El turbo lag es una situación en la que un motor turboalimentado no responde a una presión brusca del pedal del acelerador con un aumento instantáneo del empuje. El conductor espera una aceleración, pero el motor primero solo aumenta gradualmente las revoluciones, y solo después de un tiempo comienza a acelerar activamente el automóvil. En otras palabras, hay un retraso entre presionar el pedal y la aparición de un empuje completo, ese mismo turbo lag.

Durante la aceleración, la turbina y el compresor deben suministrar una cantidad adicional de aire a los cilindros. Esto permite que el motor aumente rápidamente su potencia. El compresor por sí solo podría manejar esta tarea, aunque con ciertos retrasos y pérdidas. Pero la turbina está limitada por las características de su propio accionamiento: por eso el efecto característico del turbo lag está asociado con los sistemas de sobrealimentación de turbina de gas.

Con qué intentan reemplazar la turbina

Los diseñadores han utilizado durante mucho tiempo diferentes métodos para evitar el retraso en el funcionamiento del turbocompresor. Una de las opciones es común en muchos motores americanos sobrealimentados: el compresor recibe un accionamiento mecánico directamente del cigüeñal, generalmente a través de una correa. El esquema es bastante primitivo, pero para una carrera corta de 10 segundos, sus capacidades son suficientes.

Otra opción se encuentra en el extremo opuesto de la escala: el compresor es accionado por un potente motor eléctrico de alta velocidad, generalmente de corriente continua.

Ambas soluciones tienen una ventaja obvia: el turbo lag es prácticamente inexistente. Sin embargo, este resultado nunca es completamente gratuito. El accionamiento mecánico consume energía útil del cigüeñal, y el eléctrico consume la carga de potentes baterías. Al mismo tiempo, una parte significativa de la energía de los gases de escape se pierde, lo que reduce la eficiencia general del motor.

Por qué aparece la caída de empuje

La causa del turbo lag está oculta en el diseño de la propia turbina. En su variante más simple, una turbina de gas consta de un rotor con palas fijas. Alrededor de ellas se encuentra un difusor, y en el punto de entrada del flujo se instala un conjunto de toberas. Sus palas están dispuestas de manera similar, pero orientadas en la dirección opuesta.

Tanto el conjunto de toberas como las palas del rotor de la turbina tienen un cierto ángulo con respecto a la dirección del flujo de gas. Y este ángulo es diferente para cada elemento.

El ajuste preciso de las características permite reducir la caída de potencia en varios rangos de revoluciones. Pero este trabajo requiere grandes costos. El desarrollo y la producción de turbinas con geometría de palas variable siguen siendo tareas costosas y tecnológicamente complejas, por lo que no todos los fabricantes pueden permitirse tal diseño.

Como resultado, en lugar de una optimización profunda de la turbina, a menudo se elige un rango de funcionamiento más estrecho. El fabricante la ajusta para que, aproximadamente dentro de 2000-3500 rpm, el motor proporcione un empuje, una economía y una vida útil aceptables de al menos 200 mil km.

A menores revoluciones, aparece el característico "lag". Para muchos fabricantes, este rango se considera de transición, por lo que el funcionamiento de la mecánica no está optimizado en él. Los gases de escape pueden ser suficientes, pero la turbina aún no es capaz de utilizar eficazmente su energía.

El problema también radica en la geometría de las palas: están diseñadas para una velocidad y temperatura de flujo significativamente más altas. Para que la turbina comience a funcionar en su rango efectivo, primero debe acelerarse. Y la pesada rueda de la turbina tiene una inercia notable, por lo que es imposible cambiar instantáneamente su velocidad de rotación.

Cómo los fabricantes luchan contra el turbo lag

La opción más conocida es la instalación de dos turbinas en lugar de una. Estos sistemas se denominan Bi-Turbo o Twin-Turbo. En un motor en V, por ejemplo, se puede colocar una turbina en cada bancada de cilindros. El esquema paralelo se considera bastante simple y eficaz, y es especialmente conveniente donde la compacidad y la disposición racional son importantes.

Otra opción es el Sequential Twin Turbo, es decir, un esquema secuencial con turbinas pequeñas y grandes. No funcionan simultáneamente en el mismo modo, sino que se conectan secuencialmente al funcionamiento del motor. Uno de los ejemplos conocidos de esta solución es el motor Toyota 2JZ-GTE.

Entre las soluciones modernas, también se han extendido las turbinas con un "booster" eléctrico. Este sistema permite eliminar prácticamente la caída de empuje, pero requiere una gran cantidad de energía eléctrica. Por lo tanto, este diseño es especialmente adecuado para automóviles con un sistema de propulsión híbrido.

También hay una forma más común de combatir el turbo lag: cambiar la configuración del firmware de la unidad de control electrónico. En el momento en que aparece la caída, el sistema de inyección aumenta el suministro de combustible a la cámara de combustión y, por lo tanto, cambia la composición de los gases de escape.

Como resultado, el flujo de escape contiene más productos de descomposición de la gasolina no reaccionados, CO y H₂. Estos pueden aumentar la potencia que actúa sobre la turbina casi instantáneamente. Pero esta solución tiene un grave inconveniente:

• se acelera la carbonización de los pistones y los anillos de pistón;
• aumenta el riesgo de quemado del catalizador.

Por lo tanto, la lucha por software contra el turbo lag puede dar un efecto rápido, pero va acompañada de una carga adicional en el motor y el sistema de escape.

Geometría variable: más compleja, pero más eficiente

Para una lucha completa contra la caída de empuje, se requiere una mecánica más compleja: palas giratorias del rotor y un conjunto de toberas ajustable. Este diseño permite cambiar los parámetros de funcionamiento de la turbina en función de las condiciones y utilizar la energía del flujo de gas de manera más eficiente.

Esta tecnología es utilizada por varias de las principales empresas fabricantes de motores. En particular, Porsche fue la primera en utilizar la geometría variable de la turbina en un motor de gasolina, en el modelo 911 Turbo.

Sin embargo, la eficiencia tiene un precio en complejidad. Esta turbina es más cara y difícil de fabricar, y su desarrollo requiere especialistas del nivel adecuado. Es necesario mantener en plantilla a una docena de ingenieros cualificados y experimentados relacionados con la construcción de turbinas de aviación.

Pero los costos de tal diseño, como se señala en la descripción original, se amortizan con creces.

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