CÓMO FUNCIONA EL MOTOR TURBO DE UN F1

Bueno amigos, bienvenidos al maravilloso mundo de los motores turbo. Aún queda un año para el reinicio de la era turboalimentada en la F1 pero quiero mostraros antes  cómo funciona este “engendro” que tantas alegrías nos da a todos los usuarios de esta tecnología en los coches de calle, que con los precios que han cogido los carburantes, cualquier ahorro es bueno. Para entender mejor la técnica de la turboalimentación, conviene familiarizarse con los principios de funcionamiento del motor de combustión interna. En la actualidad, la mayoría de los motores diésel de vehículos comerciales y turismos son motores de pistones de cuatro tiempos regulados por válvulas de admisión y escape. Los motores F1 trabajan de la misma forma salvo por el número de pistones y que el carburante utilizado es  gasolina y es necesaria la chispa de la bujía para iniciar la explosión. ¿Cuándo veremos un motor diésel en F1? Difícil, pero quién sabe. Arrancamos. ellos.

Como dije, un ciclo operativo del motor se compone de cuatro tiempos que se realiza durante dos vueltas completas del cigüeñal. Esto son los pasos.

Esquema de un motor de pistones de cuatro tiempos

1º-Aspiración (carrera de intercambio de carga)

En los motores de gasolina, cuando el pistón desciende. El proceso de alimentación comienza con el vacío que ejercen los pistones en su movimiento descendente. Imaginaros que el pistón fuera una jeringuilla, donde el pistón hace el papel de émbolo, y el cilindro o camisa sería la parte externa de la jeringa. Si el émbolo se desplaza hacia abajo, la jeringa succiona el líquido ya que el vacío que se origina en su interior lo atrae.
Pues el pistón hace la misma función, ejerce un vacío para la entrada del aire mezclado con la gasolina y así llenar los cilindros.

Por normativa, el motor de F1 del 2014 tendrá el 75% de la inyección  directa y el 25%  restante indirecta.

A-    Directa: Se inyecta combustible y aire, por separado dentro de la cámara de combustión.

B-    Indirecta: El carburante es inyectado en el colector de admisión, donde se inicia la mezcla aire-combustible antes de entrar en el cilindro por la válvula de admisión.

Carburante en color verde, aire en color azul.

Recordar que los motores F1 actuales utilizan únicamente inyección indirecta.
Por tanto, después de concluir la salida libres los gases de escape del ciclo anterior se inicia el siguiente, pero el pistón, en el momento de descender y hacer vacío logra meter una cantidad de mezcla proporcional a la presión atmosférica presente donde el motor está trabajando (esto es algo de la llamada eficiencia volumétrica). Esto lo aclararemos posteriormente.

2º- Compresión (carrera motriz)
Se comprime el volumen de la mezcla introducida en el cilindro cuando sube el pistón.

3º- Expansión (carrera motriz)
Salta la chispa. La mezcla de combustible y aire se enciende mediante una bujía produciendo una explosión que empuja el pistón hacia abajo. Por curiosidad, en el motor diesel el combustible se inyecta a gran presión y la mezcla se enciende de forma espontánea gracias a la presión.

4º- Escape (carrera de intercambio de carga)
Con el pistón bajado será necesario que vuelva a subir para que los gases de escape sean expulsados cuando asciende el pistón. Para eso es necesario que en otro cilindro se produzca la explosión para crear la fuerza necesaria para que el cigüeñal (eje acodado, con codos y contrapesos que une los conjuntos de pistones-biela,  transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme) empuje el pistón hacía arriba y expulse los gases.

Una vez finalizado el ciclo de escape, se vuelve a iniciar el ciclo.

Estos principios básicos de funcionamiento. Imaginaros que somos unos ingenieros  y queremos mejorar el rendimiento del mismo ¿cómo podremos incrementar la potencia del motor?
Bien, hay varias. Una es gracias al aumento de cilindrada. Si se dispone de una cámara de combustión mayor, se puede aumentar el volumen de combustible y de aire dentro de la cámara y por tanto aumentar la potencia de la explosión.
También se puede aumentar el número de cilindros. Un motor V6 tendrá menor potencia que un V8 al tener dos cilindros menos. El inconveniente es el aumento en el consumo de combustible y las emisiones. Y como la F1 quiere ser “ecológica” pues ya sabéis, los V6.
Otra de las formas para aumentar la potencia es aumentar su velocidad de giro, o lo que es lo mismos, aumentar de las revoluciones del motor. Esto se consigue aumentando el número de carreras de explosión por unidad de tiempo. Sin embargo, debido a las limitaciones de la estabilidad mecánica, este tipo de mejora de la potencia está restringido, pasando de las 19.000 rpm a las 15.000 rpm de los nuevos motores. El aumento de la velocidad hace que las pérdidas por fricción y bombeo aumenten de forma exponencial al tiempo que disminuye el rendimiento del motor.
Bueno, después de dar una visión general a los motores atmosféricos ¿cómo aumentar la potencia, haciendo que los motores consuman menos y duren más? Ya lo sabéis, la Turboalimentación. 

¿Cómo funciona un turbo?
La clave de este tipo de motores es la cantidad de aire que entra en la cámara de combustión. Si aumentamos el volumen de aire que entra en dicha cámara, con una cantidad igual de combustible  que un motor atmosférico, se producirá una mayor explosión,  pero ¿por qué? Dentro del cilindro, cuando se prende la chispa de la bujía se origina una combustión que es una reacción química  de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz, manifestándose visualmente como fuego.
En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente),  que es generalmente oxígeno en forma de O₂ gaseoso. Así,  un fuego sin O₂  no ardería (es el método utilizado por los equipos anti incendios con la espuma, aislar el combustible del aire para apagarlo) o en su caso contrario, con mayor aporte de él se crearía una combustión mayor ( la fragua de un herrero o cuando soplamos para avivar un fuego).
Una ejemplo relacionado con la F1 lo tenemos en Sao Paolo.  Acordaros del Gp de Brasil, donde comentaba que los motores disminuían su potencia debida a la altura ¿por qué? Como dije, el aire necesario para la combustión entra directamente en el cilindro durante la carrera de admisión gracias a la presión atmosférica que es la presión que ejerce el aire sobre la Tierra. El inconveniente que tiene este sistema  es que en zonas de gran altitud la presión del aire es menor que a nivel del mar (1 atmósfera), así, en Sao Paolo es de 0.85 atm  y por tanto entra menos aire (oxígeno) en la cámara de combustión generando una explosión menor.
Llegados a este punto ¿qué origina la turbocompresión? Fácil, que se introduzca en la cámara una mayor cantidad de oxigeno para crear una explosión más fuerte que generará una fuerza mayor. 
Por tanto ¿Cuál es la función del turbo? Comprimir el aire.
En motores turboalimentados, el aire de combustión ya está precomprimido antes de suministrarse al motor. El motor aspira el mismo volumen de aire, pero como está más comprimido, la masa de aire que entra en la cámara de combustión es mayor. En consecuencia se introduce una mayor cantidad de oxígeno y con la misma cantidad de combustible aumentando la potencia del motor a igual velocidad y cilindrada. Hay que tener en cuenta una cuestión, por mucho que aumentemos el combustible que hacemos llegar al interior de la cámara de combustión, no conseguimos aumentar su potencia si este combustible no encuentra aire suficiente para quemarse pero al revés sí.
¿Cómo lo hace? Un turbocompresor es un sistema de sobrealimentación que usa una turbina para comprimir gases. Parte de la energía de los gases de escape, que normalmente se perdería, se aprovecha para accionar una turbina. Sobre el mismo eje que la turbina se monta un compresor que aspira el aire limpio para la combustión, lo comprime y luego lo suministra al motor. No existe ningún acoplamiento mecánico al motor.

El calor es un gran enemigo de los turbocargadores pues al estar uno de sus lados sometido al paso de la corriente de escape se alcanzan temperaturas increíbles aunque este efecto se contrarresta en gran medida con el intercooler, qué es un intercambiador (radiador) aire-aire o aire-agua que se encarga de enfriar el aire comprimido por el turbocompresor, rebajando la temperatura del aire de admisión  de  90º-120ºC a unos 60 °C, con lo que la ganancia de potencia gracias al intercooler está en torno al 10-15% que sin él. ¿Por qué?  La causa es la densidad del aire. El aire cuando está frio es más denso, las moléculas que lo forman están mas juntas que si estuviera caliente. Ejemplo, si llenamos un globo de aire y se enfría en un congelador, se deshincharía en parte. Por el contrario, si lo introducimos en un horno, se hincharía aun más. Pues lo mismo pasa con el turbo. Si lo que queremos es introducir la mayor cantidad de oxígeno en la cámara se conseguirá con el aire a una temperatura menor ya que es más denso y el porcentaje será mayor.
Otro de los inconvenientes es la  demora en la disposición de la potencia.
Los motores provistos de turbocompresores padecen de una demora mayor en la disposición de la potencia que los motores atmosféricos debido a que el rendimiento del turbocompresor depende de la presión ejercida por éste. Como dije, son los gases de escape los que giran la turbina. A bajo régimen, la cantidad de gases de escape es menor y por tanto hace girar más lenta la turbina y por ende se genera menor presión. En esta demora influyen la inercia del grupo (su diámetro y peso) y el volumen del colector entre la turbina y la salida de los gases de escape del cilindro. Un turbocompresor más pequeño evita la demora en la respuesta, pero ejerce menos fuerza a altas revoluciones.

Hay distintos tipos de sistemas que intentan disminuir este inconveniente aunque en la F1 el más utilizado será el "turbocompresor de geometría variable"  consiste en un turbocompresor que tiene un mecanismo de "aletas" llamadas álabes móviles que se abren y cierran haciendo variar la velocidad de los gases de escape al entrar en la turbina, 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 paso y estos se abren. Esto nos permite tener una presión de trabajo muy lineal en todo el régimen de trabajo del turbocompresor.
Bueno amigos, creo que con este artículo podréis tener una visión general de cómo funciona  un motor turboalimentado. Si queréis ver las especificaciones técnicas que serán de obligado cumplimiento para los equipos a la hora de diseñar el motor os dejo un anterior artículo sobre ello.  Saludos.http://angelesenlacabeza.blogspot.com.es/2012/12/asi-seran-los-motores-turbo-f1.html
Nota: Algunos de ustedes pueden estar más avanzado en los aspectos técnicos de la F1, así que hasta cierto punto puede que esté familiarizado con la siguiente información y que las explicaciones dadas sobre conceptos sean ya conocidos. Como ignorante que soy de todo lo concerniente a la mecánica y demás conceptos de la F1 y tras intentar encontrar artículos que dieran algo de luz sobre el tema con explicaciones fáciles y entendibles y no encontrar mucho, mis artículos están dirigidos sobre todo a los que, como yo quieren encontrar artículos didácticos, de fácil asimilación para salir de las dudas y podamos aprender todos juntos. Espero que os gusten.