SOBREALIMENTACIÓN DE MOTORES

 

 

La sobrealimentación es un método que se utiliza para dar potencia y rendimiento a un motor.
Sobrealimentar un motor puede definirse como la forma de utilizar un sistema mediante
el cual se consiga aportar un mayor llenado gravimétrico al interior de los cilindros, es decir
una mayor cantidad de mezcla fresca , para obtener así mayor energía y por lo tanto mayor trabajo
del que podría obtenerse de un motor de aspiración natural.

La sobrealimentación no sólo sirve para dar mayor potencia al motor, si no también para conseguir
la misma potencia en condiciones atmosféricas anormales, como ser a grandes alturas
(en el caso de los aviones o vehículos que transiten en zonas montañosas)
o zonas de elevadas temperaturas. El problema de las grandes alturas y elevadas temperaturas
es que en estos lugares la presión es más baja y por lo tanto la cantidad de mezcla que ingresa al motor es menor.

Existen dos formas muy difundidas de sobrealimentar un motor:
Por medio del COMPRESOR VOLUMÉTRICO llamado SÚPER CARGADOR

 

SOBREALIMETADORES VOLUMÉTRICOS O SÚPER CARGADORES

 

Los sobrealimentadores volumétricos son aparatos que hacen circular el aire a mayor velocidad de la que 
proporciona la presión atmosférica, con lo que crea un sobreprecios en el múltiple de admisión.
Las características fundamentales de éstos compresores es que se encuentran accionados  
por el cigüeñal del motor a través de engranajes o correas, por lo que tienen buen rendimiento a bajas vueltas 
cosa que no ocurre con los turbocompresores; pero también tienen contras, ya que el compresor 
al ser accionado por el cigüeñal le quita potencia al motor.
 
Existen 2 tipos de sobrealimentadores volumétricos que se utilizan en la actualidad:
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Supercargadores de lóbulo
Supercargadores centrífugos
 

SUPERCARGADORES DE LÓBULOS

 

Entre los supercargadores de lóbulos el más utilizado es el tipo ROOTS, el cual consta de 
2 rotores de lóbulos que son solidarios a 2 engranajes, los cuales son comandados por
un tercer engranaje el cual esta acoplado al cigüeñal por medio de una correa.
 
El compresor ROOTS trabaja como desplazador del aire de la siguiente manera
 

Al girar los 2 lóbulos absorven el aire de la atmósfera y lo desplaza comprimiéndolo a lo largo de 
las paredes del supercargador en el sentido de giro de los rotores hacia la admisión del motor  
 

 

Existen otras formas de accionamiento del supercargador, por medio de un acoplador hidráulico 
o por medio de un sistema de electroimán que permite ponerlo en funcionamiento o embragarlo
a voluntad con un botón, según las características y necesidades de marcha.
Sus desventajas son que le quita potencia al motor por ser movido por el cigüeñal 
(generalmente de 7 a 10 HP aproximadamente), tienen un peso de 3 a 4 veces mayor 
que los turbocompresores y su colocación se hace difícil debido a su gran tamaño 
por todo esto no se los utilizan con mucha frecuencia en motores de bajas cilindradas


 

DIAGRAMA DE UN MOTOR CON SUPERCARGADOR

1-Motor.
2-Escape.
3-Tanque de combustible.
4-Bomba de nafta.
5-Cañeria de alimentacón del tanque a la bomba de nafta.
6-Cañeria de alimentación del carburador.
7-Carburador.
8-Filtro de aire.
9-Válvula de flap que permite pasar aire cuando no está funcionando el compresor. 
10-Compresor tipo ROOTS.
11-Embrague eléctronico del compresor.
12-Polea del cigüeñal canectada con el embrague del compresor.
13-Botón que habilita al pulsador del embrague del supercargador.
14-Pulsador que pone en marcha el supercargador.
15-Válvula de alivio para controlar la sobrepresión.
16-Cañeria para alimentación extra de combustible.
17-Sensor de cantidad de aire que ingresa.
 

SUPERCARGADORES CENTRÍFUGOS

 

Los supercargadores centrífugos son muy similares a los turbocompresores
ya que el compresor en sí es un rotor con álabes, pero movido por medio de una correa conectada al cigüeñal 
que toma el aire a presión atmosférica,  lo desplaza a travéz de las paredes de la carcaza 
comprimiéndolo y enviándolo a la admisión del motor  
 

 

Sus ventajas son la de disponer de buen rendimiento a bajas vueltas (lo que no ocurre con los turbos) 
y son más pequeños que los de tipo Roots.
Sus desventajas son que le quita potencia al motor (generlmentede 6 a 9 HP aproximadamente) 
tiene mayor velocidad de rotación y produce mayor calor que el de tipo Roots
por lo que es mejor utilizarlo con intercooler (intercammbiador de calor).
 

TURBO COMPRESORES

 

 

INTRODUCCIÓN E HISTORIA

 

En el terreno de la sobrealimentación de motores los mejores resultados obtenidos 
hasta ahora se han conseguido con la ayuda de los turbocompresores
que si bien presentan algunos inconvenientes, tienen la gran ventaja de que no consumen energía efectiva del motor
 además de estar facultados para poder girar a un gran número de vueltas.
Estas dos ventajas, junto a la facilidad con que pueden ser aplicados a los motores por su pequeño tamaño 
(con respecto a los compresores volumétricos) hacen que haya evolucionado 
su estudio y se hayan conseguido grandes rendimientos en motores de conbustión interna de todo tipo.
La idea de la sobrealimentación se remonta al siglo XIX, el ingeniero 
Buchi presentó en 1905 la primera idea de lo que sería un turbocompresor, la cual completó en 1910 
con un sistema básicamente igual al que se utiliza hoy en día.
El mismo Buchi trabajó con su idea y en 1925 llegó a perfeccionarlo de tal manera 
que su invento aún está vigente en determinados motores Diesel.
Los éxitos más notables con la implementación del turbo vinieron de la mano del ingeniero Rateau.
 Luego por encargo de Renault comenzó en los años 70 su aplicación a motores de competición. Así nació el Renault
 A 442 que sirvió de base para el motor de Fórmula 1 que debutó en 1977.
El reglamento de Fórmula 1 de esos años permitía motores aspirados de 3 Lts o motores 
con turbocompresor de 1,5 Lts de cilindrada. Con esto en 1977 los motores de 3 Lts 
como el Cosworth DFV erogaba 487 CV, mientras que el motor Renault Turbo desarrollaba una potencia de 510 CV
pero con una desventaja porque a pesar de su capacidad más pequeña  era un 25 % más pesado que el Cosworth.
En 1985 el motor Honda superó ampliamente esos valores porque éste erogaba 1082 CV con 1,5 Lts de cilindrada.
 

 

DESARROLLO Y FUNCIONAMIENTO
 

Los motores de combustión interna aprovechan sólo un 25% de la energía del combustible
el resto se pierde por el escape, por pérdidas de rozamiento mecánico y también 
por pérdidas de calor al tener que enfriar el motor.
El turbocompresor aprovecha la energía desperdiciada por el escape con un dispositivo 
que consta de una pequeña turbina, por la cual pasan los gases de escape y la hacen girar 
a grandes velocidades (hasta 130.000 R.P.M) con temperaturas del orden de los 900-1000°C.
La turbina está unida mediante un eje al compresor, que es una rueda con una docena o más de álabes. 
Cuando gira la turbina también gira el compresor y las paletas curvadas (álabes) succionan el aire de la atmósfera
lo hacen girar y lo impulsan a mucha velocidad hacia un difusor que está en la carcaza del compresor
haciendo que el aire disminuya la velocidad y aumente considerablemente la presión.
En la turbina se produce el efecto contrario; en la carcaza de ésta se encuentra situada una tobera 
por la cual pasan los gases de escape a presión, la cual disminuye y en consecuencia aumenta considerablemente l
a velocidad haciendo girar la turbina a altísimas revoluciones.
Gracias al aumento de presión que produce el compresor, el aire penetra en el sistema de admisión del motor 
a travéz del carburador o múltiple de admisión (en el caso de ser injección) donde adquiere la cantidad 
de combustible necesaria y llega a la cámara de combustión para seguir el proceso normal del ciclo.
Este hecho de que la mezcla aire-combustible esté a altas presiones quiere decir que una proporción 
mayor de ella entra en el cilindro que en los motores aspirados.
Al penetrar más mezcla el motor desarrolla más energía, de forma que el turbo aumenta 
significativamente el rendimiento del mismo.
Es necesario calcular la forma de los álabes y tamaño del compresor de manera que produzca un sobrepresión útil 
a la requerida por el motor. Una vez calculado esto es preciso diseñar la turbina que proporcione 
las velocidades requeridas por compresor. Antes de llegar a la turbina el gas de escape debe retener tanto 
como sea posible su calor, velocidad y presión a fin de que pueda mantener a la turbina en un giro eficaz.
Cuando la turbina es pequeña la respuesta es más rápida  y el rendimiento es mejor a menor 
cantidad de vueltas (turbo de baja), mientras que si la turbina es más grande el rendimiento será mejor a mayores revoluciones
 (turbo de alta). Aunque lo último en tecnología de turbos es el Turbo de geometría variable
que funciona en alta y en baja, ya que por su diseño le permite variar el ángulo de incidencia de los álabes 
de la turbina de acuerdo a los requerimientos del motor.


 

DIAGRAMA DE UN MOTOR CON TURBO

 

1- Filtro de Aire
2- Admisión del compresor
3- Compresor
4- Salida del compresor hacia el intercooler
5- Intercooler
6- Salida del intercooler hacia el carburador
7- Carburador presurizado
8- Distribuidor
9- Multiple de admisión
10- Block de cilindros del motor
11- Multiple de escape
12- Turbina
13- Valvula de descarga
14- Escape 
 

VÁLVULA DE DESCARGA

 

Los turbocompresores deben tener una válvula la cual limite la entrada de los gases de la turbina
 pues ésta si no tuviera la válvula alcanzaría altísimas velocidades de giro con lo cual la sobrepresión 
sería demasiado grande provocando la rotura o destrucción del motor.
Esta válvula llamada Waste Gate lo que hace es regular la sobrepresión que produce el turbocompresor. 
Funciona desviando las presiones de los conductos de escape cuando se alcanzan valores de sobrepresión 
mayores a los que podría soportar el motor.
Dicha válvula es accionada por una cápsula manométrica que actúa con un determinado valor de presión 
que es tomado en el múltiple de admisión. Cuando la velocidad del compresor se estabiliza la válvula se cierra
 

 

INTERCAMBIADOR DE AIRE
 

Algunos vehículos con turbocompresor llevan un inercambiador de aire que es una especie de radiador 
de aire llamado intercooler aire-aire (el más usado), o también existe el intercooler aire-agua (refrigerado por agua).
El enfriamiento del aire después que salió del compresor tiene ventajas evidentes porque 
aumenta el rendimiento energético (hasta un 20%) y reduce el desgaste del motor.
 

 

El aumento energético se produce por el enfriamiento de la mezcla de aire y combustible
hace que ésta sea más densa, así entra más cantidad en el cilindro y produce mayor potencia.
La reducción del desgaste del motor se debe a que la combustión de la mezcla es a menor temperatura 
con lo que hace menos probable que se quemen las válvulas y así se reduzca la temperatura del motor.
Como el intercooler hace más densa la mezcla también reduce la presión de ésta en el múltiple de admisión
esto es una desvantaja y también una ventaja, porque al reducir la presión se consigue 
que el trabajo del motor una vez que entra al cilindro se reduzca y contribuye a evitar la detonación 
por lo que se le puede dar más presión al turbo; aunque por la reducción 
de presión en el múltiple de admisión produce que la presión de los gases de escape también sea menor
con lo cual hay menos energía para mover la turbina, aún así el intercooler ayuda a generar más potencia.
 

 

DIAGRAMA DE TURBO INTERCOOLER DE UN F 1
 

 

REFRIGERACIÓN POR AGUA
 

Otra forma de extraer el calor generado por el conjunto turbocompresor es hacer circular 
agua por canales que se encuentran en la carcaza del compresor para conseguir 
así una menor temperatura del aire, aumentando la densidad de éste dentro del cilindro.
 

LUBRICACIÓN
 

 

Otra característica importante en el diseño del turbocompresor son los cojinetes y su lubricación.
La mayoría de los turbocompresores tienen cojinetes flotantes que mantienen al eje principal entre la turbina y el compresor.
Los cojinetes flotantes encajan suavemente sobre el eje de la turbina y también 
están flojos dentro del alojamiento del turbocompresor. El aceite forzado por la bomba de aceite del motor 
se mete entre el cojinete y el eje, y entre el cojinete y el alojamiento de éste, por lo 
cual se dice que el cojinete flota y el rozamiento es casi nulo. Por este motivo se puede reducir las velocidades 
del cojinete a la mitad de las que gira el eje.
Como la turbina gira a velocidades que superan las 100.000 R.P.M es crucial una muy buena lubricación 
con lo cual se hace necesario contar en lo posible de radiadores de aceite, filtros y aceites de excelente calidad.
 

 

LUBRICACIÓN

 

En 1963 GARRET patentó un método más científico de modificar las características del turbocompresor. 
Su objetivo era tener un mayor rendimiento del motor a bajo régimen, cosa que no pasa con los 
turbocompresores comunes. 
Esto se consiguió dividiendo el múltiple de escape de manera tal que se facilite la salida de los gases 
de acuerdo al orden de encendido.
Así como se dividió el múltiple de escape se dividió la carcaza de la turbina. También los álabes de la turbina 
tienen una forma especial para que los gases incidan sobre éstos en dos puntos diferentes y de a uno por vez, 
de manera tal que los gases de escape de una parte del múltiple no tienen oposición de los gases que salen por la otra mitad.
Este dispositivo está hecho en base a que la salida de los gases de escape se desarrolla en sinusoidal
es decir; que la entrada de los gases a la turbina es entre 0 y máxima de la sinusoide.
Esta sinusoide es en función del tiempo de apertura de válvulas y la presión con que salen los gases.
 

 

información obtenida en www.tecno-racing.com.ar