6 tipos diferentes de turbocompresores (y cómo funcionan)

Los turbocompresores, como los supercargadores, funcionan para aumentar la potencia de salida del motor de combustión interna forzando un mayor flujo de aire al motor.

Pero, ¿qué es un turbocompresor? ¿Cuándo se inventó el turbocompresor? ¿Cuántos tipos de turbocompresores existen? Respondamos estas preguntas y más…

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¿Qué es un turbocompresor?

Los turbocompresores no son impulsados ​​por sistemas de transmisión mecánica como el sobrealimentador, sino por el flujo de escape del motor.

Ver también: Turbocompresor vs Supercargador (¿Cuál es la diferencia?)

Un turbocompresor consta de una turbina en un eje conectado directamente a un impulsor centrífugo. El gas de escape canalizado a la entrada de la turbina hace que gire e impulse el impulsor centrífugo. Este impulsor tiene una función similar a los utilizados en los sobrealimentadores centrífugos.

Cuando se demanda potencia del motor, la velocidad del motor aumenta y el mayor flujo de gases de escape acelera la turbina aumentando la velocidad del impulsor. Esto proporciona un mayor flujo de aire al motor, lo que le permite producir más potencia.

Mientras que un sobrealimentador típico siempre funciona a una velocidad directamente relacionada con las RPM del motor (revoluciones por minuto), el turbocargador tiende a funcionar a una velocidad relacionada con la potencia del motor que exige el pie derecho del conductor.

Más potencia deseada = más flujo de escape al turbo = mayor velocidad del impulsor = más potencia del motor.

Cuando su automóvil se mueve en terreno nivelado a una velocidad constante, se requiere poco impulso. El turbocompresor se volverá relativamente pasivo, como holgazaneando, consumiendo muy poca energía. Esto mejora la economía de combustible.

Pero cuando necesitas potencia, se enciende abundantemente para acelerar en una rampa de autopista, por ejemplo. En un viaje por autopista con velocidades de crucero relativamente constantes, su automóvil funcionará de manera más económica en comparación con un automóvil con un sobrealimentador convencional.

Breve historia de la turboalimentación

Al igual que el desarrollo del sobrealimentador, el turbocompresor cobró vida casi en paralelo con el desarrollo del motor del automóvil.

Rudolf Diesel, desarrollador del motor diesel, y Gottlieb Daimler participaron activamente en los primeros esfuerzos de turboalimentación a fines del siglo XIX. Pero fue el ingeniero suizo Alfred Buchi quien, en 1905, obtuvo la primera patente de turbocompresor.

Sus esfuerzos dieron como resultado el primer motor diesel turboalimentado exitoso en 1915. Pero no fue hasta la década de 1950 que los turbocompresores se pusieron en uso en grandes cantidades para camiones comerciales diesel y vehículos todoterreno.

El ingeniero de General Electric, Sanford Moss, realizó pruebas de motores en la cima de Pikes Peak para demostrar los beneficios de la turboalimentación para motores de aviones de gran altitud. Bajo su dirección, el primer avión turboalimentado, un biplano LaPere, se probó en 1920 y finalmente superó una altitud de 40 000 pies.

Los aviones militares notables de la Segunda Guerra Mundial utilizaron turbocompresores para permitir vuelos a altitudes excepcionalmente altas. Los B-17, B-29 y P-38, por ejemplo, fueron turboalimentados y acumularon cientos de misiones para las fuerzas aliadas. El bombardero B-36 posterior a la Segunda Guerra Mundial también tenía motores alternativos turboalimentados, seis de ellos.

A mediados de los años 60, los turbocompresores aparecieron por un corto tiempo en el Chevrolet Corvair y el Oldsmobile Jetfire. Pero estas aplicaciones no tuvieron un gran éxito.

En la década de 1970, la turboalimentación surgió en varios autos de carrera de Fórmula 1, y BMW presentó un automóvil de calle turboalimentado, el 1974 2002 Turbo. Otros constructores europeos experimentaron con turbocompresores durante esa época, en particular Porsche y Saab.

El problema llamado Turbo Lag

Una falla principal de los turbocompresores es lo que se conoce como turbo lag. Esto es causado por la inercia de las piezas giratorias del turbocargador.

Durante cualquier situación en la que se requiera potencia, esta inercia resistirá la aceleración de la turbina y el impulsor, lo que provocará un retraso en el aumento de potencia deseado del motor.

Este comportamiento es molesto e indeseable, especialmente en situaciones de emergencia cuando se exige una aceleración rápida. Por esta única razón, muchos compradores de automóviles tenderán a evitar comprar un automóvil con turbocompresor.

Aplicando ingeniería cuidadosa, los problemas de retraso del turbo se han minimizado significativamente con varios motores turbo individuales. El motor de 2.5L en los autos turbo construidos por Mazda, por ejemplo, presenta un turbo montado cerca (inmediatamente adyacente a los puertos de escape) con una función de entrada de escape de área variable.

Mediante el uso de puertos pequeños para el flujo de escape a bajas velocidades del motor, la velocidad del flujo aumenta considerablemente, lo que permite velocidades de turbina más altas y un mayor impulso a bajas RPM del motor. A medida que aumenta la velocidad del motor, los puertos restringidos se abren para permitir el flujo completo de escape a la turbina. Esta función ofrece una excelente respuesta del turbo a bajas velocidades, lo que minimiza el retraso del turbo.

6 tipos de turbocompresores

#1 – Turbo simple

El diseño de un solo turbo se discutió anteriormente. No es necesario repetir esta discusión, excepto para señalar que entre los diferentes tipos, este diseño es el más rentable y su tamaño hace que sea más fácil de configurar en el espacio limitado debajo del capó de la mayoría de los automóviles.

Muchos autos turboalimentados hoy en día usan un solo turbo. Y hemos visto cómo un fabricante atacó y resolvió el problema del retraso. Los autos turbo individuales están disponibles en Mazda, Toyota, BMW, Volkswagen, entre otros.

#2 – Doble Turbo

Siguiendo la regla de la que se abusa con frecuencia, "si algo es bueno, más es mejor", los turbos gemelos simplemente agregan un segundo turbo a la mezcla.

En los motores de diseño en V (como el V-6 y el V-8), se emplea un turbo para cada banco de cilindros. Debido a que cada turbo maneja la mitad de los cilindros del motor, cada uno puede ser más pequeño que un solo turbo para ese motor. Los turbos más pequeños tienen menos masa giratoria y acelerarán más rápidamente, lo que ayuda a minimizar el retraso del turbo.

Sin embargo, el diseño y la instalación de dos turbos es más complejo que la configuración de un solo turbo. Tuberías más complejas, un intercooler adicional y controles de sistema más complejos aumentan tanto el peso como el costo de este sistema en comparación con el turbo único. Debajo del capó, las limitaciones de espacio también se ven desafiadas con los turbos gemelos.

Varios autos que cuentan con turbos gemelos en la actualidad incluyen el Audi R8, Alfa Romeo Quadrifoglio, Maserati Ghibli y Nissan GT-R.

#3 – Turbo de desplazamiento doble

El turbocompresor de doble desplazamiento tiene una carcasa de impulsor con entradas para cada uno de los dos cilindros emparejados. Cada entrada y la sección del impulsor relacionado pueden ser más pequeñas que las que se encuentran en un turbo único convencional.

Luego, el flujo de escape dirigido a cada sección del impulsor ingresa a una velocidad más alta, lo que permite una aceleración turbo más rápida cuando se demanda potencia. Nuevamente se requiere complejidad del sistema para aislar y transportar flujos de escape independientes de dos cilindros a la carcasa del impulsor.

La voluta del impulsor y el diseño de la carcasa también son más complejos. La complejidad añadida aquí aumenta el costo y el peso general del sistema. Las necesidades de espacio del sistema también son mayores. Este tipo de turbo generalmente se limita a motores de cuatro cilindros en línea o V-6.

Los turbos Twin Scroll se pueden encontrar en los Toyota Supra GR de 2.0L y 3.0L de hoy.

#4 – Turbo de Geometría Variable (VGT)

El turbo de geometría variable incorpora un conjunto de paletas de geometría ajustable en la entrada de la turbina. Estas paletas, controladas por el PCM (módulo de control del tren motriz) del motor, ajustan el área de entrada del turbo, encogiendo esa área durante la baja velocidad del motor.

A altas velocidades del motor, las paletas se abren para aumentar el área de entrada del escape. Esto permite la velocidad óptima de escape al impulsor para velocidades de motor bajas y altas, minimizando así el retraso del turbo.

La mayor complejidad y el costo de este sistema son dos inconvenientes principales, pero solo hay una pequeña penalización de tamaño y peso con el diseño VGT.

Algunos modelos de Porsche han utilizado turbos de geometría variable, incluido el 911 Turbo desde 2007 y los modelos Boxster y Cayman S.

N.º 5: turbo de doble desplazamiento variable

Esta configuración tiene el beneficio de la entrada de espiral doble pero incluye un enfoque diferente a la geometría variable.

La característica de geometría variable está ubicada en la tubería de gas de escape. El flujo de escape de cada espiral está controlado por una paleta ajustable. A bajas velocidades del motor, esta paleta dirige todo el flujo a solo uno de los dos puertos de entrada de espiral. Esto permite que el flujo bajo ingrese al impulsor a una velocidad más alta, lo que aumenta la velocidad del impulsor.

A medida que aumentan las RPM del motor y aumenta el flujo de escape, la paleta variable se abre para admitir más flujo a la segunda entrada de espiral. A altas velocidades del motor, el flujo completo se dirige a ambas entradas de doble espiral.

La complejidad, el costo y el peso aumentan para este tipo de sistema. Para por lo que este nivel de complejidad solo se utiliza en vehículos que exigen un precio de compra más elevado.

#6 – Turbo asistido eléctricamente

Los supercargadores eléctricos se discutieron en el artículo mencionado anteriormente. De la misma manera, un motor eléctrico también se puede aplicar a cualquiera de las configuraciones de turbo anteriores.

Controlado por el PCM, este motor funciona para aumentar la velocidad del turbo según sea necesario, agregando impulso cuando la velocidad del motor y el flujo de escape son bajos. Esto elimina efectivamente el turbo lag.

El motor eléctrico utilizado para esta aplicación debe tener un diseño que pueda soportar las temperaturas muy altas asociadas con un turbocompresor. Y aquí nuevamente, el aumento del costo, el peso y la complejidad son los inconvenientes de este sistema.

Durabilidad del motor y del turbo

Los primeros automóviles turboalimentados sufrían problemas de durabilidad del motor. En particular, las válvulas de escape y los asientos de las válvulas experimentaron quemaduras y fallas prematuras debido a las elevadas temperaturas impuestas por el flujo de escape.

El problema aquí es que el escape no fluye libremente a través de un sistema de turbocompresor como lo hace en un motor sin turbo. La restricción del flujo de escape aumenta considerablemente la temperatura de los componentes del motor relacionados. El desarrollo de materiales mejorados para los asientos de las válvulas y válvulas enfriadas con sodio ha mitigado en gran medida esta debilidad particular en estos motores.

La durabilidad del turbocompresor también se vio limitada debido a las deficiencias de los cojinetes del eje del turbocompresor. Principalmente, las temperaturas elevadas dentro de un turbo hacían que los aceites disponibles en ese momento formaran depósitos de carbón duro (llamados coquización) en los cojinetes del eje de la turbina. El rendimiento degradado debido a este problema llevó a la necesidad de quitar y reparar el turbo con frecuencia.

El desarrollo del turbocompresor fomentó el desarrollo de lubricantes que podían soportar temperaturas más altas. En particular, los aceites de motor sintéticos, junto con el uso casi universal actual de enfriadores de aceite de motor, han enfrentado este desafío y ayudan a resolver los problemas de durabilidad de los cojinetes del eje del turbo.

La incorporación de la inyección directa de combustible a los motores de los automóviles también ha beneficiado enormemente la evolución del turbo. Algunos de los modelos de automóviles turboalimentados de hoy en día son tan avanzados que pueden funcionar bastante bien con combustible regular de bajo octanaje y sacrificar solo una medida moderada de par motor y potencia. La sincronización variable continua de válvulas también ha mejorado el rendimiento y la eficiencia del combustible para estos motores.

Prácticamente todos los fabricantes de automóviles venden hoy en día uno o más modelos de automóviles con uno y, a menudo, dos turbocompresores. Los beneficios son simples. Estos autos se pueden construir con motores de menor cilindrada con un tamaño en el rango de 1.5 a 3.0 L, que son más livianos y más eficientes energéticamente que los motores más grandes, pero tienen la misma potencia debido a los beneficios de la turboalimentación.

No cabe duda de que el turbocompresor llegó para quedarse y se verá en muchos más motores de vehículos del futuro.