Motores Turboalimentados: Funcionamiento, Tipos y Ventajas

¿Has oído hablar del dispositivo de alta potencia en motores de combustión interna? El secreto es el turbocompresor, también conocido como turbo, inventado a principios del siglo XX por el ingeniero suizo Alfred Büchi, quien presentó un prototipo para aumentar la potencia de motores diésel.

Hoy, la turboalimentación es estándar en la mayoría de motores de gasolina y diésel. La investigación continúa para mejorar diseños con mejor rendimiento y menor costo. Aunque las tensiones inducidas por vibración y el rendimiento de cojinetes son factores principales de fallo, por lo que un análisis rotodinámico debería ser parte importante del diseño.

En un motor de automóvil, la potencia se produce en la cámara de combustión con la mezcla de admisión de combustible/aire. Tras la compresión, libera la mezcla como gas de escape, que se convierte en residuo y contamina la atmósfera. Pero en lugar de desperdiciar el gas de escape, el turbocompresor lo aprovecha para hacer girar el motor más rápido.

Definición de Turbocompresor

Un turbocompresor es un dispositivo de inducción forzada accionado por turbina que aumenta la eficiencia y potencia de motores de combustión interna al forzar aire comprimido extra en la cámara de combustión. Esta inducción de aire caliente funciona porque el compresor puede forzar más aire y, proporcionalmente, más combustible en la cámara que la presión atmosférica normal.

Es un dispositivo instalado en el motor del vehículo para mejorar la eficiencia general y aumentar el rendimiento. Originalmente se llamaban turbosupercargadores porque todos los dispositivos de inducción forzada se clasifican como supercargadores. Un supercargador es un dispositivo de inducción forzada accionado mecánicamente.

La diferencia entre turbocompresor y supercargador convencional es que el turbo es impulsado por una turbina movida por los gases de escape del motor, mientras que el supercargador es accionado mecánicamente por el cigüeñal, a menudo mediante correa. Los turbos son más eficientes pero menos responsivos. El término "Twin-charger" se refiere a un motor con ambos: turbocompresor y supercargador.

Historia

Breve historia: el crédito va a Alfred J. Büchi (1879-1932), empleado en Gebruder Sulzer Engine Company en Winterthur, Suiza. El proyecto se desarrolló un año antes de la Primera Guerra Mundial, patentado en Alemania en 1905. Continuó mejorándolo hasta su muerte cuatro décadas después.

Otros ingenieros también merecen crédito. Años antes, Sir Dugald Clark (1854-1932), inventor escocés del motor de dos tiempos, experimentó separando las etapas de compresión y expansión usando dos cilindros separados. Su experimento funcionó como sobrealimentación, aumentando tanto el flujo de aire a los cilindros como la cantidad de combustible que podía quemarse. Otros como Louis Renault, Gottlieb Daimler y Lee Chadwick también participaron en sistemas de sobrealimentación.

Funciones del Turbocompresor

• Proporciona potencia extra sin aumentar la cilindrada del motor.
• Hace que el motor gire más rápido sin aumentar la tasa de quema de combustible.
• Aprovecha el dióxido de carbono (gases de escape) en lugar de causar contaminación.

Aplicaciones del Turbocompresor

Se usa comúnmente en motores automotrices: camiones, coches, trenes, aviones, equipos de construcción. Los modernos motores de ciclo Otto y diésel incorporan turbocompresores.

Coches de Gasolina y Diésel

Comunes en turismos para aumentar potencia a una cilindrada dada. También aumentan la eficiencia de combustible, permitiendo motores de menor cilindrada. Estos motores pierden ~10% de peso y ahorran hasta 30% de consumo, manteniendo la misma potencia máxima.

El primer coche de pasajeros turboalimentado fue el Oldsmobile Jetfire con un V8 de aluminio de 215 pul³, y el Chevrolet Corvair Monza Spyder con motor bóxer de seis cilindros refrigerado por aire.

Los coches diésel dependen mucho del turbo por eficiencia, manejabilidad y rendimiento. El primer turismo diésel con turbo fue el Mercedes 300 SD con turbo Garrett en 1978.

Camiones

Motores diésel de camiones llevan turboalimentación desde 1938 por los mismos beneficios.

Aeronaves

Con los años, el turbo también ha aumentado la eficiencia de los aviones.

Motocicletas

Compañías japonesas produjeron motocicletas de alto rendimiento con turbo desde principios de los 80. Hay pocas motocicletas turbo por la abundancia de motores de mayor cilindrada naturalmente aspirados que ofrecen par y potencia de motores pequeños con turbo pero con entrega de potencia más lineal.

Componentes del Turbocompresor

• Cartuchos (núcleos de turbo completamente ensamblados y balanceados)
• Actuadores de vacío y neumáticos
• Actuadores electrónicos (servomotores eléctricos)
• Carcasas del compresor (sección fría del turbo)
• Kits de reparación (repuestos para reparaciones menores rápidas)
• Ruedas del compresor
• Ejes y ruedas (ejes con rueda de turbina, rotores de turbina)
• Carcasas de anillo de toberas (para control de geometría VNT)
• Carcasas de cojinetes (carcasas de cartucho, núcleos de turbo)
• Placas traseras (placas del núcleo del turbo desde el lado del compresor)
• Anillos de toberas VNT (anillos con toberas para turbos VNT, nodos de control de geometría VNT)
• Escudos térmicos (núcleo del turbo)
• Kits de juntas (juntas del turbo)
• Sensores de actuador (sensores de presión, posición)
• Juntas VNT (juntas internas para turbos VNT)
• Carcasas de turbina (sección caliente del turbo)
• Partes de actuador electrónico (motores eléctricos, ejes, engranajes de servomotores del turbo).

Tipos de Turbocompresores

Turbo Simple (Single Turbo)

El más simple, común y barato. Variabilidad ilimitada; al ser más pequeño, proporciona mejor respuesta a bajas revoluciones al girar (spool) más rápido. Tiene cojinetes de bolas y de journal (cojinete liso) que reducen fricción para que compresor y turbina giren.

Ventajas: permite motores más pequeños con turbo, rentable, simple, fácil instalación, aumenta eficiencia. Limitaciones: rango efectivo de RPM bastante estrecho; problema de dimensionamiento (elegir entre mejor potencia a altas RPM o buen par a bajas); respuesta puede ser lenta comparada con otros tipos.

Twin Turbo (Biturbo)

Permite un turbo por bancada de cilindros (V8, V12, etc.). Alternativamente, un turbo pequeño para bajas RPM y bypass a uno mayor para altas RPM. Dos turbos similares: uno a bajas RPM, ambos a altas (14, 16). BMW X5 M y X6 M usan twin-scroll, uno en cada lado del V8.

Ventajas: curva de par más ancha y plana, mejor par a bajas RPM, la potencia no cae a altas RPM como en turbo simple. Limitaciones: costo y complejidad (casi el doble de componentes); existen alternativas más ligeras para resultados similares.

Twin-Scroll Turbo (Doble Entrada / Voluta Doble)

En casi todo aspecto, mejor que los single-scroll porque al usar dos volutas, los pulsos de escape se dividen. Ejemplo: motor 4 cilindros con orden de encendido 1-3-4-2, cilindros 1 y 4 alimentan una voluta, 2 y 3 la otra. El propósito: hay solapamiento en el cilindro. Cuando el cilindro 1 termina su carrera de potencia y abre válvula de escape, el cilindro 2 cierra escape y abre admisión.

En un colector single-scroll tradicional, la presión de escape del cilindro 1 interfiere con el cilindro 2 aspirando aire fresco porque ambas válvulas de escape están abiertas temporalmente. Esto reduce presión que llega al turbo e interfiere con la admisión del segundo cilindro.

Ventajas: más energía a la turbina de escape, rango de RPM efectivo más ancho. Debido a diseños de voluta diferentes: más solapamiento de válvulas sin perjudicar el barrido de escape, mayor flexibilidad de ajuste. Limitaciones: costo y complejidad mayor que turbo simple; requiere diseño específico de motor y escape.

Turbocompresor de Geometría Variable (VGT)

Común en diésel, producción limitada por costo y materiales exóticos. Paletas internas alteran la relación área-radio (A/R) según RPM. A bajas RPM, baja A/R aumenta velocidad de gases de escape y hace girar (spool) el turbo rápido. Al subir revoluciones, A/R aumenta para incrementar flujo de aire, resultando en bajo turbo lag, bajo umbral de boost y banda de par ancha y suave.

Ventajas: curva de par ancha y plana, efectiva en rango muy amplio de RPM. Requiere un solo turbo, simplificando configuración secuencial en algo más compacto. Limitaciones: solo en aplicaciones diésel donde gases de escape son más fríos, para no destruir las paletas. En gasolina, se necesitarían metales exóticos costosos para fiabilidad.

Turbocompresor Twin-Scroll de Geometría Variable

Significativamente más barato que VGT, opción preferible para gasolina turbo. Combina VGT con twin-scroll: a bajas revoluciones, una voluta se cierra completamente forzando todo el aire a la otra. Al subir revoluciones, una válvula abre para permitir aire en la otra voluta, obteniendo buen rendimiento a altas RPM.

Ventajas: curva de par ancha y plana, diseño más robusto que VGT. Limitaciones: costo y complejidad; tecnología no deseada antes.

Turbocompresores Eléctricos

Con motor eléctrico en el turbo, mejora características y proporciona boost instantáneo. Par a bajas RPM fácil, lag eliminado. Quizás el mejor de todos, hasta que una nueva versión lo supere.

Ventajas: rango efectivo de RPM más ancho con par uniforme. Energía desperdiciada recuperada al conectar motor eléctrico directamente a turbina de escape. Lag y gases de escape insuficientes virtualmente eliminados al girar compresor con energía eléctrica cuando se necesita.

Desventajas: complejidad y costo por incluir motor eléctrico. Embalaje y peso son problema, especialmente con batería a bordo para suministrar potencia al turbo. Beneficios similares pueden obtenerse con VGT o twin-scroll.

Principio de Funcionamiento

Conociendo cómo funciona un motor a reacción, entender el turbo en coche es más fácil. Un motor a reacción aspira aire fresco al frente, lo usa en la cámara para mezclar y quemar con combustible, y expulsa aire caliente por detrás. El aire caliente pasa por una turbina (molino de metal compacto) que acciona el compresor (bomba de aire) al frente del motor, empujando aire para que el combustible queme correctamente.

Proceso similar en turbo de motor de pistón: gases de escape accionan la turbina, que gira un compresor de aire que empuja aire extra a los cilindros. Esto hace que se queme más combustible por segundo, por eso un coche turbo produce más potencia: más energía por segundo.

Los turbos tienen dos mitades unidas por un eje. Una contiene turbina girada por gases de escape calientes; la otra, un compresor que aspira y comprime aire al motor. Esta compresión ofrece potencia y eficiencia extra. Más aire en cámara = más combustible = más potencia.

El aire comprimido está caliente, menos denso y sube por radiadores. Este aire caliente es menos efectivo para quemar combustible. Por eso el aire del compresor debe enfriarse antes de entrar a los cilindros. Pasa por un intercambiador de calor (intercooler) que elimina calor extra antes de entrar a la cámara de combustión.

De dónde viene la potencia extra y cuánta se puede obtener

Muchos creen que la turbina da potencia extra del gas de escape recibido, pero no es cierto. El gas de escape acciona el compresor que transfiere aire a la cámara, permitiendo al motor quemar más combustible cada segundo. La potencia extra viene del combustible extra quemado a mayor ritmo.

La potencia extra que da el turbo depende del tamaño de los componentes. Pueden mejorarse para hacer el motor más potente, según la potencia deseada. Pero hay límite de mejora: los cilindros solo pueden recibir cierta cantidad de aire y combustible para mezclar.

Ventajas y Desventajas de los Turbocompresores

Ventajas:

• Potencia extra al motor.
• Potencia "gratis" usando gases de escape de desecho; no requiere potencia del motor para accionarlo.
• Usable en motores diésel y gasolina.
• Mejora eficiencia de combustible.

Desventajas:

Dos limitaciones principales:

1. Turbo Lag: Al pisar el acelerador, tarda en responder. A bajas RPM, no hay suficientes gases de escape para girar el compresor y dar la potencia necesaria. Los gases requeridos se crean tras pisar el acelerador. Se reduce reduciendo marcha, pero conductores expertos notan el retraso.
2. Calor extremo a alto rendimiento: No ocurre en conducción diaria. Solo al llevar el motor al límite. El calor de los gases de escape hace que el turbo brille en rojo. Por eso los deportivos turbo tienen ventilaciones en la parte inferior del motor para mantener circulación de aire y refrigerar.

En conclusión, hemos expuesto las funciones del turbocompresor: aumentar eficiencia de trabajo y combustible. Vimos tipos, principio de funcionamiento, ventajas y desventajas.