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Para 1 millón de ciclos durante la vida útil, el Stanyl PA46 puede soportar hasta un 50-100% más de esfuerzo

Aplicaciones de poliamida 46 en turbocompresores

Redacción PU26/11/2007
Los turbocompresores permiten disminuir las dimensiones del motor sin poner en riesgo la potencia de salida. Esto mejora la eficacia de la combustión del carburante y reduce la cantidad del que no quema en el sistema de escape. Es por ello que los turismos equipados con motor diesel y turbocompresor ya gozan de una importante participación de mercado en Europa que va creciendo en otras regiones del mundo.
Las altas temperaturas, propias de la tecnología de la sobrealimentación, y la progresiva reducción de tamaño de los compartimientos del motor ponen sobre la mesa de los ingenieros y diseñadores de piezas y sistemas, una serie de nuevos elementos a tener en cuenta al seleccionar materiales. Al mismo tiempo, la tecnología de la sobrealimentación está en continua evolución, se le añaden nuevos subsistemas y se dedican recursos para obtener el máximo rendimiento de todas las prestaciones y beneficios ambientales del sistema en su conjunto.

Una de las consecuencias de esta evolución es la introducción de la tecnología de turbina de geometría variable en la sobrealimentación. La idea es manipular el caudal de aire para mantener un alto nivel de eficacia en un amplio margen del régimen de marcha del motor, desde la aceleración hasta la alta velocidad de crucero. Para ello se debe regular la salida de la turbina, operación que se lleva a cabo con un cambio en el ángulo y en la velocidad de entrada de aire al rotor de la turbina por medio de álabes de guía situados frente al mencionado rotor. Los álabes se activan a través de un sencillo accionador “marcha/ paro”, o cada vez más, de un sistema completamente variable, con actuación a través de una combinación de engranajes, un motor de corriente contínua, una unidad de control del motor (ECU) y unos sensores.

Los sistemas de sobrealimentación, especialmente con la introducción de la tecnología TGV, ofrecen unas oportunidades de aplicación apasionantes para los plásticos técnicos de altas prestaciones como la poliamida (PA46). Las poliamidas tienen una excelente resistencia a la temperatura y pueden soportar temperaturas de trabajo muy superiores a los 200ºC. Su capacidad de conservar las propiedades mecánicas en cuanto a rigidez, resistencia a la fatiga, a la fricción y al desgaste a temperaturas de trabajo tan altas, hace que sean el material ideal para algunas piezas de los turbosistemas como codos de entrada de aire, ruedas dentadas para TGV, conductos de aire caliente de sobrealimentación y cubetas para los intercambiadores térmicos. Además, su fluidez y moldeabilidad, superiores a las de otros materiales, mejoran el proceso de transformación.

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La poliamida 46 se ha usado ampliamente en los tanques finales de los intercambiadores térmicos con un ahorro en coste de hasta el 30% comparados con los convencionales fabricados en aluminio
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La poliamida 46 se ha usado ampliamente en los tanques finales de los intercambiadores térmicos con un ahorro en costes de hasta el 30 por ciento comparados con los convencionales fabricados en aluminio. En esta aplicación, la PA46 no sólo ofrece un 20-30 por ciento de reducción de peso sino que también tiene la mayor resistencia en función de su peso comparada con el aluminio o con otros termoplásticos. Las cubetas del intercambiador pueden fijarse en el tanque final por crimpado, de modo que se ahorra tiempo y coste de producción y evita la soldadura, necesaria con las cubetas de aluminio. La excelente fluidez, inherente al material, del Stanyl PA46 de DSM posibilita moldear el tanque final del intercambiador llenando superfícies grandes con una sola entrada y a bajas presiones. Esto se traduce en menos alabeo, mejor planicidad y reducción del riesgo de fugas durante la vida útil de la pieza. El proceso de moldeo por inyección permite integrar unos soportes a la cubeta para fijarla en la carrocería del vehículo, de una forma barata. El conducto de aire que va desde el turbocompresor hasta la entrada del intercambiador térmico transporta aire comprimido al lado de entrada de los enfriadores a una temperatura del orden de los 200ºC con una presión de hasta 3 bar. Los sistemas turbo convencionales usan conductos de aluminio que son de fundición, o hidroconformados, o usan caucho de silicona con revestimiento textil en el interior. Los conductos de aire fabricados con estos materiales son caros y no permiten la integración de soportes o sensores.

Los conductos de aire de dos vainas soldadas fabricados con PA46 son más baratos que los de aluminio (el ahorro puede ser de hasta un 50 por ciento) y que los de caucho de silicona. Comparados con los de aluminio, son más ligeros debido al menor peso de la poliamida. Comparados con los de caucho de silicona tienen dos ventajas importantes: se adaptan al espacio disponible en el embalaje y son reciclables. Los de caucho de silicona necesitan embalaje de sección redonda y no son reciclables.

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En comparación con otros termoplásticos, la PA46 como el Stanyl tiene una resistencia a la fatiga mucho mejor lo cual se traduce en un factor de seguridad muy superior en el producto final. Ya se comercializan conductos de aire caliente de dos piezas soldadas fabricados con Stanyl PA46. Con la ayuda de los ingenieros de DSM, los cálculos de costes pueden hacerse en base al diseño específico requerido y puede evaluarse una relativa ventaja de coste de producción entre los dos sistemas.

Para 1 millón de ciclos durante la vida útil, el Stanyl PA46 puede soportar hasta un 50-100 por ciento más de esfuerzo.

Los codos se usan para conectar el lateral del turbocompresor a los conductos de aire. Los de PA46 ofrecen ventajas similares a las mencionadas anteriormente comparados con los codos de aluminio. La pieza puede moldearse completamente en un diseño de una sola vaina y atornillarse directamente en el lateral del turbocompresor, demostrando así la excelente capacidad de resistencia al calor de la PA46.

Si los codos de entrada al turbocompresor se hacen con poliamida 46, pueden moldearse en un diseño de una sola vaina o de dos piezas soldadas y directamente atornillarse en el lateral del turbocompresor, demostrando así la excelente capacidad de resistencia al calor de la PA46.

El funcionamiento del sistema de turbina de geometría variable (TGV) es otra area que abre oportunidades de aplicación para la PA46 particularmente por su elevada resistencia al calor, conservación de la rigidez a altas temperaturas y excelentes propiedades de fricción y desgaste. La cubeta de un motor con TGV consiste en un soporte final, un portaescobillas y también actua como base para el mecanismo del engranaje reductor. Con la PA46 se pueden integrar las tres características en una pieza moldeada con un único disparo de inyección, capaz de soportar la alta temperatura ambiente a causa de su proximidad a la la turbina del turbocompresor.

La temperatura de deformación bajo carga del Stanyl es superior a la de otras resinas de altas prestaciones.

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Durante el funcionamiento del motor, las temperaturas en la zona del portaescobillas pueden subir hasta los 280-290ºC por un breve período, y es importante que en este tiempo no lo deforme ni lo funda, ya que llevaría al agarrotamiento y a un paro total del motor. La PA46, como el Stanyl de DSM, tiene una temperatura de deformación bajo carga (HDT) de hasta 290ºC y puede soportar este pico de temperatura más fácilmente que otros termoplásticos.
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En el mecanismo del engranaje reductor de un actuador eléctrico rotatorio (AER) el movimiento rotativo del motor se transforma en movimiento lineal a través de un tren de engranajes para modificar la posición de las álabes de la turbina. Los engranajes funcionan a altas frecuencias en un ambiente de elevadas temperaturas (por encima de los 150ºC). La PA46 tiene la habilidad de conservar la alta rigidez a tales temperaturas y demuestra una superior resistencia al desgaste, llevando a la óptima durabilidad y a mayor vida útil.

La entrada al motor y el movimiento de los álabes se controlan en un bucle cerrado por una unidad de control del motor (ECU) a través de un conjunto de sensores que controlan la velocidad del compresor y la posición de los álabes. Se exige al sensor que conserve la estabilidad dimensional a un pico de temperatura de 230ºC y también que incluye una garantía de por vida contra fugas de aceite a través de las roscas y resistencia a los fluídos del automóvil. El sensor debe resistir la instalación.

Los sensores hechos con PA46 cumplen todos los requisitos debido a su capacidad para conservar la rigidez a temperaturas pico y su resistencia a la plastodeformación y distensión después del esfuerzo. Además, la PA46 demuestra una excelente resistencia a la fatiga así como a los fluidos agresivos a temperaturas elevadas. Otras ventajas importantes son la reducción de peso a través de la substitución de metal y el proceso de moldeo por inyección ofrece flexibilidad de diseño así como consolidación de las piezas.

Los sensores moldeados con poliamide 46 resisten temperaturas constantes de 150 to 160°C (300° - 320°F) durnate 5,000 horas y picos de temperatura de 170 a 180°C (340 - 355°F), incluso en combinación con aceites agresivos ATF.

El ECU usa una compleja tecnología de microprocesador en la cual se sueldan dispositivos electrónicos sobre la placa de circuito impreso por medio de un proceso de soldadura por ola en el cual los picos de temperatura pueden llegar hasta 265ºC.

Los sensores hechos con PA46 cumplen todos los requisitos debido a su capacidad para conservar la rigidez a temperaturas pico y su resistencia a la plastodeformación y distensión después del esfuerzo
El material que aloja el ECU debe poder soportar esta temperatura. La PA46, con su alta temperatura de deformación bajo carga (HDT) y su excelente tenacidad, es el material ideal para esta aplicación ya que permite métodos eficaces de ahorro en cuanto a coste y espacio como los cierres a presión.

DSM Engineering Plastics y Stanyl ofrecen muchas oportunidades para reducir los costes de producción totales relacionados con las instalaciones de sobrealimentación. DSM se dedica a futuros desarrollos en este campo en relación con la resistencia al incremento de temperatura y reducción del espacio exigido por diversos componentes. La empresa tiene un equipo global dedicado al sector de los componentes para turbocompresores que funciona en las principales regiones con industria de la automoción y financia las actividades específicas de investigación que rendirán beneficios a los fabricantes de automóviles y proveedores de sistemas.

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