Turbocompresor: funcionamiento, componentes, historia y aplicaciones

Los primeros constructores de turbocompresores los llamaban "turbocompresores". Un sobrealimentador es un compresor de aire utilizado para forzar el aire en un motor. Pensaron que añadiendo una turbina para hacer girar el sobrealimentador, se obtendría un "turbosobrealimentador". El término se acortó pronto a "turbocompresor". Esto puede crear cierta confusión. El término "turbocompresor" se utiliza a veces para referirse a un motor que utiliza tanto un sobrealimentador accionado por el cigüeñal como un turbocompresor accionado por el escape. Esto también se denomina "doble carga".

Algunas empresas, como Teledyne Continental Motors, siguen utilizando el término turbosupercargador para referirse a sus turbocompresores.

Un motor crea potencia quemando una mezcla de aire y combustible. El aire y el combustible se introducen en los cilindros para quemarse. Cuando se queman, empujan el pistón hacia abajo. El pistón hace girar el cigüeñal y crea potencia. En el caso de los motores de los coches, esto se mide en caballos de fuerza.

Motores atmosféricos (normalmente aspirados)

Un motor que no utiliza un turbocompresor o un sobrealimentador se denomina motor de aspiración natural o de aspiración normal. Normalmente, cuando se enumeran las especificaciones del motor, sólo se hace una nota si el motor utiliza un turbocompresor o un sobrealimentador. La mayoría de los motores de coche son de aspiración natural. La potencia que pueden crear está limitada por la cantidad de aire que los pistones pueden introducir en los cilindros.

Motores turboalimentados

Un turbocompresor es una pequeña bomba ventilada que gira alrededor de un eje. La bomba es impulsada por la presión de los gases de escape. Un turbocompresor consta de una turbina y un compresor. Ambos están montados en el mismo eje. La turbina es un motor térmico. Convierte el calor y la presión de los gases de escape en rotación. Esta rotación se utiliza para hacer girar el compresor. El compresor toma el aire exterior. Exprime o comprime el aire. A continuación, envía el aire al motor. Como la presión del aire ha aumentado, se puede introducir más aire y combustible en los cilindros. Con más combustible para quemar, el motor puede crear más potencia. Esto aumenta la potencia del motor.

Daños en el motor

El motor puede dañarse si la presión del aire en los cilindros es demasiado alta. Si se envían demasiados gases de escape a la turbina, el compresor puede crear demasiada presión. Para evitar que esto ocurra, se utiliza una válvula de descarga. La válvula de descarga limita la cantidad de gases de escape que se envían a la turbina.

El turbocompresor fue inventado por el ingeniero suizo Alfred Büchi. Su patente se solicitó en 1905. Los barcos y locomotoras diésel con turbocompresores empezaron a aparecer en la década de 1920.

Aviación

Durante la Primera Guerra Mundial, el ingeniero francés Auguste Rateau instaló con cierto éxito turbocompresores en los motores Renault de varios cazas franceses.

En 1918, el ingeniero de General Electric Sanford Moss instaló un turbocompresor en un motor de avión Liberty. El motor se probó en Pikes Peak (Colorado) a 4.300 metros de altura. La prueba pretendía demostrar que el turbo podía añadir la potencia que los aviones pierden a gran altura. Los motores de combustión interna pierden potencia porque a gran altura la presión del aire exterior es baja. Se puede introducir menos aire y combustible en el motor.

Los turbocompresores se utilizaron por primera vez en los motores de los aviones de producción en la década de 1930.

Automóviles de producción

El primer camión turbodiésel fue construido por la "Swiss Machine Works Saurer" en 1938. Los primeros motores turboalimentados para automóviles de producción fueron los de General Motors en 1962. El Oldsmobile Cutlass Jetfire estaba equipado con un turbocompresor Garrett AiResearch y el Chevrolet Corvair Monza Spyder con un turbocompresor TRW.

En 1974, en el Salón del Automóvil de París, Porsche presentó el 911Turbo. Esto fue durante el apogeo de la crisis del petróleo. El 911Turbo fue el primer deportivo de producción con turbocompresor de escape y regulador de presión. El regulador de presión era la válvula de descarga. Los primeros automóviles turbodiésel de producción fueron el Mercedes 300SD, con turbocompresor Garrett, y el Peugeot 604. Ambos se introdujeron en 1978. Hoy en día, la mayoría de los automóviles diésel son turboalimentados.

Coches de carreras

El primer motor de carreras con turbocompresor que tuvo éxito parece haber sido en 1952. Fred Agabashian, en un Cummins Special con motor diesel, se clasificó para la pole position en las 500 millas de Indianápolis. Lideró durante 175 millas (282 km). Entonces el turbo se dañó por los restos de los neumáticos. Los motores turboalimentados de Offenhauser llegaron por primera vez a Indianápolis en 1966. Su primera victoria llegó en 1968 utilizando un turbocompresor Garrett AiResearch. Los coches con turbocompresor dominaron las 24 Horas de Le Mans entre 1976 y 1988, y después entre 2000 y 2007.

La Fórmula 1 tuvo una "era turbo" desde 1977 hasta 1989. Los motores con una capacidad de 1500 cc podían producir hasta 1500 CV (1119 kW). En 1977, Renault fue el primero en utilizar motores turboalimentados en la F1. El rendimiento compensó su elevado coste. Otros fabricantes de motores empezaron a construir turbos. Los motores turboalimentados se apoderaron de la F1. Acabaron con la era del Ford Cosworth DFV a mediados de los años 80. La FIA decidió que los turbocompresores hacían el deporte demasiado peligroso y caro. En 1987, la FIA decidió limitar la sobrealimentación máxima de los turbos. En 1989, los turbocompresores se prohibieron por completo.

Los corredores de World Rally Car han preferido durante mucho tiempo los motores turboalimentados. Ofrecen una relación potencia-peso muy elevada. La potencia de los turbos empezó a alcanzar los niveles de los coches de F1. La FIA no prohibió los turbos. Restringieron la potencia del turbo limitando el diámetro de entrada.

En paralelo

Algunos motores utilizan dos turbocompresores. Ambos serán del mismo tamaño. Normalmente son más pequeños que los utilizados en los motores de un solo turbo. Suelen utilizarse en motores de tipo V, como los V6 y V8. Cada turbo se alimenta de un tubo de escape independiente del motor. Al ser más pequeños, alcanzan su potencia óptima más rápidamente. Esta configuración de turbos suele denominarse sistema de doble turbo en paralelo. El primer coche de producción con turbocompresores dobles paralelos fue el Maserati Biturbo de principios de los años 80.

Secuencial

Algunos constructores de coches evitan el retraso del turbo (abajo) utilizando dos turbos pequeños. La configuración normal es tener un turbo trabajando todo el tiempo. El segundo turbo sólo empezará a funcionar a altas RPM. Como los turbos son más pequeños, no tienen tanto lag del turbo. El segundo turbo será capaz de llegar a su máxima velocidad antes de ser requerido. Esta configuración se denomina normalmente biturbo secuencial. Porsche utilizó esta tecnología por primera vez en 1985 en el Porsche 959.

Diésel

La turboalimentación es muy común en los motores diesel de automóviles, camiones, locomotoras, barcos y maquinaria pesada. Los diésel son especialmente adecuados para los turbocompresores por varias razones:

• La turboalimentación puede mejorar drásticamente la potencia y la relación peso/potencia de un motor.
• Los motores diésel de los camiones y de la industria suelen funcionar a su velocidad máxima. Esto reduce los problemas de retraso del turbo.
• Los motores diesel no tienen golpes de ariete. El combustible diésel se inyecta al final de la carrera de compresión y se enciende por el calor de la compresión. Los motores diésel pueden utilizar presiones de sobrealimentación mucho más altas que los motores de gasolina.

Motocicleta

El uso de turbocompresores para aumentar las prestaciones fue muy atractivo para los constructores japoneses en la década de 1980. El primer ejemplo de una motocicleta turboalimentada es la Kawasaki Z1R TC de 1978. Utilizaba un kit de turbo Rayjay ATP para generar 0,35 bar (5 lb) de sobrealimentación. Esto elevó la potencia de 90 CV (67 kW) a 105 CV (78 kW). Era sólo ligeramente más rápida que el modelo estándar. Se construyeron otras motocicletas con turbos. Las aplicaciones turbo de las motocicletas aumentaron su precio. Las pequeñas ganancias de rendimiento no merecían el coste extra. Desde mediados de la década de 1980, ningún fabricante ha producido motocicletas turboalimentadas.

Aviones

Un uso natural del turbocompresor es el de los motores de aviación. Cuando un avión asciende a mayores alturas, la presión del aire circundante disminuye rápidamente. Un turbocompresor soluciona este problema comprimiendo el aire a mayores presiones.

La compresión del aire aumenta su temperatura. Esto provoca varios problemas. El aumento de la temperatura puede provocar el reventón del motor debido al aumento de la temperatura de la culata. El aire caliente no puede quemar tanto combustible como el aire frío. Esto disminuirá la potencia producida.

El método habitual para tratar el aire más caliente es enfriarlo. La forma más habitual es utilizar un intercooler o un postcooler. Estos refrigeradores reducen la temperatura del aire antes de que entre en el motor.

Los aviones modernos con turbocompresor no suelen necesitar refrigerar el aire entrante. Sus turbocompresores suelen ser pequeños y las presiones creadas no son muy elevadas. Por lo tanto, la temperatura del aire no aumenta mucho.

Para que un sobrealimentador funcione, tiene que quitarle algo de potencia al motor. La potencia que añade es mayor que la que utiliza. Un turbocompresor utiliza los gases de escape. Se trata de energía térmica que se desperdicia.

Fiabilidad

Los turbocompresores pueden resultar dañados por un aceite sucio o en mal estado. La mayoría de los fabricantes recomiendan cambios de aceite más frecuentes para los motores con turbocompresor. El turbocompresor se calienta cuando está en marcha. Muchos recomiendan dejar el motor al ralentí durante varios minutos antes de apagarlo. Esto da tiempo al turbo para enfriarse. Esto aumentará la vida del turbo.

Retraso del turbo

El tiempo que necesita el turbo para alcanzar la presión necesaria se denomina retraso del turbo. Esto se nota como una vacilación en la respuesta del motor. Se debe al tiempo que tarda el sistema de escape en acelerar la turbina. El compresor de accionamiento directo de un sobrealimentador no tiene este problema.

El retardo puede reducirse utilizando piezas más ligeras. Esto permite que la turbina arranque más rápido. Otros cambios mecánicos pueden reducir el retardo del turbo, pero con un aumento del coste.