www.explicame.org - Explicame: Turbocompresores

Los turbocompresores, y en menor grado, los supercargadores, se han vuelto muy populares en los últimos años con los aficionados a las carreras y carros rápidos. Un turbocompresor es capaz de aumentar el poder de un motor significativamente, agregando muy poco peso.

En este artículo, veremos qué es lo que hace un turbocompresor para aumentar el poder de un motor, utilizando lo último en tecnología de cojinetes y turbinas cerámicas. Si eres aficionado a los carros y motores con última tecnología, este artículo es para tí.

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Qué hace tan populares a los turbocompresores en vehículos de alto rendimiento? Lo más atractivo es, sin duda, la capacidad de agregar hasta un 50% más potencia a un motor, sin necesidad de hacer cambios significativos, y a un precio razonable. Todo esto lo puede hacer un turbocompresor (o turbo como se llama normalmente) agregando muy poco peso a un vehículo. Pero, cómo lo hace?

Básicamente, un turbocompresor es un sistema de inducción forzada de aire, el cual está compuesto de dos partes principales: Una turbina que se alimenta con los gases calientes de escape del vehículo, y un compresor de aire, el cual comprime el aire antes que ingrese al motor. Estos dos componentes están unidos mecánicamente por un eje común de metal. La turbina es empujada por los gases de escape que salen del motor, lo cual hacen que llegue a velocidades de hasta 150,000 revoluciones por minuto, o rpm, y esto a su vez empuja el compresor, que se encarga comprimir el aire requerido por el motor, antes que llegue a los cilindros. Este aire comprimido permite que ingrese mayor mezcla de aire y combustible a los cilindros, ya que se puede comprimir más mezcla en el mismo volumen, y la mezcla entra "a presión" en los cilindros. Esto resulta en una explosión más fuerte en cada cilindro, y por ende, un motor más potente.

Aunque los turbocompresores son más conocidos en motores de gasolina, son utilizados extensamente en motores diesel, y en motores grandes de ferrocarriles y hasta en aviones. Los motores diesel poseen ciertas características que les permite adecuarse más fácilmente a la instalación de un turbo, razón por la cual la mayoría de motores diesel traen un turbocompresor instalado de fábrica.

Debido a que el turbocompresor se alimenta de los gases de escape del vehículo, se podría decir que se está obteniendo potencia adicional "gratis", ya que esos gases de todos modos iban a ser expulsados. Sin embargo, la presión de mover la turbina del turbo crea un efecto de empuje dentro del motor, en la fase de escape de los cilindros, ya que el cilindro debe empujar más fuerte para expulsar los gases de escape. Esto resulta en un leve decremento de potencia. A pesar de esto, un turbo puede fácilmente incrementar la potencia de un motor de un 30% a 40%.

Los "primos" del turbo, los supercargadores, son muy similares en su funcionamiento, con la diferencia que son empujados mecánicamente por el motor, ya que están conectados por una cadena o faja al cigüeñal, y esto es lo que mueve al compresor de aire. Usualmente no son tan eficientes como los turbos, ya que el motor tiene que gastar energía para moverlos, lo cual disminuye su rendimiento neto final.

En las siguientes páginas, veremos los detalles de funcionamiento de los turbo y supercargadores, qué variantes existen en el mercado, y cuáles son las ventajas y desventajas de cada tipo.

Un turbo usualmente está posicionado de tal manera que la turbina esté directamente luego de la tubería de escape (o manifold) del motor, para poder aprovechar los gases de escape de éste. Del otro lado, se conecta el compresor de aire a la tubería de admisión de aire del motor. Usualmente los turbos incluyen un intercooler, el cual es básicamente un radiador que enfría el aire comprimido antes que sea enviado a los cilindros. Ya que el aire frío ocupa menos volumen que el mismo aire caliente, permite enviar aún más mezcla combustible a los cilindros, y esto aumenta la eficiencia del turbocompresor.

Usualmente el compresor de un turbo es del tipo centrífugo, que toma aire por el centro, y expulsa el aire comprimido a un "caracol" en los extremos, lo cual le dá su forma peculiar.

Ya que el mecanismo de un turbocompresor llega a girar hasta 150,000 rpm, los cojinetes alrededor del eje deben ser muy especiales. A diferencia de la mayoría de cojinetes de balines, los de un turbocompresor usualmente son del tipo fluído, en los cuales constantemente se bombea aceite alrededor del eje, lo cual permite enfriar su mecanismo interno, al mismo tiempo que le permite girar libremente a velocidades elevadas. Existen también fabricantes que utilizan cojinetes de materiales especiales como cerámica, que permiten ser más livianos, siempre inmersos en aceite. Finalmente, se han logrado grandes avances con los llamadas cojinetes de hoja o cojinetes de aire, los cuales no requieren de enfriamiento o aceite, ya que se basan en la eliminación de fricción utilizando alta presión de aire, generada por el mismo turbo. Una vez están funcionando, no existe fricción, ya que los componentes están separados por la presión del aire. Estos cojinetes requieren muy poco mantenimiento, pero tienen desgaste alto a bajas velocidades, y requieren velocidades altas para funcionar correctamente.

La compresión o "boost" es la presión adicional que se está forzando en el aire comprimido. Los turbocompresores de vehículos normalmente agregan entre 6 a 8 libras por pulgada cuadrada (psi, por sus siglas en inglés) de presión al aire. Ya que el aire de la atmósfera, a nivel del mar, tiene una presión de 14.7psi, es posible llegar a obtener un poco más de 50% de rendimiento adicional de un motor. Algunos turbocompresores son de presión variable, que permiten al conductor escoger cuánta compresión desea, y es controlado por un switch desde el tablero. Estos manejan unas válvulas de escape en la turbina, que regulan la velocidad de la turbina.

A altas velocidades, la turbina de un turbo es capaz de girar a velocidades de más de 200,000rpm si no se le regula, debido a lo cual los turbos tienen válvulas de escape. Estas le permiten auto-regular su velocidad, para que no exceda los límites de fabricación, ambos del motor y del turbocompresor. Estas mismas válvulas son las que regulan la compresión, para dejar escapar los gases de escapes en exceso, una vez se haya logrado la compresión deseada.

Cuando un motor está funcionando a altas velocidades, y abruptamente se corta el flujo de gasolina (se deja de acelerar), se corta el flujo de aire comprimido a los cilindros, lo cual causa que quede aire comprimido en las tuberías, que puede causar rompimiento de mangueras y/o tubería, así como también un flujo reverso de aire hacia el compresor de aire, que lo puede desacelerar violentamente, lo cual puede llegar a dañarlo. Esta situación se controla con las válvulas de bloqueo, las cuales se encargan de cerrar el flujo de aire comprimido hacia el turbocompresor (solo se abren cuando el flujo hacia el motor está abierto), y también se encargan de dejar escapar el aire comprimido que ya no será utilizado en ese momento. Estas válvulas usualmente son operadas electrónicamente y/o por vacío.

Ya que hemos visto las partes principales de un turbocompresor, veremos a continuación las consideraciones que deben tomarse al diseñar un turbocompresor para un carro, y las ventajas y desventajas que puede tener.

Existen varios temas que deben discutirse cuando se habla de turbocompresores, especialmente si se desea instalar uno en un carro. A consideración detallaremos los más importantes.

Es un efecto esperado de un motor turbocargado: Está quemando más mezcla combustible en cada ciclo, por lo cual crea una explosión más fuerte, pero también genera más calor. Mientras más altas las revoluciones del motor, más combustible es quemado, lo cual genera aún más calor. En ciertos casos, pueden verse el manifold y el turbocompresor al rojo vivo, lo que permite darse una idea de la alta temperatura que deben soportar estos componentes. Esto debe ser tomado en cuenta cuando se decide qué modelo de turbocompresor instalar, con cuánta compresión, etc, ya que si el calor generado supera los límites de diseño del motor, o si las explosiones generadas son demasiado fuertes, es posible que se vaya dañando lentamente el motor, acortando significativamente su vida. En casos extremos, puede ser que el motor falle catastróficamente a altas revoluciones, lo cual puede tener consecuencias desastrosas para los ocupantes del vehículo.

La gran mayoría de los turbocompresores dependen de un flujo constante de aceite para enfriarse, ya que las altas velocidades generan grandes cantidades de calor. Si un turbo está siendo utilizado, y se apaga el motor abruptamente, se cortará su flujo de aceite, lo cual causará que el aceite quemado se acumule, y causará problemas la siguiente vez que el motor sea encendido. Algunos motores traen relojes que permite que queden encendidos 30 segundos adicionales, para permitirle al turbo enfriarse correctamente. La mayoría de fabricantes de automóviles especifican que el motor debe dejarse encendido 30 segundos sin acelerar, antes de apagarlo, para permitir al turbo un flujo adecuado de aceite para enfriamiento. Esto solo aplica si se utilizó el turbo momentos antes de intentar apagarse.

Debido a las altas temperaturas generadas por un turbocompresor, el aceite utilizado es especialmente importante, ya que tiene que funcionar adecuadamente en un rango de temperaturas extremo, sin descomponerse ni perder sus propiedades lubricantes, minimizando al mismo tiempo los residuos carbonizados. Muchos fabricantes de vehículos recomiendan utilizar aceite sintético cuando se instalan turbocompresores, ya que éste retiene sus características lubricantes aún a grandes temperaturas, y deja pocos residuos. Usualmente se recomienda utilizar aceite que tengan la especificación SAE 10-40 o SAE 15-40.

En todo caso, se recomienda siempre seguir las recomendaciones de los fabricantes, y consultar con personal experto en el tema. Así también, se recomienda que la instalación de un turbocompresor o supercargador sea realizado por una persona calificada, con el equipo apropiado, para evitar problemas de instalación o funcionamiento.

El tamaño, y forma y orientación de las aspas de la turbina es esencial para el correcto funcionamiento del turbocompresor. La velocidad que alcance el turbo es directamente proporcional a la superficie de las aspas de la turbina que choca contra los gases de escape, y la forma y orientación afectarán la fuerza del empuje. Esto también afectará el llamado "retraso" del motor o lag (ver siguiente punto). El diseño correcto de la turbina permitirá optimizar la velocidad del motor a la cual entra en funcionamiento el turbocompresor, y de esta manera minimizar el lag. Si la turbina es muy grande y pesada, otorgará un gran incremento en potencia al motor, pero requerirá que el motor vaya a una velocidad muy alta para que comience a funcionar. Una turbina muy liviana y pequeña entrará a funcionar a una velocidad de motor relativamente baja, pero la potencia adicional que podrá otorgar al motor será mínima.

Este término se refiere al tiempo que se tarda la turbina del turbo en llegar a la velocidad requerida para comenzar a mandar aire comprimido a los cilindros del motor. Usualmente, existe una velocidad del motor mínima a la cual entra a funcionar el turbo, momento en el cual se siente un gran "empuje", el efecto de la potencia adicional otorgada por el turbocompresor. El "lag" o retraso es importante, porque un motor turbo sin retraso responderá más rápido que uno equivalente con retraso. Además, demasiado lag le resta el sentimiento "deportivo" a un vehículo, ya que el motor tardará más tiempo en responder a los deseos del conductor. Esto es afectado directamente por el tamaño de la turbina, tal como fue explicado en el punto anterior.

A pesar de que uso en vehículos es relativamente reciente, los turbocompresores y supercargadores han sido utilizados extensamente en motores de avión y trenes desde antes de la Segunda Guerra Mundial. Su uso principal era para lograr que volaran más alto, donde hay menor presión del aire, con la misma potencia que a menores alturas. Aunque se prefería utilizar supercargadores, ya que requerían menos modificaciones a los aviones, también se utilizaron turbocompresores en algunos casos. En la actualidad, la mayoría de motores de avión no tienen compresión de ningún tipo.

Existen también lo que se llama turbocompresores de geometría variable. En estos, las aspas de la turbina cambian dinámicamente, para lograr optimizar la mayor compresión posible, utilizando los gases de escape que están disponibles en ese momento, lo cual disminuye el lag, y hace más eficiente el motor. Sin embargo, estos sufren de varias desventajas, por lo que actualmente, muy pocos fabricantes de carros los utilizan en sus modelos de producción.

Existen maneras de aumentar aún más la potencia de un motor, instalando sistemas múltiples de turbocompresores, como se detalla a continuación:

turbocompresores secuenciales: Usualmente utilizan dos turbocompresores del mismo tamaño, activando el segundo cuando el primero ya está funcionando. Esto permite un mayor incremento de potencia a altas velocidades, evitando las desventajas en el "lag" de tener solo una turbina grande.
Twin-turbos o bi-turbo: Al igual que el anterior, consta de dos turbos del mismo tamaño, con la diferencia que siempre se mantienen activos ambos. Es un diseño más sencillo, que otorga la mayoría de los beneficios del anterior.
Turbo compuesto: En ese tipo, se utilizan dos turbocompresores, uno pequeño y uno grande, donde el aire comprimido del turbo grande ingresa a la turbina del turbo pequeño. La tubería de loss gases de escape se configura de tal manera que empujan primero la turbina pequeña, y posteriormente la grande. Esta configuración permite grandes aumentos en compresión, de hasta 200psi, y otorga grandes aumentos de potencia. Se utiliza principalmente en motores diesel grandes.

Los motores diesel se prestan para utilizar turbocompresores, y usualmente los traen instalados de fábrica. De hecho, actualmente, es raro ver vehículos con motores diesel que no tengan supercargadores. Hay varias razones para esto, como se detalla a continuación:

Un motor diesel genera menos energía que un motor de gasolina del mismo peso. Esto se debe a que requiere componentes más pesados y fuertes, por lo que su factor de potencia/peso es mucho más pobre que la de un motor de gasolina. Un turbocompresor puede aumentar considerablemente este factor, con un gran aumento de potencia, aumentando poco peso.
Los motores diesel están diseñados para manejar altas presiones, ya que su funcionamiento normal así lo requiere. Esto hace que sea necesarios muy pocos cambios para soportar las presiones que necesita un sistema turbo.
El rango de revoluciones de un motor diesel es mucho menor que el de un motor de gasolina, lo que hace que sea factible agregar un sistema de turbo, sin los efectos negativos de llevarlo a altas velocidades.
Finalmente, los motores diesel solo inyectan aire en los cilindros, ya que el diesel es insertado a presión dentro del cilindro, por inyectores especiales. Esto hace la instalación del turbo más sencilla, ya que no hay que pre-mezclar el aire con el diesel. Además, es fácil regular electrónicamente la cantidad de diesel inyectado al cilindro cuando está utilizando compresión, otorgando todas las ventajas de un turbo, sin las desventajas de tener que controlar la mezcla de combustible previo a entrar al cilindro.

El inventor del turbocompresor fue el ingeniero suizo Alfred Buchi, quien patentó su invento en 1905.
El primer fabricante que utilizó turbocompresores en vehículos fue General Motors, en 1962, en sus líneas Oldsmobile Cutlass Jetfire and Chevrolet Corvair Monza Spyder.
El uso de turbocompresores fue prohibido en carreras de Formula1 en 1989, debido a que causaban que las carreras fueran demasiado peligrosas.
Los vehículos utilizados en carreras de rally si pueden utilizar turbocompresores, pero tienen un límite máximo en la boquilla de admisión de aire de 34mm, lo cual limita el aumento de potencia considerablemente.

Para concluir, resumiremos brevemente las ventajas y desventajas de los turbocompresores y supercargadores.

Permite aumentar la potencia de un motor existente, sin necesidad de hacer mayores cambios y/o rediseñar un motor existente.
Utiliza como medio propulsor los gases de escape del motor, lo cual contribuye a rescatar esta energía, y hacer más eficiente el motor en general.
Agrega poco peso y bulto a un motor, lo cual usualmente permite encajarlo en un vehículo sin modificaciones externas.
A diferencia de un supercargador, no le resta potencia al motor directamente, lo que lo hace más eficiente.
Debido a que depende la diferencia de presión entre los gases de escape y el medio ambiente, se auto-ajusta a cualquier altitud sobre el nivel el mar. Esto los hace muy prácticos para utilizar en motores de avión. Un supercargador debe ser regulado manualmente para lograr este mismo efecto.

En general, requiere menos costos y complejidad en la instalación, ya que no se calienta tanto, ni requiere mucha tubería adicional.
A diferencia de los turbocompresores, no sufren del efecto de "retraso" o "lag", ya que toman su energía mecánicamente del motor, y no dependen del volumen de los gases de escape.

En los turbocompresores, siempre existe un efecto de retraso o "lag", que se manifiesta por una respuesta lenta para que turbo comience a funcionar. Dependiendo del tipo de turbocompresor, esto puede reducirse por diversos medios.
Velocidad mínima del motor. Para que un turbo entre en acción, el motor debe llegar a una velocidad mínima específica, que depende del tamaño y forma de la turbina utilizada. Esto hace que el turbo sea prácticamente inutilizable a bajas velocidades
El costo de instalar un sistema turbo es elevado, ya que usualmente requiere mano de obra especializada, y cambio de partes.
Los motores turbocargados generalmente utilizan más combustible que un motor normalmente aspirado, reduciendo la eficiencia del combustible.
Pueden reducir la vida útil de un motor, ya que efectivamente se está "forzando" al motor a funcionar a límites más altos de lo normal. Esto no aplica en turbocompresores instalados por los fabricantes de vehículos, ya que en estos casos, los motores fueron diseñados con límites más elevados.

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