Turbos con asistencia eléctrica
Los llamados e-turbo (compresores de accionamiento eléctrico) utilizan una turbina por un lado y un compresor por el otro unidos por eje común. A fines de 2019 harán su debut nuevos turbos del tipo tradicional que incluyen una novedad clave, la asistencia
El McLaren PS de 2020, que será presentado hacia finales de 2019 en Inglaterra, será uno de los primeros súper deportivos con motor V8 3.8 de 600 CV con dos turbocompresores con asistencia eléctrica, derivados de la F1. Con la asistencia eléctrica, se elimina de una vez y para siempre el “turbo lag”, es decir la brevísima demora de la máquina en responder al acelerar bruscamente en los monoplazas, una pesadilla para los autos de carreras, y muy molesta en los de calle. Es que el turbo es una máquina centrífuga que puede girar a más de 200.000 rpm y su esencia impide que en regímenes bajos se “sacuda” de su inercia. El ingeniero Nicholas Terdich, del Imperial College de Londres, realizó una presentación sobre los nuevos turbos con asistencia eléctrica, y que aquí resumimos.
Un motor eléctrico en el turbo
En las nuevas unidades se incorpora en la parte central interna un motor eléctrico que también actúa como generador de acuerdo a las circunstancias del manejo. En la función de motor eléctrico se asiste al compresor para que provea de manera instantánea carga a los cilindros al apretar el pedal del acelerador, lo que elimina el “turbo lag”. En el modo de generador, gestiona la energía sobrante para convertirla en corriente eléctrica que puede usarse para cargar la batería en los modelosquetienenalgúntipodegestiónhíbrida.Todo el sistema es controlado por ultraprecisos sensores y por la ECU de la planta motriz, es decir la computadora principal. Mientras funciona con el modo eléctrico el turbo asistido acelera con la rapidez del rayo y, en modo de generador, por ejemplo al soltar el pedal del
acelerador en las fuertes frenadas recupera energía y la transfiere al sistema eléctrico. La eficiencia del turbo asistido es superior al 90 por ciento a un régimen de 120.000 rpm y entrega una potencia máxima de 3,5 kW en el modo de motor eléctrico y de 5,4 kW cuando trabaja como generador.
En los dominios del turbo
Los investigadores Auguste C.E. Rateau (Francia) y Sanford A. Moss (Estados Unidos), fueron los que diseñaron los primeros turbos de gran rendimiento, que se aplicaron en motores de aviones en la primera guerra mundial. Desde la invención del turbo pasaron varias décadas hasta que pudiera ser aplicado en los Diesel, y en este sentido el precursor fue el fabricante suizo Saurer, que aplicó por primera el turbocompresor en sus camiones pesados de fines de la década de 1940. Años más tarde, a mediados de 1950, Volvo comenzó a producir en masa unidades Diesel turboalimentadas para sus camiones y ómnibus. También en la década de 1950 hicieron su debut los turbo Diesel en las carreras, más concretamente en las 500 Millas de Indianápolis, con un monoplaza propulsado por un motor desarrollado por Cummins. El turbo Diesel en automóviles de serie comenzó a emplearse en el Mercedes-Benz 300 SD de 1978 y en el Peugeot 604 del mismo año, y a partir de entonces el turbo Diesel fue ganando en popularidad, hasta llegar a la notable y masiva aceptación actual. Es así como comienza a ser adoptado el turbo por muchos otros fabricantes, de manera progresiva pero sin interrupciones, hasta llegar a nuestros días. En los automóviles impulsados con motores a nafta, el turbo comenzó a emplearse en la década de 1960. El Oldsmobile Jetfire de 1962 y el Chevrolet Corvair Monza de 1962 fueron los primeros modelos de serie con motores turbo a nafta, que también incluían la inyección de agua. Unos años después, en la década de 1970, el turbo fue adoptado por BMW y Porsche. El primer modelo con turbo que se fabricó en nuestro fue el Renault 11 Turbo presentado en 1986 en el autódromo de Buenos Aires era propulsado por un motor a nafta de cuatro cilindros “varillero” de 1.4 litros y 95 CV, que permitía una velocidad máxima de 177 km/h y una aceleración de 0 a 100 km/h en 12 segundos. Toda una sensación por aquél entonces. Actualmente, se fabrca en la planta de GM en Rosario el propulsor 1.4 turbo de 153 CV que equipa el Chevrolet Cruze.
El futuro del turbo
Es más que promisorio el porvenir del turbo para todo tipo de motores, desde las grandes unidades Diesel para camiones y ómnibus a los motores a nafta muy livianos y de baja cilindrada. Casi todos los motores Diesel para vehículos que se producen en Argentina y Brasil traen algún sistema de turbocompresor. Y ahora viene a dar el toque decisivo el turbo con asistencia eléctrica, una verdadera joya de la alta tecnología. Debido a la complejidad técnica y las inversiones que hay que concretar para fabricar unidades turbo, el mercado está dominado por unas pocas firmas, que detallamos:Garrett(EstadosUnidos);KKK,(perteneciente al consorcio autopartista BorgWarner de los Estados Unidos, que también compró las licencias de la marca Schweitzer), Holset ( de origen inglés pero ahora de propiedad del fabricante de motores Cummins), IHI (Japón) y Mitsubishi (japonesa, produce sus propios turbos). Muy recientemente se han volcado a este lucrativo mercado la empresas alemanas Bosch-Mahle y Continental. A menor escala, también hay fabricantes
que producen excelentes turbos, como Turbonetics de los Estados Unidos. Incluso se han comenzado a producir turbos en China y en Brasil, con marcas propias, dado que las extranjeras hace años que están instaladas en dichos países.
Procedimientos
Para la sobrealimentación turbo se ofrecen dos procedimientos: a presión constante y a la presión pulsante. Se emplean ambos, en parte también de forma modificada. La selección del procedimiento depende del número de los cilindros, del tipo de construcción del motor y de otros criterios. En el caso de la sobrealimentación a presión constante se conducen los gases de escape de todos los cilindros del motor a una tubería colectiva. De allí se anvía el gas de escape con una presión casi constante a la turbina del turbocompresor. Para mejorar la respuesta del turbo, se ideó un sistema mecánico de geometría variable en la sección de la turbina, con mando eléctrico. La sobrealimentación mediante presión pulsante exige un sistema de tuberías de gas de escape en el que los gases de los distintos cilindros se conduzcan ‒preferiblemente- en forma separada a la turbina, de tal manera que se aprovecha mejor la energía de los gases de escape. Este tipo de sobrecarga mediante impulsos también fue desarrollado por el citado ingeniero Büchi y se aplica en muchos motores de automóviles y unidades comerciales.
Doble turbo escalonado
Si bien la sobrealimentación por doble turbo es una cosa común en los camiones con motor V8, por ejemplo, el doble turbo escalonado o de dos etapas es un tema muy diferente, que va ganando adeptos entre los fabricantes. Aquí el sistema trae un turbo pequeño (de alta presión) y otro más grande (de baja presión), conectados en serie pero que pueden trabajar en derivación gracias a la acción de válvulas especiales. El sistema turbo de dos etapas se puede aplicar tanto en motores de cilindros en línea como en motores de cilindros en V o de cilindros horizontales opuestos. El turbo más pequeño, el de alta presión, trabaja a bajo régimen del motor, y su acción produce una rápida respuesta de la máquina al acelerar y buena elasticidad de marcha. Por su parte, el segundo turbo, el de baja presión, comienza a trabajar plenamente cuando el motor tiene gran necesidad de aire para la combustión, es decir cuando hay que desarrollar amplia potencia. Todo el sistema es controlado por una unidad electrónica de gestión, que envía órdenes a las distintas válvulas y dispositivos actuadores de los turbos para que actúen de manera coordinada e “inteligente”.
Corriente continua y cerámica
El tipo de motor eléctrico-generador que se aplica en los turbos con asistencia es de corriente continua con imanes permanentes, y gira sobre rodamientos de bolillas cerámica de nitruro de silicio, altamente resistentes a los impactos, a las cargas térmicas y al desgaste. El ingeniero Terdich remarcó durante el curso que se desarrolló en el Imperial College que los nuevos turbos son enfriados por aceite (proveniente del motor) y por el líquido del sistema que controla la temperatura del motor. Para evitar que el conjunto eléctrico incluido dentro del turbo pueda calentarse demasiado (en la sección de la turbina el valor de la temperatura puede exceder los 1.000ºC) aún con el enfriamiento citado, se han incluido protecciones especiales realizados a base de revestimientos cerámicos en las paredes de las carcasas.