¿Cómo convertimos las explosiones en empuje?

El nombre del juego de combustión interna es convertir la energía térmica en movimiento. Dentro de un motor, encendemos un combustible como la gasolina, y los gases de combustible/aire calientes y en expansión empujan hacia abajo sobre los pistones. Los pistones hacia arriba y hacia abajo están conectados al cigüeñal giratorio en la parte inferior del motor, convirtiendo este movimiento vertical en movimiento alternativo. Engancha todo a una transmisión conectada a las ruedas, ¡y listo!

¿Cómo hacemos explosiones más grandes para obtener más empuje?

Si alguna vez has encendido una fogata para hacer s’mores, probablemente recuerdes las tres partes del» triángulo de fuego»: aire, combustible y fuente de ignición. Es lo mismo en su fogata que en el interior de su motor, con el aire que fluye hacia la toma de aire combinado con el combustible de sus inyectores de combustible y el encendido de sus bujías.

Si queremos aumentar la potencia, necesitamos asegurarnos de tener suficiente de los tres componentes de nuestro triángulo de fuego. En un motor, eso significa que si inyectamos más combustible, también tenemos que asegurarnos de obtener más aire (y, por lo tanto, más oxígeno) para quemar todo el combustible, ya que el combustible adicional no se quemará a menos que tenga más oxígeno para combinar y quemar.

Química tiene una palabra para la cantidad ideal de reactivos en una ecuación para equilibrar sin restos: estequiometría. En un motor de gasolina, la relación estequiométrica de aire que contiene oxígeno a combustible es de 14,7 partes (en masa) de aire a 1 parte de gasolina.

Enter inducción forzada

«No hay reemplazo para el desplazamiento» es una frase de los días de big block V8, donde más potencia significaba motores físicamente más grandes que tragaban más aire y combustible. Los cilindros más grandes podían absorber no solo más combustible, sino más aire para quemar completamente con el combustible, y esto le daba más potencia.

Desafortunadamente, más tamaño también significa más peso, por lo que algunos ingenieros en su lugar dieron con la idea de introducir más aire en el motor bombeándolo: en lugar de hacer que el motor sea físicamente más grande para aspirar más aire, introduzca más aire en el motor del mismo tamaño. El aire presurizado que se bombea al motor se llama boost, con el aumento de presión en comparación con la presión del aire ambiente medida en PSI o bar/kilopascales.

Estas primeras bombas de aire de inducción forzada se llamaban sobrealimentadores, y sus ruedas de compresor de palas eran impulsadas por el propio motor a través de correas o engranajes impulsados por el cigüeñal del motor. Estequiometría significa que cada poco de combustible adicional requiere 14.7 VECES más aire, por lo que no es de extrañar que los supercargadores usen una gran cantidad de energía (¡a veces hasta el 20% de la potencia total del motor! para bombear todo ese aire alrededor.

Más empuje con menos desperdicio: el turbocompresor

El tamaño y el peso son cosas malas en los automóviles y cosas peores en los aviones, que es donde se estaba llevando a cabo un gran desarrollo de inducción forzada temprana. Un motor pesado no solo hace un avión pesado, sino que un motor físico grande también hace un fuselaje voluminoso y no aerodinámico. En los aviones, se agregó un incentivo para presurizar el aire entrante para compensar que el aire se adelgazara a altas elevaciones, evitando que la potencia del motor se cayera a gran altitud.

Con una potencia y un peso tan superiores en los aviones, el ingeniero aeronáutico suizo Alfred Büchi tuvo una onda cerebral al deshacerse de esa pérdida de potencia del sobrealimentador del 20% : en lugar de utilizar la potencia del motor a través de una correa/engranajes para hacer girar el compresor, conecte la rueda del compresor a una rueda de turbina a juego en el sistema de escape, capturando la energía del flujo de escape que de otro modo se desperdiciaría, como un molino de viento captura la energía de la brisa.

Estos primeros «sobrealimentadores de turbina» o «turbo-sobrealimentadores» eventualmente alimentaron a muchos aviones de carreras, bombarderos y cazas en las décadas de 1930 y 1940, y se consideraron tecnología aeroespacial avanzada en ese momento, con piezas que giraban a cientos de miles de rpm y ruedas de turbina expuestas a temperaturas de gases de escape de hasta 1800°F/1000°C. La adopción de un equipo tan caro en los automóviles fue como el Chevrolet Corvair que aparece a partir de la década de 1950 con un motor turbo opcional.

El desarrollo del turbocompresor marchó de la mano con el desarrollo de turbinas de gas (motores a reacción) a lo largo de las décadas de 1950 y 1960. Además de mejores materiales capaces de soportar las altas temperaturas y presiones en el lado caliente del turbo, el diseño general del turbocompresor finalmente se estandarizó:

• Carcasa de lado frío, que enruta el aire de entrada hacia el turbo
  • Rueda del compresor, que presuriza el aire
  • Derivación del compresor, que se abre cuando se levanta el gas para evitar que el aire de impulso se acumule detrás de la placa del acelerador cerrada y cause una parada del compresor
• CHRA (conjunto giratorio de carcasa central, también llamado a veces «cartucho»)
  • Eje en el que están unidas las ruedas del compresor y la turbina
  • Cojinetes del eje para permitir que el eje gire libremente
  • Lubricación y refrigeración
• Carcasa lateral caliente, que dirige el aire desde el colector de escape al turbo
  • Rueda de turbina, que captura la energía del escape
  • Válvula de descarga, que se abre cuando el turbo alcanza el impulso objetivo y envía el escape adicional más allá de la turbina para que no gire más rápido

Fueron las crisis energéticas de la década de 1970 las que realmente empujaron a los fabricantes de automóviles a comenzar a considerar seriamente los turbocompresores como una forma de reducir el tamaño de los motores (y mejorar las emisiones y el ahorro de combustible) sin sacrificar la potencia.

Potencia y control

Las décadas de 1970 y 1980 también coincidieron con la revolución informática, y estas tecnologías avanzadas de control de combustible y motor demostraron ser adecuadas para el rendimiento y la longevidad del turbocompresor. Desde los primeros sensores analógicos de temperatura y caudal en la década de 1970 hasta múltiples unidades de control en red en la década de 2000 y más allá, los sistemas avanzaron para mantenerse al día con la demanda de exprimir la mayor cantidad de energía posible de una gota de combustible:

• El sistema Lambda Sond (sensor de oxígeno), siendo Volvo el primer fabricante de automóviles en usar esta combinación de sensores para medir el combustible:
  • Sensores de flujo de aire en masa, para medir la cantidad de aire que entra en el motor
  • Inyección electrónica de combustible, para medir la proporción correcta de combustible para ir con la cantidad conocida de aire
  • Sensores de oxígeno (lambda) que miden restos de combustible u oxígeno en el escape para ver qué tan cerca de 14.7:1 estequiométrico el motor está en marcha
• Sensores de golpe para medir el estado y la sincronización de los eventos de combustión
• Encendido directo de la bobina en el enchufe, para ajustar la sincronización de la bujía para evitar golpes
• Unidades de control del motor digitales (ECUS) para medir continuamente todas estas entradas y ajustar las salidas
• Esquemas de gestión de solicitud de par de torsión, a
  • A: averigüe exactamente cuánta potencia está pidiendo el conductor (a través del pie derecho del conductor en el pedal del acelerador) para
  • B: «trabaje hacia atrás», calculando la menor cantidad de acelerador abierto, combustible y impulso necesarios para alcanzar el objetivo de potencia del conductor

La carga y las temperaturas del motor finamente controladas, las tolerancias y el equilibrio de mecanizado más estrictos y las aleaciones más avanzadas desempeñaron su papel en la mejora de la confiabilidad y el rendimiento del turbocompresor. A medida que avanzaban los años 80 y 90, el turbocompresor se hizo más común, con salidas de potencia predecibles y tiempo de turbo entre revisiones que ahora alcanzan las 100,000 millas o más.

El diseño del turbo también estaba cambiando, primero con solenoides de vacío controlados por computadora que abrían y cerraban la válvula de escape para controlar el impulso general, y con cambios fundamentales en el propio turbo, como carcasas de turbina de doble desplazamiento y geometría variable, que aumentaban la eficiencia del turbo extrayendo la mayor cantidad de energía posible del flujo de escape.

A medida que avanzamos hacia el siglo XXI, los turbocompresores son clave para exprimir la máxima eficiencia de los motores de combustión antes de que los vehículos eléctricos estén listos para asumir el control de los automóviles convencionales. El turbo ha estado con nosotros casi tanto tiempo como el coche en sí, pero todavía tiene algo de trabajo por hacer.

Para obtener información más detallada sobre los componentes del turbocompresor y el servicio del sistema, consulte nuestro artículo sobre problemas comunes del turbo.