Hablemos de sobrealimentación: diferencias entre compresores y turbos

A pesar de que la sobrealimentación de motores de combustión interna es una práctica que se utiliza desde los inicios de la automoción y a la aviación, es en los últimos años en los que está tomando un papel importante, sobre todo en los últimos tiempos gracias al downsizing que están llevando a cabo los fabricantes para conseguir motores cada vez más limpios y económicos manteniendo las prestaciones.

Esta proliferación de este tipo de motores está creando cierta confusión entre los conductores, existiendo muchas dudas sobre todo en la diferencia entre compresores -sean del tipo que sean- y turbocompresores. El mundo de la sobrealimentación de motores de combustión interna da para escribir varios libros, por lo que en este artículo sólo nos centraremos entre las diferencias entre las dos tipos más comunes y su funcionamiento básico.

Qué es la sobrealimentación

Como todos sabemos, la potencia de un motor depende principalmente de la cantidad de aire y combustible que seamos capaces de inyectar en él por unidad de tiempo. En lo que respecta al combustible, la forma de aumentar el flujo es sencilla, ya sea añadiendo más carburadores o de mayor tamaño o mejores y más rápidos inyectores, dependiendo del tipo de motor.

Pero para mantener la relación estequiométrica de aire-combustible tenemos que aumentar la cantidad de aire de forma proporcional y esto ya no están sencillo. El sistema de admisión de un motor de combustión toma el aire directamente del exterior y no hay una forma sencilla de aumentar el flujo de forma notable y es aquí donde aparece la sobrealimentación.

La sobrealimentación consiste básicamente en utilizar algún tipo de elemento mecánico conectado al motor para aumentar la cantidad de aire que llega al motor en la fase de admisión. La sobrealimentación como decíamos al principio no es un invento reciente, se tiene constancia de que el primer compresor aplicado a un motor de combustión interna fue desarrollado por Gottieb Daimler en 1885.

La sobrealimentación cobró especial relevancia en el mundo de la aviación, donde la menor densidad del aire a gran altitud provocaba una caída drástica del rendimiento de los motores, problema que fue paliado en parte con compresores de diverso tipo. En el mundo del automovilismo la sobrealimentación tuvo cierta relevancia entre la década de los 30 y los 50 en competición, aunque empezó a perder fuerza dado la complejidad de los compresores de la época y el sobrepeso que suponían.

No fue hasta bien entrados los 60 cuando la sobrealimentación volvió a cobrar relevancia, aunque esta vez encarnada por turbocompresores y no compresores, siendo el Mercedes 300D el primer coche de producción turbodiesel. Hasta ese momento los motores diésel eran mecánicas toscas, pesadas, caras, ruidosas y poco potentes. La introducción del turbo mejoró palió notablemente muchos de estos defectos, haciendo que este tipo de motores se expandieran por toda Europa.

Ahora que ya tenemos unas nociones básicas de sobrealimentación y hemos visto algo de historia, es momento de ver como funcionan los dos tipos principales de sobrealimentación que se utilizan en la actualidad: los compresores y turbocompresores.

Compresores mecánicos

Compresores mecánicos los hay de muchos tipos, aunque todos comparten un funcionamiento básico común que es el que nos interesa en este artículo. En general cuando hablamos de compresores mecánicos nos referimos a mecánicas similares a bombas de aire que son arrastrados por el motor, ya sea mediantes correas, trenes de engranajes o cadenas. Es decir, para su funcionamiento se requiere de una conexión mecánica directa con el motor, lastrando en parte su rendimiento al aumentar la fricción.

Básicamente existen dos tipos de compresores mecánicos: volumétricos y centrífugos. Explicaremos de forma muy breve su funcionamiento en los siguientes apartados.

Compresores mecánicos volumétricos

Este tipo de compresores son básicamente bombas de aire que cada ciclo desplazan un volumen determinado de aire. Existen muchos subtipos de compresores volumétricos mecánicos. Los Roots fueron los primeros en utilizarse y una evolución de éstos, los Eaton, son utilizados actualmente por modelos como el Corvette ZR1 o varios Audi con motor 3.0 V6 TFSI.

También tenemos los Twin-Screw, utilizados por bastantes fabricantes y presentes en modelos bastante conocidos como el Mercedes SLK 230K o el SL55 AMG. Uno de los tipos más avanzados y con un funcionamiento más difícil de comprender con los compresores volumétricos Scroll, también conocidos como compresores G. Estos fueron utilizados por Volkswagen en varios de sus modelos, entre ellos varios Polo, Golf y los Corrado G40 y G60.

Compresores mecánicos centrífugos

La principal diferencia entre los compresor volumétricos y los centrífugos es que estos últimos no mueven una cantidad fija de aire por ciclo, sino que su funcionamiento es dinámico. Su funcionamiento es simular al de un turbocompresor, con una caracola que aloja un rotor. Este tipo de compresores necesitan un régimen de giro bastante alto, por lo que se usan grupos multiplicadores de engranajes, que transforman las revoluciones que llegan a la correa en un número mayor que permiten el correcto funcionamiento del rotor.

Estos compresores son muy populares entre los preparadores, por su simplicidad, facilidad de instalación y gran aumento de potencia. Otra de sus ventajas es que a la salida se puede acoplar un intercooler, mejorando aún más el rendimiento. Sin embargo, ningún fabricante los monta de serie ya que es mucho más rentable montar un turbocompresor.

Turbocompresores

Los turbocompresores son actualmente el tipo de sobrealimentación más utilizado. Antes vimos que los compresores estaban arrastrados por el motor, haciendo de lastre y degradando ligeramente el rendimiento. Los turbocompresores sin embargo se ayudan de los gases de escape para moverse aumentando así la eficiencia. Su funcionamiento es similar al de los compresores centrífugos.

Un turbocompresor estándar está compuesto de dos rotores alojados en sendas caracolas. Al primer rotor se le denomina turbina y es movido directamente por los gases del escape que salen del motor fruto de la combustión. Este rotor es el encargado de transformar dichos gases que llegan en dirección axial en movimiento radial. Los gases siguen su camino a través de la carcasa que va reduciendo su sección progresivamente hasta salir a través del rotor.

El movimiento de la turbina se transmite a través de un eje al segundo rotor, denominado compresor. Este coge el aire que entra por la admisión en dirección axial y los impulsa centrífugamente de forma radial por una salida que irá a las toberas de admisión del motor o a un intercooler. Ambos rotores giran a velocidades que pueden alcanzar las 280.000 rpm, generando grandes inercias.

Estas inercias son las que provocan el famoso lag que sufren los turbos, ya que al depender de los gases de escape para su funcionamiento, sólo puede alcanzar su rendimiento óptimo a altas revoluciones, cuando se producen grandes cantidades de gases procedentes de la combustión.

Sin embargo, las altas revoluciones que alcanzas los turbocompresores no sólo son un problema en aceleración, cuando un turbo puede tardar varios segundos en actuar, sino también en deceleración. Debido a las altas inercias, aunque soltemos el acelerador, el turbo seguirá girando a alta velocidad durante bastante tiempo, inyectando mucho aire en el motor, por que el sistema de inyección seguirá metiendo combustible para mantener la mezcla estequiométrica, lo que en la práctica supone que el coche sigue acelerando, dando pie a situaciones bastante peligrosas.

Por suerte este problema se solventó hace años con la introducción de las válvulas de descarga que reducen la presión del turbo cuando no estamos acelerando. Estas válvulas nos han brindado además ese silbido tan característico cuando se suelte el acelerador en un coche con turbo.

Respecto al problema del turbolag o el retraso en la entrada del turbo, en los últimos años hemos visto varias aproximaciones intentando solucionar el problema. Una de ellas consiste en combinar el turbocompresor con un compresor mecánico que funciona a bajas revoluciones, minimizando así la patada del turbo. Otra solución es el uso de turbocompresores de geometría variable, que gracias a una serie de mecanismos internos pueden funcionar de forma óptima en un rango de revoluciones más amplio.

Aquí termina nuestro repaso a las diferencias entre los compresores mecánicos y los turbocompresores. Si tenéis cualquier duda, no dudéis en dejarla en los comentarios y trataré de responderla si mis conocimientos me lo permiten.