El turbocompresor (2)

Turbocompresor utilizado por muchos vehículos espaciales de la NASA

En el anterior artículo comenzamos a desentrañar los misterios del turbo. Dijimos que su finalidad es simplemente la de comprimir el aire para que en el mismo volumen del cilindro pueda entrar más masa de aire para reaccionar con el gasóleo.

Una forma sencilla de entenderlo es imaginarse el compresor como una especie de ventilador que empuja el aire hacia el interior del cilindro. Como entra más masa de la normal, y el volumen es fijo, lo que se produce es una compresión. Lógico, ¿no?

Ahora bien, el problema al que nos enfrentábamos era que necesitamos robar energía al motor para propulsar las aspas del compresor. Pero si el compresor tiene la esperanza de aumentar la potencia del motor, es contraproducente que empiece quitándosela, ¿no? Pues veamos como se soluciona ese problema.

A un tal Alfred Büchi se le ocurrió conectar el compresor a una turbina,… y como en ello había gastado toda su imaginación, no se le ocurrió otro nombre que turbocompresor. Las turbinas funcionan de una forma similar a las velas de los barcos: son empujadas por el flujo de un gas, generando un movimiento circular. Ni más ni menos, un molinillo de viento.

Para que funcione, se debe hacer pasar a través de la turbina una corriente de gas lo más rápida posible. A Büchi se le ocurrió utilizar los gases del escape.

¿Qué son los gases del escape? Pues nada más y nada menos que los residuos de combustible y aire que quedan después de la combustión, que son expelidos del cilindro por el propio pistón cuando éste vuelve a subir después de ser empujado hacia abajo por la explosión.

Los gases del escape no sirven para absolutamente nada. Los expulsamos al exterior (después de limpiarlos un poco en el catalizador, claro) y nos olvidamos de ellos. Así que restar parte de su energía cinética para hacer girar la turbina no disminuye el rendimiento del coche. Era una energía que iba a ser desperdiciada al expulsar los gases. En este sentido, el turbo es un gran reciclador de energía.

Por lo tanto, en resumidas cuentas, un turbo consta de un molino de viento (turbina) en el tubo de escape, que hace girar un ventilador (compresor) situado en la entrada del aire.

Lado del compresor (sin la tapa) del turbo de un Garrett GT30

Sin embargo, como (casi) siempre en la vida, no todo son ventajas. El flujo de gases del escape no es constante, ni mucho menos. Pensad, por ejemplo, en una larga bajada. Lo más probable es que, haciendo uso del freno motor, no necesitemos siquiera pisar ningún pedal. En estas circunstancias, la mayoría de vehículos modernos cortan la inyección de combustible. Por lo que no hay gases de escape, y el turbo se parará (o por lo menos, irá a su mínimo de revoluciones).

Sin embargo, a la misma velocidad (y a las mismas revoluciones del motor), para subir una cuesta necesitaremos pisar el acelerador bastante, por lo que habrá muchos gases de escape, y el compresor girará a más revoluciones de las normales.

En otras palabras, a bajas revoluciones del motor, o incluso en altas revoluciones si la carga del motor es reducida (si no apretamos el acelerador, como en una bajada), el turbocompresor no será efectivo y el motor funcionará exactamente igual que uno atmosférico.

Otro de los defectos del sistema, relacionado con lo anterior, es el llamado tiempo de respuesta. Si el turbocompresor está funcionando a muy bajas revoluciones (ya sea porque salimos de parado, o porque hemos estado rodando en un régimen poco exigente para el motor), y de repente pisamos a fondo el acelerador, los gases del escape tardarán cierto tiempo en acelerar la turbina hasta la velocidad de rotación necesaria.

Durante este tiempo de acelerador, obviamente el compresor no tiene velocidad suficiente para comprimir el gas, por lo que no podremos aprovechar esa potencia adicional que suele proporcionar. Esto lo notamos como si el coche fuera perezoso; una demora en la obtención de la potencia deseada. Hay que tenerlo muy en cuenta, ya que si confiamos en esa potencia y no la obtenemos inmediatamente, podemos meternos en algún problema. En general, debemos considerar que el turbo nos da velocidad crucero, pero no aceleración.

El motivo físico de éste retardo es el famoso principio de inercia. A las cosas no les gusta cambiar su velocidad. Si el turbocompresor está girando a determinada velocidad angular, costará tiempo y esfuerzo que adquiera una velocidad diferente. Por supuesto, la inercia es proporcional al tamaño del turbo. A mayor tamaño, mayor ganancia de potencia, pero también mayor retraso.

Turbocompresor utilizado por trenes diésel

Para mitigar estos problemas, se están produciendo muchas innovaciones. Seguramente habréis oído hablar del turbo de geometría variable, que cambia el ángulo de las palas de la turbina según el flujo del escape, para aprovechar mejor los momentos en que hay pocos gases. Una alternativa es utilizar varios turbos, pero más pequeños (con menor inercia). En el futuro, veremos turbos equipados con un motor eléctrico, que se encargará de poner el marcha el compresor, dejando a los gases del escape únicamente el trabajo de mantener la velocidad del mismo (es decir, un híbrido entre compresor eléctrico y de turbina).

El mismo principio de inercia también es cierto al detener el turbo. Si está girando a mucha velocidad y paramos el coche de repente, la turbina seguirá girando a la misma velocidad durante un buen rato, hasta que el rozamiento poco a poco lo frena. Pero si hemos apagado el motor, la bomba de aceite ha dejado de funcionar, por lo que el turbo compresor no estará convenientemente lubricado, pudiendo sufrir daños.

Este es precisamente el motivo por el que nomar55 nos explicaba en un comentario del anterior artículo que en el concesionario donde adquirió su coche turbodiésel le recomendaron esperar entre 90 segundos y dos minutos antes de apagar el motor al aparcar el vehículo, sobre todo si ha exigido mucho del turbo en los minutos de conducción.

Por demanda popular, en el siguiente artículo nos extenderemos un poco más en los consejos de mantenimiento de los motores dotados con turbo. Y, para terminar ya con esta serie, dedicaremos unos minutos a detallar las diferencias en el funcionamiento del turbo en los motores propulsados por gasolina, en vez de diésel.

Fotos | NASA, Freonr2, Robbie1

  • s63aut

    Se me estaba ocurriendo que no sería mala idea, en los coches híbridos, que la turbina de los gases de escape se encargara de producir energía eléctrica, hubiera o no hubiera un compresor al otro lado, ¿os parece factible?, sería otro modo de recuperar energía que de otro modo se pierde.

  • marelli

    Como de costumbre, excelente artículo.

    Pero esta vez hay algo con lo que no estoy de acuerdo del todo.

    Se trata de la frase “el turbo nos da velocidad crucero, pero no aceleración”.

    Si hay algo que proporciona un turbocompresor es aceleración (claro está, si nos encontramos dentro del rango de revoluciones en las que éste trabaja de forma óptima).

    El turbocompresor nos ayuda a conseguir esa velocidad de crucero de una forma más rápida y a mantenerla una vez alcanzada.

    Pocas cosas tan “bonitas” como las sensaciones de aceleración de esos turbocompresores puros de unos años atrás que no entraban en funcionamiento hasta un cierto número de revoluciones.

    Por debajo de ese número de revoluciones el vehículo era una tortuga, pero clavando el pie en el acelerador, de repente, llegados al número mágico de revoluciones el coche se catapultaba hacia delante como un misil, llegando en ocasiones a poner en aprietos al conductor para mantener la dirección del vehículo.

    Me refiero a vehículos de los años 80, cuando los turbocompresores no eran lo habitual en turismos generalistas. El funcionamiento de esos turbocompresores no estaba pulido y únicamente se buscaba potenciar el vehículo (¿quién no recuerda el R5 Turbo que tantos sustos pegó a más de uno?).

    Hoy la tecnología del turbo ha avanzado mucho y, en general, suelen trabajar desde muy abajo y no es tan palpable esa patada de potencia, son de un funcionamiento más noble y racional.

    Saludos.

    • nomar55

      Precisamente, uno de los casos más conocidos del retardo (el ‘turbo-lag’) que se producía desde el momento en que se pisaba el acelerador y el incremento notable de aceleración real era el defecto más notorio del famoso Renault 18 Turbo de 1982.  Eso sí, tras el letargo inicial, el coche salía como una bala.

      El lapso de tiempo trancurrido entre un fenómeno y otro pasaba de los 2 segundos. Tenía fama de ser peligroso a la hora de adelantar en carreteras de una sólo carril por sentido.

      Por ejemplo, si íbamos a 60 Km/h tras un camión y deseábamos adelantarlo  y  el turbocompresor tardaba más de 2 segundos en dar una respuesta efectiva para conseguir una rápida velocidad de adelantamiento se perdía un tiempo precioso y, sobre todo, mientras tanto, podíamos llegar a recorrer muchos metros, cosa que podía ser peligrosísima si se terminaba la línea discontinua de permiso para adelantar o si venía otro coche de frente.

    • jaume

      Está claro que hoy en día el efecto de retraso no es tan pronunciado como antaño, por eso dice en el artículo “para mitigar estos problemas, se están produciendo muchas innovaciones”. Ya sé que no las he puesto todas, sólo las que me gustaban más, no estoy haciendo una enciclopedia 😀

      Lo que sigue siendo cierto es que si comparamos un motor de cilindrada pequeña con turbo, y otro de gran cilindrada sin, ambos que alcancen la misma potencia “punta”, por decirlo así; el motor que tiene toda su potencia en los cilindros siempre tendrá mejor aceleración puntual que el motor cuya potencia depende en parte del turbo.

  • Hola

    Existe tambien un efecto secundario no deseado que se produce en el el turbo. Es un fenomeno fisico que se produce al comprimir un gas. Es que el aire se calienta, por lo que es conveniente enfriarlo antes de introducirlo a la admisión. Al motor le gusta el aire fresco como a nosotros.

    Es el titulo de la proxima entrega. El “intercooler” o “aftercooler” (por cierto no tengo ni idea cual es la diferencia entre ellos

    Un saludo