Automovilismo - Cómo funciona el Turbocargador

Cómo funciona el Turbocargador

Con el propósito de incrementar la potencia de un motor, la eficiencia de éste dado su volumen también debe ser aumentada. Por lo tanto, el concepto denominado eficiencia volumétrica significa la cantidad de la mezcla de aire / combustible que un motor es capaz de "inhalar" en la carrera de admisión, y comparar este volumen de la mezcla con el resultado que se conseguiría si los cilindros se llenaran completamente. Sin embargo, no debemos olvidar que ningún motor tiene la capacidad de llenar los cilindros un ciento por ciento en la carrera de admisión, debido aciertas limitaciones. Entre estas limitaciones se encuentran el diámetro de las válvulas y las lumbreras, el diseño del múltiple de admisión, el tiempo de las válvulas, las revoluciones por minuto del motor y, desde luego, la presión atmosférica.
Uno de los métodos empleados para aumentar la habilidad de bombeo de un motor, para que desarrolle mayor rendimiento con menos combustible, consiste en incorporar un turbocargador que fuerce el aire dentro del motor a una presión atmosférica más alta. Un motor pequeño logra aumentar su salida de potencia en un 60% y más. Pues esto es precisamente lo que hace un turbocargador. No obstante, un turbocargador difiere de un supercargador en que ninguna energía mecánica del cigüeñal es utilizada para el funcionamiento del compresor de aire.
Un supercargador no es más que un compresor de aire. Pero como quiera que éste trabaja mediante su acoplamiento mecánico al cigüeñal del motor, el supercargador toma cierta fuerza del motor, al mismo tiempo que aumenta la potencia de salida de éste.
Pero, por otra parte, un turbocargador no necesita la energía mecánica que proviene del cigüeñal. La rueda de su turbina (la que está colocada en la parte caliente) es impulsada por la energía térmica y la presión que suministran los gases de desecho del escape. Por tal motivo, mientras la turbina se encuentra funcionando, al motor no se le suministra ninguna carga adicional ni se le roba fuerza.
Como quiera que la rueda del compresor está acoplada directamente al eje de la rueda de la turbina, las dos ruedas giran a una misma velocidad, la que puede ser tan alta como 120,000 rpm.

Sistema de funcionamiento

Luego que se produce la combustión, los gases del escape penetran en la caja donde se encuentra la turbina, y aplican fuerza a las hélices de la misma. Son pues esos gases los que hacen girar la turbina, debido al mismo principio de física que hace girar las aspas de un molino de viento cuando éste sopla. Los gases del escape actúan sobre el mismo centro de la turbina, y después continúan su camino hacia el sistema convencional de escape.
En el lado opuesto del eje de la turbina es que se encuentra el compresor del turbo. El compresor absorbe aire ala presión atmosférica y lo comprime para aumentar esta presión. Seguidamente, el aire comprimido es enviado al múltiple de admisión y a los cilindros.
De modo que, siempre que el motor se encuentre en funcionamiento, también la turbina estará girando. Sin embargo, a bajas revoluciones por minuto, el motor absorberá el aire con mayor rapidez que el compresor lo puede comprimir. Como resultado de esto, la presión en el múltiple será inferior a la presión atmosférica. Esto origina un vacío en el múltiple.
A medida que aumenta la velocidad del motor, también se incrementa el volumen de los gases del escape. Llegado cierto punto, el volumen de los gases del escape es tal que el compresor será capaz de bombearlo con mayor velocidad que el motor puede utilizarlo. Por lo tanto, el vacío existente en el múltiple desaparece y se presenta una condición de alta presión. Cuando en el múltiple de admisión se desarrolla esta presión, la condición se describe como la etapa de impulso.
Esta presión positiva contenida en el múltiple de admisión aporta ciertos beneficios para que el motor reciba un incremento de potencia.
Un momento antes de que se inicie la carrera de admisión, el aire limpio penetra en las cámaras de combustión. Esto contribuye a que desaparezca cualquier residuo de gas y se enfríen las cabezas de los cilindros, los pistones, las válvulas y, en cierta medida, los gases del escape. El que la explosión de la mezcla de aire y combustible resulte más limpia, unido esto al efecto de enfriamiento del motor, son factores que ayudan a prolongar la vida útil de cualquier motor.
A medida que el turbocargador comprime el aire, aumenta su temperatura. Es algo muy común, mientras el motor está en la etapa de impulso, que la temperatura del compresor aumente de 21° C (70° F) a tanto como 93.3° C (200° F). El calor producido por la compresión tiene sus ventajas, pero también ciertas desventajas. Mientras el incremento de la temperatura ayuda a una mayor vaporización del combustible, también aumenta la tendencia a detonaciones por parte de las bujías.

Límites de la presión

En la etapa de impulso, es imprescindible que se le ponga un límite ala presión que suministra el turbocargador. Si no se tomara esto en cuenta, el motor se vería sometido a presiones más altas y asimismo a temperaturas superiores a las que puede tolerar.
Una forma de hacer esto consiste en utilizar una compuerta de salida. Este equipo no es más que un diafragma, con una válvula regulada por la presión. Esta válvula le permite a los gases hallar otra salida, sin pasar por la rueda de la turbina, y fluir directamente al sistema de escape. Cuando la presión en la etapa de impulso alcanza cierto nivel predeterminado; por ejemplo, 0.50 kg/cm2 (7.2 psi) en un motor Chrysler de 2.2 litros con un turbocargador EFI, el diafragma que actúa como compuerta se mueve contra un resorte de presión. A medida que el resorte se desplaza, va empujando a una varilla que es la encargada de abrir la compuerta.
Y una vez que quede abierta la compuerta, habrá una caída en la cantidad de gases del escape que hacen girar la rueda de la turbina, ya que éstos fluirán alrededor de la turbina para salir por el sistema de escape. Cuando esto sucede, la velocidad de la rueda del compresor se aminora, hasta que la presión en la etapa de impulso se reduce a los límites de seguridad previamente fijados por el fabricante.
En el motor Ford de 2.3 litros con turbocargador, la compuerta de escape permanece cerrada hasta que la presión en el múltiple de admisión se eleve hasta 0.66 ó 0.74 kg/cm2 (9.5 ó 10.5 psi). Como es natural, cada fabricante establece su propio límite de presión para que la compuerta de salida se abra. Y, por lo común, en los arranques en frío ya una aceleración baja la compuerta permanece cerrada.

Precauciones a seguir

Quien posea un vehículo equipado con turbocargador, deberá observar ciertas medidas al arrancar el motor. Veamos:
Después que se ponga en marcha el motor, deberá permitirle que éste funcione a velocidad de marcha en vacío durante algunos minutos.
Si el motor de un vehículo no ha funcionado durante algunos días, la próxima vez que éste sea puesto en funcionamiento se deberá dejar que trabaje a velocidad de marcha en vacío hasta que ya se tenga la certeza de que el aceite del motor ha lubricado por completo todo el sistema.
Cuando se substituya un turbocargador por otra unidad nueva, saque la entrada de la manguera de aceite y vierta aceite nuevo, para de esta forma prelubricar los cojinetes del eje de la transmisión. A continuación, recuerde reinstalar la manguera. Esta prelubricación evitará que un arranque en seco le ocasione daños a los cojinetes.
Nota: Al prelubicar el motor, se deberá utilizar un aceite que tenga en la etiqueta la clasificación "SF".
Asimismo, cuando se apague el motor de un vehículo con turbocargador, se deben observar estos consejos:
Antes de apagar un motor con turbocargador, deje que el vehículo funcione en velocidad de marcha en vacío durante unos dos minutos. Luego, desconecte la ignición. Esta precaución contribuye a que el turbocargador se enfríe. Esta práctica sobre todo se hace más importante en los motores que no tienen un sistema hidráulico de enfriamiento.
Si un motor se apaga súbitamente luego que el mismo ha desarrollado muy altas velocidades o se le han impuesto grandes cargas, el turbocargador se encontrarla demasiado caliente. Esto quemarla el aceite en áreas de apoyo y articulaciones críticas, donde quedarla el coque, o residuos calcinados del aceite.

Fuente: Revista Mecánica Popular - Volumen 39 - Agosto 1986 - Número 8