Especial Sobrealimentación. Parte 2: Tipos de turbocompresores

Siguiendo con el Especial Sobrealimentación, en este artículo os desgrano los diferentes tipos y disposiciones de turbocompresores que podemos encontrarnos en el mundo del automóvil. 

Renault R5 Turbo 2.

Como descubriréis, hay bastante variedad en el mercado, y es que al ser el turbo el sistema de sobrealimentación por excelencia, las marcas han invertido mucho dinero en mejorarlo, adoptando distintas soluciones para reducir las pegas y aumentar los beneficios de este genial invento.

Convencional

El tipo de turbo descrito en la primera parte, el más simple y barato de todos y por ello el más usado con diferencia. Podéis repasar la "lección" volviendo a leer el artículo.

Geometría variable 

A diferencia del anterior, la caracola del lado de la turbina (la que recibe los gases de escape) puede variar su forma efectiva, "estrechándose" internamente cuando hay pocos gases y haciendo que estos se acumulen y así puedan mover la turbina de forma más sencilla, reduciendo el lag.

A medida que la cantidad de humos crece, el área efectiva de la caracola va ensanchándose para ir aumentando el caballaje que otorga al motor. Es como tener un turbo pequeño (poco lag, poca potencia) y uno grande (mucho lag y mucha potencia) en uno, cogiendo lo mejor de cada tamaño.

Los hay de dos tipos: los que usan álabes (imagen izquierda) y los que tienen una campana o difusor variable (imagen derecha).

Turbos de geometría variable.

Los primeros, además del área, cambian el ángulo de incidencia de los gases de escape sobre la turbina, como podéis apreciar en los siguientes vídeos:

Todavía son un tipo de turbo muy poco habitual en los motores gasolina, ya que las altas temperaturas que alcanzan los gases de escape en este tipo de motores obligan a usar aleaciones de metal especiales y/o métodos de fabricación más caros, pero poco a poco irán ganando terreno.

Doble entrada o twin scroll 

Cuando en un colector de escape todos los cilindros están comunicados entre sí, pueden producirse pérdidas de presión debido a que parte de los gases de escape pueden ser reabsorbidos por el motor.

Esto sucede cuando las válvulas de escape no se han cerrado del todo para cuando la carrera de admisión comienza, ya que esta carrera provoca una succión que “atrae” los gases hacia el cilindro. Como este fenómeno es perjudicial para la eficiencia del turbo (a menos presión de gases, menos se mueve la turbina), se crearon los turbos de doble entrada.

Turbo de doble entrada.

La idea que se esconde detrás de estos turbos es la de separar los cilindros que suministran presión de escape al turbo (los que están en la carrera de escape) de los que pueden disminuir dicha presión (los que están en carrera de admisión).

Pongamos que, como se ve en la imagen, tenemos un motor de 4 cilindros en línea. Los cilindros 1 y 4 comparten salida en el colector, así como los cilindros 2 y 3. De ese modo, y sabiendo que el orden de encendido puede ser 1-3-4-2- o 1-2-4-3, en ningún caso va a ser posible que el cilindro 1 esté en admisión estando el 4 en escape (o viceversa), y lo mismo pasa con la pareja 2-3.

En este vídeo de Engineering Explained se explica su funcionamiento:

Eléctricos o híbridos

Estos todavía no han llegado a la calle, y tardarán en hacerlo aún salvo en coches que deriven directamente de la F1, como el Mercedes-AMG ONE, pero es una tecnología muy interesante.

“Parten” de un turbo convencional, al que le acoplan un motor eléctrico, que también puede ejercer de alternador, en el eje de la turbina y el compresor, situado entre ambos o a continuación. Así, cuando los gases de escape no son lo suficientemente cuantiosos como para mover por sí solos la turbina (y por ende el compresor), el motor eléctrico hace acto de presencia y comprime el aire por ellos, para cederles el protagonismo cuando ya hay suficientes gases.

Caracola de turbina a la izquierda, motor/alternador eléctrico en medio y caracola de compresión a la derecha.

En el momento en el que se suelta el pedal del acelerador y por tanto no se necesita el empuje del turbo, el motor eléctrico se pone “en modo alternador” y usa el giro de la turbina para generar electricidad que almacena en una batería, para usarla cuando haya que eliminar el lag.

En la F1 a esta tecnología la llaman MGU-H, aunque parece que se la van a cargar en la próxima revisión del reglamento para abaratar costes.

Mientras tanto, podéis ver cómo funciona en los vídeos de los distintos motoristas de la presunta categoría reina del automovilismo, entre ellos uno de la que ha sido la dominadora de la era de los V6 Turbo híbridos de la F1, Mercedes-AMG:

Turbos gemelos, twinturbo, o biturbo en paralelo 

Este no es un tipo de turbocompresor, sino una disposición, es decir, una forma de usarlos. Los turbos pueden ser convencionales, de geometría variable o de doble entrada, pero tal y como indica el nombre, han de ser iguales entre sí.

Cada uno de ellos es alimentado por los gases de la mitad de los cilindros, y a su vez comprimen el aire que absorberán cada uno de esos cilindros, es decir, en un motor V6, cada uno de los turbos se “encargará” de alimentar y ser alimentado por 3 cilindros.

V6 Twin turbo.

De este modo, se reducirá el lag o retardo al no tener que "cargar" un turbocompresor grande que alimente el motor entero, sino dos más pequeños que apenas tendrán inercia y no costará "hacer arrancar".

Doble turbo, biturbo en serie o secuencial o biturbo a secas

Esta disposición, a diferencia de la anterior, se vale de dos turbos de distintos tamaños, que también pueden ser convencionales, de geometría variable o de doble entrada.

En este caso, ambos turbos alimentarán todos los cilindros. El más pequeño se empleará en bajos regímenes de motor, ya que tendrá poca inercia y no necesita que haya muchos gases de escape para funcionar. El grande, en cambio, se usará en la parte más alta del tacómetro. Dependiendo del motor, es posible que ambos trabajen a la vez a medio régimen.

Tal y como se ve en las imágenes, los gases de escape pasan primero por el turbo pequeño, que proporcionará un empuje desde casi el ralentí. Una vez que haya alcanzado su presión máxima de soplado, el exceso de presión se usará para empezar a girar el turbocompresor grande.

A bajo régimen el turbo grande apenas trabaja, ya que los gases de escape residuales que le llegan carecen de energía cinética tras haber sido empleada para mover el turbo pequeño. Por eso, el aire fresco que entra al grande sale de éste sin apenas comprimirse, para dirigirse al pequeño que sí lo comprimirá.

También es posible sustituir el turbo pequeño por un compresor, que no tendría ningún tipo de lag o retardo al estar accionado mediante una correa que va al cigüeñal.

964 Turbo.

Como veis, hay mucha variedad a la hora de sobrealimentar los motores mediante turbos, y las marcas no paran de innovar en este sentido, de hecho ya existen combinaciones de los modelos que os he explicado y motores de calle con 3 turbos, aunque todavía son testimoniales. ¿Hasta dónde llegaremos? No se sabe, aunque ya hay patentes que muestras un turbo por cilindro.

En el próximo artículo del Especial analizaré las válvulas que permiten que los turbos no conviertan los motores en bombas de relojería andantes.

Permaneced atentos 😉

Parte 1: Introducción e índice

Parte 2: Tipos de turbocompresores y disposiciones

Parte 3: Válvulas controladoras de presión

Parte 4: Tipos de compresores (supercargadores)