TURBO - Qué es y cómo funciona:

El turbocompresor, conocido como grupo turbo o turbo, es un sistema mecánico cuya finalidad es sobrealimentar el motor de combustión interna aprovechando los gases de escape. Está constituido por el acoplamiento de una turbina centrípeta, denominada lado «caliente» o lado de escape, que recibe los gases de escape a alta temperatura, y un compresor centrífugo, denominado lado «frío» o lado de admisión, en el que se aspira el aire que se va a comprimir. El turbo se instala en el motor montando el lado caliente en los colectores de escape, que para concentrar el flujo pueden ser, por ejemplo, del tipo 4 en 1 o 4 2 1. Esta denominación indica cómo se han construido los colectores y, en particular, la evolución de las curvas. El turbo se utiliza en motores con sistemas de inyección y en la mayoría de los sistemas de carburador; su ventaja es que limita las pérdidas de combustible a lo largo de las paredes del sistema de alimentación. En el interior del compresor y de la turbina hay dos rodetes que desempeñan dos funciones distintas: están unidos solidariamente por un eje de unión y giran a la misma velocidad dentro de sus respectivas carcasas en forma de caracol. El rodete de la turbina, situado en el interior de la carcasa de escape de hierro fundido, se pone en rotación tanto por la acción de los gases de escape expulsados de los cilindros por los pistones como por la combustión de la mezcla de aire y gasolina, que genera una presión positiva entre la válvula de escape y la turbina. El rodete del compresor, situado en el «lado frío», está compuesto por una aleación ligera que permite reducir la resistencia a la aceleración, buscando, por ejemplo, el efecto opuesto al del volante de inercia. Su función es comprimir el aire e introducirlo en el colector de admisión, proporcionando a los cilindros un volumen de aire mayor del que podría aspirar un motor atmosférico en la misma unidad de tiempo. Como se ha dicho, los dos rodetes están conectados por un pequeño eje que atraviesa el «core assy», el verdadero corazón del turbo. En resumen, la turbina recoge la energía de los gases de escape y la transforma en energía mecánica, que sirve para hacer girar el compresor; así, la rotación del rodete de escape acciona simultáneamente el de admisión, que comprime el aire de entrada hacia el intercooler y el cuerpo de mariposa. Este sistema, altamente eficiente, aprovecha la energía residual de los gases de escape, que de otro modo se disiparía, para proporcionar más potencia a nuestro motor.

¿Por qué los motores turbo no se ven afectados por el aire enrarecido?

Gracias a este sistema, los motores turbo no se ven afectados por los cambios de presión atmosférica, ya que se ajustan mediante sensores de presión conocidos como «wastegate», que funcionan constantemente según los valores preestablecidos. En los vehículos de carretera se habla de valores medios que oscilan entre 0,5 y 1 bar de presión positiva, mientras que en los coches de competición se pueden alcanzar presiones considerablemente más elevadas. Basta pensar que los coches de carreras de los años 80 alcanzaban presiones cercanas a los 3 bar; todo ello, por supuesto, en detrimento de la fiabilidad, pero, lógicamente, cuando se compite, el resultado es más importante que la conservación. La wastegate mantiene la presión indicada variando únicamente las revoluciones por minuto de los dos rodetes. Por ejemplo: a nivel del mar, un turbo debe girar a 1000 rpm para mantener la presión a 1 bar; en la montaña, para mantener la misma presión, el turbo girará a unas 15000 rpm.

Pero ¿qué es la wastegate?

La válvula wastegate es un componente fundamental de un turbocompresor. Este último, al recibir una enorme cantidad de energía cinética de los gases de escape, debe detenerse al alcanzar la presión de funcionamiento establecida por el fabricante para no superar ese límite y evitar averías indeseadas. Esta válvula está accionada por la presión positiva tomada del lado frío, que empuja una membrana con resorte y, mediante un pequeño eje mecánico, abre la válvula, reduciendo la presión en los colectores de escape, las revoluciones de los rodetes y la presión del compresor.

¿Qué diferencia hay entre las turbinas de geometría fija y las de geometría variable?

En el mercado existen cinco tipos de turbinas que analizaremos en este vídeo: las single scroll, las twin scroll, las de geometría fija, las de geometría variable y las eléctricas. Las turbinas de geometría fija son las que hemos descrito anteriormente y hacen que la turbina y el compresor mantengan constante el volumen de aire. Las de geometría variable, en cambio, tienen unas «paletas móviles» situadas alrededor de la rueda de la turbina, cuya función es variar la sección de los canales delimitados por las propias paletas y el ángulo de incidencia de los gases de escape. En pocas palabras, la posición de las paletas determina la velocidad del rotor del turbocompresor. La principal ventaja de la geometría variable frente a la fija es la reducción del turbo lag, que ha mejorado la linealidad de funcionamiento del motor sobrealimentado en comparación, por ejemplo, con lo que se podía observar en los primeros motores diésel turboalimentados. El turbo lag consiste en el retraso de respuesta de la turbina y se debe a que, a bajas revoluciones, el motor genera un flujo limitado de gases de escape que no permite a la turbina fija transmitir suficiente rotación al rotor, lo que impide que el compresor proporcione al motor la presión necesaria para aumentar de forma significativa los valores de par y potencia. En cambio, la geometría variable garantiza una elevada velocidad de rotación angular del compresor desde bajas revoluciones, ya que las paletas estrechan la sección por la que circulan los gases y permiten una respuesta rápida incluso al ralentí. A medida que aumentan las revoluciones del motor, los gases de escape adquieren velocidad y hacen que aumenten significativamente las revoluciones del rotor, que proporciona una mayor compresión del aire que entra en el motor. Esto, a su vez, permite entregar más potencia desde bajas revoluciones, ya que el sistema de alimentación puede suministrar al motor una mayor cantidad de combustible gracias al aumento del oxígeno que entra en los cilindros. Llegados a este punto, se inicia un círculo virtuoso: aumenta la velocidad de los gases de escape, lo que hace girar más el rotor, y el compresor envía aire más comprimido al motor. Con los antiguos turbocompresores de geometría fija se producía la situación opuesta: una gran masa de gases de escape que entraba en la turbina generaba una elevada contrapresión en el escape, dificultando su expulsión y aumentando, por tanto, la temperatura de esos mismos gases, lo que reducía efectivamente el rendimiento del motor. Este efecto negativo es muy limitado en los turbocompresores de geometría variable: de hecho, al aumentar las revoluciones del motor (y, por tanto, el flujo de gases de escape), varía la incidencia de las paletas móviles. La sección de paso de los gases de escape aumenta, lo que permite tanto «modular» la velocidad de rotación de la turbina (evitando que se sobrerrevolucione) como facilitar una evacuación más eficaz de los gases de escape, manteniendo bajos los valores de contrapresión en el colector de escape. Las ventajas obtenidas son múltiples: menor consumo de combustible y mayor rendimiento del motor en todo el rango de revoluciones de funcionamiento. Para obtener las ventajas mencionadas, es importante que el ajuste de la geometría variable sea muy preciso: de lo contrario, el funcionamiento del motor sería irregular y podría provocar una avería prematura del turbocompresor, que funcionaría en condiciones de sobrevelocidad. Por eso es fundamental que la electrónica de gestión del motor controle eficazmente la posición de la geometría variable. La geometría variable está accionada por un actuador, que se divide básicamente en tres tipos principales: actuadores neumáticos, actuadores electroneumáticos y actuadores electrónicos.

¿Single scroll o twin scroll?

Una vez vista la diferencia entre las turbinas de geometría fija y las de geometría variable, pasemos a otra solución adoptada para reducir el retraso de respuesta de los turbocompresores: las turbinas twin scroll. Antes de enumerar sus ventajas, aclaremos qué significa el término. Imaginemos el turbo tradicional con un solo colector de escape de entrada procedente de los colectores 4 en 1; ahora imaginemos que tenemos colectores 4 2 2, es decir, colectores emparejados de dos en dos que no se unen hasta llegar al rodete de escape. En este caso, tendríamos los colectores y el rodete twin scroll. ¿Qué significa esto? Significa limpiar el flujo de los gases de escape que salen de los cilindros, reduciendo la contrapresión en los colectores, ya que las fases de combustión de un motor de cuatro cilindros podrían, en ciertos momentos, con colectores 4 en 1, obstaculizar la velocidad de los flujos y aumentar la contrapresión y la temperatura. De este modo, los gases de escape llegan mucho más rápido al rodete del lado caliente, sin interferencias, pero eso no es todo: hay otras ventajas. Así, los flujos procedentes de cada cilindro se mantienen bien diferenciados, evitando que sus pulsaciones se obstaculicen entre sí. Por ejemplo, en un motor de cuatro cilindros con orden de encendido 1-3-4-2, se agrupan los colectores 1 y 4, y 2 y 3, procurando que tengan la misma longitud para no generar diferentes pérdidas de carga debido a las distintas longitudes de los propios colectores. En esencia, los sistemas twin scroll trabajan con varios flujos y aprovechan la teoría de los impulsos, que ya resulta muy útil para gestionar la carga en el cilindro. Por el contrario, un turbocompresor single scroll trabaja con un único flujo a presión constante. El resultado es un turbo con una respuesta extremadamente rápida, capaz de eliminar los problemas de eficiencia que afectan a los turbos single scroll a bajas revoluciones y con cargas elevadas. Otra ventaja de los twin scroll es que utilizan colectores de admisión diferentes; así, además de obtener flujos más limpios, se pueden orientar de manera distinta para intentar crear el efecto de los turbos de geometría variable. Con los dos colectores de admisión del turbo diferentes, tendremos un colector más pequeño y orientado de tal manera que ayude a la rotación del rodete a bajas revoluciones, y otro algo más grande y angulado de forma que no genere resistencia al flujo de los gases de escape a altas revoluciones.