Te traemos la decimonovena edición de “¿Sabías que?”, nuestro especial dedicado a los inventos de la industria automotriz, esos que marcaron un antes y después en la evolución de los autos.
Con ustedes: el turbocompresor o como todos lo conocen, el turbo.
¿Qué es?
También llamado 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.
Un recorrido histórico
Este invento nació siendo un dispositivo para que los aviones, a medida que eran capaces de volar a mayor altitud, fuesen capaces de mantener unas buenas cifras de potencia mientras el aire iba perdiendo densidad de oxígeno. Así nació con el nombre “dispositivo corrector de altura” y lo que hacía era meter aire a presión en los cilindros de los motores radiales de aviones.
Durante el siglo pasado, el turbocompresor se fue haciendo un hueco cada vez más importante en la industria automotriz, pasando de ser un aditamento mecánico para aumentar el rendimiento y la potencia de los motores, a convertirse en un elemento clave en la disminución de las emisiones.
En 1905, el ingeniero suizo Alfred J.Büchi mostró avances en el modo de incrementar la potencia de los propulsores y reducir el consumo de combustible mediante la precompresión del aire de combustión. Fue el primero en tener la idea de aprovechar la energía de los gases de escape del motor para mover un compresor. Logró incrementar en más de un 40% la potencia de un motor diésel y esto facilitaría la entrada gradual de la sobrealimentación en la industria.
El invento de Büchi ingresaba más aire al interior de los cilindros del motor y aumentaba su llenado, lo que, asociado a una mayor alimentación de combustible, producía un aumento notable de la potencia. Si bien el invento lo ideó en 1905, recién para 1915 logró patentar un elemento que describe los principios de funcionamiento del turbocompresor y que son casi exactamente los mismos que conocemos hoy en día. Las primeras aplicaciones se limitaban a motores enormes, como los marinos. En la industria automotriz comenzó su introducción en los camiones.
Pese a esto, no debemos olvidarnos de Gottlieb Daimler (ingeniero alemán), quien entre 1885 y 1896, investigó cómo incrementar la potencia y reducir el consumo de combustible mediante la pre compresión del aire de combustión.
Como mencionamos anteriormente, comenzó siendo un invento puesto para la aeronáutica, el sector naval o el ferrocarril incluso. Por ejemplo, en 1910, la compañía estadounidense Murray-Willat fabricó el primer motor sobrealimentado de dos tiempos para un avión y consiguió poner fin al problema de reducción del rendimiento de los motores de los aviones por la disminución de la densidad de aire a grandes altitudes. Otros ejemplos: en 1919, General Electric completó la integración de un turbo en el motor biplano LibertyLepere; en 1926, el astillero alemán Vulkan encargó dos buques de pasajeros que debían ser movidos por sendos motores MAN sobrealimentados de cuatro tiempos y 10 cilindros. Recién en 1962/1963, el turbo llegó a los autos y comienza a producirse en serie en los Estados Unidos en los Chevrolet Corvair Monza y Oldsmobile Jetfire turboalimentados (foto 1 y 2 respectivamente).
Por entonces, Estados Unidos venía de la posguerra y habían sufrido daños económicos que provocaron que sus ingenieros tengan que lograr mejoras en materia de ahorro, ya que era complicado lograr mejoras de gran capital en esa época. Así, los autos tenían que ser baratos tanto para adquirirlos como en los consumos.
Con el tiempo, la situación fue mejorando y así los tradicionales motores con válvulas en culata y varillas de empuje, dieron paso a propulsores con árboles de levas a la cabeza. Se trabajó mucho para que los motores pequeños fueran más rápidos, al tiempo que se investigaba de qué manera los sistemas de alimentación de combustible fueran más eficientes.
La marca alemana BMW fue la primera en Europa en utilizar el turbo en un auto de pasajeros producido en serie con la presentación del modelo 2002 en el Salón del Automóvil de Frankfurt de 1973. Pero quizás el caso más paradigmático sea el de Porsche, que presenta su primera generación del inmortal 911 turbo en el Salón de París de 1974. Un motor bóxer de seis cilindros refrigerado por aire.
En 1978 y con la introducción del primer motor turbodiésel para turismo, llegó el Mercedes-Benz 300 SD, que tenía un turbo fabricado por Garrett. A este le siguió el Volkswagen Golf turbodiésel en 1981. Treinta años después, no hay ni un solo modelo diésel carente de turbocompresor y es que la “moda turbo” pegó y fuerte en los 80´.
En la actualidad, la turboalimentación en motores nafteros ya no se ve primordialmente desde la óptica de las prestaciones (aunque son notablemente mejores, por cierto), sino que se contempla como una forma de reducir el consumo de combustible y, por lo tanto, la contaminación ambiental, gracias a la reducción en las emisiones de dióxido de carbono (C02). Hoy, la razón principal de aplicar la turboalimentación radica en el aprovechamiento de la energía de los gases de escape para reducir el consumo de combustible y las emisiones.
¿Cómo funciona?
Es una máquina que consta de dos turbinas unidos a un mismo eje. Uno de los lados del eje está en contacto con los gases de escape que, al salir calientes y a cierta presión del motor, hacen girar la turbina del mismo modo que un molino de viento de juguete cuando soplamos sobre sus aspas. La turbina del otro lado del eje está en el canal del aire que entra al motor y al girar solidariamente con la que está del lado del escape, empuja el aire de admisión generando una presión.
Como al aumentar la presión del aire de admisión también aumentamos la energía de los gases de escape, sería peligroso para el motor porque cada vez generaría más presión de forma ilimitada hasta saltar por los aires. Para que esto no ocurra se instala una válvula de descarga que no es más que un grifo que echa a la atmósfera parte de la presión en el escape y es lo que se conoce como tarado del turbo.
El aire de admisión se calienta al pasar por el turbo debido a que el turbo está caliente y a que un gas al comprimirse se calienta. Como el aire caliente tiene menos densidad de oxígeno y además provocaría auto detonaciones, antes de mezclarlo con el combustible y meterlo en los cilindros se enfría en un radiador que se llama intercooler.
Tipos de turbos
Antes existían dos tipos: aspirados y soplados. La diferencia radicaba en qué posición se intercalaban en el circuito de aire de admisión. Los aspirados estaban montados después de que el carburador hubiese realizado la mezcla de aire y combustible, por lo que en realidad comprimía aire y nafta al mismo tiempo. En los soplados, en cambio, el turbo comprime el aire antes de que se mezcle con el combustible.
Actualmente los turbos se diferencian entre turbos de geometría fija y variable. En el primero, el volumen de aire que entra en la turbina del lado del escape es siempre el mismo. Esto tiene un inconveniente y es que limitamos el rango óptimo de funcionamiento del turbo. Si hacemos un turbo muy grande, necesita más gas de escape para moverlo y ahí el inconveniente sería que en la zona baja de revoluciones los gases no tienen energía suficiente como para accionarlo y, además, tendría mucha inercia, ya que desde que se pisa el acelerador hasta que se genera la potencia de empuje hay un lapso relativamente largo, conocido como turbo-lag.
Los turbos de geometría variable (VGT) se inventaron para aunar las ventajas de un turbo pequeño y de uno grande. Para ello, se ponen unas aletas en el lado de la turbina que no gira que varían su posición y hacen más grandes o más pequeña la cavidad en que se mueven los gases. Su funcionamiento es más eficiente.
Los últimos en la tecnología son los accionados por un motor eléctrico en lugar de los gases de escape. Estos carecen de turbo-lag y, por ende, el empuje es inmediato.
Como dato adicional, para reducir el turbo-lag existe el conocido motor biturbo, con dos turbos de menor tamaño. Por ejemplo, en un motor V6 se pueden poner poner dos turbos pequeños y que cada uno de ellos trabaje con sólo 3 de los 6 cilindros. Esto es lo que se conocería como un motor biturbo o twin turbo en paralelo que se reparte el trabajo para parte de los cilindros del motor.
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