Cómo funciona un turbo y un compresor: tipos de sobrealimentación

Los sistemas de sobrealimentación permiten aumentar notablemente el rendimiento de un motor. Básicamente, lo que se persigue al sobrealimentar un motor es introducir más aire en los cilindros del que el motor es capaz de aspirar por sí solo a presión atmosférica.

¿Para qué queremos más aire en la cámara de combustión? Pues porque, aunque sea contarlo de una forma muy simple,  la potencia de un motor depende de la cantidad de oxígeno (y, por lo tanto, del aire) que podemos hacer reaccionar con el combustible para producir una potente explosión –o combustión, según hablemos de gasolina o diésel, respectivamente– que empuje el pistón.

Para ello, hay que comprimir el aire de admisión utilizando un mecanismo de sobrealimentación, que puede ser de dos tipos: turbo (también llamado turbocompresor) o compresor.

Vamos a ver el principio de funcionamiento de un turbo y de un compresor. De esta forma, podrás entender mejor las ventajas y los inconvenientes en cada caso.

Antes de ello, conviene recordar que ni el compresor ni el turbo son tecnologías recientes.

La sobrealimentación se utiliza en el automovilismo desde la primera década del siglo XX. En el caso de los compresores se adaptó un mecanismo que ya se utilizaba en otras aplicaciones industriales. En cuanto al turbocompresor, tuvo su desarrollo inicial en motores de avión, para compensar la menor densidad del aire a medida que aumenta la altitud.

Así funciona un turbo

Un turbo consta básicamente de dos turbinas unidas de forma solidaria por un eje que giran dentro de una carcasa. El principio de funcionamiento es aprovechar la energía cinética de los gases de escape del motor.

Los gases de escape se hacen pasar por la primera turbina, provocando su giro. Como la segunda turbina es solidaria, también girará. En este caso, el movimiento de la segunda turbina se aprovecha para generar presión empujando el aire en el colector de admisión.

Varias cosas importantes que hay que saber de los motores con turbocompresor. Lógicamente, cuanto mayor sea el turbo, más capacidad tiene de generar presión. Sin embargo, también costará más que los gases de escape aceleren la turbina, lo que puede provocar un retraso en respuesta entre que se pisa el acelerador y es efectiva la entrega de potencia. Es lo que se conoce como turbo lag.

Más cosas. Las turbinas pueden girar a velocidades muy altas, superiores a las 150.000 rpm. Por ello la correcta lubricación del turbo (en concreto, de su eje) es tan importante para evitar averías. Para ello conviene tener muy claro la importancia que juega el aceite del motor.

El posible exceso de presión generado por el turbo se controla mediante una válvula de descarga. El ajuste de esta válvula, que deja “escapar” el aire, es la que permite regular el tarado o la presión de soplado del turbo.

Además, para mejorar el rendimiento, los motores turbocomprimidos suelen contar con un radiador denominado intercooler. Lo que hace este radiador es enfriar el aire de admisión tras su paso por el turbo, que ha aumentado de temperatura al comprimirse, perdiendo densidad de oxígeno.

Por terminar con el turbocompresor, mencionar que es un sistema para aumentar el rendimiento que se lleva especialmente bien con los motores diésel, que funcionan por compresión de la mezcla, no por explosión de la misma mediante la chispa de una bujía.

Los motores de gasolina requieren una mezcla con una proporción de oxígeno y combustible determinada (para los más curiosos, se llama mezcla estequiométrica) para que la combustión sea eficaz, mientras que un diésel es capaz de quemar todo el oxígeno que seas capaz de introducir en la cámara de combustión.

De hecho, hace ya tiempo que no existen en el mercado motores diésel atmosféricos. En los gasolina, el turbo empezó a cobrar importancia con la llegada de la inyección electrónica, que permitía controlar la mezcla con mayor precisión que los motores turbo con carburador. Pero esto daría para otra historia. Actualmente existen marcas con excelentes motores de gasolina sin turbo. Un ejemplo es el 2.0 Skyactive de Mazda que probamos en el CX-30.

Tipos de turbos

Existen distintos tipos de turbocompresores, en función de la aplicación a la que se van a destinar. Según su “geometría” se dividen en turbos fijos o variables.

• Turbocompresor de geometría fija. En este tipo de turbocompresores, el flujo de aire que incide sobre la turbina accionada por los gases de escape lo hace siempre de las misma forma. Su fabricación es más sencilla, al tener menos partes móviles. El problema es que cuando el motor gira a bajas revoluciones el flujo de los gases de escape no lleva energía suficiente para acelerar rápidamente la turbina, produciéndose el ya mencionado turbo-lag o retraso de respuesta del turbo.
• Turbocompresor de geometría variable. Se les conoce también como VGT (por las siglas en inglés, Variable Geometry Turbocharger). Cuentan con unas aletas en la zona de la turbina accionadas de forma neumática o eléctrica. Permiten variar la forma en la que inciden los gases de escape sobre ella, principalmente para acelerar su movimiento cuando el flujo de gases es pobre. Eliminan en gran parte el retraso de respuesta del turbo.
• Turbo Twin-Scroll: Se denominan también turbos de doble entrada. Lo que hacen es jugar con el flujo de los gases de los cilindros y separarlo para que no se cree contrapresión en el colector de admisión

En este vídeo puedes ver cómo es el proceso de funcionamiento de un turbocompresor, en concreto de geometría variable.

Así funciona un compresor

Nos pasamos ahora al compresor. El objetivo sigue siendo el mismo que en el turbo, introducir aire comprimido en la cámara de combustión. Pero aquí no se utiliza la energía de los gases de escape, sino que el mecanismo compresor está accionado por el propio motor, normalmente mediante una correa conectada al cigüeñal.

Su aplicación también se remonta a principios del siglo XX, cuando se utilizaban en modelos de competición como medio para conseguir altas potencias. Al no depender de los gases de escape, no ofrecen retraso de respuesta. Pero a altas revoluciones implican una gran pérdida de potencia del motor, lo que reduce la eficiencia.

Tipos de compresores

Existen distintos tipos de compresores, según su arquitectura.

• Compresor tipo Roots.  Se denomina también “de lóbulos”, por los rotores con forma de ocho que giran en sentido contrario en el interior de una carcasa, impulsando el aire.
• Compresor Eaton. También se les conoce como compresores “de tornillo”. Están formados por dos elementos con forma helicoidal que giran engranados, de forma que el aire que entra entre las dos piezas girando se encuentra con un volumen que disminuye, lo que hace aumentar la presión.

Otro tipo de compresor, que Volkswagen utilizó sin éxito en la década de los 90, es el compresor G, conocido como compresor Scroll. Están formados por una espiral fija y una interna móvil, que comprimían el aire al moverse. Dejaron de aplicarse por la complejidad de su fabricación y su baja fiabilidad.

Vídeo compresor roots

Vídeo compresor Eaton

¿Qué es mejor, un turbo o un compresor?

Si has llegado hasta aquí, podrás tener tu propia opinión sobre si es mejor un turbo o un compresor. Porque no hay una única respuesta a este pregunta. Depende del tipo de motor, y de lo que quieras conseguir. De hecho, como verás, hay marcas que recurren a ambos sistemas juntos.

Por resumir, el compresor permite obtener una respuesta prácticamente instantánea al acelerador desde un régimen muy bajo. Pero son voluminosos, y su accionamiento resta potencia al motor.

El turbocompresor no “roba” energía al motor, utiliza la de los gases de escape, que de otra forma se perdería. Pero presenta el problema del retraso de respuesta cuando no hay suficientes gases de escape que muevan la turbina, tanto más cuanto mayor es el turbo. Esto obliga a recurrir a soluciones como la utilización de más de un turbocompresor (pequeño para bajas revoluciones, grande para alta potencia a regímenes de giro elevados); Mercedes-Benz o BMW han llegado a utilizar hasta tres turbos en algunos de sus motores.

También hay marcas que han recurrido a la doble sobrealimentación para combinar las ventajas de ambos sistemas. Y no precisamente en modelos deportivos. Sin ir más lejos, muchos modelos del Grupos Volkswagen llegaron a utilizar un compresor y un turbo en el popular 1.4 de cuatro cilindros que equipaba, entre otros, el Volkswagen Golf.

La nueva era de la electrificación ha abierto las puertas a los turbocompresores con asistencia eléctrica, como el EPC que de Audi, con un compresor eléctrico que se encarga de acelerar la turbina para reducir el turbo lag a bajas revoluciones. Otra solución, también vista en los últimos modelos deportivos de Audi con motor TDI, es la combinación de un compresor eléctrico con un turbo.

Uno de los mayores especialistas en sobrealimentación, BorjgWarner, ya ha desarrollado su tecnología eBooster, que utiliza precisamente un compresor eléctrico para asistir al turbo movido por los gases de escape. Puedes ver cómo funciona en este vídeo.