Enfrentar a vehículos con motor turboalimentado a motores atmosféricos es un tema muy discutido hoy en día lleno de opiniones personales y experiencias, sin embargo sobre este tema existen muchos falsos mitos, que vamos a tratar de disipar con este artículo.
Antes de comenzar cabe decir que vamos a comparar vehículos atmosféricos y vehículos sobrealimentados de gasolina, ya que en diésel casi todo (o todo) el mercado actual es para los motores turbo.
Antes de comenzar vamos a explicar unos conceptos. Un motor de aspiración natural es aquel que aspira el aire de la atmósfera directamente por el filtro. Estos motores son incorrectamente llamados atmosféricos, ya que los motores atmosféricos son aquellos que no realizan compresión, y que no se utilizan desde hace ya bastante tiempo.
Por otro lado están los motores sobrealimentados, que son aquellos en los que el aire entra a presión en el cilindro. Esta sobrealimentación suele ser por turbina de escape, que se basa en aprovechar los gases de escape para mover una turbina, que al mover su eje acciona un compresor, por el que pasa el aire limpio y se comprime antes de entrar al motor. Si además enfriamos ese aire comprimido (intercooler) para aumentar más aun su densidad antes de entrar al motor, las ventajas son aún mayores.
Antes de comenzar cabe decir que vamos a comparar vehículos atmosféricos y vehículos sobrealimentados de gasolina, ya que en diésel casi todo (o todo) el mercado actual es para los motores turbo.
Antes de comenzar vamos a explicar unos conceptos. Un motor de aspiración natural es aquel que aspira el aire de la atmósfera directamente por el filtro. Estos motores son incorrectamente llamados atmosféricos, ya que los motores atmosféricos son aquellos que no realizan compresión, y que no se utilizan desde hace ya bastante tiempo.
Por otro lado están los motores sobrealimentados, que son aquellos en los que el aire entra a presión en el cilindro. Esta sobrealimentación suele ser por turbina de escape, que se basa en aprovechar los gases de escape para mover una turbina, que al mover su eje acciona un compresor, por el que pasa el aire limpio y se comprime antes de entrar al motor. Si además enfriamos ese aire comprimido (intercooler) para aumentar más aun su densidad antes de entrar al motor, las ventajas son aún mayores.
Esta entrada de aire a presión en el cilindro se realiza fundamentalmente por tres motivos:
- Sobrealimentación de altura: la sobrealimentación empezó a emplearse en aviones, ya que con la altura, disminuía la densidad del aire, y esto provocaba una caída enorme de la potencia. Este no es el motivo fundamental de la sobrealimentación en un coche, si bien es cierto que en un vehículo atmosférico se produce cierta caída de potencia con la altura respecto al nivel del mar, situación prácticamente inapreciable en un motor turboalimentado.
- Sobrealimentación de potencia: esto si es empleado en automoción. Aumentar la potencia del motor manteniendo la cilindrada.
- Sobrealimentación de rendimiento: consiste en sobrealimentar un motor, para tener un mayor rendimiento y menor consumo en el vehículo. Este tipo de sobrealimentación está muy de moda actualmente.
- Sobrealimentación de potencia: esto si es empleado en automoción. Aumentar la potencia del motor manteniendo la cilindrada.
- Sobrealimentación de rendimiento: consiste en sobrealimentar un motor, para tener un mayor rendimiento y menor consumo en el vehículo. Este tipo de sobrealimentación está muy de moda actualmente.
En los vehículos se da una conjugación de los tres efectos al sobrealimentar el motor de un coche. Sin embargo, vamos a poner dos ejemplos claros de sobrealimentación de potencia y de rendimiento, para explicar cosas de ellos. En primer lugar hablaremos del Porsche 911 Carrera S (atmosférico) y el Porche 911 Turbo S (motor sobrealimentado).
Como ves en la comparación este es el típico caso de sobrealimentación de potencia: mantenemos la cilindrada del motor y empleamos el turbo para aumentar de forma considerable la potencia. Además de añadir el turbo, el coche tiene ciertos cambios estéticos y de otra índole en los que no vamos a entrar, y vamos a centrarnos en el motor.
Hay mucha gente que piensa que al emplear un turbo se reduce el consumo. Como ves en el ejemplo, esto es completamente falso: si nosotros metemos más aire en el motor, también tendremos que meter más combustible (también en este caso el vehículo es más pesado, lo que hará que suba el consumo en principio). Otra cosa muy diferente es si se reduce la cilindrada y se sobrealimenta, como explicaremos después. Lo que es innegable es que al sobrealimentar se reduce el consumo específico, es decir, consumo por unidad de potencia. En otras palabras crece más la potencia que el consumo, lo cual es muy positivo.
Otro dato innegable es que al sobrealimentar es necesario reducir la relación de compresión. Esto es debido al famoso picado: si nosotros le metemos más cantidad de aire al motor, y le comprimimos de igual forma, al haber más aire, éste alcanzará mayor presión y temperatura por tener el mismo espacio, y por tanto se producirá la autoinflamación de la mezcla o picado antes de que el frente de llama iniciado por la bujía recorra toda la cámara.
Como comentaremos después, un motor turbo será capaz de dar buenas prestaciones a menores rpm (el turbo adelanta el par máximo y lo aumenta) lo que en principio hace que podamos conducirlo a menor régimen de vueltas y en principio tenga un desgaste menor. Sin embargo, al sobrealimentar, aumentan los esfuerzos mecánicos (pistones, bielas, culata…) y los esfuerzos térmicos (más temperatura en los pistones, por ejemplo) respecto a un motor atmosférico, empeorándose también la fiabilidad teórica. Por tanto un motor de un deportivo de este tipo puede ser atmosférico y conseguir una potencia elevada subiendo mucho el régimen de giro, o ser sobrealimentado y tener un régimen máximo de giro más pequeño, de tal manera que mantengamos un buen nivel de durabilidad en ambos casos (solución de compromiso). Cuidado que esta parte depende siempre del uso del vehículo, y no necesariamente un vehículo con turbo tendrá menor durabilidad que uno atmosférico o viceversa. A pesar de la teoría, la experiencia suele decirnos que un motor atmosférico suele ser más fiable.
Hay mucha gente que piensa que al emplear un turbo se reduce el consumo. Como ves en el ejemplo, esto es completamente falso: si nosotros metemos más aire en el motor, también tendremos que meter más combustible (también en este caso el vehículo es más pesado, lo que hará que suba el consumo en principio). Otra cosa muy diferente es si se reduce la cilindrada y se sobrealimenta, como explicaremos después. Lo que es innegable es que al sobrealimentar se reduce el consumo específico, es decir, consumo por unidad de potencia. En otras palabras crece más la potencia que el consumo, lo cual es muy positivo.
Otro dato innegable es que al sobrealimentar es necesario reducir la relación de compresión. Esto es debido al famoso picado: si nosotros le metemos más cantidad de aire al motor, y le comprimimos de igual forma, al haber más aire, éste alcanzará mayor presión y temperatura por tener el mismo espacio, y por tanto se producirá la autoinflamación de la mezcla o picado antes de que el frente de llama iniciado por la bujía recorra toda la cámara.
Como comentaremos después, un motor turbo será capaz de dar buenas prestaciones a menores rpm (el turbo adelanta el par máximo y lo aumenta) lo que en principio hace que podamos conducirlo a menor régimen de vueltas y en principio tenga un desgaste menor. Sin embargo, al sobrealimentar, aumentan los esfuerzos mecánicos (pistones, bielas, culata…) y los esfuerzos térmicos (más temperatura en los pistones, por ejemplo) respecto a un motor atmosférico, empeorándose también la fiabilidad teórica. Por tanto un motor de un deportivo de este tipo puede ser atmosférico y conseguir una potencia elevada subiendo mucho el régimen de giro, o ser sobrealimentado y tener un régimen máximo de giro más pequeño, de tal manera que mantengamos un buen nivel de durabilidad en ambos casos (solución de compromiso). Cuidado que esta parte depende siempre del uso del vehículo, y no necesariamente un vehículo con turbo tendrá menor durabilidad que uno atmosférico o viceversa. A pesar de la teoría, la experiencia suele decirnos que un motor atmosférico suele ser más fiable.
Bien, vamos ahora a una parte muy controvertida. ¿En qué se diferencia la entrega de potencia? Antes de nada al hablar de curvas de potencia y par, hay que decir que las famosas curvas que aparecen en revistas especializadas, y de las que también vamos a hablar aquí, son curvas a plena carga, con el acelerador pisado a tope. Cuando vamos a carga parcial, estas curvas cambian bastante.
Como hemos comentado el motor turbo suele tener un régimen de giro máximo más pequeño. Por lo tanto en principio el motor turbo pierde esa capacidad del empuje final a un rango alto de rpm. Por otra parte, como saben, el turbo necesita una cierta energía en los gases de escape para que el turbo sople de forma óptima. En el momento en el que esto suceda, se producirá un incremento muy brusco de la potencia y notaremos como el coche nos pega al asiento. El tiempo que el motor tarda en alcanzar ese momento en el que el soplado es el correcto, es lo que se conoce como retraso del turbo o turbo lag. Cuando el coche sigue subiendo de vueltas, es necesario “contener” al turbo para que no siga incrementándose la presión de soplado, que podría dañar el motor, ya que la energía en los gases de escape es muy alta. En esos momentos se abre la válvula de derivación o wastegate que reduce el caudal de escape que va a la turbina. Por tanto la entrega de potencia en un motor atmosférico es aproximadamente creciente y lineal con el régimen de giro, mientras que en un motor turbo existirá una zona de incremento brusco de la potencia. Respecto al par motor, un motor sobrealimentado consigue aumentar el par y que el par máximo se consiga a un menor rango de rpm como dijimos antes. Más tarde volveremos a esta comparación de curvas de potencia y par, para vehículos atmosféricos y turbo con la misma potencia donde se apreciarán mucho mejor las diferencias.
Actualmente, los vehículos turbo no tienen un aumento tan brusco de la potencia como sucede en la imagen. Esto es debido a que se consiguen curvas de par más o menos planas ya que se han conseguido prestaciones óptimas en un amplio rango de condiciones de funcionamiento, no en una zona localizada como sucedía antes. Como se aprecia en la tabla, el 911 turbo s es capaz de dar 750 Nm entre las 2200-4400 rpm. Esto hace que poco a poco estos aumentos bruscos de potencia vayan reduciéndose, consiguiendo en principio una mayor facilidad de conducción, acercándose a la respuesta lineal y precisa de la que presumen los motores atmosféricos en su respuesta al tacto del acelerador. En la imagen vemos comparaciones de distintos tipos de motores con la misma cilindrada:
En cuanto al sonido del coche, también se producen cambios de un motor atmosférico a uno turbo. Esto es debido a que en el motor turbo los gases de escape se hacen pasar por la turbina, mientras que en el atmosférico esto no sucede. Aquí ya cada uno tiene que elegir según sus propios gustos. El sonido de un coche atmosférico transmite en principio más sensación de potencia, pero el sonido de un motor con turbo, incluida su típico sonido de válvula de descarga, también tiene sus seguidores. Aquí les dejo un vídeo donde podres apreciar el sonido de ambos motores, y juzgarlo ustedes mismos.
SONIDO DEL CARRERA S:
SONIDO DEL TURBO S:
Por tanto, el ejemplo considerado refleja perfectamente el concepto de sobrealimentación buscando un aumento de prestaciones: mantenemos la cilindrada, y conseguimos aumentar el par y la potencia, a cambio de aumentar el consumo.
Sin embargo, actualmente se está extendiendo la sobrealimentación buscando otros motivos: sobrealimentación de rendimiento. Este es el caso del famoso downsizing que consiste en reducir la cilindrada de un vehículo y sobrealimentarlo para mantener su potencia.
Sin embargo, actualmente se está extendiendo la sobrealimentación buscando otros motivos: sobrealimentación de rendimiento. Este es el caso del famoso downsizing que consiste en reducir la cilindrada de un vehículo y sobrealimentarlo para mantener su potencia.
Hemos elegido para el ejemplo, el Ford Focus de 2008. El modelo de hace unos años tiene un motor de 4 cilindros en línea atmosférico y una cilindrada de 1798 cc. Como ves, el modelo ha evolucionado siguiendo las directrices del downsizing: se ha reducido la cilindrada de forma notable, hasta los 1000 cc y se ha sobrealimentado para llegar a las mismas cifras de potencia que el vehículo anterior.
Gracias a este “cambio de idea”, se ha reducido de forma notable el consumo. Los motivos son sencillos, al emplear un motor más pequeño, la fricción entre sus elementos es mucho menor y se reduce el consumo. Además se recupera parte de la energía perdida de otra manera en los gases de escape. Tenemos un motor sobrealimentado de igual potencia que el anterior, pero con menor consumo específico (se mantuvo la potencia pero se redujo el consumo). Además se han introducido sistemas para reducir el consumo como el Start&Stop o la inyección directa.
Gracias a este “cambio de idea”, se ha reducido de forma notable el consumo. Los motivos son sencillos, al emplear un motor más pequeño, la fricción entre sus elementos es mucho menor y se reduce el consumo. Además se recupera parte de la energía perdida de otra manera en los gases de escape. Tenemos un motor sobrealimentado de igual potencia que el anterior, pero con menor consumo específico (se mantuvo la potencia pero se redujo el consumo). Además se han introducido sistemas para reducir el consumo como el Start&Stop o la inyección directa.
Como imaginan, esto no puede tener solo ventajas. El primer aspecto a comentar es que el motor está pensado para trabajar en una zona de potencia moderada. Es decir, se basa en la idea de que un conductor convencional suele conducir sin exigirle demasiadas prestaciones al coche, y en el caso de que en alguna ocasión le exija una mayor potencia, tengamos mecanismos para poder darla. Bien, en caso de exigirle esta potencia elevada en multitud de ocasiones, vas a ver como el consumo va a subir bastante incontroladamente.
Como pueden ver en la tabla comparativa, otra desventaja de este modelo se produce en la aceleración del vehículo. Parece complicado pensar los motivos de por que para el mismo peso y potencia, y un coche seis años más moderno, pierde 1 segundo en aceleración respecto al coche de aspiración natural. Los motivos no son tan descabellados. En primer lugar, el vehículo tiene una cilindrada bastante inferior, es decir, cuando el turbo no sopla, estamos empujando con 1000cc… Además, este motor más pequeño, también hará que los gases de escape no tengan tanta energía, y por tanto tarden más (lag) en proporcionarle la compresión necesaria al aire en la admisión con el turbo… También añadir que el coche no está pensado para dar prestaciones de forma habitual, como dijimos en el párrafo anterior. No os quedéis con la idea de que el atmosférico para la misma potencia tiene una aceleración muy superior, ya que este es un caso muy exagerado. Actualmente hay muchos vehículos que han mejorado esta cifra de aceleración respecto a un atmosférico, gracias a la reducción del retraso o lag, y a conseguir emplear el par máximo en un rango muy amplio de rpm. Sin embargo parece que en estos casos de reducción masiva de cilindrada, la aceleración queda en un segundo plano…
Como comentamos anteriormente, al introducir el turbo, en principio aumenta la complicación mecánica del coche, y se reduce su fiabilidad, y al aumentar los esfuerzos mecánicos y térmicos como dijimos antes, se reduce su durabilidad. En principio esta desventaja es compensada al trabajar a un régimen de giro menor. Como también dijimos antes, esto depende del modelo de coche y de la conducción.
Como pueden ver en la tabla comparativa, otra desventaja de este modelo se produce en la aceleración del vehículo. Parece complicado pensar los motivos de por que para el mismo peso y potencia, y un coche seis años más moderno, pierde 1 segundo en aceleración respecto al coche de aspiración natural. Los motivos no son tan descabellados. En primer lugar, el vehículo tiene una cilindrada bastante inferior, es decir, cuando el turbo no sopla, estamos empujando con 1000cc… Además, este motor más pequeño, también hará que los gases de escape no tengan tanta energía, y por tanto tarden más (lag) en proporcionarle la compresión necesaria al aire en la admisión con el turbo… También añadir que el coche no está pensado para dar prestaciones de forma habitual, como dijimos en el párrafo anterior. No os quedéis con la idea de que el atmosférico para la misma potencia tiene una aceleración muy superior, ya que este es un caso muy exagerado. Actualmente hay muchos vehículos que han mejorado esta cifra de aceleración respecto a un atmosférico, gracias a la reducción del retraso o lag, y a conseguir emplear el par máximo en un rango muy amplio de rpm. Sin embargo parece que en estos casos de reducción masiva de cilindrada, la aceleración queda en un segundo plano…
Como comentamos anteriormente, al introducir el turbo, en principio aumenta la complicación mecánica del coche, y se reduce su fiabilidad, y al aumentar los esfuerzos mecánicos y térmicos como dijimos antes, se reduce su durabilidad. En principio esta desventaja es compensada al trabajar a un régimen de giro menor. Como también dijimos antes, esto depende del modelo de coche y de la conducción.
Podemos comparar por tanto curvas aproximadas de potencia de dos motores imaginarios, uno turbo y uno atmosférico que tengan la misma potencia máxima:
Como se aprecia, las curvas están exageradas para que se vean más claramente las características. Como ves, tienen la misma potencia máxima, pero la dan a rpm diferentes. En uno la entrega es lineal y en el otro hay una zona de entrega brusca.
Como ya dijimos antes, se intentan buscar métodos para que las curvas de par tengan zonas planas y se consiga muchísima más linealidad en la entrega de potencia tanto en motores turbo como de aspiración natural. Esta linealidad cada vez es mayor debido al control no solo del soplado del turbo, si no del empleo de conductos de longitud variable, uso efectivo de la turbulencia, nuevas leyes de inyección, control de las aperturas y cierres de válvulas...
Además, se han ingeniado bastantes métodos para limitar el retraso del turbo o turbo lag, por ejemplo:
- Utilizar un compresor que gire con el motor, y que actúe a bajas rpm, hasta que haya suficiente energía en el escape, y se desactive para dejar paso al turbocompresor. Esta estrategia es seguida por ejemplo en los motores TSI de Volkswagen.
- Los motores Turbodiésel suelen emplear álabes de paso variable, que se adaptan a la energía del escape, reduciendo el lag. Este tipo de turbo es también empleado en el ejemplo del Porsche que analizamos antes y no es para nada común en motores de gasolina, veremos si se extiende su uso. Este tipo de turbos no emplean válvula wastegate ya que aprovechan todo el flujo de escape abriendo y cerrando los álabes, sin desperdiciar nada de flujo.
- En motores de muchos cilindros, por ejemplo en los V8 o V10, en lugar de utilizar un turbo muy grande que alimente todos los cilindros, se emplean dos turbos de menor tamaño, que alimentan cada uno a la mitad de los cilindros, de tal manera que si tenemos dos turbos más pequeños, tendrán menos lag que uno más grande.
- En la fórmula 1, se utiliza un compresor eléctrico que toma energía de una batería que se va recargando con el uso del monoplaza, y que es capaz de meter la compresión que le falta al aire cuando el turbocompresor no da la talla. Esta estrategia también es empleada por Audi en sus motores 3.0 BiTdi.
- Como no mencionar nuestro querido sistema ALS o anti-lag system, empleado en coches de rally, cuya combustión en los colectores de escape hace que se mantenga la energía en los gases para un correcto funcionamiento del turbocompresor.
- Los motores Turbodiésel suelen emplear álabes de paso variable, que se adaptan a la energía del escape, reduciendo el lag. Este tipo de turbo es también empleado en el ejemplo del Porsche que analizamos antes y no es para nada común en motores de gasolina, veremos si se extiende su uso. Este tipo de turbos no emplean válvula wastegate ya que aprovechan todo el flujo de escape abriendo y cerrando los álabes, sin desperdiciar nada de flujo.
- En motores de muchos cilindros, por ejemplo en los V8 o V10, en lugar de utilizar un turbo muy grande que alimente todos los cilindros, se emplean dos turbos de menor tamaño, que alimentan cada uno a la mitad de los cilindros, de tal manera que si tenemos dos turbos más pequeños, tendrán menos lag que uno más grande.
- En la fórmula 1, se utiliza un compresor eléctrico que toma energía de una batería que se va recargando con el uso del monoplaza, y que es capaz de meter la compresión que le falta al aire cuando el turbocompresor no da la talla. Esta estrategia también es empleada por Audi en sus motores 3.0 BiTdi.
- Como no mencionar nuestro querido sistema ALS o anti-lag system, empleado en coches de rally, cuya combustión en los colectores de escape hace que se mantenga la energía en los gases para un correcto funcionamiento del turbocompresor.
Por tanto, poco a poco, los motores con turbo van dejando de dar esa respuesta brusca y retrasada, y van consiguiendo una linealidad y una facilidad de conducción cada vez mayores. Además, debido al downsizing, se reduce mucho el consumo (y al quemar menos también contaminamos menos) respecto a los vehículos atmosféricos manteniendo la potencia. Parece por tanto que los motores sobrealimentados van ganando terreno... ¡Esperemos que no desaparezcan estos sonidos de coches de aspiración natural!