Turbocompresores: Temperatura, Intercooler, Geometría Variable y Compresores Volumétricos

Funcionamiento y Componentes Clave del Turbocompresor

Temperatura en el Turbocompresor

Las temperaturas dentro de un turbocompresor varían significativamente:

• En la turbina (lado del escape): Alcanza entre 800 y 1000 °C.
• En el compresor (lado de la admisión): La temperatura máxima suele ser de unos 80 °C.

Debido a esta gran diferencia, el eje que une la turbina y el compresor experimenta temperaturas muy distintas en sus extremos. El turbo se refrigera principalmente por el aceite del motor y, en parte, por el aire de admisión fresco que recoge calor del rodete del compresor al pasar por él. Sin embargo, si el aire de admisión se calienta demasiado, se dilata (pierde densidad), lo que perjudica el rendimiento volumétrico del motor.

El Intercooler y su Función

El intercooler es un intercambiador de calor esencial. El aire, que sale caliente del rodete del compresor debido a la compresión, se introduce en el intercooler para enfriarlo antes de que entre en los cilindros del motor. El enfriamiento se produce por el aire exterior que choca contra las aletas del intercooler mientras el vehículo está en movimiento, logrando rebajar la temperatura del aire de admisión en unos 40 °C o más.

Al enfriar el aire, este se vuelve más denso, lo que permite introducir una mayor masa de aire en los cilindros. Esto resulta en un aumento significativo de la potencia y el par motor.

Ventajas del Intercooler:

• No consume energía directamente del motor.
• Su localización suele ser accesible (frontal, lateral).
• Tiene un volumen relativamente reducido.
• Ofrece una gran capacidad para mejorar el rendimiento, especialmente a altos regímenes de compresión.

Turbocompresor de Geometría Variable (VGT)

Los turbocompresores de geometría variable (VGT) mejoran la respuesta del motor, especialmente a bajas RPM, eliminando inconvenientes típicos de los turbos de geometría fija, como el retraso en la respuesta (turbo lag). Una ventaja clave es que, en muchos diseños, no necesitan una válvula de descarga (wastegate) separada, ya que el propio sistema de álabes móviles puede regular la velocidad de la turbina y limitar la presión de sobrealimentación.

La gestión electrónica del motor controla la incidencia de los gases de escape sobre la turbina. En la carcasa de la turbina se instala una corona con álabes móviles. Esta corona está unida mecánicamente a una varilla, la cual es accionada por una cápsula neumática (actuador). Según la posición de estos álabes, se optimiza el flujo de gases para diferentes regímenes de giro del motor.

Funcionamiento a Bajas RPM

En regímenes bajos, la sección de paso entre los álabes móviles se hace pequeña (se cierran parcialmente). Esto aumenta la velocidad de los gases de escape al pasar por la turbina, lo que eleva rápidamente la velocidad de giro de la turbina y, por ende, la del compresor. El resultado es una mejor sobrealimentación y respuesta del motor a bajas revoluciones.

Funcionamiento a Altas RPM

Al aumentar las revoluciones del motor, también aumenta el volumen y la velocidad de los gases de escape, lo que tiende a acelerar excesivamente el rotor del turbocompresor y aumentar demasiado la presión de soplado. Para evitarlo, el sistema de gestión actúa sobre el actuador, que mueve los álabes hacia una posición más abierta. Al aumentar la sección de paso, disminuye la velocidad con la que los gases inciden sobre la turbina, controlando así la velocidad de giro del compresor y manteniendo la presión de sobrealimentación dentro de los límites deseados.

Ventajas del VGT:

• Presión de sobrealimentación más constante en un rango más amplio de RPM.
• Mejora del consumo de combustible.
• Curva de potencia más progresiva y lineal.
• Aumento general de potencia y par motor (aproximadamente 10-20% respecto a geometría fija).
• Mayor par motor disponible a bajos regímenes.
• Se mantiene una buena potencia a altos regímenes.

Electroválvula de Control de Presión (Control VGT)

La posición de los álabes del VGT, y por tanto la presión de sobrealimentación, es regulada por la Unidad de Control del Motor (UCE) basándose en un mapa de curvas predefinido. La UCE controla una electroválvula (también llamada convertidor de presión) que modula el nivel de vacío (depresión) aplicado al actuador neumático del turbo.

Esta electroválvula gestiona el actuador que mueve la varilla y los álabes, influyendo directamente sobre cómo y a qué velocidad los gases de escape actúan sobre la turbina. El control se realiza modulando entre la presión atmosférica y el vacío generado por una bomba de vacío o el colector de admisión.

Funcionamiento a Bajas RPM (para máxima respuesta)

La UCE activa la electroválvula para que aplique máximo vacío al actuador. La membrana del actuador se contrae, tirando de las varillas y cerrando los álabes. Esto acelera los gases de escape, aumentando rápidamente el giro de la turbina.

Funcionamiento a Altas RPM (para limitar presión)

La UCE desactiva o modula la electroválvula, reduciendo o eliminando el vacío aplicado al actuador. La presión atmosférica (o la fuerza de un muelle interno) mueve la membrana en sentido contrario, empujando las varillas y abriendo los álabes. Esto aumenta la sección de paso, reduce la velocidad de los gases sobre la turbina y limita la presión de sobrealimentación.

Compresor Volumétrico: Una Alternativa de Sobrealimentación

El compresor volumétrico (o supercargador) es otro tipo de sistema de sobrealimentación, pero a diferencia del turbocompresor (que aprovecha la energía de los gases de escape), este es accionado mecánicamente por el propio motor.

• Se conecta directamente al cigüeñal mediante una correa o un sistema de engranajes.
• Su función es forzar la entrada de aire en los cilindros a una presión superior a la atmosférica.
• Generalmente no requiere una válvula de descarga (wastegate), ya que su velocidad de giro es proporcional a las RPM del motor, lo que limita de forma inherente la sobrealimentación máxima.

En un diseño común (tipo Roots), el aire se introduce en una cámara donde dos rotores (lóbulos), a menudo con forma de '8' o helicoidales, giran sincronizados pero en sentido contrario. Estos rotores atrapan y fuerzan el aire hacia el colector de admisión. Es importante destacar que no suele haber contacto directo entre los rotores ni entre estos y la carcasa, lo que puede generar pequeñas fugas internas de aire, resultando en una eficiencia adiabática generalmente menor que la de un turbocompresor.