Turbodiésel

Motor Land Rover 19J de 1990 (el turbocompresor se encuentra en la esquina superior derecha de la imagen).

El término turbodiésel , también escrito como turbodiesel y turbo diésel , se refiere a cualquier motor diésel equipado con un turbocompresor . Al igual que con otros tipos de motores, la turboalimentación de un motor diésel puede aumentar significativamente su eficiencia y potencia, especialmente cuando se utiliza en combinación con un intercooler . ^{[ 1 ]}

La sobrealimentación de los motores diésel comenzó en la década de 1920 con grandes motores marinos y estacionarios. Los camiones con motores turbodiésel empezaron a estar disponibles a mediados de la década de 1950, seguidos por los turismos a finales de la década de 1970. Desde la década de 1990, la relación de compresión de los motores turbodiésel ha ido disminuyendo.

Los motores diésel suelen ser muy adecuados para la sobrealimentación mediante turbocompresor debido a dos factores:

• Una relación aire-combustible "pobre" , causada cuando el turbocompresor suministra un exceso de aire al motor, no es un problema para los motores diésel, porque el control del par depende de la masa de combustible que se inyecta en la cámara de combustión (es decir, la relación aire-combustible), en lugar de la cantidad de la mezcla aire-combustible. ^{[ 2 ]}
• La cantidad adicional de aire en el cilindro debido a la sobrealimentación aumenta efectivamente la relación de compresión, lo que, en un motor de gasolina, puede causar preignición y altas temperaturas de los gases de escape . Sin embargo, en un motor diésel, el combustible no está presente en la cámara de combustión durante la carrera de compresión , ya que solo se agrega a la cámara de combustión poco antes de que el pistón alcance el punto muerto superior. Por lo tanto, no puede ocurrir preignición. ^{[ 3 ]}

Al igual que en los motores de gasolina turboalimentados, se puede utilizar un intercooler para enfriar el aire de admisión y, por lo tanto, aumentar su densidad. ^{[ 4 ]}

El turbocompresor fue inventado a principios del siglo XX por Alfred Büchi , un ingeniero suizo y jefe de investigación de motores diésel en la empresa fabricante de motores Gebrüder Sulzer . El turbocompresor fue originalmente diseñado para usarse en motores diésel, ya que la patente de Büchi de 1905 señalaba las mejoras de eficiencia que un turbocompresor podía aportar a los motores diésel. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Sin embargo, los primeros motores turboalimentados de producción en serie no se fabricaron hasta 1925, motores marinos turbodiésel de 10 cilindros utilizados por los buques de pasajeros alemanes Preussen y Hansestadt Danzig . ^{[ 8 ] [ 9 ]} El turbocompresor aumentó la potencia de salida de 1750 CV (1287 kW) a 2500 CV (1839 kW) . ^{[ 10 ]} En 1925, Büchi inventó la turbocompresión secuencial, que según Helmut Pucher (2012) marca el comienzo de la tecnología moderna de turbocompresión. ^{[ 11 ]}    

A finales de la década de 1920, varios fabricantes producían grandes turbodiésel para uso marino y estacionario, como Sulzer Bros., MAN, Daimler-Benz y Paxman. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Las mejoras tecnológicas posteriores hicieron posible el uso de turbocompresores en motores más pequeños que funcionaban a velocidades más altas, por lo que los motores turbodiésel para locomotoras comenzaron a aparecer a finales de la década de 1940. ^{[ 14 ] [ 15 ]} En 1951, MAN construyó el prototipo de motor K6V 30/45 mHA, 1  MW , que tenía, para su época, un consumo de combustible excepcionalmente bajo de solo 135,8 g/PSh (184,6 g/kWh) , equivalente a una eficiencia del 45,7 por ciento. ^{[ 16 ]} Esto fue posible gracias al avanzado diseño del turbocompresor, que comprendía un compresor axial de cinco etapas combinado con un compresor radial de nueve etapas y un intercooler. ^{[ 17 ]}  

El uso de motores turbodiésel en vehículos de carretera comenzó con camiones a principios de la década de 1950. El prototipo del camión MAN MK26 se presentó en 1951, ^{[ 18 ]} seguido por el modelo de producción MAN 750TL1 turbodiésel en 1954. ^{[ 19 ]} El camión Volvo Titan Turbo también se presentó en 1954. ^{[ 20 ]} A finales de la década de 1960, la demanda de motores de camión cada vez más potentes llevó a que Cummins , Detroit Diesel , Scania AB y Caterpillar Inc. produjeran turbodiésel .

En 1952, el Cummins Diesel Special se convirtió en el primer automóvil turboalimentado en competir en las 500 Millas de Indianápolis y se clasificó en la pole position. ^{[ 21 ]} El automóvil estaba propulsado por un motor de seis cilindros en línea de 6,6 L (403 pulgadas cúbicas) que producía 283 kW (380 hp) . ^{[ 22 ] [ 23 ]}     

Varias empresas llevaron a cabo investigaciones sobre motores turbodiésel más pequeños para turismos durante las décadas de 1960 y 1970. Rover construyó un prototipo de motor turbodiésel de cuatro cilindros y 2,5 litros en 1963, y Mercedes-Benz utilizó un motor turbodiésel de cinco cilindros con intercooler en el vehículo experimental Mercedes-Benz C111-IID de 1976. ^{[ 24 ]}

El primer automóvil de producción con motor turbodiésel fue el Mercedes-Benz 300SD (W116) , un sedán que se vendió en Estados Unidos a partir de mediados de 1978 y que estaba propulsado por el motor de cinco cilindros OM617 . ^{[ 25 ]} Un año después, el Peugeot 604 D Turbo se convirtió en el primer automóvil turbodiésel que se vendió en Europa. Los automóviles turbodiésel comenzaron a fabricarse y venderse ampliamente en Europa a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, una tendencia que ha continuado hasta la actualidad. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Desde la década de 1990, la relación de compresión de los motores turbodiésel ha ido disminuyendo, debido a la mayor potencia específica y al mejor comportamiento en cuanto a emisiones de escape de los motores turboalimentados con una menor relación de compresión. Los motores de inyección indirecta solían tener relaciones de compresión de 18,5 o superiores. Tras la introducción de los motores common rail a finales de la década de 1990, las relaciones de compresión disminuyeron hasta situarse en el rango de 16,5 a 18,5. Algunos motores diésel fabricados desde 2016 para cumplir con la normativa de emisiones Euro 6 tienen una relación de compresión de 14,0. ^{[ 28 ] : 182-183}

La sobrealimentación puede aumentar considerablemente la potencia de un motor diésel, acercando la relación potencia-peso máxima a la de un motor de gasolina equivalente. ^{[ 29 ]}

Las mejoras en potencia, economía de combustible y ruido, vibración y aspereza en turbodiésel de pequeña y gran cilindrada durante la última década han impulsado su adopción generalizada en ciertos mercados, especialmente en Europa, donde (a partir de 2014) representan más del 50 % de los nuevos registros de automóviles. ^{[ 30 ] [ 31 ]} Los turbodiésel se consideran generalmente más flexibles para usos automotrices que los motores diésel de aspiración natural . Los turbodiésel pueden diseñarse para tener una distribución de par más aceptable en su rango de velocidad o, si se construyen para uso comercial, pueden diseñarse para mejorar la salida de par a una velocidad dada según el uso específico. Los motores diésel de aspiración natural, casi sin excepción, tienen una salida de potencia menor que un motor de gasolina de la misma cilindrada, mientras que al mismo tiempo requieren componentes internos más fuertes (y por lo tanto más pesados), como los pistones y el cigüeñal , para soportar las mayores tensiones de la relación de compresión mucho más alta del motor diésel . Estos factores hacen que los diésel de aspiración natural tengan una mala relación potencia-peso. Los turbocompresores son muy ligeros, pero ofrecen mejoras significativas en potencia, par motor y eficiencia. Instalar un turbocompresor puede equiparar la relación potencia-peso de un motor diésel con la de un motor de gasolina equivalente, lo que hace que los turbodiésel sean atractivos para la industria automotriz. En estos motores, los fabricantes buscan ofrecer potencias y características de manejo similares en toda su gama, independientemente del tipo de motor elegido.

• Bomba de inyección
• Motores de gasolina turboalimentados
• turbocompresor de geometría variable