Turbocompresor interactivo: simulador paso a paso

Qué muestra el modelo

Pisa el acelerador de un coche pequeño con turbo a poca velocidad y, durante un segundo más o menos, no pasa gran cosa. Luego el coche tira como si el motor hubiera crecido. Esa pausa y ese empujón vienen de la pieza que está en el centro de este modelo: un turbocompresor, un ventilador pequeño movido por los propios gases de escape del motor, que sopla aire de más dentro de los cilindros.

El modelo es un motor de gasolina de cuatro cilindros y 2,0 litros con un turbo, un intercooler delantero y los tubos que los unen. El turbo está cortado a lo largo de su eje, y las caras rojas son el corte. Los puntos naranjas son gases de escape. Los azules son aire fresco: se vuelven morados cuando el aire se calienta y vuelven hacia el azul cuando se enfría. Los amarillos son aceite. El panel de valores da la velocidad del eje del turbo, la presión de sobrealimentación, la temperatura del aire después del compresor y después del intercooler, el aire que toma cada cilindro y la potencia. Todo se calcula a partir de los ajustes de Controles con las fórmulas que aparecen más abajo. La gráfica de debajo muestra los últimos ocho segundos, para que veas cómo el turbo se pone al día cuando mueves el acelerador.

Las cifras son valores de modelo para un motor de gasolina pequeño con turbo típico. No salen de los datos de ningún fabricante, y la sección casi al final enumera lo que el modelo deja fuera.

Por qué un motor quiere aire más denso

Un motor de gasolina quema el combustible con el oxígeno del aire que aspira, y el combustible que puede quemar está limitado por ese aire. En la exposición del motor de cuatro tiempos, cada cilindro se llena una vez cada dos vueltas del cigüeñal. El volumen que llena lo fijan el diámetro y la carrera, así que la única manera de meter más aire es hacerlo más denso antes de que llegue.

En este modelo, cada uno de los cuatro cilindros barre medio litro y se llena hasta el 90 por ciento (su rendimiento volumétrico). El aire exterior a 25 °C y a la presión normal del nivel del mar tiene una densidad de 1,184 kg/m³, de modo que un cilindro que respira por su cuenta toma

0,9 × 0,0005 m³ × 1,184 kg/m³ = 533 mg de aire en cada carrera de admisión.

A 6000 rpm eso son 107 gramos de aire por segundo para todo el motor. Quemado con una relación aire-combustible de 14,7 y un rendimiento efectivo del 30 por ciento, el combustible que admite ese aire da 94 kW. Con el turbo a un bar de sobrealimentación y el intercooler funcionando, el mismo cilindro recibe 984 mg y el motor da 173 kW. El motor no ha crecido; el aire va más apretado.

El escape mueve la turbina y el eje mueve el compresor

Los gases que salen de los cilindros están calientes y a presión, y en un motor sin turbo esa energía se va por el tubo de escape. Aquí los cuatro conductos del colector de escape la llevan a la carcasa de la turbina, un caracol de fundición que da una vuelta alrededor de la rueda de la turbina y se va estrechando. Al estrecharse, el gas se acelera y empieza a girar, y avanza hacia dentro entre los once álabes de la rueda antes de salir a lo largo del eje hacia el bajante. El empuje del gas sobre los álabes hace girar la rueda.

En el otro extremo del mismo eje de acero está la rueda del compresor, así que gira exactamente a la misma velocidad. El aire que viene del filtro entra en ella a lo largo del eje, y los álabes curvos lo lanzan hacia fuera por el borde. El caracol de aluminio que rodea el compresor se ensancha a medida que avanza, lo que frena ese aire rápido y convierte su velocidad en presión. La misma pareja de ideas, una turbina que saca trabajo del gas caliente y un compresor que lo mete en el aire frío, mueve un motor a reacción, solo que aquí no hay quemador entre los dos; la combustión la hacen los cilindros del motor.

¿A qué velocidad gira? Garrett, uno de los mayores fabricantes, dice que sus turbos más grandes giran hasta 63 000 rpm y los más pequeños a más de 300 000 rpm. La rueda del compresor del modelo mide 50 mm de diámetro y, para dar un bar de sobrealimentación, tiene que girar a unas 142 000 rpm. Su borde se mueve entonces a

2π × 0,025 m × 142 300 / 60 s = 373 m/s,

más rápido que el sonido en el aire exterior. En pantalla, las ruedas giran 2000 veces más despacio de lo que indica el panel.

Un eje que flota sobre aceite

La mayoría de los turbos apoyan el eje en casquillos lisos y una película de aceite, y algunos turbos de altas prestaciones usan en su lugar rodamientos de bolas especiales. En el modelo, un tubo trenzado lleva aceite del motor desde la galería principal hasta la parte de arriba de la carcasa central. El aceite llena el hueco alrededor de dos casquillos de bronce, que flotan entre el eje y la carcasa, y el eje se apoya en esa película sin tocar metal. Un cojinete axial junto al compresor aguanta el empuje a lo largo del eje. Después el aceite cae por el desagüe grande de abajo y vuelve al cárter, por eso la manguera de retorno es gruesa y apunta hacia abajo.

El aceite también se lleva calor. El lado de la turbina está metido en los gases de escape mientras el lado del compresor respira aire exterior, y la carcasa central es el puente entre los dos. Por eso mismo, algunos turbos añaden a la carcasa central una camisa de refrigerante, para que el aceite no se recaliente.

Comprimir el aire lo calienta

Infla la rueda de una bicicleta y el cuerpo de la bomba se calienta. Un compresor hace lo mismo mucho más deprisa, y el aire no tiene tiempo de soltar el calor. Para un compresor ideal, sin pérdidas, la temperatura de salida es

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ),

donde PR es la relación de presiones y γ vale 1,4 para el aire. Un bar de sobrealimentación sobre los 1,013 bar del exterior es una relación de presiones de 1,987. Partiendo de 298,15 K (25 °C):

298,15 K × 1,987^0,286 = 362,8 K, unos 90 °C.

Un compresor real desperdicia parte de su trabajo como calor de más. El modelo usa un rendimiento del 72 por ciento, que divide la subida de temperatura:

T₂ = 298,15 × (1 + (1,2168 − 1) / 0,72) = 387,9 K, unos 115 °C.

Esa es la línea «Tras el compresor» del panel. Sube el límite de presión a 1,5 bar y llega a 148 °C. Hacer ese trabajo cuesta potencia: 90 kJ por cada kilogramo de aire, unos 18 kW a 6000 rpm, todo tomado del escape por la turbina.

Enfriar la carga devuelve la densidad

El aire caliente es aire poco denso. La ley de los gases ideales une las tres magnitudes como ρ = p / (R T), con R = 287 J/(kg·K) para el aire. Con un bar de sobrealimentación, el aire sale del compresor a 201 325 Pa y 387,9 K:

ρ = 201 325 / (287,05 × 387,9) = 1,808 kg/m³.

La presión casi se ha duplicado, pero la densidad solo ha subido 1,53 veces, porque buena parte de la ganancia se ha ido en calor. El aire caliente que entra en los cilindros también acerca la mezcla al picado, cuando el combustible se enciende solo antes de la chispa.

El intercooler es un radiador para el aire de admisión. La carga pasa por tubos planos mientras la corriente de aire del frontal del coche atraviesa las aletas que hay entre ellos. El intercooler del modelo quita el 75 por ciento de la subida de temperatura:

T₃ = 387,9 − 0,75 × (387,9 − 298,15) = 320,6 K, unos 47 °C.

A la misma presión, la densidad es ahora 201 325 / (287,05 × 320,6) = 2,188 kg/m³, 1,85 veces la del aire exterior. Apaga el intercooler en Controles y la potencia a 4000 rpm baja de 115 kW a 95 kW sin ningún cambio en la presión.

Mantener la presión en un límite

A régimen alto hay mucho más escape del que el turbo necesita. En el modelo, a 6000 rpm y con el acelerador a fondo, el escape podría llevar el compresor a una relación de presiones de unos 3, muy por encima de lo que el motor está hecho para aguantar. La válvula de descarga lo impide. Es una compuerta dentro de la carcasa de la turbina que abre un paso directo a la salida, de modo que parte del gas se salta la rueda de la turbina. Un actuador, un bote cerrado con un muelle y una membrana, empuja la compuerta para abrirla cuando la presión llega al límite. Garrett lo describe así: a un nivel prefijado, la válvula de descarga se abre y deja que los gases de escape eviten la turbina.

El control «Límite de presión» mueve ese nivel prefijado. A 4000 rpm la compuerta está abierta un 16 por ciento; a 6000 rpm está abierta más o menos a la mitad, y el panel muestra que la presión se queda en un bar mientras el régimen sube. Pon el límite a cero y la compuerta se queda abierta del todo; entonces el motor respira como uno sin turbo y da unos 94 kW a 6000 rpm.

Por qué la potencia llega tarde

El turbo solo puede acelerar tan deprisa como el escape lo empuje, y cuando vas con poco acelerador no hay mucho escape. Pisa a fondo y al principio el motor solo recibe el aire que puede aspirar por sí mismo. Eso da un poco más de escape, que hace girar el turbo algo más rápido, que da un poco más de presión, y así hasta llegar al límite. Esa espera se llama retardo del turbo (turbo lag).

El modelo trata la velocidad del eje como si subiera hacia su objetivo con un retraso que es más largo cuando hay menos escape. A 2000 rpm, al pasar del 15 por ciento al acelerador a fondo, el eje sube de unas 19 800 a 101 600 rpm; está a medio camino a los 0,7 segundos y al 90 por ciento a los 2,4 segundos. A 3500 rpm el mismo paso tarda 1,7 segundos en llegar al 90 por ciento. El último paso de la visita hace esta prueba, y la gráfica muestra la línea roja de velocidad del eje y la azul de presión retrasadas respecto a la línea gris del acelerador.

Hay un segundo efecto, distinto. A régimen bajo, el escape no puede hacer girar el turbo lo bastante rápido para la presión máxima por mucho que esperes. En el modelo, el acelerador a fondo a 2000 rpm da solo 0,45 bar, y la presión máxima llega solo por encima de unas 3500 rpm. Ese es el umbral de sobrealimentación. Los fabricantes combaten ambos efectos con ruedas más pequeñas y ligeras, carcasas de doble entrada (twin-scroll), álabes variables en la turbina y, más recientemente, motores eléctricos en el eje.

En qué se diferencia este modelo de un turbo real

• El turbo está dibujado más o menos a escala, pero las paredes de las carcasas, la forma de los álabes y el recorrido de los tubos están simplificados.
• El rendimiento del compresor, la eficacia del intercooler y el rendimiento volumétrico del motor son números fijos. En un motor real cambian con el caudal y la velocidad, y los fabricantes describen los compresores con un mapa en lugar de un solo valor.
• El lado del escape es una sola fórmula para la presión que podría dar la turbina, y la válvula de descarga se lleva el resto. No se modelan los pulsos de cada cilindro, la contrapresión ni la temperatura del escape.
• El motor quema su combustible con una relación aire-combustible fija de 14,7 y un rendimiento fijo del 30 por ciento. Los motores turbo reales funcionan con mezcla más rica a plena presión y retrasan el encendido para evitar el picado.
• Se dejan fuera las pérdidas de presión en el filtro, los tubos y el intercooler, y también la válvula de alivio que deja escapar la presión cuando se cierra el acelerador.

De los motores de barco a los coches de gasolina pequeños

La patente de 1905 del ingeniero suizo Alfred Büchi suele considerarse el comienzo de la sobrealimentación por turbo. Brown Boveri terminó su primer turbocompresor para motores grandes, el VT402, en junio de 1924, y los transatlánticos alemanes Preussen y Hansestadt Danzig, botados en 1926, fueron los primeros barcos con motores turboalimentados, construidos bajo la supervisión de Büchi. Después llegaron los aviones: desde finales de la década de 1930, el Boeing B-17 voló con turbos de General Electric, que mantenían la potencia de sus motores en el aire enrarecido de la altura. En los coches, el retardo y el tamaño los frenaron durante mucho tiempo. Hoy un turbo es una forma habitual de sacar más potencia de un motor más pequeño, lo que los ingenieros llaman downsizing.

Por qué un bar no duplica exactamente el aire

El indicador de sobrealimentación suele medir la presión por encima de la atmosférica, mientras que la ley de los gases emplea presión absoluta, medida desde el vacío. Para un ejemplo redondeado, supongamos una atmósfera de 1 bar absoluto y una temperatura de admisión constante. Una sobrepresión de 1 bar equivale entonces a 2 bar absolutos. Según ρ = p / (R T), duplicar la presión absoluta duplica la densidad, de modo que el mismo cilindro contiene el doble de masa de aire. Eso no significa que añadir un bar siempre duplique el aire: partir de 2 bar absolutos y añadir otro da una relación de 3 / 2.

La temperatura cambia el resultado. Imaginemos que la compresión lleva el aire de 300 K a 400 K mientras duplica su presión absoluta. Son supuestos ilustrativos, no otra configuración del modelo. La relación de densidades resulta 2 × 300 / 400 = 1,50. Enfriar esa carga hasta 330 K a igual presión cambia la relación a 2 × 300 / 330 = 1,82. El refrigerador no ha añadido presión en este cálculo: ha permitido alojar más masa en el volumen disponible. Hay que usar kelvin; dividir temperaturas en grados Celsius daría una respuesta incorrecta porque esa escala no comienza en el cero absoluto.

La exposición usa una presión atmosférica de 1,013 bar, no el valor redondeado de 1 bar. Por ello, su sobrepresión de 1 bar corresponde a una relación de presiones ligeramente inferior a 2, y sus temperaturas y densidades difieren un poco del ejemplo. Un intercooler real también causa pérdidas de presión, y un filtro obstruido reduce la presión de entrada del compresor. La guía de mapas de Garrett incluye las pérdidas de entrada y salida al calcular la relación real del compresor. El número del salpicadero no basta para saber cuánto trabajo está realizando.

Hay un malentendido parecido sobre la potencia. Más oxígeno permite quemar más combustible; no sustituye al combustible. Con la mezcla y eficiencia fijas de la exposición, un aumento proporcional de masa de aire produce un aumento proporcional de potencia calculada. Un controlador real puede limitar el par, retrasar el encendido o cambiar la mezcla. Dos motores con la misma lectura de presión pueden tener temperaturas de admisión, cilindradas y potencias diferentes. La presión es información útil, pero no mide directamente los caballos ni la seguridad mecánica.

Por qué una rueda mayor no puede girar cada vez más deprisa

El cálculo anterior de velocidad periférica relaciona la lectura del eje con la velocidad física de la punta de las palas. Para la rueda del modelo, de 50 mm de diámetro, 100 000 rpm dan unos 262 m/s. A 250 000 rpm, el mismo cálculo da unos 654 m/s. Son ejemplos geométricos dentro de un intervalo plausible para turbos pequeños, no puntos de funcionamiento autorizados para esta rueda. Su supervivencia real depende del material, la forma de las palas y el límite del fabricante. Las partículas coloreadas y la rotación deliberadamente ralentizada no pueden mostrar esas tensiones.

A radio constante, la aceleración necesaria para mantener un elemento de la pala en movimiento circular aumenta con el cuadrado de la velocidad angular. Duplicar la velocidad exige, por tanto, cuatro veces la aceleración centrípeta. Un radio mayor también eleva la velocidad periférica a las mismas rpm. Por eso un gran turbo industrial puede girar mucho más despacio que uno pequeño de automóvil sin realizar menos trabajo útil. La lección del MIT trata la tensión centrífuga como una limitación de velocidad; citar muchas rpm sin indicar el tamaño de la rueda omite buena parte del problema de ingeniería.

Un mapa de compresor añade otra restricción. Garrett representa el caudal másico en el eje horizontal y la relación de presiones absolutas en el vertical. Las curvas muestran velocidades del eje, y las islas de eficiencia señalan dónde se pierde menos trabajo en forma de calor. En el lado de poco caudal, el bombeo o surge es una condición inestable, no simplemente una potencia baja. En el límite de gran caudal, el bloqueo sónico y la pérdida de eficiencia restringen el funcionamiento útil; intentar aumentar más la presión puede causar sobrevelocidad. Un compresor mayor no es automáticamente mejor: los puntos de funcionamiento del motor deben encajar en su mapa en todo el intervalo requerido.

Cerrar bruscamente la mariposa puede desplazar el punto hacia el bombeo: el motor deja de admitir tanto aire mientras la rueda sigue girando. Las instalaciones reales utilizan una válvula de recirculación o descarga del compresor para aliviar esa condición. Es distinta de la wastegate del escape. La exposición omite esa válvula y no tiene mapa de compresor, de modo que no puede predecir ruidos de bombeo ni validar un turbo de recambio. Su prueba de acelerador demuestra el retraso de presión, no todas las inestabilidades de una admisión real.

Separar los pulsos de escape o cambiar la entrada de la turbina

Una turbina de doble entrada, o twin-scroll, sigue teniendo una sola rueda. Su carcasa contiene conductos de escape separados, y un colector dividido mantiene apartados determinados grupos de cilindros hasta la rueda. La separación conserva pulsos útiles y reduce interferencias entre cilindros. La descripción técnica de BorgWarner de una aplicación de seis cilindros de serie explica cómo esos conductos mejoran la respuesta a bajo régimen. Twin-scroll no significa biturbo; añadir un tabique a la carcasa sin conservar la división correspondiente en el colector no reproduce el conjunto completo.

La geometría variable aborda otra parte del problema. Unas paletas móviles alrededor de la turbina modifican el paso efectivo de entrada. Garrett explica que las paletas de su VGT diésel se cierran a bajo régimen para aumentar la potencia de la turbina y la presión, y se abren a alto régimen para dejar pasar más escape y evitar la sobrevelocidad. La rueda no cambia de tamaño. El controlador puede adaptar la turbina a más condiciones de caudal que una carcasa fija, aunque siguen siendo necesarios un actuador más complejo y la gestión del entorno de gases calientes.

Ningún diseño elimina la energía necesaria para acelerar el rotor. Aprovechar mejor los pulsos o disponer de una entrada más adecuada puede acortar la respuesta, pero un escape débil sigue limitando la energía disponible. Una turbina pequeña puede ayudar a bajo régimen y resultar restrictiva con mucho caudal. Una mayor puede reducir esa restricción y ser más difícil de acelerar. La elección depende del motor y su servicio, no de una clasificación universal de diseños. Estas carcasas alternativas no se pueden seleccionar en la exposición: la turbina visible es el ejemplo de geometría fija con wastegate descrito antes.

Cuándo reducir la cilindrada ahorra combustible

El downsizing consiste en sustituir un motor grande por uno menor que usa sobrealimentación cuando se necesita mucha potencia. Su interés es que buena parte de la conducción ordinaria solo exige una fracción de la potencia máxima. Un motor menor puede tener menos fricción y trabajar con menos estrangulamiento para la misma demanda de marcha. El turbo recupera parte de las prestaciones que se perderían al reducir la cilindrada. Se comparan sistemas completos que hacen el mismo trabajo; no se afirma que montar un turbo en cualquier motor ahorre combustible automáticamente.

El informe Automotive Trends de la EPA agrupa el turbo con otras tecnologías y analiza sus efectos combinados sobre prestaciones y eficiencia. Esos datos de flotas describen la adopción tecnológica y vehículos completos; no aíslan un ahorro garantizado debido únicamente al turbo. La masa, el desarrollo de la transmisión, la resistencia al avance y la calibración influyen en el resultado. Una comparación justa exige vehículos equivalentes en el mismo ciclo de conducción. No se puede deducir un porcentaje único de ahorro de la potencia mostrada aquí, porque la exposición no modela un vehículo ni un ciclo de marcha.

Una presión elevada también impone límites. Mayor presión y temperatura de admisión pueden hacer que la mezcla no quemada de un motor de gasolina se autoencienda antes de que la consuma el frente normal de llama. Las oscilaciones rápidas de presión resultantes son detonación, no el encendido por chispa previsto. Enfriar la carga ayuda, al igual que un combustible con suficiente resistencia a la detonación y un encendido adecuado. También importa la relación de compresión, pero es una relación geométrica de volúmenes del cilindro, no la relación de presiones del compresor. Describen procesos distintos y no deben sumarse. El modelo fija mezcla y eficiencia y no calcula detonación: una potencia creciente no autoriza a subir el límite de presión de un coche real.

Un compresor mecánico por correa obtiene el trabajo del cigüeñal y puede responder sin esperar a que acelere una turbina de escape. Esa demanda de eje consume potencia del motor. Un turbo asistido eléctricamente añade par de un motor eléctrico al eje común de turbina y compresor. La documentación de eTurbo de BorgWarner también describe su funcionamiento como generador con energía sobrante de la turbina. Su producto separado eBooster es un compresor eléctrico que complementa un turbo convencional; no es el mismo dispositivo que un motor en el eje del turbo. La energía de la batería, las pérdidas eléctricas y la evacuación de calor siguen contando. Ninguno produce aire comprimido gratis.

Tres comparaciones en pantalla

Para comparar la refrigeración, mantén 4000 rpm, acelerador a fondo y el límite de sobrealimentación en 1 bar. Espera a que se estabilicen las curvas del eje y de presión antes de anotar la potencia. Cambia solo el intercooler. El modelo da aproximadamente 115 kW con refrigeración y 95 kW sin ella. Compara también la temperatura que entra al motor y el aire por cilindro. Se prueba la densidad con una presión casi constante, no un cambio de tamaño del motor.

Para comparar la respuesta, fija 2000 rpm y deja estabilizar el sistema con el acelerador al 15%. Pasa a fondo y observa la gráfica de los últimos 8 s. La curva del acelerador se mueve primero; la presión sigue la respuesta del rotor. Repite a 3500 rpm con la misma apertura inicial. No compares curvas inmediatamente después de modificar varias opciones, pues sus velocidades iniciales del eje serían distintas. La sencilla ley de retraso hace repetible la prueba, pero no es un ensayo medido de aceleración de un motor de serie.

Para comparar la wastegate, conserva el acelerador a fondo y el mismo límite mientras subes de 4000 rpm a 6000 rpm. La apertura de la válvula aumenta, pero la presión estabilizada sigue limitada. Más apertura no significa que el turbo deje de trabajar: el escape sigue moviendo la rueda, aunque una proporción mayor la evita. Finalmente, pon el límite de presión a cero y compara la potencia una vez estabilizada. Estas pruebas distinguen refrigeración, respuesta transitoria y control de presión sin afirmar que simulan consumo, detonación o diseños alternativos de turbina.