Un avión de Ryanair tiene un techo límite de vuelo de unos 42.000 pies (12.800 metros). A esa altura, la cantidad de aire es muy inferior a la que podemos encontrar en superficie. ¿Y cuál es el problema? Que si el motor de un avión no recibe el oxígeno suficiente para realizar la combustión y mantenerse en el aire, ya puedes imaginarte el fatídico desenlace.
Así que nos encontramos en la dramática situación de que surcando los cielos, la cantidad de oxígeno es mucho más inferior que en la carretera y en consecuencia, el motor se ahoga ya que no recibe el oxígeno necesario para sostener el avión. ¿Qué hacemos? Buscar aliados. Los turbocompresores en el pasado siglo fueron el partner perfecto para los motores de avión que se encontraban con el problema de las alturas y, a partir de los setenta fueron implantados en el sector del automóvil, veamos por qué.
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Sistemas de sobrealimentación: ¿qué es el turbocompresor?
El turbo es un sistema de sobrealimentación para motores de combustión interna, es decir, para aquellos motores que obtienen la energía mecánica procedente de la energía química de un combustible que arde en una cámara de combustión encargada de comprimir el aire que recibe del exterior. Por lo que cuanto más aire (oxígeno) es capaz de recibir un motor, mayor potencia ofrecerá.
Y cuándo el motor no da más de sí para recoger oxígeno (su tope), aparecen lo que se conoce como los sistemas de sobrealimentación: capaces de comprimir el aire antes de meterlo en los cilindros haciendo posible que llegue más oxígeno a la cámara de combustión y, en consecuencia, la mezcla con el combustible generará más potencia. ¿El sistema más utilizado? El turbo.
Como podemos ver, la ecuación del turbocompresor es muy sencilla: con más aire entrando a los cilindros del motor, el motor desarrollará más potencia y reducirá el consumo sin necesidad de aumentar la cilindrada. Los motores de combustible diésel de manera generalizada trabajan con un exceso de aire, de ahí que el turbo se emplee de forma automatizada en ellos desde hace tiempo. En relación, no existe en la actualidad ninguna motorización diésel atmosférica, es decir, que no incorpore turbo. Eso no significa que los motores de gasolina no incorporen turbo, de hecho, cada vez es más frecuente el uso de ellos en los gasolina.
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Ahora bien, ¿cómo funciona un turbo?
Para ponernos en situación, debemos tener en mente un motor de combustión convencional de cuatro tiempos. De manera natural, el aire procedente del exterior llega a los cilindros con la misma presión atmosférica que a fuera (de ahí el nombre de motores atmosféricos). Pero como hemos dicho, en determinados contextos la cilindrada del motor puede ser insuficiente para el volumen de aire que necesitan los cilindros en situaciones más exigentes. Así que para no recurrir a un aumento de la cilindrada, la otra alternativa es recurrir a un turbo para generar más potencia artificialmente.
El funcionamiento del turbocompresor es sencillo, este sistema propulsión está instalado en el sistema de escape del motor (entre el colector y el tubo). Para generar más potencia de manera artificial, el turbo incorpora dos turbinas unidas (de escape y de admisión) que giran a la misma velocidad a través de un eje. Estas turbinas reciben los gases de escape que expulsan los motores cuatro tiempos (fase de escape) y los que proceden del exterior haciendo girar las turbinas. Como ambas turbinas comparten eje y giran a la misma velocidad, la energía térmica es transformada en cinética, lo que provocará que se active el compresor.
A pesar de que las dos turbinas giren sobre el mismo eje, hay que diferenciarlas correctamente: el aire que entra procedente del exterior es aspirado por la turbina de admisión, este aire entra a baja presión y alta velocidad; por tanto, debe producirse un aumento de la presión para que el llenado de los cilindros sea completo (artificialmente). Pero, ¿cómo? A través del compresor más conocido como Caracola debido a su forma.
De esta manera, mientras los gases de escape que han servido para mover la turbina de admisión vuelven a salir por la turbina de escape, el compresor se encarga de aspirar aire nuevo proveniente del filtro para comprimirlo y forzar su entrada a mayor presión en los cilindros mediante la válvula de admisión. De ahí que este tipo de motores de combustión interna con turbocompresores reciben el nombre de motores turboalimentados.
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¿Cómo es un turbo por dentro? Sus piezas
Ahora que ya conocemos qué es y cómo funciona un turbo, debemos saber qué componentes se hacen necesarios para su óptimo funcionamiento. De esta manera, sabremos mucho más acerca del turbo y su comportamiento, ¡vamos allá!
1. Turbina (de escape y de admisión)
La turbina de escape está en contacto con los gases de escape procedentes de la combustión realizada por el motor, al salir calientes hacen girar la turbina del mismo modo que la turbina ubicada en el otro lado del eje (admisión), la cual gira solidariamente empujando el aire del exterior (está situada en el canal del aire que entra al motor). Generando así una mayor presión en los cilindros. Las turbinas pueden estar hechas con formas geométricamente distintas para conseguir el mejor llenado de oxígeno en los cilindros.
2. Eje coaxial
Es el elemento encargado de sincronizar la turbina de escape y de admisión provocando un efecto ventilador que apunta al compresor. Las turbinas están conectadas al compresor mediante el eje coaxial que transmite su movimiento. De ahí que sea de vital importancia que el aceite de nuestro motor lubrique correctamente el eje, ya que en caso contrario, se desgastaría muy pronto debido a la exigencia propuesta por el turbo.
3. Compresor o Caracola
El giro de las turbinas empuja el aire hacia el interior del compresor, y es allí, donde se crea la magia: el aire entra a causa de un efecto ventilador hacia dentro del compresor, una vez allí, el aire se acelerará debido a que el conducto se irá estrechando (en forma de caracola). Una vez acelerado, el aire pasará al colector de admisión donde será conducido hacia los cilindros.
4. Válvula wastegate o válvula de descarga
La válvula wastegate es el componente encargado de controlar la cantidad de gases que salen del compresor en dirección a la turbina de escape, es decir, hacia el sistema de escape de los coches. Es una de las piezas claves dentro del turbocompresor, ya que su misión es regular la presión de los gases al salir a través del sistema de escape para evitar daños en el motor.
En el caso de una presión excesiva, los gases serán expulsados mediante la apertura de esta válvula wastegate o de descarga. En definitiva, sin este sistema de “liberación de presión” no podríamos aumentar la mezcla aire-carburante para obtener más potencia del motor ya que dañaríamos el motor.
5. Intercooler
Para evitar que se produzca una bajada en el rendimiento de un turbocompresor debido al exceso de aire caliente que recibe al comprimirlo. Entra en escena el intercooler: un elemento situado entre el turbo y la admisión del motor que actúa como intercambiador de calor a través de agua o aire que tiene como objetivo reducir la temperatura del aire proveniente del compresor. De esta manera, las válvulas de admisión envíen a los cilindros un aire con unos niveles óptimos de temperatura.
En resumen: más oxígeno, más combustible quemado y más potencia
A lo largo y ancho de este artículo hemos podido ver que la función del turbo es inyectar aire a mayor presión que la atmosférica en los cilindros, proporcionando así un aumento de la potencia sin tener que recurrir a motores de mayor cilindrada.
Para lograrlo, lo hace de manera artificial siguiendo un proceso por el cual los gases de escape que salen de los cilindros hacen girar dos turbinas (la de escape y la de admisión) cuyo eje va fijado a un compresor. En relación ambas giran a la misma velocidad determinada por los gases de escape que provienen del cilindro. Lo que propicia que, mientras los gases de escape que han movido la turbina se evacúan, el compresor recibe el aire atmosférico proveniente de la turbina de admisión, el cual es comprimido y forzado a entrar a mayor presión en el cilindro otorgando mayor potencia.
Por tanto, los motores de combustión interna equipados con turbocompresor juegan con ventaja frente a motores atmosféricos en zonas de gran altitud y en climas muy calurosos, debido a que la densidad del aire es menor y por lo tanto hay menos oxígeno. ¿Ahora entiendes porqué el turbo procede de la industria aeronáutica? Comprimiendo el aire de admisión (por muy poco denso que sea) se consigue llenar los cilindros con más cantidad de oxígeno, lo que produce más potencia al poder quemar una mayor cantidad de combustible, un plus de potencia que puede ser clave en muchas situaciones.
