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Sobrealimentación de motores: Turbocompresores

Sobrealimentación de motores: Turbocompresores
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Última entrega de este pequeño especial en el que os hemos intentado acercar la sobrealimentación de motores. Hace unos meses os trajimos los detalles sobre los compresores mecánicos y centrífugos, hoy vamos con los omnipresentes turbocompresores que tan importantes están siendo en la era del downsizing al permitir sacar lo mejor de los motores y aprovechar el combustible hasta la última gota.

Ya recordamos que lo que queremos hacer es meter más cantidad de aire dentro del cilindro, en los turbocompresores la energía para forzar el aire al motor se saca de los gases de escape del motor, aprovechando parte de esa energía que se desperdicia del motor y utilizándola para aumentar la cantidad de aire que entra.

Turbo en un motor de aviación (B-26 Liberator)

El turbocompresor, un poco de historia

Los motores son máquinas muy ineficientes. Gran parte de la energía que se produce en el interior de los motores procedente de la combustión del combustible se pierde por el tubo de escape en forma de gases calientes. En el año 1905 un ingeniero suizo llamado Alfred Büchi patentó el primer turbocompresor que utilizaba los gases de escape para introducir aire de forma forzada en el motor.

Sin embargo no fue hasta varios años más tarde cuando el turbo se empezó a adoptar de forma habitual en los aviones ya que al aumentar la altitud disminuía la presión y densidad del aire, mermando la potencia de los motores, problema que solventaron utilizando tanto compresores mecánicos como turbocompresores.

No fue hasta los años 60 cuando el turbo vió aplicación en el mundo del automóvil, sin embargo su consolidación se produjo con la llegada del primer coche de producción con motor turbodiesel, el Mercedes 300D. La turboalimentación encontró en los motores diesel una relación de simbiosis.

Mercedes 300D

Hasta entonces los motores diesel habían sido mamotretos caros, pesados, ruidosos y poco potentes. El turbo consiguió mejorar algunos de estos aspectos, lo que ayudó a su expansión por toda Europa, hasta el punto de superar por mucho las ventas de los motores de gasolina.

Después de este éxito abrumador del diesel en Europa debido en gran parte a los turbos, llegamos a la primera década del siglo XXI, en la que las normativas medioambientales fuerzan cada vez más a conseguir coches eficientes y limpios. Esto lleva a los fabricantes de coches a mirar otra alternativa para seguir cumpliendo las normativas y vender coches. El downsizing, motores de pequeño tamaño, muy apretados y eficientes que encuentran en el turbo un aliado perfecto, ya sean de gasolina o diesel.

Gracias al turbo pueden dar potencias específicas imposibles de imaginar hasta hace bien pocos años en modelos de entrada a la gama con motores de gasolina, por encima de los 100 CV por litro. Además el uso de turbocompresores aumenta la cantidad de par disponible y lo ofrece en un rango más amplio del régimen, por lo que esta relación entre los motores de gasolina y los turbos también es cómoda de conducir en cruceros a medias vueltas y encima consumiendo poco.

Turbocompresor cortado

¿Y como funciona un turbo?

Ya hemos comentado a grandes rasgos como funciona, aprovecha los gases de escape para introducir aire fresco forzado por la admisión. Esto se consigue utilizando dos rotores alojados cada uno en su carcasa o caracola como se conocen coloquialmente. Al rotor que es movido por los gases de escape se le llama turbina y es el encargado de transformar el flujo de gases que llegan en dirección radial en movimiento (en la imagen que encabeza el artículo, la parte pintada de rojo). El camino que siguen los gases a través de la carcasa es en espiral con una sección que se va reduciendo hasta salir a través del rotor.

Los gases de escape a continuación salen en dirección axial por el tubo de escape. La carcasa de la turbina suele ser de fundición, ya que tiene que soportar bastante calor. El movimiento de la turbina se transmite a través del eje al otro rotor, el compresor (alojado en la carcasa azul de la foto de cabecera). Este coge el aire que llega por el tubo de admisión en dirección axial y lo impulsa centrífugamente y de forma radial por un tubo que irá a las toberas de admisión del motor directamente o previo paso por un intercooler o intercambiador de calor.

La carcasa del compresor se puede hacer en otros materiales, ya que no tiene que aguantar el calor del escape. En cuanto al material de los rotores, tanto de la turbina como del compresor, el primero suele ser de materiales caros muy resistentes al calor, como el titanio, mientras que el compresor suele ser de aleaciones de aluminio.

Compresor de un turbo

Además del calor, estos rotores tienen que ser capaces de aguantar las cargas y fuerzas centrífugas producidas al girar a velocidades que llegan a las 280.000 rpm. Dependiendo del tamaño del turbo será apto para un régimen menor o mayor, ya que debido a las inercias un turbo de mayor tamaño suele ser capaz de mover más aire, girando "despacio" pero a unas revoluciones mayores del motor, mientras que uno pequeño suele ser capaz de mover menos aire pero hacerlo a regímenes más bajos y girando más rápido.

¿Un turbocompresor que funcione bien en todas las circunstancias?

Como ya hemos comentado, la elección entre un turbo que funcione a bajas vueltas o uno que sople a alto régimen es complicada. Los fabricantes han introducido a lo largo de estos años novedades para que los turbos abarquen la mayor cantidad del rango de revoluciones útiles del motor.

Uno bastante usado es complementar dos turbos, en serie o cascada (uno más grande y otro más pequeño) o en paralelo (dos pequeños que al soplar juntos consiguen un efecto parecido al de uno grande). También se utiliza bastante el recurso de utilizar un compresor mecánico para las bajas vueltas y un turbo para las altas, como en algunos de los TSI de Volkswagen por poner un ejemplo rápido.

Turbo de geometría variable
Turbo de geometría variable

Para conseguir este efecto con un solo turbo hay varias posibilidades, pero la más utilizada es la del turbo de geometría variable. Estos disponen de un sistema de aletas o álabes que dependiendo de la presión de los gases de escape se sitúan en una u otra posición, para aumentar la velocidad del flujo que debe pasar a través de la turbina y mantener a la turbina girando a su velocidad óptima a cualquier régimen del motor.

La otra es usar una carcasa para la turbina con dos entradas que llevan el aire hasta la turbina a través de dos caminos diferentes que sueltan el gas caliente en diferentes zonas de la turbina. De esta manera una de las espirales guía el gas de una forma más eficiente cuando la presión de los gases de escape es baja y la otra cuando es alta.

Turbo con dos espirales
Turbo con dos espirales de entrada a la turbina

Problemas en el paraíso, exceso de presión y el retraso del turbo

Los turbos como todos los sistemas tienen algunas contras. El primero y principal es el retraso en la respuesta del turbo, un mal que se dió bastante en los modelos de los 70 y 80, ya que los fabricantes carecían de los medios de gestión con los que cuentan en la actualidad y los materiales hacían que los rotores sufrieran de grandes inercias.

Para mover la turbina se utiliza el gas de escape, que es un fluido compresible. El retardo del turbo se produce cuando se requiere un cambio rápido de régimen, por ejemplo acelerando fuerte. En ese momento el turbo se encuentra girando despacio, lejos de su régimen óptimo y los gases de escape empiezan a fluir a través del turbo empujándolo lentamente. Hasta que el turbo acelera su rotación alcanzando su régimen óptimo pasa un tiempo que puede ser de hasta varios segundos, esto es lo que se llama retardo/retraso del turbo o turbolag.

En este periodo la sensación de aceleración es baja. Este defecto se solventado en gran parte utilizando turbos pequeños que se mueven más fácilmente y usando mejores materiales que generan menos cargas e inercias.

Renault 5 Turbo
Uno de los que la leyenda dice que sufrían la falta de válvulas de descarga

Otro de los problemas es justo al contrario, cuando tratamos de decelerar bruscamente. En ese momento el turbo está girando a gran velocidad e insuflando gran cantidad de aire por la admisión aunque hayamos soltado el acelerador. En esa situación, cuando queremos parar, no es nada recomendable que siga entrando aire al motor, para lo que se inventaron diversos tipos de válvulas.

Estas válvulas detectan un exceso de presión después del compresor del turbo o a la entrada de la turbina del escape, comparándola con la presión de la admisión y el escape (y actualmente otros parámetros gracias a la electrónica). Existen varios tipos, aunque las más comunes son las válvulas de descarga o wastegate que sueltan los gases de escape a la atmósfera o al tubo de escape. También son comunes los bypass que normalmente van integrados en el propio turbo y que lo que hacen es devolver el aire comprimido por el turbo a la admisión o bien lo vierten a la atmósfera.

En la actualidad los turbos de modelos comerciales suelen llevar estas válvulas integradas en el turbo y no se vierte nada a la atmósfera ya que eso significaría en el caso de una válvula de descarga que estarían emitiendo gases de escape sin pasar por los sistemas anticontaminación del coche.

Sistema completo de turbo

Lubricación del turbo, o por qué no hay que apagar el coche después de haberle dado caña

Como es comprensible, un componente que gira hasta a 280.000 rpm necesita lubricación. El eje del turbo suele ser de materiales muy resistentes, pero no son indestructibles por lo que necesitan ser lubricados y también refrigerados, ya que por un lado tiene aire a temperatura ambiente, pero por el otro la temperatura alcanza varias centenas de grados.

Normalmente se utiliza el aceite del motor para ambos cometidos, derivando un conducto del circuito para el turbo, aunque en ocasiones lleva circuitos separados, de aceite y de refrigerante. En funcionamiento, el aceite fluye alrededor del eje, por lo que funciona normalmente, sin embargo, hay un problema que se produce después de haber sometido a cargas moderadas al motor.

En esta situación el turbo está caliente, por lo que al detener el motor y con ello cesar el flujo de aceite alrededor de su eje, las elevadas temperaturas carbonizan el aceite alrededor del eje. Si se hace con frecuencia el resultado es que el eje se va deteriorando, llevando a la rotura del turbo y a que nos echemos unas risas en el taller.

Circuito refrigeración de un turbo

La solución está en dejar el motor en marcha entre 2 y 5 minutos (mirarlo en el manual del coche, suele venir), para que el aceite siga fluyendo mientras el turbo gira a muy bajas vueltas, dando tiempo a que el eje y el turbo se enfríen. En la actualidad muchos modelos llevan sistemas autónomos que hacen esto por nosotros, aunque apaguemos el coche y cerremos las puertas el motor sigue en marcha hasta que ha dado tiempo al turbo para enfriarse. Otra solución es tener bombas eléctricas que mantengan el aceite circulando por el turbo después de apagado.

Fotografías | Flickr (Greg Goebel-II, Baileyusa115-III, Michael Hicks-IV, Matthew Hine-V, Tognum AG-VI, Tognum AG-VII, harry-nl-VIII, Skip Steuart-IX, l0lnix-X)
Fuentes | Manual de Automóviles – Arias-Paz, Maximum Boost – Corky Bell, The Automotive Handbook – Bosch
En Motorpasión | Sobrealimentación de motores

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