Fuerza caliente

El secreto está en aprovechar los gases de escape para forzar la admisión

Tomado de la Nacion 06/12/2007
La Nacion



El encanto de la sobrealimentación, ya sea con compresores o con turbocargadores, es que aumenta la cantidad de aire que puede aspirar un motor. Esto es lo que se llama la eficiencia volumétrica del motor.

En un motor atmosférico la cantidad de aire está determinada por el vacío creado por el movimiento del pistón dentro del cilindro en el ciclo de admisión.

En una máquina sobrealimentada serán la presión y el tiempo los que determinarán la cantidad de aire que se puede admitir. Con una mayor cantidad de aire se puede agregar más combustible y se obtiene más potencia.

El ingeniero suizo Alfred Buche presentó en 1905 su patente para el turbocargador. Ya para la década de 1920 los motores diesel de las locomotoras y barcos empezaron a utilizar este aditamento.

En términos muy básicos, un turbocargador está constituido por un lado caliente y otro frío.

En el primero los gases que salen del motor pasan por una carcasa que en su interior tiene una turbina que gira con el aire caliente. A través de un eje dicha turbina conecta con otras aspas que comprimen aire fresco (lado frío) para alimentar la máquina.

Debido a que el aire al ser presurizado aumenta su temperatura es común usar un intercambiador de temperatura ( intercooler ) para hacerlo más frío y denso.

Debido a que los motores diesel son más eficientes que los de gasolina sus temperaturas de funcionamiento son más bajas (menos pérdidas por calor) y ello permitió equiparlos muy pronto con turbinas. El calor excesivo es el enemigo número uno de los motores sobrealimentados de gasolina porque genera detonación, que es una explosión descontrolada de la mezcla dentro de los cilindros.

Los motores de aviación serían los primeros de gasolina turbocargados.

El primer auto de producción en serie con un motor de gasolina sobrealimentado fue el Oldsmobile Cutlass Jetfire (V6 3,5 litros) y pocos meses después vendría el Chevrolet Corvair (H6 2,3 litros). Estos no duraron mucho debido a problemas de detonación que desembocaron en falta de fiabilidad.

En esa época se usaban carburadores y los controles para evitar la detonación eran mecánicos y nada eficientes.

En la década de 1970 BMW (2002 Turbo), Porsche (911 Turbo) y Saab (99 Turbo) retomaron la idea con sistemas de inyección mecánica y mejores materiales para soportar las altas temperaturas.

Luego vendría una avalancha de marcas y modelos. Entre ellos el Buick Regal, el Peugeot 604 Turbodiesel (primer carro turbodiesel de pasajeros) el Mercedes Benz 300D, los Mitsubishi Tredia y Cordia, Toyota, Nissan y Mazda (primer motor rotativo de calle sobrealimentado RX7 Turbo).

Gracias a los avances en electrónica aplicada al control de los motores (sistemas de inyección con múltiples sensores) se abrió a finales de la década de 1980 todo un abanico de modelos y combinaciones que no han dejado de crecer hasta el día de hoy.

En el mundo de las competencias de velocidad nombres como Offenhauser, Porsche, Renault, Honda, BMW y Ferrari lograron éxitos gracias a sus motores turbocargados. En la actualidad muchas categorías prohíben la sobrealimentación, o la restringen, debido a las altísimas potencias que se consiguen con estas máquinas.

En el mundo del rallismo Audi, Lancia, Renault, Mazda, Toyota, Subaru, Mitsubishi, Ford, Peugeot y Citroën son algunas de las marcas más destacadas por sus modelos con turbo.

En la actualidad muchas de las limitantes que por décadas frenaron el uso de estos aparatos se han superado gracias a los avances metalúrgicos y de la electrónica.

Los motores diesel han sido los más beneficiados hasta ahora, pero los de gasolina ya están incorporando algunas de las mejoras, como los turbos gemelos, los secuenciales y la geometría variable de los álabes de las turbinas.

Compromisos, compromisos

La gran mayoría de máquinas están equipadas con un solo sobrealimentador, pero ello implica un compromiso en la configuración. Si es muy pequeño responderá muy rápido a bajas velocidades, pero perderá eficiencia en la parte alta del rango de revoluciones.

Si se escoge uno muy grande los gases tardarán mucho en vencer la inercia de los álabes y se presentará un retraso entre cuando se aplica el acelerador y el momento en que este empieza a presurizar el motor. Esto se conoce en el mundo de la mecánica como lag .

Los primeros carros con turbo tenían severos problemas de lag . Cuando uno ocupaba toda la fuerza apretaba el acelerador y …nada. Luego de unos segundos aparecía toda la caballería con gran violencia. Esto hacía la conducción difícil y cansada. Algunos lo llamaron el efecto ketchup. Esto porque cuando uno vuelca la botella al principio no sale nada y luego se viene todo de un solo tiro.

Para resolver este problema en algún momento alguien pensó: si uno es bueno… ¡dos es mejor!

Así surgieron los motores biturbo. Por lo general eran unidades gemelas más pequeñas y rápidas que funcionaban particularmente bien en motores en V. Pero también se usaron en motores en línea como el del famoso Nissan Skyline. Igualmente exitoso es el nuevo motor N54 de BMW de seis cilindros en línea con dos pequeños turbos.

La geometría variable es una solución más elegante para el lag . Este consiste en que los álabes están pivotados en su base y de acuerdo con la velocidad a la que giran se abren o se cierran variando la superficie expuesta a los gases, con lo que los tiempos de respuesta son más rápidos. El problema es que son más caros y delicados. Su gran enemigo: el calor excesivo. Por ello solo se habían usado hasta ahora en motores diesel.

Lo último en turbocargadores es la configuración secuencial con unidades de geometría variable y de diferente tamaño. Ya antes varios autos han usado esta idea. La última generación del Toyota Supra -320 hp- (1993-2002) tenía dos unidades secuenciales, pero eran del mismo tamaño y sin geometría variable.

Por ahora BMW, Mercedes-Benz, Audi/Volkswagen, Peugeot/Citroën y Fiat han anunciado motores turbodiesel secuenciales. En los tres primeros casos con rendimientos de más de 100 hp/litro. Eso, en un diesel, es cosa seria

En este momento el motor de gasolina sobrealimentado más sofisticado es el del Porsche 911 GT2. Por ahora es el único (junto al 911 Turbo) que ofrece dos compresores de geometría variable gemelos capaces de soportar las elevadas temperaturas de la gasolina. Ello se traduce en 530 hp/685 Nm de potencia a partir de un motor de 6 cilindros y 3,8 litros de desplazamiento.

Geometría variable

Baja presión

Cuando el motor funciona a bajas rpm y el flujo de gases es poco, los álabes se cierran para reducir el tiempo de respuesta.

Rápido

Con los álabes recogidos, la inercia es menor y, al acelerar, el tiempo de respuesta disminuye. La transición a un estado presurizado es mucho más rápida y suave.

Con todo

Cuando los gases hacen girar con fuerza la turbina, los álabes se abren y la velocidad de la turbina se dispara a velocidades superiores a los 100.000 rpm.

Nuevos materiales

Gracias a los nuevos materiales que soportan altas temperaturas, Porsche usa turbos variables en motores de gasolina.