El mundo del la mecánica ha dado lugar a muchas innovaciones, y una de las cosas que más ha motivado al ser humano es hacer coches cada vez más rápidos y eficientes con métodos variopintos para aumentar enormemente la potencia de un motor de combustión interna. Junto al compresor volumétrico, probablemente el tipo más común de aumentar la entrega de energía de un motor es mediante el uso de un turbocompresor.
Creado hace más de 100 años, algo después del mencionado compresor, el turbocompresor ha evolucionado continuamente junto con el motor de combustión, y ahora hay millones de vehículos equipados con esta tecnología en la carretera. Ahora, antes de entrar en materia profunda, debemos comprender el funcionamiento básico de un motor de gasolina o diésel. Al igual que un corazón necesita oxígeno para bombear sangre, el propulsor de un coche de combustión necesita aire para que el combustible cumpla con su cometido.
Como la mayoría de los dispositivos que incluyen explosiones internas para funcionar, los motores de combustión interna tienen que “respirar”. En otras palabras, tienen que aspirar aire y combustible para generar energía térmica que llega a las ruedas en forma de energía cinética. En el momento en que se prende la mezcla de aire y combustible, surge lo que se conoce como “potencia” y “par”, es decir, las medidas que establecen la fuerza máxima que genera un motor; normalmente en caballos de vapor (CV) y Newtron-metro (Nm).
A diferencia del compresor volumétrico, que actúa por acción de la correa de distribución, el turbocompresor de mueve gracias a los gases de escape
Después de que todo esto suceda, los gases de escape creados por la explosión están siendo expulsados del motor (recuerda: el ciclo de cuatro tiempos consta de admisión, compresión, explosión y escape) motivados por la configuración de cualquier motor de ciclo Otto regular. Para crear una mejor combustión y, por lo tanto, poder generar más potencia y par motor, los ingenieros automotrices tienen varias opciones, y de ellas, evidentemente, solo elegimos el turbocompresor como nuestro punto de discusión.
¿Cómo funciona el turbocompresor? ¿Para qué sirve?
En términos sencillos, el turbocompresor hace que la mezcla de aire y combustible dentro de los cilindros de un motor sea más eficiente al forzar la entrada de más aire. El exceso de aire se dirige hacia la cámara de combustión del motor, creando así más energía cuando los pistones son forzados hacia abajo (o hacia los lados, si hablamos de bloques en “V” o bóxer; o incluso moviendo un triángulo alrededor de un óvalo si es rotativo) gracias a la explosión resultante.
El turbocompresor logra este trabajo comprimiendo las moléculas de aire que ingresan a los cilindros, lo que hace que el aire que el motor aspira sea más denso. Básicamente, se trata de una bomba de aire, y realmente funciona de manera muy similar al compresor. La única diferencia importante reside en la forma en que se alimentan. Con esta tecnología se usan los gases generados por el propio hecho de la combustión, lo que hace que el coche pueda entregar más potencia y par con menos cantidad de combustible.
En un coche equipado con un turbocompresor, los gases de escape calientes expulsados por el motor se envían primero al lado de la turbina que está en el colector para hacerlo girar a velocidades muy altas, que normalmente están en el rango de 150.000 a 200.000 rpm. Y, a medida que esas hélices giran más y más rápido, la segunda turbina del sistema del también gira más rápido. Esta segunda rotación extrae aire del exterior del automóvil, lo comprime y luego lo empuja hacia la cámara de combustión. Aunque hay más cosas involucradas.
Dado que las leyes básicas de la física nos dicen que comprimir el aire no solo lo hace denso, sino también más calentito, gracias tanto a la compresión más enérgica como a la fricción involucrada, el motor ha de lidiar con temperaturas más altas. Por se monta un intercooler, que es un enfriador de aire o intercambiador de calor, como quieras llamarlo. Este actúa como un radiador normal y puede usar aire o agua para enfriar el aire que sale del turbocompresor y entra al motor. El principio básico es simple, pero en su totalidad, el turbo es complejo.
Ventajas del turbocompresor
Potencia y par “gratis”
La ventaja más obvia es la energía “gratuita” añadida al motor. Prácticamente, en lugar de desperdiciar la energía térmica que sale del motor a través de un sistema de escape normal, esos gases expulsados pueden redirigirse para hacer girar una turbina que a su vez hace que otra se mueva con le fin de bombear aire fresco a la cámara de combustión y a una presión mucho mayor que la que consigue con el aire del exterior. De ahí sale el término “inducción forzada”. Además, a diferencia de los atmosféricos, no pierde fuelle en altitudes elevadas.
Mejores consumos y menos emisiones
No es una sorpresa, ¿no? Casi todos los fabricantes que todavía mantienen mecánicas de combustión han incorporado el turbocompresor a, prácticamente, todos sus motores. Esta es una forma de lograr unos consumos más ajustados y generar unas emisiones más bajas: con más aire, se genera más energía, y parte de esos gases nocivos son reciclados de nuevo a interior del motor. Sin embargo, esto solo se cumple circulando a velocidades sostenidas a puntita de gas. Más aire significa más combustible, por lo que en fuertes aceleraciones se quema mucha más gasolina/diésel.
Mejor relación peso/potencia
Ya que en lugar de utilizar más cilindros o una mayor cilindrada (cilindros más grandes) para lograr sacar más potencia y par, el peso total de un motor turboalimentado, realmente, es mucho menor que el de un motor atmosférico de mayor tamaño. Y si el peso a mover es más bajo, deriva en en un mejor manejo, aceleración y frenado. Sin embargo, cuanto más cilindrada tenga el motor, más fácil es extraerle potencia con relativa facilidad.
Desventajas
“Turbo lag”
La principal desventaja del turbocompresor, sobre todo en comparación con su contraparte el compresor, es la demora en la respuesta a bajas revoluciones. Dado que la turbina tiene que girar a una velocidad determinada antes de volverse lo suficientemente eficiente como para marcar una diferencia en en la potencia de salida del motor, esto se experimenta en lo que se denomina “retraso del turbo” o “turbo lag”. Hay diferentes formas de contrarrestar esto (geometría variable, accionamiento eléctrico...), pero siempre hay algo.
Solo funciona a un régimen determinado
Esto en parte va relacionado con el punto anterior. Dado que el turbocompresor ha de girar a un número determinado de vueltas para funcionar correctamente, la potencia y el par máximos que el motor puede ofrecer están en un abanico más estrecho de vueltas de las que puede ofrecer el propulsor. Las turbinas más pequeñas aportan toda su energía en la zona baja y media del cuentavueltas, mientras que las más grandes saldrán a relucir del régimen medio en adelante.
Temperatura
Como decíamos unas líneas más arriba, otra desventaja proviene de la propia compresión del aire, que aumenta su temperatura, minimizando así su eficiencia volumétrica. Esto, a su vez, va exactamente en contra del esfuerzo del propio turbocompresor, pero el problema se minimiza en gran medida con la incorporación del intercooler. De cualquier forma, siempre se recomienda dejar descansar a turbocompresor uno o dos minutos al ralentí antes de quitar el contacto, sobre todo después de un largo viaje o una intensa ruta.
