El Maquinante: PRL UNIDAD 5: SISTEMA DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE

miércoles, 20 de febrero de 2019

PRL UNIDAD 5: SISTEMA DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE

PRL UNIDAD 5: SISTEMA DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE:
Finalidad del sistema. Métodos directo e indirecto. Bombas inyectoras, características generales. Inyectores. Proceso de la combustión. Importancia de la temperatura de escape. Presión de compresión. Balance térmico.

INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE.
Introducción
En los motores de explosión se comprime una mezcla homogénea de proporciones adecuadas de aire y combustible previamente preparada en el carburador o, en el caso de motores con inyección electrónica, en el mismo múltiple de admisión. En cambio, en los motores Diesel la mezcla del combustible con el aire se realiza dentro del cilindro, al mismo tiempo que su combustión.
Por consiguiente, es necesario que el combustible inyectado quede distribuido perfectamente en la cámara de combustión con la mayor rapidez posible.
Para conseguir esto, los motores diesel están equipados con un sistema de inyección de combustible a muy alta presión y a la cámara de combustión se le ha dado formas especiales de modo que se adapte a la forma del chorro inyectado.
Entonces, los motores de explosión aspiran mezcla Aire/Combustible, y los motores diesel solamente Aire, por lo que diremos que los motores de explosión aceleran abriendo el pasaje de aire, y los motores diesel aceleran inyectando mas combustible.

👉El motor Diésel

Sólo aspira aire, no mezcla como los motores Otto
La mezcla se hace ya dentro de la cámara
El combustible es POCO INFLAMABLE
La combustión se hace por sus propios medios, que requieren:

ALTA TEMPERATURA
ELEVADA PULVERIZACION

La proporción aire/combustible varia mucho, pero se puede estimar entre 20: 1 y 30:1
La regulación del régimen (par) se hace REGULANDO LA CANTIDAD DE COMBUSTIBLE

👉El motor a explosión (Otto)

Aspira mezcla aire combustible
El combustible es MUY INFLAMABLE
La combustión se hace por medios externos (bujía)
La proporción de aire /combustible no puede variar mucho, desde 13/1 a 17/1
La regulación del régimen (par) se hace REGULANDO LA CANTIDAD DE AIRE

💡Por esto los Diésel NO TIENEN MARIPOSA DE AIRE

Lo Básico de Carburación

DIFERENCIA ENTRE PULVERIZACION Y VAPORIZACION
Antes de entrar a conocer la función que cumple un carburador, es necesario distinguir lo que significan las voces vaporización y pulverización.

Vaporización, en carburación, equivale a obligar a una corriente de aire que siga un recorrido determinado en el interior de un recipiente que contiene nafta, en nuestro caso, y que salga impregnado de vapores que se han desprendido de la superficie líquida.
Este principio se aplicó en los primeros carburadores que se construyeron.

Pulverización, en carburación, equivale a reducir a finísimas partículas la nafta que es arrastrada por la succión que produce una corriente de aire que pasa rozando el orificio de un tubo que se encuentra sumergido
en dicho líquido. Este principio se aplica en los carburadores actuales, con lo que se consigue que cada partícula de nafta se pueda combinar más íntimamente con el aire que le es necesario en el momento de la combustión.

Carburador Básico

El carburador funciona con un pequeño depósito intermediario, también llamado cuba o vaso que forma parte integrante del carburador, y en el que se mantiene, por medio de un flotador, un nivel constante ligeramente inferior a la boca de salida del pulverizador, para que no haya derrames en las paradas, y que es suficiente para que la fuerza de la succión pueda arrastrar la nafta en la forma explicada. Este depósito en lo sucesivo lo denominaremos depósito a nivel constante.
El carburador queda constituido como indica la figura. La nafta llega por E desde el tanque al depósito a nivel constante C; el flotador F actúa sobre la válvula de aguja que cierra la entrada E; a medida que se gasta nafta, el flotador desciende un poco y la válvula de aguja permite la entrada de más nafta, pero sin que el nivel suba del fijado, permaneciendo sensiblemente constante.
Del depósito a nivel constante C pasa la nafta al pulverizador S, que tiene su boca uno o dos milímetros más alta que el nivel del depósito, y situada en el angostamiento del difusor D.
El aire que aspiran los cilindros; al pasar por la boca del pulverizador, arrastra y pulveriza la nafta, y la mezcla así formada pasa por el múltiple de aspiración T a las válvulas de aspiración V, que le dan paso a los cilindros en el momento en que cada uno lo requiere.
Para mantener el depósito a nivel constante, el flotador comanda la válvula de aguja por diferentes procedimientos, que se verán al estudiar los distintos carburadores.
Para graduar la cantidad de mezcla que se quiere dejar entrar, según la potencia que se necesite del motor, se intercala la válvula mariposa de aceleración M, que es un disco plano giratorio, y que se abre, más o menos, por un juego de palancas, a voluntad del conductor del motor.

FINALIDAD DEL SISTEMA DE INYECCIÓN

DOSIFICAR O MEDIR LA CANTIDAD DE COMBUSTIBLE INYECTADO
INYECTAR EN SU DEBIDO MOMENTO
PULVERIZAR Y ATOMIZAR EN FINÍSIMAS PARTÍCULAS
CONTROLAR LA DURACIÓN Y VELOCIDAD DE LA INYECCIÓN
DISTRIBUIR EL COMBUSTIBLE INYECTADO CONVENIENTEMENTE EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN.

DOSIFICAR: medir la cantidad exacta de combustible para cada cilindro en cada carrera de trabajo, y para cada régimen y demanda de carga del motor.

Con una correcta dosificación se logra un funcionamiento uniforme, sin sacudidas ni vibraciones, y con un consumo eficiente de combustible.

INYECTAR EN SU DEBIDO MOMENTO: es para obtener la mayor presión de combustión posible,
además de económica y eficiente.
Este momento del inicio de la inyección varia de acuerdo con el régimen de marcha del motor.
Inyección demasiado avanzada:

Combustión demorada.
Funcionamiento ruidoso.
Alto consumo de combustible.
Elevadas temperaturas de gases de escape.
Humo en el escape.

Inyección demasiado atrasada:

Pérdida de potencia
Alto consumo de combustible
Humo en el escape

PULVERIZAR Y ATOMIZAR EN FINÍSIMAS PARTÍCULAS: la calidad de la pulverización esta ligada con el diseño de la cámara de combustión .
Pulverizar es romper un chorro de combustible convirtiéndolo en una neblina de alta velocidad.
Cuando la pulverización es correcta , facilita el comienzo de la combustión y permitirá que cada
partícula de combustible sea rodeada por partículas de oxigeno con las cuales se combinará.

CONTROLAR LA DURACIÓN Y VELOCIDAD DE LA INYECCIÓN: se llama también régimen
de inyección. Es la velocidad con que se inyecta el combustible en el cilindro.
Si se inyecta demasiado rápido los resultados son similares a los de una inyección demasiado
anticipada.
Si el régimen es demasiado lento, los resultados serán similares a los de una inyección retrasada.

DISTRIBUIR EL COMBUSTIBLE INYECTADO: la neblina de combustible inyectado debe llegar
uniformemente a todos los rincones de la cámara de combustión, en una forma turbulenta y veloz. Se
debe lograr un contacto optimo entre las partículas del combustible y el oxigeno disponible para la
combustión.
Una mala distribución del combustible pulverizado dará lugar a perdida de potencia del motor.

Métodos de inyección
-INYECCIÓN POR AIRE: en los inyectores de soplado con aire, la energía del aire comprimido
convertida en energía cinética, se emplea para introducir el combustible dentro del cilindro,
pulverizando finamente , creando al mismo tiempo la turbulencia en la cámara de combustión para
mezclar el combustible con el aire caliente. Actualmente está en desuso.
-INYECCIÓN SÓLIDA: el combustible se inyecta en estado líquido, pasa a estado casi gaseoso ,
disgregado por medio de los inyectores y mezclándose con el aire para utilizar todo el oxígeno
necesario para que se genere la combustión en puntos localizados de la cámara de combustión.

Métodos de inyección sólida

INYECCIÓN DIRECTA
INYECCIÓN INDIRECTA CON PRECÁMARA
INYECCIÓN INDIRECTA CON CÁMARA DE TURBULENCIA

En los motores de inyección directa la cámara está formada en la cabeza del pistón .

Previamente estos motores estaban destinados a vehículos y maquinaria industriales, por las elevadas fuerzas y ruidos que se generaban, pero con el desarrollo de nuevos sistemas , este tipo de motores se están implantando en los vehículos ligeros.

Este sistema es utilizado en la mayoría de los motores navales.

En motores con inyección indirecta hay una cámara de elevada turbulencia en la que se inicia la combustión.
Por lo que tenemos las siguientes ventajas frente a los motores de inyección directa más antiguos :

Incremento de presión más suave en cámara de combustión, lo que supone un menor nivel de ruidos.
Permite un ligero aumento de régimen de motor que implica mayor potencia sin aumento de par.

BOMBA DE ALIMENTACIÓN Y BOMBÍN

Animación de una bomba de alimenación funcionando.

Los sistemas de alimentación de combustible vistos mas arriba, son los típicos para los motores diesel de automotores o embarcaciones menores.
Paralas plantas propulsoras de mediano y gran tamaño se utilizan sistemas de alimentación de combustible mas complejos ya que deben tomarse todas las precauciones necesarias en la operación de trasvase de combustible al tanque de servicio o consumo diario a los fines de que éste llegue en óptimas condiciones para evitar anomalías en el sistema de inyección. El combustible se bombea del tanque de reserva al de servicio. Es muy importante eliminar del combustible todo sedimento y agua antes de que sea bombeado al tanque de suministro, lo que se realiza con un purificador centrífugo.

En la fig. 12-1 se ve un sistema de combustible con su bomba de alimentación o trasiego de combustible que alimenta a la bomba de inyección, con
los filtros correspondientes, primario o colector doble, para alternar el servicio en el caso de que se ensucie o tape el de servicio. Esta circunstancia se conoce por la diferencia de la presión de entrada y la de salida del colador o filtro grueso, que no debe exceder los 0,100 kg/cm2 (alrededor de 1,5 PSI).
El filtro secundario es de malla muy fina o de cartucho renovable. Los elementos de estos filtros deberán cambiarse por elementos nuevos cuando la caída de presión a través de los filtros sea de 1 kg/cm2 (alrededor de 15 PSI). Los pozos de sedimentos de los filtros primarios y secundarios deberán ser purgados tan a menudo como sea posible, y es preferible hacerlo cuando el sistema esté en funcionamiento.
Tanque de alimentación o suministro, llamado de servicio, corrientemente es venteado a la atmósfera y normalmente colocado en el lugar mas alto del sistema de combustible, para permitir la eliminación del aire.
La línea de alimentación de combustible se mantendrá siempre a una presión mayor que la atmosférica y se deberá purgar el sistema de inyección para la total eliminación del aire, pues éste interfiere en el correcto trabajo de la bomba de inyección de combustible.

LOS PURIFICADORES CENTRIFUGOS
Estas máquinas van colocadas en el sistema de combustible del motor a fin de eliminar por centrifugación las impurezas sólidas y el agua que pueda contener el combustible. En la fig. 12-1 se aprecia la instalación de un purificador en la línea de alimentación desde el almacenamiento principal o tanque de reserva hacia el de servicio o suministro.
El combustible entra a una taza que gira velozmente, la cual tiende a arrojar cualquier impureza sólida y más pesada que el combustible hacia la parte exterior de la taza, seguida por una capa intermedia de agua y el combustible sale por el núcleo central, separada del agua. Los orificios de la taza permiten esa separación .
Las materias sólidas se asientan en la cara interna de la periferia de la taza y deben limpiarse periódicamente si la centrifugadora no es de limpieza automática. Esta limpieza debe realizarse una vez al día.
Para mas detalles sobre separadoras centrífugas, click AQUÍ

BOMBA DE INYECCIÓN BOSCH
Es del tipo de carrera fija y suministro variable.
El sistema puede ser:

Bomba individual para cada cilindro.
Bomba en línea, con los elementos bombantes en un solo cuerpo.
Bomba rotativa.

INYECTORES:
Su misión es la de introducir el carburante a gran presión en el interior de las cámaras de combustión del motor. Están unidos a través de un tubo metálico a los porta-inyectores, que mediante unas bridas van unidos a la culata. Hay tantos inyectores como número de cilindros tiene el motor.

La parte que asoma al cilindro termina en uno o varios orificios calibrados, que son cerrados por una válvula cónica por la acción de un resorte.

El gasoil que entra en el inyector enviado a presión por la bomba, llega a la punta del inyector venciendo la resistencia de la válvula, a la que abre, y penetra en el cilindro. Cuando cesa la presión el la tubería de llegada la válvula cónica cierra la comunicación al cilindro.

Existen dos tipos principales de inyectores:

de espiga o tetón
de orificio

El inyector de espiga, tiene la válvula terminando en forma de espiga que sale y entra en el orificio de paso del gasoil al cilindro, siendo difícil que se tapone. El cierre se efectúa por la parte cónica que lleva por encima de la espiga o tetón.

Es empleado particularmente en motores de combustión separada o cámara auxiliar y en general en todos los que el aire comprimido tiene una gran turbulencia.

La presión de inyección oscila entre 60 y 150 atmósfera.

El inyector de orificio, tiene varios orificios de salida. Las válvulas cierran las salidas sin introducirse en dichos orificios estando más expuestos a taponarse por la carbonilla. Sin embargo tienen la ventaja de que permiten la orientación y reparto del gasoil, asegurando una completa combustión aunque no haya gran turbulencia de aire, de ahí que sean muy utilizados en la inyección directa.

La presión de inyección es superior a los de espiga, alcanzando valores entre 150 y 300 kg/cm2.

Cualquiera de los inyectores consta de dos partes: el porta-inyector y el inyector propiamente dicho.

El porta-inyector sirve de soporte al inyector, el cual va roscado en su interior. El gasoil penetra en un tubo por el que desciende hasta la cámara que hay alrededor de la válvula del inyector.

El inyector el la pieza principal y más delicada, debiendo vigilarse con frecuencia manteniéndola limpia y debidamente calibrado.

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NORMAS PARA EL USO Y CONSERVACION DEL MATERIAL DE CASCO, ELECTRICIDAD Y MAQUINAS NAVALES (N O C E M) CAPITULO 22 MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Bombas de inyección de combustible.
Para su desarme y montaje se seguirán estrictamente las instrucciones de la casa constructora, procediéndose con especial cuidado y secando las piezas con aire comprimido y papel común sin pelusa.
Las herramientas a utilizar serán estrictamente las que corresponde usar para esos mecanismos; los orificios de los pulverizadores se limpiarán con alambre de acero especial, calibrado, cuyo extremo, deber ser una sección recta (nunca ahusada). (Ver Anexo 22-6).
A menudo se verificará el libre movimiento de las agujas y el estado de los prensas.

Válvulas de inyección.
Cuando sea necesario esmerilar asientos de válvulas de inyección y no se cuente con instrucciones especiales, se emplearán compuestos de grano muy fino.

Toberas de inyección.

Cada 200 horas de funcionamiento se probarán las toberas de inyección directa, eliminando el coque.
Se verificará que las toberas de inyección descarguen a la presión prescrita y que la abertura y el cierre sean instantáneos, no debiendo producirse goteos, ni caídas de presión fuera de los límites fijados por los manuales respectivos .
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Bombas para chequeo de presión de rotura de inyectores

UNIDAD INYECTORA
Se conoce como unidad inyectora al dispositivo mecánico que incluye a la bomba inyectora y al inyector propiamente dicho en una sola unidad o cuerpo, se lo conoce en la actualidad como UIS: unidad de bomba-inyector.

Unidad inyectora Caterpillar

Estos dispositivos poseen la unidad bombante y el inyector dentro de un mismo cuerpo o carcaza, y el control del dosaje se puede hacer mecánicamente como en la unidad de la ilustración de arriba, o electrónicamente como en el caso de la unidad TDI de la ilustración de abajo.

Unidad Inyectora de un motor con sistema TDI.

La formación de la mezcla y la combustión

Factores que intervienen en la formación de la mezcla.

Posiciones de elementos bombantes Bosch para distintas cargas.

En los motores de explosión se comprime una mezcla homogénea de proporciones adecuadas de las masas de aire y combustible previamente preparada en el carburador.
En cambio, en los motores Diesel la mezcla del combustible con el aire se realiza al mismo tiempo que su combustión, únicamente las primeras partículas de combustible inyectado encuentran a su entrada en el cilindro aire puro, las restantes tienen que atravesar los productos de una combustión en los que el aire ya ha sido utilizado. Esto da lugar a que en el cilindro existan zonas con exceso de combustible, mientras que en otras el aire es difícilmente alcanzado por el combustible.
Por consiguiente, es necesario que el combustible inyectado quede distribuido perfectamente en la cámara de combustión con la mayor rapidez posible. Para conseguir esto, a la cámara de combustión se le ha dado formas especiales de modo que se adapte a la forma del chorro.
Al aire de aspiración se le imprime un movimiento de rotación durante la carrera de aspiración, valiéndose para ello de la pantalla deflectora, dispuesta en la válvula de admisión o en virtud de la forma especial del conducto de aspiración, que da lugar a que al entrar el aire en una sola dirección y ser desviado por las paredes del cilindro adquiere un movimiento de rotación, contándose así para la combustión con una ayuda eficaz que favorece a la formación de la mezcla. Y por último, dotando a los inyectores con toberas de agujeros múltiples.

La temperatura y la compresión en el desarrollo de la combustión.
EL proceso de combustión en los motores de explosión se inicia por la inflamación de la mezcla en un punto perfectamente determinado de la cámara de combustión, propagándose con gran rapidez por toda la masa.
En los motores Diesel, el encendido se inicia simultáneamente en una zona considerable de la cámara de combustión, complicándose el desarrollo de la combustión por la simultaneidad de los fenómenos de la mezcla del combustible pulverizado con el aire y del calentamiento del combustible hasta su punto de encendido.
La duración de la combustión en los motores Diesel, depende de la rapidez con que la temperatura de encendido alcance el centro de las partículas combustibles. La combustión que se inicia en la superficie de la partícula crea a su alrededor una atmosfera de gases inertes que dificultan la continuación de esta. Sin embargo, el movimiento relativo que se produce entre el combustible pulverizado y el aire, origina una especie de barrido de los gases quemados permitiendo que el combustible en franca combustión entre nuevamente en contacto con el aire aportado.
La acción de este barrido que favorece en gran manera la rapidez de la combustión, es tanto más acusado cuanto mayor sea la turbulencia del aire y la velocidad relativa de las partículas combustibles, especialmente si son opuestas las direcciones del chorro de combustible y del aire.
Otros de los hechos que favorecen la combustión en los motores Diesel es el descenso del punto de encendido del combustible al aumentar la presión de compresión.
En un motor Diesel el aumento de la presión de compresión se manifiesta en un aumento de la temperatura del aire comprimido en la cámara de combustión, lo cual se traduce en una mayor diferencia de temperatura entre las partículas de combustible y el aire que las rodea, favoreciendo su calentamiento y disminuyendo el retardo del encendido y, por consiguiente, la tendencia del "pistoneo" propio de los motores Diesel, llamado por algunos autores como "Golpe Diésel".

La combustión; procedencia de los humos.

La combustión es el fenómeno que da lugar a la producción de trabajo. El estudio del problema de la combustión, ha conducido a ciertas observaciones importantes.
La observación de los gases quemados a su salida de los colectores de escape es un medio precioso que sirve para averiguar cómo se realiza la combustión en el interior del cilindro, y constituye un elemento importante para la condición del motor.
No se debe olvidar que un motor bien regulado, atendido y sin sobrecarga, ha de facilitar en el escape unos gases quemados incoloros, la señal corriente de una combustión mala es el humo que aparece en el escape.
Es evidente que se pueden sacar múltiples consecuencias de la aparición de humos azules o negros en la salida de los colectores de escape del motor Diesel.

Los humos azulados indican que los gases contienen aceites recalentados en estado de vapor sin quemar. Los humos son sensiblemente más grises y menos azulados cuando el aceite de engrase se quema, esto es debido a que algunos aros no son suficientemente estancos por haberse rota o deformado, lo que permite que el aceite de engrase pase a la cámara de combustión.

Los humos gris/negros o negruzcos indican en general un exceso de combustible o bien que este se quema parcialmente. En los motores de dos tiempos la presencia de humo negro puede ser debida a una defectuosa regulación de la presión de barrido o también a una avería de las bombas de barrido.

En todos los casos es preciso eliminar las causas de la aparición de los humos negros, porque van siempre acompañados de efectos desastrosos para el funcionamiento del motor. Aparecen inevitablemente depósitos bituminosos y de carbón que se depositan en los vástagos de las válvulas produciendo su agarrotamiento, así como en toda la superficie troncocónica de los émbolos, donde puede ser la causa de que los aros de peguen.

Los humos blancos en el escape proceden de la vaporización de cierta cantidad de agua, este hecho se presenta por lo general al arrancar el motor a causa de las condensaciones de agua en los cilindros y colectores de escape.

Los cilindros que producen humo denotan temperaturas más elevadas indicadas por el pirómetro colocado en el escape, puesto que la combustión retardada hace que salgan los gases aun en franca combustión a través de las galerías o válvulas de escape.

Importancia de la temperatura del escape

Si los caballos de potencia desarrollados por un motor diesel, dependen de la cantidad de combustible quemado. Para la eficacia máxima, es importante que el combustible y el aire suministrados a las cámaras de combustión se presenten en la proporción adecuada. Se utilizan unos 2,500 galones de aire por cada galón de combustible para proveer una combustión eficiente. Un aumento de la temperatura de escape es un indicador de baja eficiencia.

El aumento de las temperaturas de escape es causado por:

1) Exceso de combustible: ya sea causada por un uso inadecuado de la válvula reguladora o por un sistema de combustible defectuoso. Los problemas del sistema de combustible en los motores con control electrónico se detectan primero con un pirómetro, ya que la temperatura del escape se incrementará aproximadamente en cinco grados por cada libra de exceso de combustible quemado.

2) Altas temperaturas del aire de admisión: Cada grado de aumento de la temperatura del aire de admisión provocará un aumento de hasta tres grados en la temperatura de escape.

3) Restricción del aire: Causado por filtros de aire saturados (restricción de admisión). Por cada aumento de 10 pulgadas de vacío del motor, habrá un aumento correspondiente de treinta grados en la temperatura de escape.

El exceso de calor en el turbosobrealimentador
El calor excesivo es uno de los peores enemigos del turbocargador. La temperatura de entrada máxima hacia un turbo cargador debería estar en el rango de los 760°C. Temperaturas mayores a ésta acelerará el deterioro del cuerpo del turbocargador por rajaduras, hará que el turbocargador falle y podría resultar en un eventual daño al manifold de entrada y escape y a los cilindros. Un motor sobrerevolucionado provocado por exceso de combustible puede orginar varios problemas al motor, tales como roturas de válvulas, y daños por calor, tanto al motor como al turbocargador.

💡Sobre velocidad del motor más allá de la velocidad adecuada o por debajo de los niveles, provocará que el regulador de velocidad del motor cierre el flujo de combustible a los inyectores, reduciendo la lubricación de los mismos, lo que puede provocar que los inyectores se tapen. Un mal ajuste de la velocidad, un mal ajuste del regulador de velocidad, o una selección incorrecta del regulador de velocidad puede llevar a que el motor se dañe.

💡Un suministro incompleto del combustible puede ser otra causa de problemas en el motor. Muchas veces causado por restricción en el suministro de aire, lo que también provocará un aumento de consumo de combustible. El combustible no quemado lavará el aceite lubricante de las paredes del cilindro, provocando quemaduras y rajaduras en los pistones y dañando los anillos del pistón. El combustible no quemado también puede provocar contaminación y dilución del aceite lubricante.

💡TIP:
Parar el motor en caliente es una causa importante de daño turbocargador. Para evitar esto, los fabricantes recomiendan mantener el motor al ralentí durante un período de tiempo antes de que se apague. Esto permite que el aceite fluya a través de los cojinetes para que se enfríen. El objetivo es reducir la temperatura de los cojinetes a 150° C. Utilizando un Pirómetro se puede lograr esto. Un termopar se monta aguas abajo del turbocargador y monitorea la temperatura de los gases de escape, retrasa el cierre hasta que se alcanza los 150 ° C. Apagar el motor después de un enfriamiento adecuado, evita la peligrosa formación de depósitos y la vida de turbo es mayor.