Lo primero es entender qué es el «lag». En los motores sobrealimentados, cuando el piloto aprieta el acelerador a fondo, el motor no responde de manera lineal a su demanda de «más potencia». En cambio, lo que hace es ganar algo de par mientras los flujos de gases de escape se aceleran. Cuando estos alcanzan una velocidad crítica para empujar efectivamente el turbocompresor, el motor ofrece de golpe una dosis súbita de par «extra».
El genuino problema de los motores muy turboalimentados está en los tiempos de respuesta al acelerador
Ese tiempo que discurre entre demandar más potencia y recibir esa «patada» es lo que se denomina «lag».
El lag viene derivado de las inercias del sistema de turbocompresor. Como bien sabrás a estas alturas, el turbocompresor emplea la energía de los gases quemados que salen por el colector de escape para hacer girar una turbina. Esta turbina está asociada a otra turbina, que comprime el aire que entra en la admisión del motor.
Debido a que estas dos turbinas tienen una masa nada desdeñable, acelerarlas y frenarlas no es cuestión de milésimas de segundo. Además, tienen una zona de funcionamiento óptimo, por debajo de la cual no ofrecen «presión de sobrealimentación» efectiva.
Vamos, que cuando la turbina del turbocompresor gira a pocas revoluciones por minuto, no es capaz de comprimir el aire del colector de admisión. Como el motor está diseñado para funcionar como turbo, la relación de compresión efectiva que hay en la cámara de combustión, cuando el turbo no sopla, es demasiado baja, y por tanto no se puede inyectar gasolina a saco, ni obtener grandes dosis de potencia.
Cuando el piloto aprieta a fondo el acelerador, inicia un efecto en cadena: se abre la mariposa del acelerador y se incrementa la cantidad de aire y gasolina que entra en el motor. Al haber más aire y combustible, se incrementan los gases de escape y su energía por lo que estos impulsan la turbina del turbocompresor un poco más rápido. Esta comprime un poco más el aire de admisión, que genera más caudal de aire dentro de la cámara de combustión, más potencia, más energía en los gases de escape, que impulsan todavía más la turbina del compresor… Y así de manera continuada hasta que se alcanza esa velocidad crítica de giro del turbo que logra responder a la demanda del conductor.
Para un piloto, poder gestionar «al milímetro» con el pie derecho la respuesta del motor en cuanto a par enviado a las ruedas resulta vital para poder gestionar la guiñada del coche respecto a las curvas, descolgar la trasera a voluntad, o corregir trazadas.
Este efecto en cadena tiene como consecuencia que el conductor tenga que pisar el acelerador hasta dos segundos antes de necesitar el par en las ruedas, anticipándose a lo que venga por delante, para eliminar el tiempo perdido por el lag, mientras se carga el turbocompresor.
Esta gran pega de los motores turbo era uno de los grandes quebraderos de cabeza para los equipos de carreras, que reconocían el extra de potencia específica del motor con el turbocompresor, pero tenían que mitigar esos efectos negativos en el control del vehículo.
El primer paso para mejorar la respuesta de los motores fue reducir las dimensiones de los turbocompresores, para reducir las inercias. También se podía jugar con turbos de doble entrada, o incluso con geometría variable, para poder responder mejor en todo el rango de revoluciones.
Pero fue en 1994 cuando, en el mundial de rallyes, se logró «la gran solución perfecta», mediante la introducción del «bang-bang», el sistema anti-lag, para eliminar el tiempo de respuesta.
¿Cómo funciona?
Todo arranca cuando el piloto suelta el acelerador. En los motores normales, para evitar que el aire comprimido siga empujando a los cilindros evitando que el motor pueda tener retención, una válvula libera el aire comprimido.
Con el sistema antilag, el aire comprimido de la turbina de admisión se puentea directamente al colector de escape. Al mismo tiempo, a pesar de que el conductor haya dejado de acelerar, la mariposa de admisión sigue abierta (entre un 15 y un 20%), como si el conductor tuviera apretado el acelerador.
El complicado sistema de tuberías de gases del turbocompresor de un motor WRC de Mitsubishi
Pero la centralita electrónica del motor modifica la gestión del mismo. Lo que se hace es retrasar al máximo el punto de encendido de la bujía. Así, cuando el pistón del motor ya está en su carrera de expansión es cuando se prende fuego a la mezcla. Esto hace que la gran mayoría de la energía de esa combustión sea impulsada por el cilindro en la carrera de escape, lo que envía la mezcla en llamas y toda esa energía a la turbina de gases. Además, esos gases se mezclan con el aire a alta presión que llega hasta el colector de escape desde la turbina de admisión.
De esta manera, el turbo sigue teniendo energía en forma de gases de escape a alta velocidad y temperatura, con lo que sigue comprimiendo aire a alta presión.
En 1994 se empezó a emplear el sistema anti-lag en los tramos del WRC
En cierto modo, este sistema antilag equivale a emplear al turbocompresor como una turbomáquina térmica similar a un motor de avión.
Como la presión generada por el turbocompresor para el aire limpio sigue siendo elevada, cuando el piloto pisa el acelerador, la válvula de bypass corta el flujo de aire comprimido al colector de escape, y pasa a ofrecerlo de nuevo al pulmón de admisión, generando allí presión en el colector casi instantáneamente.
Con esta solución se logra reducir el lag hasta el punto de que es imperceptible por el conductor. Sólo gracias al perfeccionamiento de la gestión electrónica del motor y de las válvulas que gestionan los flujos de aire del turbocompresor hemos podido llegar a esta situación, con motores muy finos a pesar de usar este principio de funcionamiento.
Pero ¿por qué no se usa en coches de calle?
No es un sistema para montar en tu coche de calle
Hay varias buenas razones por las que estos sistemas anti-lag no son buena idea en un coche de calle. El primer motivo es que se sigue quemando gasolina cuando el motor está en retención, por lo que el consumo de combustible de un motor de este tipo es muchísimo más alto que un motor convencional.
El segundo motivo es que quemar gases en el colector de escape más que en la cámara de combustión genera un estrés térmico enorme en la turbina de gases del turbocompresor, lo que impacta negativamente en su fiabilidad. Hacer un sistema como este fiable para la calle sería muy complejo.
El tercer motivo es que las emisiones contaminantes se incrementan, pues quemar combustible fuera del punto óptimo de la carrera de compresión es poco eficiente.
Y la cuarta razón es que, para los coches de calle, que usan turbocompresores de menor diámetro, con doble entrada, y con posibilidad (en el caso de los turbo y algún motor concreto de gasolina) de emplear geometría variable, este sistema sería redundante.
Desgraciadamente, la FIA prohibió la experimentación de turbinas de geometría variable que probablemente habrían hecho redundantes estos sistemas anti-lag en el motor «mundial» de 1,6 litros que se emplea en el WRC, en el WTCC, y también lo ha prohibido para los futuros motores de F1. De esta manera, los beneficios para los coches de calle que pudieran conseguirse mediante el desarrollo de turbinas de geometría variable para motores de gasolina no los veremos consolidados en competición. Cosas de la FIA.
Lo bueno es que los turbos con motor eléctrico acoplado de los F1 podrán trabajar para eliminar el lag sin recurrir a sistemas anti-lag tipo bang-bang, y esta solución sí se podría aplicar a coches de calle. Pero de esto te hablaremos otro día.
Reportaje originalmente publicado en diciembre de 2013, rescatado para Pistonudos
