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Profesor: Sr. Carlos Fuentes Acevedo

Guía de Mecánica Automotriz. Tema: Mantenimiento de Sobrealimentadores de Motores.

(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.

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.

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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%.

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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Módulo: Mantenimiento de Sobrealimentadores 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.