Los motores de combustión interna han experimentado una evolución constante en busca de una mayor eficiencia y rendimiento. En este contexto, los turbocompresores, comúnmente conocidos como «turbos», han desempeñado un papel crucial al proporcionar un aumento significativo en la potencia y la eficiencia de los motores. Para comprender plenamente el funcionamiento y el impacto de un turbo en un motor, es esencial desglosar y analizar las partes fundamentales que componen este componente de alta tecnología.
Desglose Detallado de un Turbo y su Funcionamiento Interno
Un turbocompresor es un dispositivo utilizado para aumentar la potencia del motor o, se podría decir, la eficiencia de un motor al incrementar la cantidad de aire que ingresa a la cámara de combustión. Más aire en la cámara de combustión significa que se admitirá una mayor cantidad de combustible en el cilindro y, como resultado, se obtendrá más potencia del mismo motor si se instala el turbocompresor en él.
Ver también: Clasificación de los Motores de Combustión Interna
De manera muy simple, un turbocompresor es una especie de bomba de aire que toma aire a presiones ambientales (presión atmosférica), lo comprime a una presión más alta y hace pasar el aire comprimido hacia el motor a través de las válvulas de admisión.
En la actualidad, los turbos se utilizan principalmente en motores diésel, pero ahora hay una tendencia hacia la sobrealimentación de motores a gasolina en producción.
La cantidad de aire que realmente ingresa al cilindro del motor, en comparación con la cantidad teórica si el motor pudiera mantener la presión atmosférica, se llama eficiencia volumétrica y el objetivo del turbocompresor es mejorar la eficiencia volumétrica del motor al aumentar la densidad del gas de admisión.
El turbocompresor extrae el aire de la atmósfera y lo comprime con la ayuda de un compresor centrífugo antes de que ingrese al conducto de admisión a una presión más alta. Esto resulta en una mayor cantidad de aire que entra en los cilindros en cada carrera de admisión. El compresor centrífugo obtiene energía de la energía cinética de los gases de escape del motor.
PARTES DEL TURBOCOMPRESOR
El turbocompresor consta de tres componentes principales:
- La turbina, que es casi una turbina de flujo radial.
- El compresor, que es casi un compresor centrífugo.
- El conjunto del eje central giratorio.
Un turbocompresor está compuesto por dos secciones principales: la turbina y el compresor.
La turbina consta de una rueda de turbina y una carcasa de turbina. La tarea de la carcasa de turbina es guiar los gases de escape hacia la rueda de turbina. La energía de los gases de escape hace girar la rueda de turbina y luego los gases salen de la carcasa de turbina a través de un área de salida de escape.
El compresor también consta de dos partes: la rueda de compresor y la carcasa de compresor. El modo de acción del compresor es opuesto al de la turbina. La rueda de compresor está conectada a la turbina mediante un eje de acero forjado, y a medida que la turbina hace girar la rueda de compresor, el giro de alta velocidad succiona aire y lo comprime.
La carcasa del compresor luego convierte el flujo de aire de alta velocidad y baja presión en un flujo de aire de alta presión y baja velocidad a través de un proceso llamado difusión. El aire comprimido se introduce en el motor, lo que permite que el motor queme más combustible para generar más potencia.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Un turbocompresor está compuesto principalmente por dos secciones principales: la turbina y el compresor. La turbina consta de una rueda de turbina y una carcasa de turbina cuyo propósito es guiar los gases de escape hacia la rueda de turbina. La energía cinética de los gases de escape se convierte en energía mecánica al impactar en las palas de la turbina. La salida de escape ayuda a que los gases de escape salgan de la turbina.
La rueda del compresor en el turbocompresor está unida a la turbina con la ayuda de un eje de acero y, a medida que la turbina hace girar la rueda del compresor, succiona el flujo de aire de alta velocidad y baja presión y lo convierte en un flujo de aire de alta presión y baja velocidad. Este aire comprimido se introduce en el motor con una mayor cantidad de combustible y, por lo tanto, produce más potencia.
Los gases de escape desperdiciados del motor se utilizan para impulsar una rueda de turbina, que está conectada a una rueda de compresor mediante un eje. La rueda de compresor succiona aire a través de los filtros de aire y lo pasa al motor. A medida que los gases de escape son expulsados del motor, se dirigen a la turbina del turbocompresor y, de esta manera, se completa el ciclo.
1. Captura
En lugar de escapar a través del tubo de escape, los gases calientes producidos durante la combustión fluyen hacia el turbocompresor. Los cilindros dentro de un motor de combustión interna se encienden en secuencia (no todos a la vez), por lo que los gases de escape salen de la cámara de combustión en pulsos irregulares. Los turbocompresores convencionales de una sola entrada dirigen esos pulsos irregulares de escape hacia la turbina de manera que chocan e interfieren entre sí, reduciendo la fuerza del flujo. En contraste, un turbocompresor de doble entrada recoge los gases de escape de pares de cilindros en una secuencia alternante.
2. Giro
Los gases de escape golpean las palas de la turbina, haciéndolas girar a velocidades de hasta 150,000 rpm. Los pulsos alternantes de los gases de escape ayudan a eliminar el retardo del turbo.
3. Salida
Habiendo cumplido su propósito, los gases de escape fluyen a través de una salida hacia el convertidor catalítico, donde se eliminan del monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y otros contaminantes antes de salir por el tubo de escape.
4. Compresión
Mientras tanto, la turbina alimenta un compresor de aire, que recoge aire frío y limpio de una abertura y lo comprime a un 30 por ciento por encima de la presión atmosférica, o casi 19 libras por pulgada cuadrada. El aire denso y rico en oxígeno fluye hacia la cámara de combustión.
El oxígeno adicional permite que el motor queme la gasolina de manera más completa, generando más rendimiento con un motor más pequeño. Como resultado, el motor Twin Power genera un 30 por ciento más de potencia que uno no sobrealimentado del mismo tamaño.
Sigue el siguiente proceso:
- La admisión de aire del motor succiona aire fresco y lo envía al compresor.
- El compresor comprime el aire entrante y lo calienta. Luego expulsa el aire caliente.
- El aire caliente se enfría al pasar por el intercambiador de calor y entra en la admisión de aire del cilindro.
- El aire frío se quema dentro de la cámara de combustión a una velocidad más rápida debido a que lleva más oxígeno.
- Debido a la quema de más combustible, la salida de energía será mayor y más rápida, y el motor podrá enviar más potencia a las ruedas.
- Los gases de escape calientes saldrán de la cámara y pasarán por la turbina en la salida de escape.
- La turbina gira a alta velocidad y hace girar también el compresor, ya que ambos están montados en el mismo eje.
- Los gases de escape salen del automóvil a través del tubo de escape. Desperdician menos energía que un motor que no tiene un turbocompresor.
Te puede interesar: ¿Qué es un motor de combustión interna?
TIPOS DE TURBOCOMPRESOR
1. Monoturbo
Los turbocompresores individuales tienen una variabilidad ilimitada. Cambiar el tamaño de la rueda del compresor y la turbina dará como resultado características de torsión completamente diferentes. Los turbos grandes generarán una potencia alta en la parte superior, pero los turbos más pequeños proporcionarán un mejor rendimiento en la parte inferior ya que giran más rápido. También existen turbos con cojinetes de bolas y cojinetes de revista. Los cojinetes de bolas proporcionan menos fricción para que el compresor y la turbina giren, por lo que se aceleran más rápido (aunque aumentan el costo).
Ventajas
- Una forma rentable de aumentar la potencia y eficiencia de un motor.
- Simple, generalmente es la opción más fácil de instalar.
- Permite el uso de motores más pequeños para producir la misma potencia que motores más grandes de aspiración natural, lo que a menudo puede eliminar peso.
Desventajas
- Los turbos individuales tienden a tener un rango de RPM efectivo bastante estrecho. Esto hace que la selección del tamaño sea un problema, ya que deberás elegir entre un buen par en la parte baja o una mejor potencia en la parte alta.
- La respuesta del turbo puede no ser tan rápida como en configuraciones de turbo alternativas.
2. Biturbo
Al igual que con los turbocompresores individuales, hay muchas opciones al usar dos turbocompresores. Podrías tener un solo turbocompresor para cada bancada de cilindros (V6, V8, etc.). Alternativamente, se podría usar un solo turbocompresor para RPM bajos y derivar a un turbocompresor más grande para RPM altos (I4, I6, etc.). Incluso podrías tener dos turbos de tamaño similar, donde uno se usa a bajas RPM y ambos se usan a RPM más altos. En el BMW X5 M y X6 M, se utilizan turbos de doble entrada, uno a cada lado del V8.
Ventajas
- Para los turbocompresores gemelos en forma de paralelo en motores en forma de «V», los beneficios (y desventajas) son muy similares a las configuraciones de turbocompresores individuales.
- Para los turbocompresores secuenciales o usar un turbocompresor a bajas RPM y ambos a altas RPM, esto permite una curva de torsión mucho más amplia y plana. Mejor par en la parte inferior, pero la potencia no disminuirá en altas RPM como con un pequeño turbocompresor individual.
Desventajas
- Costo y complejidad, ya que prácticamente se duplican los componentes del turbo.
- Hay formas más livianas y eficientes de lograr resultados similares (como se discutirá a continuación).
3. Turbo de Doble Entrada
Un turbocompresor es impulsado por los gases de escape que son redirigidos para hacer girar las palas de la turbina y así forzar la entrada de aire al motor. Ahora bien, los cilindros de un motor se encienden en secuencia, lo que significa que los gases de escape ingresan al turbo en forma de pulsos. Como puedes imaginar, estos pulsos pueden superponerse e interferir fácilmente entre sí al alimentar el turbo.
Un turbocompresor de doble entrada resuelve este problema mediante el uso de una carcasa de turbina con entrada dividida y un colector de escape específico que empareja los cilindros adecuados con cada conducto de entrada. En un vehículo de cuatro cilindros, por ejemplo, los cilindros 1 y 4 pueden alimentar un conducto de entrada, mientras que los cilindros 2 y 3 alimentan el otro. Esto significa que hay menos superposición de pulsos y, por lo tanto, menos retardo.
Ventajas
- Se envía más energía a la turbina de escape, lo que se traduce en más potencia.
- Un rango más amplio de RPM con impulso efectivo es posible debido a los diferentes diseños de conductos.
- Se puede lograr una mayor superposición de válvulas sin afectar el barrido de los gases de escape, lo que significa una mayor flexibilidad en la sintonización.
Desventajas
- Requiere un diseño de motor y un sistema de escape específico (por ejemplo, motores de 4 cilindros en línea o V8, donde 2 cilindros pueden alimentar cada conducto del turbo, en intervalos uniformes).
- Costo y complejidad en comparación con los turbocompresores individuales tradicionales.
4. Turbocompresor de geometría variable (VGT)
Un turbocompresor de geometría variable (VGT) es una solución de energía costosa y compleja que es especialmente común en motores diésel. Un VGT tiene un anillo de álabes con forma aerodinámica en la carcasa de la turbina que puede alterar su relación área-radio para que coincida con las revoluciones del motor. A bajas revoluciones, la relación área-radio crea más presión y velocidad para arrancar el turbo de manera más efectiva. A revoluciones más altas, la relación aumenta para dejar entrar más aire. El resultado es un rango de impulso más amplio y menos retardo.
Ventajas
- Curva de torsión amplia y plana. Sobrealimentación efectiva en un rango de RPM muy amplio.
- Requiere solo un turbocompresor, lo que simplifica una configuración de turbocompresor secuencial en algo más compacto.
Desventajas
- Por lo general, solo se usa en aplicaciones diésel donde los gases de escape son más bajos, por lo que las aletas no se dañarán por el calor.
- Para aplicaciones de gasolina, el costo generalmente los excluye debido a que se deben usar metales exóticos para mantener la confiabilidad. La tecnología se ha utilizado en el Porsche 997, aunque muy pocos motores de gasolina con VGT existen debido al costo asociado.
5. Turbocompresor de Doble Entrada Variable
Un turbocompresor de doble entrada variable combina una configuración de VGT con un diseño de doble entrada, de modo que a bajas revoluciones, uno de los conductos está completamente cerrado, forzando todo el aire hacia el otro. Esto resulta en una buena respuesta del turbo y una potencia en la parte inferior del rango de revoluciones.
A medida que aumenta la velocidad, una válvula se abre para permitir que el aire entre en el otro conducto (este es un proceso completamente variable, lo que significa que la válvula se abre en pequeños incrementos), obteniendo un buen rendimiento en la parte alta del rango. Con este diseño, se logra un rendimiento similar al de un solo turbo pero con la potencia que normalmente solo se obtendría de una configuración de doble turbo.
Ventajas
- Significativamente más económico (en teoría) que los VGT, lo que lo hace adecuado para la sobrealimentación de gasolina.
- Permite una curva de torsión amplia y plana.
- Diseño más robusto en comparación con un VGT, dependiendo de la selección de materiales.
Desventajas
- Costo y complejidad en comparación con el uso de un solo turbo o un doble scroll tradicional.
- La tecnología ha sido explorada anteriormente (por ejemplo, la válvula de arranque rápido), pero no parece haber tenido éxito en el mundo de la producción. Es probable que haya desafíos adicionales con la tecnología.
6. Turbocompresores Eléctricos
Un desarrollo muy reciente es la introducción de turbocompresores con compresores eléctricos. Un ejemplo es el «booster» de BorgWarner, que es un compresor alimentado eléctricamente. El compresor proporciona un impulso instantáneo al motor hasta que el turbocompresor haya arrancado lo suficiente. Una versión similar de esto se puede encontrar en el Audi SQ7. Con el impulso instantáneo, el retardo se convierte en cosa del pasado, pero nuevamente, el sistema es costoso y complejo. Un compresor necesita un motor, que a su vez necesita alimentación, por lo que no es un sistema simple de implementar.
Ventajas
- Al conectar directamente un motor eléctrico a la rueda del compresor, el retardo del turbo y los gases de escape insuficientes pueden eliminarse virtualmente al hacer girar el compresor con energía eléctrica cuando sea necesario.
- Al conectar un motor eléctrico a la turbina de escape, se puede recuperar la energía desperdiciada (como se hace en la Fórmula 1).
- Un rango de RPM efectivo muy amplio con un par uniforme en todo momento.
Desventajas
- Costo y complejidad, ya que ahora debes considerar el motor eléctrico y garantizar que se mantenga fresco para evitar problemas de confiabilidad. Esto también se aplica a los controladores adicionales.
- El embalaje y el peso se convierten en un problema, especialmente con la adición de una batería a bordo, que será necesaria para suministrar suficiente energía al turbo cuando sea necesario.
- Los turbocompresores de geometría variable (VGT) o de doble entrada pueden ofrecer beneficios muy similares (aunque no al mismo nivel) por un costo significativamente menor.
Ver también: Qué es el turbocompresor y cómo funciona
Redacción por Gossipvehículos
