas y elevadas temperaturas es que en estos lugares la presión es más baja y por lo tanto la cantidad de mezcla que ingresa al motor es menor.

Existen dos formas muy difundidas de sobrealimentar un motor: por medio del Compresor Volumétrico llamado Supercargador, o un Turbocargador. 1. Sobrealimentadores volumétricos o Super cargadores Los sobrealimentadores volumétricos son aparatos que hacen circular el aire a mayor velocidad de

la que proporciona la presión atmosférica, con lo que crea un sobrepresión en el múltiple de admisión. Las características fundamentales de éstos compresores es que se encuentran accionados por el cigüeñal del motor a través de engranajes o correas, por lo que tienen buen rendimiento a bajas vueltas cosa que no ocurre con los turbocompresores; pero también tienen contras, ya que el compresor al ser accionado por el cigüeñal le quita potencia al motor.

Existen 2 tipos de sobrealimentadores volumétricos que se utilizan en la actualidad: Supercargadores de lóbulos y los Supercargadores centrífugos. 1.1 Supercargadores de lóbulos Entre los supercargadores de lóbulos el más utilizado es el tipo ROOTS, el cual consta de 2

rotores de lóbulos que son solidarios a 2 engranajes, los cuales son comandados por un tercer engranaje el cual esta acoplado al cigüeñal por medio de una correa. El compresor ROOTS trabaja como desplazador del aire de la siguiente manera:

Al girar los 2 lóbulos absorben el aire de la atmósfera y lo desplaza comprimiéndolo a lo largo de

las paredes del supercargador en el sentido de giro de los rotores hacia la admisión del motor Existen otras formas de accionamiento del supercargador, por medio de un acoplador hidráulico o

por medio de un sistema de electroimán que permite ponerlo en funcionamiento o embragarlo a voluntad con un botón, según las características y necesidades de marcha.

Sus desventajas son que le quita potencia al motor por ser movido por el cigüeñal (generalmente de 7 a 10 HP aproximadamente), tienen un peso de 3 a 4 veces mayor que los turbocompresores y su colocación se hace difícil debido a su gran tamaño por todo esto no se los utilizan con mucha frecuencia en motores de bajas cilindradas.



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Diagrama de un motor con supercargador 1-Motor. 2-Escape. 3-Tanque de combustible. 4-Bomba de bencina. 5-Cañeria de alimentación del tanque a la bomba de bencina. 6-Cañeria de alimentación del carburador. 7-Carburador. 8-Filtro de aire. 9-Válvula de flap que permite pasar aire cuando no está funcionando el compresor. 10-Compresor tipo ROOTS. 11-Embrague electrónico del compresor. 12-Polea del cigüeñal canectada con el embrague del compresor. 13-Botón que habilita al pulsador del embrague del supercargador. 14-Pulsador que pone en marcha el supercargador. 15-Válvula de alivio para controlar la sobrepresión. 16-Cañeria para alimentación extra de combustible. 17-Sensor de cantidad de aire que ingresa.

1.2 Supercargadores centrífugos Los supercargadores centrífugos son muy similares a los turbocompresores ya que el compresor

en sí es un rotor con álabes, pero movido por medio de una correa conectada al cigüeñal que toma el aire a presión atmosférica, lo desplaza a través de las paredes de la carcaza comprimiéndolo y enviándolo a la admisión del motor.

Sus ventajas son: disponer de buen rendimiento a bajas vueltas (lo que no ocurre con los turbos) y son más pequeños que los de tipo Roots. Sus desventajas son que le quita potencia al motor (generalmente 6 a 9 HP aproximadamente) tiene mayor velocidad de rotación y produce mayor calor que el de tipo Roots por lo que es mejor utilizarlo con intercooler (intercambiador de calor).

2. Turbocompresores En el terreno de la sobrealimentación de motores los mejores resultados obtenidos hasta ahora se

han conseguido con la ayuda de los turbocompresores que si bien presentan algunos inconvenientes, tienen la gran ventaja de que no consumen energía efectiva del motor además de estar facultados para poder girar a un gran número de vueltas.

Las dos ventajas, junto a la facilidad con que pueden ser aplicados a los motores por su pequeño tamaño (con respecto a los compresores volumétricos) hacen que haya evolucionado su estudio y se hayan conseguido grandes rendimientos en motores de combustión interna de todo tipo. La idea de la sobrealimentación se remonta al siglo XIX, el ingeniero Buchi presentó en 1905 la primera idea de lo que sería un turbocompresor, la cual completó en 1910 con un sistema básicamente igual al que se utiliza hoy en día. El mismo Buchi trabajó con su idea y en 1925 llegó a perfeccionarlo de tal manera que su invento aún está vigente en determinados motores Diesel. Los éxitos más notables con la implementación del turbo vinieron de la mano del ingeniero Rateau. Luego por encargo de Renault comenzó en los años 70 su aplicación a motores de competición. Así nació el Renault A 442 que sirvió de base para el motor de Fórmula 1 que debutó en 1977. El reglamento de Fórmula 1 de esos años permitía motores aspirados de 3 litros o motores con turbocompresor de 1,5 litros de cilindrada. Con esto en 1977 los motores de 3 litros como el Cosworth DFV erogaba 487 CV, mientras que el motor Renault Turbo desarrollaba una potencia de 510 CV pero con una desventaja porque a pesar de su capacidad más pequeña era un 25 % más pesado que el Cosworth. En 1985 el motor Honda superó ampliamente esos valores porque éste erogaba 1082 CV con 1,5 litros de cilindrada.



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2.1 Desarrollo y funcionamiento Los motores de combustión interna aprovechan sólo un 25% de la energía del combustible el resto

se pierde por el escape, por pérdidas de rozamiento mecánico y también por pérdidas de calor al tener que enfriar el motor. El turbocompresor aprovecha la energía desperdiciada por el escape con un dispositivo que consta de una pequeña turbina, por la cual pasan los gases de escape y la hacen girar a grandes velocidades (hasta 130.000 R.P.M) con temperaturas del orden de los 900-1000°C. La turbina está unida mediante un eje al compresor, que es una rueda con una docena o más de álabes. Cuando gira la turbina también gira el compresor y las paletas curvadas (álabes) succionan el aire de la atmósfera lo hacen girar y lo impulsan a mucha velocidad hacia un difusor que está en la carcaza el compresor haciendo que el aire disminuya la velocidad y aumente considerablemente la presión. En la turbina se produce el efecto contrario; en la carcaza de ésta se encuentra situada una tobera por la cual pasan los gases de escape a presión, la cual disminuye y en consecuencia aumenta considerablemente la velocidad haciendo girar la turbina a altísimas revoluciones. Gracias al aumento de presión que produce el compresor, el aire penetra en el sistema de admisión del motor a través del carburador o múltiple de admisión (en el caso de ser inyección) donde adquiere la cantidad de combustible necesaria y llega a la cámara de combustión para seguir el proceso normal del ciclo. Este hecho de que la mezcla aire-combustible esté a altas presiones quiere decir que una proporción mayor de ella entra en el cilindro que en los motores aspirados. Al penetrar más mezcla el motor desarrolla más energía, de forma que él turbo aumenta significativamente el rendimiento del mismo.

Es necesario calcular la forma de los álabes y tamaño del compresor de manera que produzca un sobrepresión útil a la requerida por el motor. Una vez calculado esto es preciso diseñar la turbina que proporcione las velocidades requeridas por compresor. Antes de llegar a la turbina el gas de escape debe retener tanto como sea posible su calor, velocidad y presión a fin de que pueda mantener a la turbina en un giro eficaz.

Cuando la turbina es pequeña la respuesta es más rápida y el rendimiento es mejor a menor cantidad de vueltas (turbo de baja), mientras que si la turbina es más grande el rendimiento será mejor a mayores revoluciones (turbo de alta). Aunque lo último en tecnología de turbos es el Turbo de geometría variable que funciona en alta y en baja, ya que por su diseño le permite variar el ángulo de incidencia de los álabes de la turbina de acuerdo a los requerimientos del motor.

2.2 Diagrama de un motor con Turbo

1- Filtro de Aire 2- Admisión del compresor 3- Compresor 4- Salida del compresor hacia el intercooler 5- Intercooler 6- Salida del intercooler hacia el carburador 7- Carburador presurizado 8- Distribuidor 9- Múltiple de admisión 10- Block de cilindros del motor 11- Múltiple de escape 12- Turbina 13- Válvula de descarga 14- Escape



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2.3 Válvula de descarga Waste Gate Los turbocompresores deben tener una válvula la

cual limita la entrada de los gases de la turbina pues ésta si no tuviera la válvula alcanzaría altísimas velocidades de giro con lo cual la sobrepresión sería demasiado grande provocando la rotura o destrucción del motor.

Esta válvula llamada Waste Gate lo que hace es regular la sobrepresión que produce el turbocompresor. Funciona desviando las presiones de los conductos de escape cuando se alcanzan valores de sobrepresión mayores a los que podría soportar el motor.

Dicha válvula es accionada por una cápsula manométrica que actúa con un determinado valor de presión que es tomado en el múltiple de admisión. Cuando la velocidad del compresor se estabiliza la válvula se cierra.

2.4 Intercambiador de Aire (Inter-Cooler) Algunos vehículos con turbocompresor llevan un intercambiador de aire que es una especie de

radiador de aire llamado intercooler aire-aire (el más usado), o también existe el intercooler aire-agua (refrigerado por agua).

El enfriamiento del aire después que salió del compresor tiene ventajas evidentes porque aumenta el rendimiento energético (hasta un 20%) y reduce el desgaste del motor.

El aumento energético se produce por el enfriamiento de la mezcla de aire y combustible hace que ésta sea más densa, así entra más cantidad en el cilindro y produce mayor potencia. La reducción del desgaste del motor se debe a que la combustión de la mezcla es a menor temperatura con lo que hace menos probable que se quemen las válvulas y así se reduzca la temperatura del motor. Como el intercooler hace más densa la mezcla también reduce la presión de ésta en el múltiple de admisión esto es una desventaja y también una ventaja, porque al reducir la presión se consigue que el trabajo del motor una vez que entra al cilindro se reduzca y contribuye a evitar la detonación por lo que se le puede dar más presión al turbo;

aunque por la reducción de presión en el múltiple de admisión produce que la presión de los gases de escape también sea menor con lo cual hay menos energía para mover la turbina, aún así el intercooler ayuda a generar más potencia.

2.5 Refrigeración por agua Otra forma de extraer el calor generado por el conjunto turbocompresor es hacer circular agua por canales

que se encuentran en la carcaza del compresor para conseguir así una menor temperatura del aire, aumentando la densidad de éste dentro del cilindro.

2.6 Lubricación Otra característica importante en el diseño del turbocompresor son los cojinetes y su lubricación. La

mayoría de los turbocompresores tienen cojinetes flotantes que mantienen al eje principal entre la turbina y el compresor.

Los cojinetes flotantes encajan suavemente sobre el eje de la turbina y también están flojos dentro del alojamiento del turbocompresor. El aceite forzado por la bomba de aceite del motor se mete entre el cojinete y el eje, y entre el cojinete y el alojamiento de éste, por lo cual se dice que el cojinete flota y el rozamiento es casi nulo. Por este motivo se puede reducir las velocidades del cojinete a la mitad de las que gira el eje. Como la turbina gira a velocidades que superan las 100.000 R.P.M es crucial una muy buena lubricación con lo cual se hace necesario contar en lo posible de radiadores de aceite, filtros y aceites de excelente calidad.



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Doble Turbo

ACTIVIDADES PROPUESTAS.

1. Lea y analice cada párrafo del apunte entregado, resumiendo o extrayendo los antecedentes más relevantes de cada uno de ellos.

2. Confeccione un listado de términos y su respectivo significado de cada uno

de los componentes y sistemas presentes en ésta guía. 3. Si se encuentra con problemas de nitidez de las imágenes expuestas, visite

las páginas web citadas como fuente de información.

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