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¿Cómo funciona un turbo?


Cómo funciona un turbo

Hace tiempo os explicábamos el funcionamiento del compresor volumétrico, uno de los sistemas de sobrealimentación más utilizados del mundo. Pues bien, hoy ha llegado la hora de hablar del otro sistema más empleado: el turbo o turbocompresor. Muchos tendréis una imagen visual de cómo es el turbo: una especie de caracola con dos turbinas en el centro (una es realmente un compresor) pero, ¿sabéis cómo funciona?

El funcionamiento del turbocompresor se basa realmente en un principio básico de los motores de combustión: cuanto más oxigeno tengamos disponible dentro del cilindro, más combustible podremos quemar y, en consecuencia, obtendremos mayor rendimiento. En el caso de los motores atmosféricos, esto solo puede conseguirse aumentando el volumen de los cilindros. Un claro ejemplo son los gigantescos motores empleados en los coches americanos, que basan sus potencias elevadas en cilindros con mucho cubicaje.

Turbo Garrett

Pero, aparte de fabricar motores con cilindros más grandes para “absorber” más aire, existe la posibilidad de comprimir el oxígeno, lo que permite también obtener mayor rendimiento. Esta es realmente la función del turbo y su origen, ya que se concibió para sacar más potencia y par de motores más pequeños sin tener que sacrificar la eficiencia en cuanto a ahorro de combustible, entre otros.

Hasta aquí entendido el porqué del turbo, pero ahora toca hablar del cómo. Para verlo más claro, vamos a desgranarlo en las diferentes partes que lo componen. Por un lado, el turbo está formado por una turbina y un compresor unidos por un eje (eje coaxial). Estos dos “molinillos” están situados de forma opuesta en el centro de dos caracolas simétricas, que son las encargadas de dirigir los flujos de aire responsables del funcionamiento del turbo. Una de ellas está ubicada justo después de los colectores de escape, ya que emplea la energía generada por los gases de escape (que salen a presión) para hacer girar la turbina. El giro de la turbina provoca que también gire el compresor, debido a que están conectados por el eje antes mencionado. Este compresor absorbe el aire y lo comprime, dirigiéndolo a través de la otra caracola hacia el colector de admisión, y de ahí a los cilindros.

Como funciona un turbocompresor

Como podéis ver, se trata de un mecanismo bastante sencillo, además de eficiente, ya que se aprovechan los gases de escape, que de otra forma se desperdiciarían (como en el caso de los motores atmosféricos). Es importante entender que se trata de un proceso cíclico: a mayor presión del oxígeno que entra en los cilindros, mayor energía generada por los gases de escape, lo que provoca que la turbina gire más rápido y que a su vez lo haga el compresor, comprimiendo aún más el aire. Obviamente, no es algo infinito, porque si no el motor acabaría por romperse.

Por esta razón, los turbocompresores tienen límites de presión, que suelen variar en función del tamaño de este. Los pequeños suelen rondar los 0,25 bar (3,6 psi) y los más grandes soplan a cerca de 1,5 bar (21,7 psi), aunque hay que decir que esto puede variar mucho en función de diversos parámetros –los turbo de competición soportan presiones mucho más altas–. También hay que añadir que en muchas ocasiones suelen emplearse válvulas de descarga (el famoso pshhhh) para liberar algo de presión en el sistema.

BMW 2002 Turbo

BMW 2002 Turbo

Después de comprender el funcionamiento de este compresor, es interesante entrar un poco en su evolución a lo largo del tiempo y ver los diferentes tipos de turbocompresores que existen. Originariamente se utilizaba en aviación (una de las empresas pioneras en fue Garrett, que igual os suena), pero empezó a emplearse en automóviles hacia los años 70, siendo uno de los coches más recordados por ello el BMW 2002 Turbo, aunque los que realmente lo convirtieron en un componente popular fueron los ingenieros de Saab, con el 99 Turbo. En el caso de los motores diesel, su uso se ha generalizado completamente (los famosos turbo diésel).

Los primeros turbocompresores podrían dividirse en dos categorías: los soplados y los aspirados. La diferencia era que el primero se ubicaba antes del carburador, por lo que únicamente comprimía aire del exterior. En cambio, los de aspirado se situaban justo después del carburador, por lo que comprimían aire y gasolina al mismo tiempo. Hoy en día todos son de la primera categoría, ya que se emplea inyección directa.

Con el tiempo y el avance de la tecnología, también fueron surgiendo nuevos tipos de turbo, como el de geometría variable (VGT). La mayoría de turbocompresores son de geometría fija, es decir, que el volumen de aire que entra en la turbina a través de la caracola es siempre el mismo. Esto se traduce en que el turbo en cuestión tiene un rango óptimo de funcionamiento. Si es un turbo pequeño, ese rango está a bajas revoluciones, ya que la turbina no necesita girar tan rápido para comprimir el aire, pero el rendimiento a altas revoluciones es peor. En cambio, si el turbo es grande, pasa todo lo contrario, además de que el lag o desfase es mucho mayor (aunque esto se soluciona con un sistema anti-lag).

Los VGT llegan por tanto para eliminar este problema. La diferencia está realmente en que estos turbos tienen unas levas móviles (alabes) dentro de la caracola de escape (y alrededor de la turbina) que modifican el caudal de esta. Así dicho parece un poco complicado, pero en la realidad lo que hacen estos pequeños dientes es estrechar o ampliar el tubo en función del rango de revoluciones. El fundamento es que, si hay una cantidad fija de aire que pasa por un cilindro y reducimos el diámetro de este, el aire pasará a más velocidad a través de la cavidad. Esto permite que el funcionamiento del turbo sea óptimo en un rango amplio de revoluciones.

El intercooler en los motores turbo

Imagen: GM
David Kimble Illustration

Con lo visto hasta aquí, es probable que podáis haceros una idea de cómo funciona un turbo, pero ya que estamos vamos a adentrarnos un poco más en la materia. Y para ello vamos hablar de un componente vital asociado a este mecanismo, aunque no forma parte de él directamente: el intercooler. Si volvemos al funcionamiento básico de este sistema de sobrealimentación, hemos comprendido que lo más importante es que el turbo insufla aire comprimido a los cilindros. Pero antes hemos pasado por encima un dato importante, y es que el aire comprimido se calienta. Y esto es un problema porque el aire caliente es menos denso que el frío, por tanto ocupa más volumen, aunque la cantidad de oxigeno sea la misma. Para resolver este inconveniente, se decidió instalar un intercooler en los coches con motor turbo, que no es más que una especie de radiador que permite enfriar el aire comprimido por el turbo.

Y hasta aquí la explicación de cómo funciona un turbo. Si tenéis alguna duda o pregunta, ¡dadle caña a esos comentarios!

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