Un
turbocompresor es un
sistema de sobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar
mediante un eje coaxial con
ella, un compresor centrífugo
para comprimir gases. Este tipo
de sistemas se suele utilizar en motores
de combustión interna alternativos, especialmente en
los motores diésel.
En algunos
países, la carga impositiva sobre los automóviles depende de la cilindrada del
motor. Como un motor con turbocompresor tiene una mayor potencia máxima para
una cilindrada dada, estos modelos pagan menos impuestos que los que no tienen
turbocompresor.
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En 1936 Cliff Garrett funda The Garret
Corporation en California, Estados Unidos.
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En 1940 la tecnología del turbo es aplicada a
instalaciones marinas, industriales y locomotoras.
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En 1953 Caterpillar testea el primer
turboalimentador desarrollado por la compañía Garret.
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En 1962 el primer automóvil americano en usar un
turbocargado fue el Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket
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En 1966 se utilizan por primera vez motores
turbocargados en las 500 millas de
Indianápolis.
En los
motores sobrealimentados mediante este sistema, el turbocompresor consiste en
una turbina accionada
por los gases de escape del motor
de explosión, en cuyo eje se fija un compresor centrífugo
que toma el aire a presión atmosférica después de
pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión.
Los gases de
escape inciden radialmente en la turbina, saliendo axialmente, después de ceder
gran parte de su energía interna (mecánica + térmica) a la misma.
El aire
entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, con el efecto secundario
negativo de un aumento de la temperatura más o menos considerable. Este efecto
se contrarresta en gran medida con el intercooler.
Este aumento
de la presión consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad de oxígeno (masa) que la masa normal que
el cilindro aspiraría a presión atmosférica, obteniéndose más par motor en cada carrera útil (carrera
de expansión) y por lo tanto más potencia que un motor
atmosférico de cilindrada equivalente, y con un incremento de consumo
proporcional al aumento de masa de aire en el motor de gasolina. En los diésel
la masa de aire no es proporcional al caudal de combustible, siempre entra aire
en exceso al carecer de mariposa, por ello es en este tipo de motores en donde
se ha encontrado su máxima aplicación (motor turbodiésel).
Los
turbocompresores más pequeños y de presión de soplado más baja ejercen una
presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi),
mientras que los más grandes alcanzan los 1,5 bar (21,75 psi). En motores de
competición se llega a presiones de 3 y 8 bares dependiendo de si el motor es gasolina o diésel.
Como la
energía utilizada para comprimir el aire de admisión proviene de los gases de
escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al motor
cuando el turbocompresor está trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera del
rango de trabajo del turbo, a diferencia de otros, como los sistemas con
compresor mecánico (sistemas en los que el compresor es accionado por una polea conectada al cigüeñal).
Funcionamiento
en distintos tipos de motores
Diésel
En los
motores diésel el turbocompresor está más difundido debido a que un motor
diésel trabaja con exceso de aire al no haber mariposa, por una parte; esto
significa que a igual cilindrada unitaria e igual régimen motor (rpm) entra
mucho más aire en un cilindro diésel.
Por otra
parte, y esto es lo más importante, las presiones alcanzadas al final de la
carrera de compresión y sobre todo durante la carrera de trabajo son mucho
mayores (40 a 55 bares) que en el motor de ciclo Otto (motor de gasolina) (15-25
bares). Esta alta presión, necesaria para alcanzar la alta temperatura
requerida para la auto-inflamación o auto-ignición del gasóleo, es el origen de que la fuerza de los gases de
escape, a igual régimen, cilindrada unitaria y carga requerida al motor sea
mucho mayor en el diésel que en la gasolina.
El aire, al
ser comprimido, se calienta y pierde densidad; es decir,
en un mismo volumen tenemos menos masa de aire, por lo que es capaz de quemar
menos combustible y, en consecuencia, se genera menos potencia. Además, al
aumentar la temperatura de admisión aumenta el peligro de detonación, picado, o autoencendido y se reduce la vida útil de
muchos componentes por exceso de temperatura, y sobreesfuerzos del grupo
térmico.
Para
disminuir esta problemática se interpone entre el turbocompresor y la admisión
un "intercambiador de calor" o "intercooler". Este sistema
reduce la temperatura del aire, con lo que se aumenta la densidad de éste, que
se introduce en la cámara de combustión.
En el lado
negativo, los intercambiadores de calor provocan una caída de presión, por lo
que se disminuye la densidad del aire, aunque en muchos casos es necesario
instalar uno para evitar la detonación o autoignición.
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Existen tres tipos de intercoolers:
1. Aire/aire:
en estos el aire comprimido intercambia su calor con aire externo.
2. Aire/agua:
el aire comprimido intercambia su calor con un líquido que puede ser refrigerado por
un radiador o, en algunas aplicaciones, con hielo en un depósito ubicado en el interior del coche.
3. Criogénicos:
se enfría la mezcla mediante la evaporación de un gas sobre un intercambiador aire/aire.
Los motores
provistos de turbocargador padecen de una demora mayor en la disposición de la
potencia que los motores atmosféricos (NA Normal Aspiration o Aspiración
Normal) o con compresor mecánico, debido a que el rendimiento del
turbocompresor depende de la presión ejercida por éste. En esta demora influyen
la inercia del grupo (su diámetro y peso) y el volumen del colector entre la
turbina y la salida de los gases de escape del cilindro.
Un
turbocargador no funciona de igual manera en distintos regímenes de motor. A
bajas revoluciones, el turbocargador no ejerce presión porque la escasa
cantidad de gases no empuja con suficiente fuerza. Un turbocompresor más
pequeño evita la demora en la respuesta, pero ejerce menos fuerza a altas
revoluciones. Distintos fabricantes de motores han diseñado soluciones a este
problema.
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Un "biturbo": es un sistema con
dos turbocargadores de distinto tamaño. A bajas revoluciones funciona solamente
el pequeño, debido a su respuesta más rápida, y el grande funciona únicamente a
altas revoluciones, ya que ejerce mayor presión.
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Un "biturbo en paralelo" o
"twin turbo": es un sistema con dos turbocargadores pequeños de
idéntico tamaño. Al ser más pequeños como si fuera un turbocargador único,
tienen una menor inercia rotacional, por lo que empiezan a generar presión a
revoluciones más bajas y se disminuye la demora de respuesta.
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Un "turbocargador asimétrico"
consiste en poner un solo turbocargador pequeño en una bancada (la delantera en
el motor V6 colocado transversalmente) dejando la otra libre. La idea no es
conseguir una gran potencia, sino que la respuesta sea rápida. Este sistema fue
inventado por el fabricante sueco Saab y utilizado
en el Saab 9-5 V6.
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Un "biturbo secuencial": se
compone de dos turbocargadores idénticos. Cuando hay poco volumen de gases de
escape se envía todo este volumen a un turbocompresor, y cuando este volumen
aumenta, se reparte entre los dos turbocargadores para lograr una mayor potencia
y un menor tiempo de respuesta. Este sistema es utilizado en el motor Wankel del Mazda RX-7.
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Un "turbocargador de geometría variable"
(VTG): consiste en un turbocompresor que
tiene un mecanismo de "aletas" llamadas álabes móviles que se abren y cierran
haciendo variar la velocidad de los gases de escape al entrar en la turbina. A
menor caudal de gases de escape (bajas revoluciones) se cierra el paso entre
los álabes provocando
que los gases aumenten la velocidad al entrar en la turbina; a mayor caudal
(altas revoluciones) necesitamos más paso y estos se abren. Esto nos permite
tener una presión de trabajo muy lineal en todo el régimen de trabajo del
turbocargador. En motores diésel es muy común pero en motores de gasolina solo Porsche ha
desarrollado un turbo que soporta más de 1000 °C en el modelo Porsche 911 turbo (2007).
También
Mazda, tiene un prototipo de turbo eléctrico. El sistema
eléctrico del coche no puede dar suficiente caudal para el motor a altas
revoluciones, pero sí a bajas; así ambos se complementan. Con baja carga y
revoluciones, la ayuda eléctrica permite un rápido aumento de presión y después
la turbina puede suministrar toda la potencia para comprimir el aire. Este
sistema ahorra mucha más energía que combinándolo con un compresor mecánico
movido por el motor.
Fiat Auto,
S.P.A. (Actualmente, Fiat Group Automobiles (FGA).;Creó y desarrolló el sistema
turbo + compresor mecánico durante la decada de 1.980. El vehículo en el cual
se desarrolló y se implanto fué en el Lancia Delta (MKI), fabricado entre los
años 1.985 y 1.990. Alcanzando su máximo exponencial y desarrollo en el Lancia
Delta Integrale WRC.
Overboost
Se conoce
como Overboost el periodo
durante el cual el sistema produce a plena carga una presión de
sobrealimentación mayor a la normal, con objetivo de aumentar el par motor.
Actualmente
este sistema, con el control electrónico adecuado, puede tener en cuenta
diferentes aplicaciones.
Evolución
del turbocompresor
La filosofía
de aplicación de los turbocompresores ha ido cambiando: desde priorizar la
potencia a altas revoluciones a priorizar que el coche responda bien en todo el
régimen de giro de uso.
La válvula llamada waste-gate evita
presiones excesivas que dañen el motor. La waste-gate o válvula de
descarga es la que regula que cantidad de gases de escape se fugan de la
caracola del turbo directamente hacia el escape mediante la apertura de la
válvula, de esa forma a más gases fugados menos presión de turbo, con la
válvula cerrada se alcanza la máxima presión del turbo al pasar todos los gases
de escape por la caracola.
La dump valve o válvula de
alivio (también llamada blow off) abre una fuga en el conducto de admisión
cuando se deja de acelerar para que la presión generada por la enorme inercia del turbo no sature estos
conductos, evitando al mismo tiempo la brusca deceleración de la turbina,
alargando su vida útil.
Normalmente
el turbocompresor suele estar refrigerado con aceite que circula mientras el motor
está en marcha. Si se apaga bruscamente el motor después de un uso intensivo y
el turbocompresor está muy caliente, el aceite que refrigera los cojinetes del turbocompresor se queda
estancado y su temperatura aumenta, con lo que se puede empezar a carbonizar,
disminuyendo su capacidad lubricante y acortando la vida útil del
turbocompresor.
El turbo timer es un sistema que mantiene
circulando el aceite en el turbocompresor durante un lapso de tiempo después
del apagado del motor. Algunos modelos funcionan con sensores que detectan la
intensidad en el uso del turbocompresor para permitir la lubricación forzada
del mismo por un tiempo prudencial después del apagado del motor.
Ventajas de
usar un turbocompresor
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Permite aumentar la potencia de un motor, sin la
necesidad de hacer mayores cambios.
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Contribuye al rescate de la energía, ya que usa
como medio propulsor los gases de escape del motor.
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Añade poco volumen y peso al motor, lo que
permite encajarlo a un vehículo sin modificaciones externas.
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Debido a que depende de la presión entre los
gases de escape y el medio ambiente se
auto-ajusta a cualquier altitud sobre el nivel del mar.
chasis 
