Turbocargadores

Sabemos que se produce más poder por tener más aire en el cilindro, pero quisiera explicar una de las causas de la ineficiencia del sistemas. La ganancia de poder no es gratis y para lograrlo se debe mover la turbina que se encuentra en el escape, la necesidad de mover la turbina, que presenta una resistencia a los gases del escape.

El turbo está conectado al múltiple de escape del motor. Los gases del escape giran la turbina, que funciona como un motor de turbina de gas. La turbina está conectado por un eje al compresor, que se ubica entre el filtro de aire y la admisión de aire. El compresor presuriza el aire que va a hacia los cilindros.

Los gases del escape pasan por las aspas de la turbina, causando a la turbina girar. Mientras más gases pasan por las aspas, más rápido girará la turbina. En el otro extremo del eje, en el compresor se está bombeando el aire hacia los cilindros. El compresor es un tipo de bomba centrífuga - toma el aire del centro de sus cuchillas y lo impulsa hacia el borde exterior. La compresión del aire resulta no solo porque el ser impulsado por las aspas y encontrarse con el interior de la carcasa sino también  El efecto de compresión es aumentado porque en el pequeño tramo que recorre el aire en la rueda el compresor podrán observar que la apertura de donde toma el aire es más ancho de la salida.

Rueda del Compresor	Rueda de la turbina

El interior del turbo llega a alcanzar velocidades impresionantes de 150.000 rpm, por esto es necesario tener soportar el eje en forma muy cuidadosa. La mayoría de los rodamientos explotarían a velocidades semejantes, por esta razón la mayoría de los turbocargadores utilizan lo que se llaman un rodamiento fluido. Este tipo de rodamiento apoya el eje en una delgada capa de aceite que está constantemente siendo bombeado alrededor del eje. Cumple dos propósitos: enfría el eje y otras partes del turbo y permite el eje girar sin mucha fricción.

Consideraciones de diseño

Hay varios puntos que hay que tomar en cuenta cuando uno elige un turbo. Ya que se presentan situaciones de ventajas y desventajas.

Demasiado boost
El problema de producir demasiado boost, tomando en cuanta que hemos superado las restricciones de diseño originales del auto, es con que hay que tener bastante cuidado: la detonación (detonation o knock en inglés). Más adelante tendré que explicar de que se trata esto, por ahora explico las soluciones. Primero la detonación surge por demasiado compresión. Normalmente cuando se prepara un motor con turbo una de las consideraciones que se toma en cuenta es reducir la compresión de los cilindros, menos de 10:1 es suficiente. Para disminuir la compresión hay varias soluciones, la más simple es ocupar un empaquetadura un poco más grueso o en su defecto incluso ocupar dos aunque no es lo óptimo. Otra solución es cambiar el pistón. Variaciones que normalmente se hacen en este aspecto es si el pistón tiene domo, sacar el domo y si no tiene se le hace un sacado, esto obviamente es más caro, pero existen motivos por lo cual hacer, por ejemplo un cambio de un pistón fundido a uno forjado, con las características antes mencionados. Otra solución y lo que normalmente se hace es retardar progresivamente el encendido. MSD fábrica un módulo especialmente con este propósito, el 6-BTM. Como funciona el sistema: el módulo recibe un señal en cuanto a la presión de aire o boost en la admisión, y el módulo con está señal retarda el encendido respectivamente en proporción al boost que existe, este es la solución óptima, ya que se utiliza el máximo desempeño en todo momento, con el encendido y en su mejor punto.

Turbo Lag o Retardo
Uno de los problemas principales con los turbocargadores es que no entregan un aumento de potencia instantánea cuando pisas el acelarador. Se demora un tiempo para que la turbina obtenga la velocidad necesario para que produzca boost. Esto resulta en sentir un retardo desde cuando pisas el acelerador y cuando el auto parte acelerando cuando el turbo empiece a funcionar.

Una de las maneras de reducir el turbo lag es reducir la inercia de las partes rotatorias, principalmente reducinedo su peso. Esto permite a la turbina y compresor acelerar rápidamente, para entregar boost en forma más temprana.

Turbo Grande vs. Chico
El tamaño del turbo más que referirse necesariamente al tamaño en si de la unidad del turbo se trata más a la capacidad del sistema de mover aire. Por ejemplo muchos sino la mayoría de los motores diesel de los buses tienen turbos, pero como se pueden imaginar que no tienen el mismo tamaño que podrá tener el turbo de un Fiat Uno.

Una de las maneras seguras de reducir la inercia de la turbina y el compresor es hacer el turbocargador más pequeño. Un pequeño turbo entregará boost en forma más rápida y a velocidades del motor más bajos, pero tal vez m¡no podrá entregar mucho boost a velocidades del motor más altos volúmenes más grandes de aire están entrando al motor, también existe el peligro de girar demasiado rápido, cuando ha mucho gases del escape que están pasando a través de la turbina.

Uno turbo grande entregará más boost a velocidades de motor más altos, pero podrá sufrir mucho más de las consecuencias de Turbo Lag porque se demora más en acelerar la turbina y el compresor más pesado.

Para superar los temas anteriores en las consideraciones de diseño hay varias opciones

Wastegate
La mayoría de los turbos tienen un wastegate, que permite el uso de un turbo más pequeño que reduce el retardo pero a su vez previniendo que gire demasiado rápido. En este link se explica la diferencia entre el Blow Off Valve y el Wastegate.

Rodamientos
Algunos turbos utilizan rodamientos y en vez del rodamiento de fluido para sostener el eje. Pero no son los típicos rodamientos, son rodamientos de alta precisión fabricados con materiales muy avanzados que están diseñados para soportar las altas temperaturas y velocidades del turbocargador. Permiten que el eje de la turbina gire con menos fricción, a su vez de permitir utilizar un eje más pequeño y liviano que tiene los beneficios de poder acelerar en forma más rápida.

Aspas Cerámicas de la Turbina
Las aspas cerámicas son más livianas que las de acero y son utilizados en la mayoría de los turbos, nuevamente por ser más liviano tiene menos inercia, y acelera más rápido.

Turbocargadores Sequenciales
Algunos motores utilizan dos turbocargadores de distintos tamaños. El más pequeño alcanza su velocidad de operación en forma muy rápida, reduciendo el lag, y el más grande lo reemplaza a velocidades del motor más altas, para entregar más boost. Este sistema apareció por primera vez en el Porsche 959 de 1986. No es un sistema muy utilizado por que se requiere el todos los cilindros se conectan con ambos turbocargadores, lo que cree problemas de espacio o "empaque".
Quienes lo utilizan: Mazda RX7, Toyota Supra

Turbina de Geometría Variable
Se usan normalmente en motores diesel, pero no hay ningún motivo por lo cual no se podría utilizar en motores de bencina. La teoría es la siguiente: la turbina funciona mejor si los gases impactan las aspas de la turbina a un ángulo recto a bajas velocidades y a un ángulo más agudo velocidades más altas. Por lo tanto el mecanismo del Turbina de Geometría Variable varía el ángulo del chorro del escape, de acuerdo a la velocidad, mejorando así la aceleración de la turbina.
Quienes lo utilizan: Audi 2.5 TDi V6, BMW 2.0 DI inline-4

Intercooler
Cuando el aire es comprimido, se calienta, (Ley de Charles), y cuando se caliente se expande, si tiene está posibilidad, lo cual es el caso. Parte del aumento de la presión del turbo proviene del aire calentándose antes de entrar al motor. Para obtener más potencia, el objetivo es meter más moléculas de aire, o más bien oxígeno O₂, al cilindro no más presión de aire. Abajo podemos ver como está conectado un intercooler (cooler quiere decir más frío en inglés y el inter=entre, porque se encuentra entre el compresor y el cilindro). 

Un intercooler en términos de mecánica es un simple intercambiador de calor, hay de dos tipos Aire a Aire o Aire a Agua, este concepto llevado a su máxima expresión lo tiene el Subaru Impreza 22B tiene un botón que al activarlo tira una neblina agua casi congelada sobre el intercooler. Se parece mucho a un radiador, bueno hace casi lo mismo. El aire de la admisión pasa a través del enfriador, mientras que el aire más frío del exterior pasa por sobre las aletas de los tubos. Al final, un turbo que está funcionando a 7 psi, sigue funcionando a 7 psi, pero está inyectando un aire mucho más denso al motor.