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Turbo Vs. Twin-Turbo Vs. Twin-Scroll Turbo Vs. geometría variable Vs. Twin-Scroll variable Vs. Turbo eléctrico

No es la primera vez que os hablamos del turbo. No hace mucho os hemos hablado de algunos tipos de sistemas de turbocompresión, del funcionamiento del turbo y de las averías del turbo, sin embargo, el artículo de hoy va de algo un poco diferentes, de ventajas y desventajas.

¿Qué es un turbo y para qué sirve?

Un turbo, no es un concepto nada nuevo en el mundo de la automoción. Se trata de un elemento que se inventó en los primeros años del siglo pasado por Alfred J Büchi, un ingeniero de automoción. Pero no fue hasta la década de los 40, cuando se empieza a implantar en instalaciones industriales, marinas y ferroviarias. Ésta tecnología ha ido evolucionando a un ritmo, relativamente lento, hasta que se ha ido incorporando en los vehículos equipados con motor diésel, donde se ha hecho muy popular.

turbocompresor

El motivo por el que se ha popularizado tanto en los motores diésel radica en la idea de funcionamiento del propio motor. Si os acordáis del artículo sobre inyección diésel, os comentábamos que la forma en que se genera la combustión en este tipo de motores es por compresión, por lo que no hay mezcla alguna de aire-combustible en la carrera de compresión; sólo hasta que el pistón no llega al punto muerto superior (donde termina la carrera de compresión) no se inyecta el combustible.

Basándonos en esta idea de funcionamiento de exceso de aire, el turbo hace que entre más cantidad de aire en el cilindro a base de comprimirlo, en condiciones de misma cilindrada unitaria y régimen de motor (rpm). Además, las presiones que se alcanzan al final de la carrera de compresión y sobre todo en la de expansión son muy superiores (40-55 bar) que en los motores gasolina (15-25 bar).

Al introducir más cantidad de aire en el cilindro, estamos aumentando la cantidad de oxígeno, por lo que necesitaremos mayor combustible para quemarlo, obteniendo como resultado un aumento de potencia y par motor.

Estas presiones se consiguen mediante una turbina accionada por los gases de escape, en cuyo eje se fija un compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión. Los gases de escape inciden radialmente en la turbina, saliendo axialmente después de ceder gran parte de su energía interna (mecánica + térmica) a la misma. El aumento de temperatura producido por la compresión del aire, la vamos a contrarrestar mediante el uso de un intercambiador de calor o intercooler, el cual nos va a reducir la temperatura antes de volver a entrar en el cilindro. La energía utilizada para comprimir el aire de admisión proviene de los gases de escape, no resta potencia al motor cuando el turbocompresor está trabajando, ni provoca pérdidas fuera del rango de trabajo del turbo, si lo comparamos con otros sistemas, como los sistemas con compresor mecánico (sistemas en los que el mismo compresor está accionado por una polea conectada al cigüeñal).

Como todo en la vida, hay diferentes tamaños de turbocompresor, donde los más pequeños y de presión de soplado más baja nos darán una presión máxima de 0,25 bar, mientras que los más grandes alcanzan los 1,5 bar. En motores de competición se llega a presiones de 3 y 8 bar dependiendo de si el motor es gasolina o diésel.

En el mundo de los turbocompresores, nos podemos encontrar con varios tipos sistemas, sin embargo, ¿sabes cuantos tipos hay en el mercado?. Al igual que existen varios tipos de motores, en el mundo de los turbocompresores también hay tipos:

  1. Turbo convencional
  2. Twin-Turbo
  3. Twin-Scroll Turbo
  4. Turbo de Geometría Variable
  5. Twin Scroll Turbo Variable
  6. Turbo eléctrico

Vamos por partes y vamos a examinar cada tipo así como sus ventajas y desventajas.

1.- Turbo convencional de turbina fija

Son los más económicos y los más fiables. Se han estado utilizando en motores tanto diésel (inyección indirecta) como en gasolina. Al no tener piezas móviles, tienen un tiempo de respuesta muy alto, es decir, tienen un lag muy elevado, por lo que les cuesta mucho que comiencen a soplar.

Esta clase de turbocompresores son interesantes. Dependiendo del tamaño de la rueda del compresor y del tamaño de la turbina se modificarán las características de la curva de par. Dependiendo del tamaño del sistema completo, se desarrollará la potencia en una gama de revoluciones más alta (si es grande) o una gama de revoluciones más baja (si es más pequeño)

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Ventajas

  • Es la forma más rentable y económica de aumentar la potencia y la eficiencia del motor.
  • Es el sistema más simple y una de las opciones de turboalimentación más sencilla de instalar.
  • Permite el uso de motores pequeños para producir la misma potencia que los motores atmosféricos de mayor tamaño.

Desventajas

  • Esta clase de turbos cuenta con un rango de revoluciones bastante limitado. Esta clara desventaja nos plantea un problema y es que tendremos que elegir entre par o potencia.
  • La respuesta del sistema puede no ser tan rápida como en otras alternativas.

2.- Sistema Twin-Turbo

El sistema Twin Turbo da mucho más juego que el sistema de turbocompresión convencional. En el caso de ser empleado en motores más grandes o en forma de V (V6, V8, etc…) el desarrollador de la mecánica puede optar por varias configuraciones. Por un lado puede usar un turbocompresor en cada una de las bancadas de cilindros. Por otro lado se puede optar por montar dos turbocompresores. Uno más pequeño para “bajas” y otro más grande para “altas” de esta forma tendremos turboalimentación en un mayor rango de revoluciones. Además de estas configuraciones podemos montar dos turbos de tamaños similar para mejorar aún más la actuación del sistema.

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Ventajas

  • En el caso de este sistema y cuando se emplea en motores de 6 u 8 cilindros en forma de V, los beneficios son los mismos que en los turbos simples.
  • En el caso de montar un sistema secuencial de dos tamaños obtendremos una curva de par más plana y mucho más amplia.

Desventajas

  • Es un sistema mucho más costoso y bastante más complejo. Además, tenemos el doble de piezas que pueden fallar.
  • No es la manera más eficiente ni más ligera de obtener prestaciones similares así que sigue leyendo.

3.- Sistema Twin-Scroll Turbo

Se llaman así por tener dos entradas en la zona del compresor canalizando el aire de forma independiente a cada uno de los cilindros, por este funcionamiento hace que se asemejen mucho a los bi-turbo. Este sistema es de los más modernos ya que sus prestaciones son muy constantes en cualquier rango de revoluciones ya que aprovechan mejor la presión de los gases de escape para impulsar la turbina.

Este sistema es mejor en casi todos los sentidos respecto a los sistemas anteriormente expuestos. Al canalizar el aire de forma independiente nos encontramos que en motores de 4 cilindros (orden de encendido 1-3-4-2), los cilindros 1 y 4 pueden estar alimentándose del turbo de forma independiente respecto a los cilindros 2 y 3. ¿Por qué es beneficioso? Digamos que el cilindro 1 está terminando su ciclo y cuando el pistón se acerca el punto muerto inferior y la válvula de escape empieza a abrirse, el cilindro 2 está terminando la carrera de escape, cerrando la válvula de escape y la apertura de la válvula de admisión. En un sistema tradicional la presión de escape del cilindro 1 interferirá con el cilindro 2 tirando aire fresco ya que ambas válvulas de escape están temporalmente abiertas, lo que reduce la cantidad de presión alcanza e interfiriendo con la cantidad de cilindros. Al canalizar el aire, este problema se elimina.

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Ventajas

  • Se produce más potencia.
  • Una gama de revoluciones más amplia.
  • No se obstaculiza el ciclo de ninguno de los cilindros lo que permite una mayor flexibilidad y mayores posibilidades de desarrollo.

Desventajas

  • Requiere un diseño de motor y diseño de escape específico (L4 y V8 donde 2 cilindros pueden ser alimentados a intervalos regulares).
  • El coste y la complejidad frente turbos individuales tradicionales es mucho más elevado.

4.- Turbocompresor de geometría variable (VGT)

Tal vez sea una las formas más excepcionales de turboalimentación. Aunque es bastante común en los motores diésel, el uso es más limitado.

Consiste en un turbocompresor que tiene un mecanismo de álabes móviles que se abren y cierran haciendo variar la velocidad de los gases de escape al entrar en la turbina, en función de la carga de la misma. A menor caudal de gases de escape (bajas revoluciones) se cierra el paso entre los álabes provocando que los gases aumenten la velocidad al entrar en la turbina; a mayor caudal (altas revoluciones) necesitamos más trasiego por lo que estos se irán abriendo. Esto nos permite tener una presión muy lineal en todo el régimen de trabajo del turbo.

Ventajas

  • Amplia y plana curva de par. Turboalimentación eficaz en una amplia gama de revoluciones.
  • Requiere un solo turbo, lo que simplifica una solución más compacta y ligera.

Desventajas

  • Por lo general sólo se utiliza en mecánicas diésel donde los gases de escape tienen temperaturas más bajas por lo que las paletas no se dañan tanto por el calor.
  • Para su uso en mecánicas gasolina el coste se eleva exponencialmente por la necesidad de usar metales exóticos con mayor tolerancia a las altas temperaturas con el fin de mantener la fiabilidad.

5.- Twin-Scroll variable

BorgWarner parece contestar el sistema de turboalimentación definitivo al combinar varios conceptos.

Ventajas

  • Es significativamente más barato que turbos de geometría variable.
  • Permite una amplia y plana curva de par.
  • Un diseño más compacto en comparación con un turbo de geometría variable aunque esto depende de la selección de materiales.

Desventajas

  • El coste es muy elevado y es un sistema más complejo que un sistema simple o un tradicional twin-scroll.
  • La tecnología no terminará de cuajar como producto de producción.

6.- Los turbocompresores eléctricos

Como ya sabréis, los motores adquieren su característico tirón gracias a la presión del sistema de sobrealimentación que genera el turbocompresor cuya presión depende de los gases de escape.

El turbo eléctrico elimina dicha dependencia ya que su compresor eléctrico adicional permite establecer rápidamente la presión de sobrealimentación y permite alcanzar un elevado par motor incluso en regímenes bajos.

Además del clásico turbocompresor de gases de escape, el sistema de turbo eléctrico dispone de un segundo turbocompresor dispuesto en serie. En lugar de la rueda de la turbina, este sistema integra un pequeño motor eléctrico que acelera la rueda del compresor.

El compresor eléctrico adicional completa el desarrollo de la curva de par por debajo del citado margen y garantiza una respuesta rápida y una excelente elasticidad.

turbo eléctrico

Ventajas

  • Al conectar directamente un motor eléctrico a la rueda del compresor el retraso del turbo y la insuficiencia de los gases de escape pueden ser virtualmente eliminados haciendo girar el compresor con potencia eléctrica cuando sea necesario.
  • Mediante la conexión de un motor eléctrico para la turbina de escape, la energía desperdiciada puede ser recuperado.
  • Una muy amplia gama de revoluciones.

Desventajas

  • Costo y complejidad ya que ahora se debe de tener en cuenta el motor eléctrico y asegurar que se mantiene fresco para evitar problemas de fiabilidad.
  • El peso se convierte en un problema, especialmente con la adición de una batería necesaria para suministrar energía suficiente al motor de turbo cuando sea necesario.
  • Los Turbos de Geometría Variable o los Twin Turbo pueden ofrecer beneficios muy similares por un costo significativamente menor.

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