Turbocompresor: ¿Cómo funciona y qué componentes tiene? ¿Qué es la válvula de descarga o wastegate?

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El turbocompresor, conocido en el día a día como turbo, es un elemento muy extendido en los motores de hoy día, presente prácticamente en todos los motores diésel modernos, y cada vez más en propulsores de gasolina con la fiebre del downsizing, la cual ha venido para quedarse.

El turbo es una de las varias opciones para sobrealimentar el motor y conseguir un aumento de potencia sin aumentar el tamaño ni cilindrada del mismo. Para ello comprime el aire de admisión aumentando su densidad, es decir, se logra introducir más cantidad de oxígeno en el motor, y como la relación entre aire y gasolina, llamada dosado, debe de mantenerse constante, la cantidad de combustible introducida también aumenta. Resumiendo: más oxígeno, más combustible y más potencia.

Por tanto, los motores equipados con turbocompresor, y en definitiva, sobrealimentados, poseen una gran ventaja frente a motores atmosféricos en zonas de gran altitud o en climas muy calurosos, donde la densidad del aire es menor (hay menos oxígeno).

Comprimiendo el aire de admisión se consigue llenar los cilindros con más cantidad de oxígeno, produciendo así más potencia al poder quemar una cantidad mayor de combustible.

Un poco de historia

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A finales del siglo XIX, sobre 1885, Gottlieb Daimler presentó sus primeras patentes relacionadas con la sobrealimentación, pero no fue hasta 1915 cuando el ingeniero suizo Alfred Büchi, que trabaja para Sulzer AG, una empresa de ingeniería y fabricación industrial, no patentó un turbocompresor muy similar a los usados hoy día. Alfred siguió mejorando sus diseños, llegando a comercializar en 1925 motores diésel de 10 cilindros sobrealimentados con su turbocompresor.

En los años 60 se empezó a cosechar los primeros éxitos del turbocompresor, ya que con motores de menor cilindrada, más compactos y ligeros, era posible obtener una potencia igual o superior. Más tarde, ya en la década de los 70, Renault desarrolló el Alpine A-442, cuyo motor sirvió de base para el fórmula uno que debutó en 1977. Ese monoplaza equiparía un V6 de 1,5 litros y una potencia máxima de 510 cv a 11.000 r.p.m., aumentando su potencia hasta los 650 cv a 12.000 r.p.m. en 1983.

Sin embargo, la mayor utilidad y uso de los turbocompresores en el pasado siglo, sobre todo hasta la crisis del petróleo, la encontramos en el mundo de la aviación. Los motores de aviones se encontraban con el problema de a las alturas a las que vuelan la cantidad de aire es considerablemente inferior a la que hay en superficie, por lo que el motor no recibe el oxígeno suficiente, situación en la que el turbocompresor se convierte en un aliado perfecto.

Funcionamiento: la válvula wastegate y la válvula de alivio

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El funcionamiento de un turbocompresor es muy simple. Posee una turbina que está unida a través de un eje común a un compresor. Los gases de escape se hacen pasar por esa turbina, haciéndola girar como si de un molino se tratara. La turbina, al compartir eje con el compresor, lo pone en marcha y comprime el aire de admisión que entra al colector de admisión.

El hecho de que el turbocompresor aproveche la energía de los gases de escape, energía que en caso contrario se desperdiciaría, y no consuma potencia efectiva del propulsor, ha propiciado un mayor desarrollo y extensión de este sistema en pos del compresor volumétrico. A ello, se le suma un tamaño y peso menores.

Los gases de escape impulsan una turbina que comparte eje con un compresor, el cual comprime el aire de admisión.

Así, cuando el motor trabaja al ralentí o a baja carga, los gases de escape apenas tienen energía para mover la turbina. A medida que aumenta la carga del motor, los gases de escape salen con una mayor velocidad y energía, comprimiendo cada vez más el aire de entrada hasta alcanzar una presión máxima en el colector de admisión, la cual suele estar comprendida entre los 0,7 bar (bajo soplado) hasta los 1,3 o 1,5 bar en los actuales turbos más modernos y de mayor tamaño.

Para no sobrepasar la presión máxima se utiliza la válvula de descarga o wastegate, que actúa como un limitador de presión haciendo un bypass de los gases de escape en la turbina. Para ello, esta válvula está conectada con el colector de admisión por medio de un pequeño tubo. Cuando en el colector se alcanza la presión máxima que estima oportuna el fabricante, esta presión empuja un diafragma o membrana que tiene la válvula, comprimiendo un muelle calibrado y abriendo el bypass, de forma que parte de los gases de escape no entran en la turbina y se desvían por ese bypass. Cambiando el tarado de ese muelle se consigue elevar la presión máxima de soplado, y así incrementar la potencia del motor. Esta es, y ha sido, una forma muy usual de potenciar el propulsor, aunque en detrimento de la fiabilidad y durabilidad.

Cuando se alcanza la presión máxima de admisión la válvula de descarga o wastegate impide que entren parte de los gases de escape en la turbina.

Sin embargo, con el desarrollo de la electrónica y la implantación ECUs o centralitas “más capaces” se ha apostado un control electrónico de la válvula wastegate, ganando así en fiabilidad, puesto que los componentes de dicha válvula estaban expuestos a altas temperaturas y deformaciones, por lo que podían fallar más fácilmente. De esta forma la válvula wastegate se abre o cierra según los deseos de la ECU y no en función de la presión del colector, permitiendo trabajar en ciertos momentos por encima de la presión máxima y aportar un plus de potencia. Igualmente, se elimina el tubo que la conecta al colector de admisión, utilizando la misma bomba de vacío que se usa para operar otros elementos como la EGR.

Para evitar sobrepresiones, la válvula de alivio libera parte del aire de admisión cuando se cierra la mariposa.

Además de la válvula de descarga también presentan la llamada válvula de alivio, que tiene por objetivo evitar sobrepresiones en el colector de admisión cuando en un motor se cierra la mariposa de admisión al dejar de acelerar o cambiar de marcha. Durante ese breve periodo de tiempo, los gases de escape continúan saliendo y haciendo girar la turbina, de forma que el aire se sigue comprimiendo, pero se encuentran con una mariposa que está cerrada y se comprimen aún más. La válvula de alivio posee un tubo de vacío conectado después de la mariposa, de forma que cuando ésta se cierra da lugar a una depresión abriendo la válvula de alivio. Esta válvula puede ser de tipo Blow-off, que descarga a la atmósfera emitiendo el característico sonido “psss…” o de tipo Bypass-Valve, que reintroduce el aire de nuevo en el circuito de admisión justo después del caudalímetro.

La temperatura, el gran enemigo de nuestro turbocompresor

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La temperatura es uno de los grandes problemas del turbocompresor, llegando a alcanzar temperaturas del orden de los 700 °C en la turbina, mientras que en la zona del compresor es del orden de los 80 °C. A esto se le une las elevadas velocidades del mismo, de más de 100.000 r.p.m., lo provoca graves problemas en el conjunto de rodamientos y cojinetes, sin olvidar la dilatación asimétrica que sufre el eje común, ya que en un extremo está a esos 80 °C y en otro a 700 °C.

Por tanto, se requiere refrigerar el turbocompresor, utilizando el aceite del sistema de lubricación del motor y el propio aire de admisión que pasa por el compresor, al cual se le cede calor desde la turbina. Aunque esto último acarrea otro inconveniente, ya que origina un incremento de la densidad el aire reduciendo la cantidad de oxígeno, además de aumentar la temperatura en el interior del motor.

Un turbocompresor llega a girar a más de 100.000 r.p.m. alcanzando hasta unos 700 700 °C.

En los motores de gasolina el problema es mayor, puesto que la temperatura de los gases de escapes es superior a los motores diésel. Así, para evitar esos fallos por carbonización y rotura de la turbina, eje o cojinetes, se puede emplea un sistema de refrigeración adicional del turbo, el cual consiste en unos canales en el propio cuerpo o carcasa del mismo por donde se hace circular agua del sistema de refrigeración del motor.

Visto lo anterior, cabe destacar la importancia de mantener nuestro coche al ralentí unos 30 o 60 segundos después de llegar con él, para que el aceite del turbo siga circulando y refrigerándolo, evitando que se quede estancado, aumente su temperatura y se carbonice. Estos depósitos de carbonilla se van acumulando en el eje y la turbina, de forma que gira desequilibrada (igual que cuando una rueda pierde un contrapeso y tenemos que acudir al taller a equilibrarlas), generando unas vibraciones que terminarán por ocasionar fisuras y grietas, la cuales provocan la rotura de los mismos.

El intercooler

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El intercooler es el último gran elemento que nos encontramos en un motor sobrealimentado por medio de un turbocompresor. El intercooler es un radiador, técnicamente llamado intercambiador de calor, que enfría el aire de admisión que sale del turbo por medio del aire que recibe el vehículo cuando circula. Así, se logra solucionar el problema anteriormente explicado consiguiendo una disminución de temperatura desde los 100 °C hasta los 60 °C, lo que da lugar a un incremento de la potencia y par del motor, además de una disminución del consumo y la contaminación, como por ejemplo la emisión de NOx, un residuo que se produce por combustiones a altas temperaturas.

Motores turbo: diésel vs. gasolina

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Por último, para cerrar este artículo, decir que los motores diésel, en general, son más propicios que los motores gasolina a la instalación de un turbocompresor, al menos en teoría.

Además de los problemas de sobretempetratura expuestos unos párrafos arriba que se dan en los motores gasolina frente a los diésel y que obligan a instalar ese sistema de refrigeración extra, también podemos encontrarnos con problemas de picado (explosión de la mezcla aire-gasolina antes de que salte la chispa de la bujía) por autodetonación o encendido debido al aumento de presión y temperatura en la mezcla aire-gasolina. Por ello, es muy importante tener controlada la presión en el cilindro y de soplado del turbo, además de no alcanzar ciertos valores de relación de compresión.

Los motores diésel se adaptan mejor al turbocompresor, ya que no presentan problemas de autoencendido de la mezcla y la temperatura de los gases de escape es menor.

Por el contrario los motores diésel son más adecuados al uso del turbocompresor. Técnicamente al motor diésel se denomina de encendido por compresión, puesto que el aire que entra en los cilindros se comprime en la carrera ascendente del pistón y al inyectar el combustible se produce la deflagración. Así pues, como el turbo comprime el aire de admisión, favorece su posterior compresión dentro del cilindro.

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