Turbo: ¿qué es exactamente y cómo funciona?

Turbo: ¿qué es exactamente y cómo funciona?

 ¿Qué es el turbo? El turbo es un sistema de sobrealimentación de los propulsores que pasó de la industria aeronáutica al automóvil en la década de los setenta. Existen otras alternativas al turbo. Sigue leyendo para conocerlas.

La potencia que es capaz de generar un motor depende básicamente de la cantidad de oxígeno que es capaz de hacer reaccionar con el combustible, por lo que cuanto más aire es capaz de «bombear» una mecánica, más fuerza tiene. Hay dos formas de conseguir que en un motor entre mucho aire: aumentando el volumen interno para que quepa la mayor cantidad posible o comprimir el aire para que sea capaz de entrar mucho en una cilindrada pequeña. Esta última alternativa es lo que se conoce como «sobrealimentación»  y se consigue comprimiendo el aire antes de meterlo en los cilindros. Para ello se emplean diferentes dispositivos, siendo el más utilizado el turbo.

En las mecánicas diésel, que trabajan con un exceso de aire por definición, el turbo se emplea de forma generalizada desde hace muchas décadas, de hecho, no existe ningún modelo en el mercado actualmente que incorpore una motorización diésel atmosférica (sin turbo). Sin embargo, en los motores de gasolina o de gas no ha sido muy frecuente el uso de la sobrealimentación, quedando reservada a modelos de altas prestaciones o marcas como Saab, que siempre apostó por motores pequeños pero de alto rendimiento, lo que ahora se llama «downsizing».

Tipos de sobrealimentación: compresores volumétricos y turbos

Mercedes ha empleado los motores sobrealimentados con compresor recientemente.

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Existen varias formas de comprimir el aire y en el automóvil se han empleado casi desde el inicio de los tiempos. Ya en la primera década del siglo XX existían modelos de competición con mecánicas sobrealimentadas. Mercedes-Benz fue una de las marcas que más empleó este tipo de motores en sus modelos más potentes.

  • Compresor de pistones: funciona básicamente como un motor sólo que sin quemar combustible, su misión es bombear aire. Se empleaba en coches de competición de principios de siglo e iba acoplado directamente al cigüeñal. Eran pesados y sufrían mucho desgaste, además de que aunque aumentaban la potencia, absorbían mucha energía del motor para moverlos.
  • Compresor de lóbulos Eaton Roots: se trata de dos engranes de forma especial (similar a un tornillo sinfín)  que giran en sentidos opuestos comprimiendo el aire entre ellos. Su ventaja es que funcionan desde el ralentí y proporcionan presión al instante. Sus inconvenientes son el precio, el peso, son ruidosos y que, aunque aumentan la potencia del motor, también roban energía a la mecánica, pues giran mediante una correa solidaria al cigüeñal.
  • El turbo tardó más en implantarse debido a la mayor complejidad para controlar la presión. No sería hasta que Saab inventase el sistema APC (que adapta la presión del turbo instantáneamente a parámetros como la calidad de la gasolina, presión atmosférica, temperatura…) que se pudo controlar de manera eficaz la presión de sobrealimentación.
  • Compresor volumétrico G: dos elementos en forma de caracola giran dentro de una carcasa de forma que comprimen el aire. También gira solidario al cigüeñal. Lo empleó Volkswagen en modelos como el Golf y Corrado G60, Golf Rally o Polo G40. Su ventaja es que proporciona par desde el ralentí, mientras que la fiabilidad y el precio fueron sus principales hándicaps.

Historia del turbo: de la aviación al automóvil

El Mercedes SSK competía en los años veinte con motores sobrealimentados.

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A medida que los aviones iban alcanzando cotas más altas se fueron encontrando con un serio problema técnico y es que los motores perdían mucha potencia al bajar la densidad del aire. A medida que subimos de altitud, el aire contiene menos oxígeno, lo que reduce la capacidad del motor para quemar combustible. En los años 30, se funda la compañía Garret Air Research que patenta un dispositivo al que llama «Corrector de altura«. Este invento es muy sencillo (como casi todas las ideas geniales) y permitía aprovechar la salida de los gases de escape del motor de los aviones para meter a presión el aire en la admisión. No importa la presión atmosférica, si es baja, el «corrector de altura» gira más deprisa hasta alcanzar la presión para la que está diseñado, de forma que a los cilindros del motor siempre le entra aire a la misma presión y, por lo tanto, con la misma densidad de oxígeno.

El corrector de altura, que ahora conocemos como turbo, tardó varias décadas en poder ser utilizado en los motores de gasolina de los automóviles de calle. El problema estaba en cómo controlar la presión y la potencia del coche. En un avión es fácil porque el motor trabaja más tiempo a la máxima carga y las transiciones bruscas de potencia no suponen un problema demasiado grave, pero en un turismo puede ser peligroso que llegue todo el par de golpe y de manera incontrolada.

Aunque a los europeos nos encanta decir que el primer coche en equipar este invento fue el BMW 2002 Turbo presentado en el Salón de Frankfurt de 1973 (que rendía 170 CV), lo cierto es que el primer automóvil fabricado en serie con un motor turboalimentado fue el Chevrolet Corvair presentado en 1965. Gracias a la sobrealimentación su motor de 6 cilindros bóxer refrigerado por aire pasaba de 140 a 180 CV, lo que significa un aumento de rendimiento de casi el 30%.

Sin embargo, ambos modelos tuvieron poco éxito y eran delicados e incómodos de conducir, con una respuesta al acelerador brusca y serios problemas de fiabilidad. Quien de verdad abrió la veda para este tipo de mecánicas fue el Saab 99 Turbo presentado en 1978. Fue el primer automóvil en ganar una carrera del Mundial de Rallys con un motor turbocomprimido, sentando las bases de cómo serían los motores de la categoría reina del Mundial desde entonces.

Qué es y cómo funciona el turbo

El Saab 99 Turbo fue el primer coche con este tecnología en ganar un rally del mundial.

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El nombre correcto para este artilugio es «turbocompresor» ya que en realidad se trata de un compresor que es accionado por una turbina. El turbo es una máquina que consta de dos molinillos (turbinas) unidos a un mismo eje. Uno de los lados del eje está en contacto con los gases de escape que, al salir calientes y a cierta presión del motor, hacen girar la turbina del mismo modo que un molino de viento de juguete cuando soplamos sobre sus aspas. La turbina del otro lado del eje está en el canal del aire que entra al motor y al girar solidaria con la que está del lado del escape, empuja el aire de admisión generando una presión.

Como al aumentar la presión del aire de admisión también aumentamos la energía de los gases de escape, sería peligroso para el motor porque cada vez generaría más presión de forma ilimitada hasta saltar por los aires. Para que esto no ocurra se instala una válvula de descarga que no es más que un grifo que echa a la atmósfera parte de la presión en el escape y es lo que se conoce como «tarado del turbo». Además de esta válvula, en el colector de admisión se monta otra que abre de golpe para bajar instantáneamente la presión en el colector de admisión (ésa que se oye como un resoplido cuando soltamos el acelerador), pues desde que abre la del escape hasta que el turbo dejase de comprimir transcurriría un tiempo.

Del mismo modo que se calienta la bomba de inflar las ruedas de la bici, el aire de admisión se calienta al pasar por el turbo debido a que el turbo está caliente (el lado que está en contacto con los gases de escape supera los 1.000 ºC) y a que un gas al comprimirse se calienta. Como el aire caliente tiene menos densidad de oxígeno y además provocaría autodetonaciones, antes de mezclarlo con el combustible y meterlo en los cilindros se enfría en un radiador que se llama intercooler.

Tipos de turbocompresores

Este turbo tiene un motor eléctrico para accionar la geometría variable.

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Antiguamente había dos tipos de turbos: aspirados soplados. La diferencia básica era en qué posición se intercalaban en el circuito del aire de admisión. Los aspirados estaban montados después de que el carburador hubiese realizado la mezcla de aire y combustible, por lo que en realidad comprimían aire y gasolina al mismo tiempo (es el sistema que empleaban coches como el Renault 5 turbo). En los «soplados», el turbo comprime el aire antes de que se mezcle con el combustible. Como actualmente todos los motores son de inyección directa, todos los motores sobrealimentados modernos son soplados, ya que el combustible no se añade hasta que el aire ya ha entrado en el cilindro.

Actualmente los turbos se diferencian entre turbos de geometría fija de geometría variable. En los primeros, el volumen de aire que entra en la turbina del lado del escape es siempre el mismo. Esto tiene un inconveniente y es que limitamos el rango óptimo de funcionamiento del turbo. Si hacemos un turbo muy grande, necesita mucho gas de escape para moverlo, pero a cambio nos entregará mucha presión de aire en la admisión y mucho caudal (es capaz de mantener presión en el colector aunque el motor esté muy revolucionado). El inconveniente de este turbo sería que en la zona baja de revoluciones los gases no tienen energía suficiente como para accionarlo y, además, tendría mucha inercia (desde que pisamos el pedal del acelerador hasta que generamos potencia hay un tiempo muy largo, lo que se conoce como turbo-lag o retraso del turbo).

Si por el contrario contamos con un turbo pequeño, coge presión rápidamente aunque haya pocos gases en el escape. Su ventaja es que sería capaz de comprimir aire con el motor a pocas revoluciones y con un turbo-lag muy pequeño, pero no podría mantener la presión en el colector de admisión cuando el motor necesitase mucho caudal de aire (no generaría potencia en la parte alta de revoluciones).

Los turbos de geometría variable (VGT, variable geometry turbocharger) se inventaron para intentar aunar las ventajas de un turbo pequeño y de uno grande. Para ello se ponen unas aletas en el lado de la turbina que no gira (la caracola) que varían su posición y hacen más grande o más pequeña la cavidad en la que se mueven los gases. Su funcionamiento es muy bueno, pero son caros menos fiables que los de geometría fija, de modo que poco a poco los fabricantes se decantan por el uso de dos turbos colocados en serie, uno pequeño y uno grande, como veremos más adelante.

Según sea el mecanismo que varía el volumen de la caracola de los turbos de geometría variable tenemos:

  • Turbos VGT neumáticos: un pulmón accionado por vacío tira de una varilla que orienta las aletas. Es un sistema fiable y con bastante precisión, pero algo lento en el accionamiento.
  • Turbos VGT eléctricos: un motor eléctrico acciona el mecanismo que orienta las aletas. Es más rápido que el neumático y más preciso. La unidad de mando motor puede preparar el turbo para que rinda de forma óptima incluso antes de inyectar el combustible. Son verdaderas obras de arte de la ingeniería, pero son caros y delicados, ya que los motores eléctricos soportan mal el calor extremo.
Este trabajo de fontanería es necesario para acoplar dos turbos en paralelo.

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Lo último en la tecnología de los turbos son los accionados por un motor eléctrico en lugar de por los gases de escape. Su reacción es instantánea, por lo que carecen de turbo-lag, pero tienen el inconveniente de no aprovechar la energía de los gases de escape.

Qué es un motor biturbo o twin turbo

Una forma de reducir el turbo lag es hacer más pequeños los turbos. Esto se puede hacer si reducimos la cantidad de aire que tienen que comprimir. Por ejemplo, si tenemos un motor V6, podemos poner dos turbos pequeños y que cada uno de ellos trabaje con sólo 3 de los 6 cilindros. Esto es lo que se conocería como un motor biturbo o twin turbo en paralelo (dos o más turbos idénticos se reparten el trabajo para parte de los cilindros del motor).

Otra opción es montar un turbo pequeño que sea capaz de generar la presión necesaria a pocas revoluciones (y de forma casi instantánea) y otro turbo más grande a continuación para proporcionar presión y caudal en la zona alta del cuentavueltas. En éste no importa el retraso de respuesta porque ya tendría al turbo pequeño cubriendo parte de la presión. Este tipo de disposición se conoce como turbo en serie o en cascada y es que más auge está teniendo actualmente.

Cuidados, averías y mitos sobre del turbo

Así es el motor del Corvair Turbo.

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Pese a tratarse de una máquina que trabaja en condiciones extremas, soportando temperaturas cercanas a la de fusión del hierro y girando a más de 200.000 rpm, los turbos son elementos que pueden aguantar sin problemas más de 250.000 km. Sin embargo, necesitan unos cuidados mínimos para que así sea, aquí os dejamos algunas claves:

  • Utiliza aceites de calidad: además de lubricar, el aceite es importante para refrigerar el turbo.
  • Respeta el tiempo de calentamiento: si el aceite está frío lubrica peor, espera al menos 20 minutos a que el aceite esté fluyendo por cada milímetro del motor.
  • Deja el motor encendido un minuto antes de apagarlo: de esta forma damos tiempo a refrigerar el aceite. Esto es muy importante  tras un uso intensivo, no tanto en uso urbano.

El punto débil de los turbos está en los casquillos de material antifricción sobre los que gira su eje. Además de permitir el giro, debe refrigerar y lubricar el turbo ya que en él hay labrados unos canales por los que se mete aceite a presión de forma que el eje gira literalmente suspendido en una capa de aceite. Si no respetamos los tiempos de enfriamiento y calentamiento los casquillos se desgastan rápidamente y el aceite se fuga de los canales hacia las turbinas.

En los VGT el problema está en las mecánicas diésel, pues la carbonilla que generan acaba agarrotando el mecanismo que acciona las aletas interiores.

El mito más extendido es que el turbo entra por revoluciones y que al reducir el coche en vez de retener se acelera. Esto es falso. El turbo necesita que haya presión en los gases de escape para poder comprimir. Al levantar el pie del acelerador, aunque el motor gire a 8.000 rpm, los gases de escape salen sin fuerza suficiente como para hacer girar la turbina. Lo que sí sucede es que hay un régimen mínimo de revoluciones a las que se consigue que haya energía en el escape como para accionar la turbina, por debajo de esas rpm, aunque pisemos el acelerador a fondo no hay turbo.

Via Autocasión

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