Análisis Técnico – Turbocompresor

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Desde el final de la temporada 2013, se han utilizado todo tipo de descripciones, se han generado todo tipo de titulares y se han escrito todo tipo de comentarios para los cambios en el reglamento técnico que se van a producir en la nueva temporada 2014. Quizá uno de los más importantes sea el apartado del turbo.

Esta importancia se la da el hecho de ser una tecnología más entendible por el gran público que la aerodinámica. Ésta última también sufre muchos cambios para 2014. Pero al margen de las diferencias estéticas, no es tan sencillo percibir su efecto en los monoplazas, y mucho menos su aplicación directa en los coches que conducimos a diario.

¿Qué es el turbocompresor?

El turbocompresor, o turbo, es básicamente una pequeña turbina que funciona como una bomba. El turbo en sí mismo puede variar en peso y en tamaño, pesando, aproximadamente entre 15-25 kg en un coche de calle. La masa del sistema entero puede ostentar los 30 kg o incluso más.

El turbo está compuesto de dos canales, la entrada al escape y la entrada al compresor. Cada canal contiene una sección de la turbina. En la imagen de abajo es apreciable cómo la turbina atraviesa los dos canales. Los rotores de la turbina están conectados mediante un eje en un sistema de rodamiento, que con la ayuda del aceite pasando a través del sistema suministrando lubricación.

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¿Cómo funciona?

En un motor de aspiración, el combustible y el oxígeno se somete a combustión en los cilindros, creando gases al final de este proceso. Los gases se dirigen hacia la salida de la válvula, a través del colector y se expulsa del coche mediante la salida del tubo de escape. Instalar el turbo es una gran forma de potenciar la eficacia y el rendimiento del coche, ya que aprovecha estos gases que se malgastan.

Después de la salida de la válvula, la unidad turbo puede ser dispuesta en la red de propulsión, pasando los gases expulsados a través de uno de los canales que tiene la sección de la turbina. Justo después del escape de la válvula, la red de tuberías converge en el tubo de escape a partir de múltiples cilindros en un solo tubo, generando una gran cantidad de volumen de gas atravesando una tubería a una relativa velocidad. Tal es la energía de estos gases, que son capaces de accionar la turbina del turbocompresor.

Como los dos rotores de la turbina están conectados por un eje, cuando uno se acciona, el otro también hace lo propio. Cuando los gases cruzan uno de los rotores – girando la turbina – esto, a su vez, hace girar el rotor en el lado del compresor. Una vez que los gases han pasado sobre el rotor en el canal de escape descargándose, han sido enviados fuera y expulsados del motor.

El rotor del canal del compresor está abierto al aire circulante. El movimiento de giro del rotor generado por la energía de los gases fuerza el aire a introducirse por el conducto del compresor. Este aire es mandado a través del canal por otra red de tuberías a la válvula de admisión de aire en el cilindro a través del intercooler.

Cuanto más gases circulan por el sistema turbo, la velocidad del motor aumenta consideramente, y en consecuencia, la velocidad de la turbina. En algunos coches de alto rendimiento, la turbina puede alcanzar la friolera cifra de 240.000 revoluciones por minuto. En los monoplazas de Fórmula 1 estará limitada a 125.000 vueltas por minuto.

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Intercooler

Los gases generados por el motor puede estar a unos 900 grados Celsius cuando entran en el turbocompresor, por lo que la construcción de un sistema que resista estas temperaturas es esencial. Si el problema del calor no se trata correctamente, hay un cierto número de problemas que pueden tener un importante impacto en el rendimiento del coche, incluyendo la reducción sustancial de la vida útil del unidad turbo.

El aire puede elevarse a más de 250 grados Celsius atravesando la entrada del turbocompresor. Aunque parezca increíble, este aumento de la temperatura se debe principalmente a la compresión del flujo de aire la presión ambiente en el interior de la red del compresor. Además de todo esto, el rozamiento de los gases atravesando el canal de salida siendo vecino de la cámara de combustión también calienta el aire ligeramente.

Para extraer la máxima potencia del motor, el aire frío se ve favorecido sobre el aire caliente, ya que es más denso. El aire denso contiene un mayor número de moléculas de oxígeno y, por tanto, una mayor eficiencia de combustión en la cámara de combustión, que provee de mayor energía al propulsor.

Para enfriar aire que sube a un temperatura de 250 grados antes de que alcance los cilindros se usa el intercooler. El intercooler es, efectivamente, una miniatura de un radiador colocado entre la entrada del compresor y la válvula de entrada de aire hacia el cilindro. Esto reduce drásticamente la temperatura de la entrada de aire del compresor, permitiendo un mayor potencial ya que el combustible se quema más eficazmente.

Hay tres tipos de intercooler, aire-aire y aire-agua:

  • Aire/aire: en estos el aire comprimido intercambia su calor con aire externo.
  • Aire/agua: el aire comprimido intercambia su calor con un baño de agua, en la que cual se encuentra el tubo que cruza todo el aire caliente hacia el cilindro.
  • Criogénicos: se enfría la mezcla mediante la evaporación de un gas sobre un intercambiador aire/aire.

Otra pequeña consecuencia del aire caliente es la posibilidad de reventar el motor. Si el aire caliente entra a la cámara de combustión, la gasolina puede incendiarse, incluso la chispa – producida por la bujía – estando inactiva. Esto causa que el propulsor estalle que puede original el fallo de la cabeza del cilindro y el pistón, sin embargo, esto sólo ocurre a elevadas temperaturas.

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Residuos

El rendimiento de los motores turbo es menos predecible de conducir que un motor aspirado, ya que el turbocompresor ofrece un ‘impulso’. A bajas revoluciones, pocos gases se producen y la turbina rota más lenta, lo cual, reduce la penetración de aire en el cilindro generando menos energía en la turbina. A medida que la velocidad del motor incrementa, la turbina gira más deprisa creciendo exponencialmente la potencia del propulsor.

Si una gran cantidad de gases viajan a través del sistema turbo, puede sobreimpulsar la velocidad de la turbina. Esto, particularmente, puede ser problemático en situaciones de mojado, ya que puede echar fuera de la pista al piloto por sobreaceleración. Para reducir este problema, el turbo viene equipado con una válvula de descarga. Una válvula de descarga es una válvula que permite esquivar la entrada al turbo una vez alcanzada cierta presión en el sistema. Este exceso directamente se expulsa del motor.

Instalar una puerta de escape, permite un rotor mucho más pequeño en el canal de escape del turbocompresor, ya que, una gran cantidad de gases, necesita una turbina mucho mayor para no sobrepasar la potencia del motor a altas revoluciones. Un rotor más pequeño permite llegar a la potencia máxima además de reducir el peso. La respuesta del motor también se incrementa con una inercia menor, logrando una aceleración de la turbina más eficiente y la conducción del aire a través del compresor y los cilindros más rápidamente.

Bajo régimen de vueltas y grandes rotores puede causar ‘turbo lag’, ya que no hay suficientes gases de escape para accionar la turbina, reduciendo la potencia de salida.

Una de las técnicas de conducción más famosas de Ayrton Senna era pisar intermitentemente el pedal del acelerador a mitad de curva, obligando a los gases a través del turbo, accionándolo, de forma que reducía el retardo del turbo a la salida de las curvas.

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