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Motores Sobrealimentados

Indice del curso

 

Introducción
El uso de elementos que sirvan para sobrealimentar los motores viene dado por la necesidad de aumentar la potencia sin tener que aumentar la cilindrada. Aumentar la potencia depende de la cantidad de combustible quemado en cada ciclo de trabajo y del numero de revoluciones.
Pero tanto en motores Diesel como en los de gasolina, 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.
Así pues, solo conseguiremos aumentar la potencia, sin variar la cilindrada ni el régimen del motor, si conseguimos colocar en el interior del cilindro un volumen de aire (motores Diesel) o de mezcla (aire y gasolina para los motores de gasolina) mayor que la que hacemos entrar en una "aspiración normal" (motores atmosféricos).


En algunos casos, y en países situados a grandes altitudes o con climas muy calurosos, existe la necesidad de compensar la diminución de la densidad de aire producida por una disminución de la presión atmosférica ocasionada por la altitud y una diminución de las moléculas de oxigeno por el aumento de temperatura. Para todos ello la sobrealimentación es la solución que podemos aportar.
Hay dos fabricantes principales a la hora de construir maquinas para sobrealimentar motores (compresores), que son: Garret y kkk, también están IHI, MHI (Mitsubishi) y Holset.


Turbocompresor de la marca Garret

 

Un poco de historia
En los primeros años del automóvil la forma de conseguir más potencia fue relativamente sencilla: si se querían más potencia se aumentaba la cilindrada, bien empleando cilindros de mayor diametro o bien aumentando el número de cilindros. Este tipo de solución no presentaba problemas graves en vehículos de uso normal, pero en competición pronto se demostró que no era la solución ideal.
También se aumentó la velocidad de giro de los motores, pero la fragilidad y el aumento de peso no favorecían lo más mínimo a la hora de competir.
Ante este problema surgió una tercera vía para conseguir más potencia. Si ésta, en definitiva, dependía de la cantidad de gasolina que se quemaba dentro de los motores, si se forzaba su entrada a los mismos se podrían conseguir más caballos sin necesidad de construirlos con cilindradas enormes o con más cilindros.
La idea de la sobrealimentación es casi centenaria y existen patentes que se remontan al siglo XIX (años de 1800). Ya los hermanos Daimler patentaron un tipo de compresor en 1896, y el ingeniero Büchi también presentó en 1905 la primera idea de lo que podría ser un turbocompresor, la cual completó en 1910 con un sistema básicamente igual al que se utiliza hoy día. El mismo Büchi trabajó intensamente con su idea y en 1925 llegó a perfeccionarlo de tal manera que su invento aún está vigente en determinados tipos de motores diesel.

La llegada del turbo al motor de combustión interna se produjo más tarde y su aplicación comenzó en la competición después de que por los años sesenta se utilizase con profusión el compresor volumétrico. Los éxitos más notables en la implantación del turbo vinieron de la mano del ingeniero francés Auguste Rateau. Después, por encargo de Renault, comenzó en los años setenta, ya con los debidos medios, su aplicación a motores de competición en la categoría de los Sport Prototipos. Así nació el Renault Alpine A-442 que sirvió de base para el motor de Fórmula 1 que debuto en 1977. A partir de ese momento, comenzó una vertiginosa carrera en la aplicación del turbo para motores de vehículos de gran serie, hasta el punto de que en la actualidad no hay fabricante de prestigio que no comercialice alguno de sus modelos dotado de turbo.

 

A pesar de sobrealimentar motores de tiempos inmemoriales, la industria donde mayor evolución e implantación tuvo la alimentación forzada fue la aeronáutica. Los motores de pistones que utilizaban los aviones perdían rendimiento a medida que aumentaban la altura a la que volaban al bajar la presión y densidad del aire, por lo que para compensar, se optó por montar compresores mecánicos y turbocompresores a aquellos motores.

 

La Sobrealimentación en motores de gasolina
En el caso de los motores de gasolina, la sobrealimentación, presenta un problema inicial que ha de tenerse en cuenta. Como se ha visto, en la combustión de los motores de gasolina, el problema que acarrea sobrepasar una cierta presión de compresión puede ocasionar problemas de picado, bien por autoencendido o por detonación.
Este problema es debido al aumento de temperatura que sufre la mezcla de aire-combustible dentro del cilindro en la carrera de compresión del motor que será tanto mayor cuanto mayor sea el volumen de mezcla (precisamente es lo que provoca la sobrealimentación).
La solución para este problema consiste en reducir la relación de compresión por debajo de 10:1 con el fin de que no aumente demasiado la presión y con ello la temperatura de la mezcla que puede provocar el autoencendido o la detonación.
Otro problema que hay que sumar a estos motores lo representa el aumento de las cargas térmicas y mecánicas. Debido a que las presiones durante el ciclo de trabajo en un motor sobrealimentado son mayores, esto se traduce en unos esfuerzos mecánicos y térmicos por parte del motor que hay que tener en cuenta a la hora de su diseño y construcción, reforzando las partes mecánicas mas proclives al desgaste y mejorando la refrigeración del motor.
Otra cosa a tener en cuenta es la variación en el diagrama de distribución. Así para un motor sobrealimentado, cuanto mayor sea el AEE (avance a la apertura de la válvula de escape) tanto mejor será el funcionamiento de la turbina.
También la regulación al avance del encendido debe de ser mucho mas preciso en un motor sobrealimentado, por eso se hace necesario un motor un encendido sin ruptor, por lo que es mejor el uso de encendidos transistorizados o electrónicos.

Además de todo ello, la sobrealimentación de gasolina ha de tener en cuenta los siguientes factores:

Particularidades de la situación del sobrealimentador en los motores que utilizan carburador
Según sea el sistema utilizado para sobrealimentar el motor de gasolina, el compresor puede situarse antes o despues del carburador.

 

 

El carburador aspirado fue el más utilizado en las primeras aplicaciones de la sobrealimentación, por su sencillez y porque proporcionaba una mezcla de aire - gasolina de temperatura más baja que el sistema soplado.
Sin embargo actualmente se utiliza más el sistema de carburador soplado ya que este sistema permite la utilización de un intercambiador de calor o intercooler. Esta configuración se puede ver en la imagen inferior:

 

 

Para motores diesel o motores de gasolina alimentados por inyección esta clasificación no tiene sentido ya que los inyectores de combustible se colocan siempre después del sistema de sobrealimentación.

 

La sobrealimentación en los motores Diesel
En el caso de los motores Diesel; la sobrealimentación no es una causa de problemas sino todo lo contrario, es beneficioso para un rendimiento optimo del motor. El hecho de utilizar solamente aire en el proceso de compresión y no introducir el combustible hasta el momento final de la carrera compresión, no puede crear problemas de "picado" o autoencendido en el motor. Al introducir un exceso de aire en el cilindro aumenta la compresión, lo que facilita el encendido y el quemado completo del combustible inyectado, lo que se traduce en un aumento de potencia del motor. Por otro lado la mayor presión de entrada de aire favorece la expulsión de los gases de escape y el llenado del cilindro con aire fresco, con lo que se consigue un aumento del rendimiento volumétrico o lo que es lo mismo el motor "respira mejor".
No hay que olvidar que todo el aire que entra en el cilindro del motor Diesel hay que comprimirlo, cuanto mas sea el volumen de aire de admisión, mayor será la presión en el interior de los cilindros. Esto trae como consecuencia unos esfuerzos mecánicos en el motor que tienen un limite, para no poner en peligro la integridad de los elementos que forman el motor.

 

Los compresores
El primer diseño de un compresor para ser aplicado a un motor de combustión interna fue de Gottlieb Daimler y lo hizo en el año 1885

La forma de conseguir un aumento de la presión del aire necesario para la sobrealimentación de motores es mediante la utilización de unas maquinas llamadas: compresores. Se clasifican en tres grupos: primero los llamados "volumétricos" o de "desplazamiento positivo"; segundo los que reciben el nombre de "dinámicos" o de "no desplazamiento positivo"; Por ultimo, el otro tipo de compresor se denominado de "onda de presión".


Compresor Lysholm

 

A los primeros pertenecen los compresores de mando mecánico (accionados por el cigüeñal mediante piñones o correa) como ejemplo tenemos el denominado: Roots o de lóbulos, Lysholm, el compresor G y muchos mas tipos. Como compresor "dinámico" se conoce a los turbocompresores (accionados por los gases de escape). Como compresor de "onda de presión" tenemos exclusivamente el "comprex" de la empresa Brown Boveri.

En el terreno de la sobrealimentación de motores, tanto en gasolina como en Diesel, los mejores resultados obtenidos hasta ahora se han llevado a cabo con la ayuda de los turbocompresores que si bien tienen algunos inconvenientes, tienen la gran ventaja de que no consumen energía efectiva del motor además de que están facultados para poder girar a un número elevadísimo de r.p.m.,por encima de 100.000. Todo esto y su facilidad para ser aplicados al motor debido a su pequeño tamaño (por lo menos en comparación a los compresores volumétricos) hace que se haya estudiado a fondo la manera de utilizarlos y que se hayan conseguido con ellos grandes éxitos tanto en competición como en realizaciones de motores de tipo comercial.
En la siguiente gráfico vemos una comparativa de dimensiones y peso de cada uno de los tipos de compresores donde se aprecia la ventaja del turbocompresor que le hace ser mas adecuado a la hora de acoplarlo al motor.

 

Otras formas de sobrealimentar el motor

Alimentación forzada dinámica: esta sobrealimentación utiliza las propiedades dinámicas de los gases para por medio de ondas de choque, inercias de los gases y resonadores introducir más aire dentro de los cilindros. Su efectividad no es muy alta, pero algunos coches utilizan admisiones de aire variables que se aprovechan de estas propiedades para mejorar ligeramente la capacidad de meter aire en sus cilindros.
Consiste en utilizar la dinámica de la corriente de aire o gases aspirados por el motor.
Como ejemplo el fabricante BMW utiliza para el motor en linea de 6 cilindros del M5 un sistema de aspiración con una válvula de mariposa adicional. De este modo, se aprovecha el efecto de la llamada sobrealimentación por "oscilación de admisión", gracias a la cual se puede mejorar la potencia y el par motor, si bien esto solo es así dentro de un margen de r.p.m. relativamente estrecho.

En la gráfica (figura inferior) nos muestra el incremento del par motor y de la potencia del motor M5 con sobrealimentación por oscilación de admisión.

 

Si en motores de 6 cilindros el tubo de aspiración se realiza como en los motores de 4 cilindros, desembocan todos los tubos articulados en un colector. Y eso es bueno para la potencia máxima, pero no lo es tanto para el par motor. Solo se puede conseguir un buen par motor, si se aprovechan las ondas de choque o las pulsaciones, que se generan al cerrar las válvulas de admisión, para obtener un efecto de sobrealimentación, en otros cilindros. Cuantos mas cilindros (ondas de choques) se deriven a un colector, mas pequeño será el efecto de sobrealimentación, porque las pulsaciones se compensan entre ellas en el colector. El sistema funciona de forma optima para el motor 3 cilindros, porque en ese caso una válvula de admisión se cierra, cuando la otra justo empieza a abrirse. Y lo mismo es valido para el lado del escape. También aquí se agrupan los cilindros adecuados con longitudes adecuadas de conductos, para conseguir una mejora en el rendimiento volumétrico.

El sistema de admisión de un motor Opel de 6 cilindros (figura inferior) aprovecha mediante una solución ingeniosa los tiempos de trabajo que se dan al dividir el colector de admisión, en dos partes como si trabajaríamos con un motor de 3 cilindros. Por medio de un tubo de aspiración adecuado con una válvula de mariposa conmutable (B) se divide el motor de 6 cilindros en régimen de revoluciones bajo, en 2 motores de 3 cilindros (C). A partir de aproximadamente 4000 r.p.m. se abre la válvula de mariposa conmutable (B) y el modo de funcionamiento se modifica de tal forma, que se genera una potencia elevada. Dependiendo de la conformación y del ajuste del sistema de aspiración, puede producirse otro incremento de potencia para un numero de revoluciones muy elevado, si se vuelve a cerrar la válvula de mariposa a partir de aproximadamente 6000 r.p.m. (como se ve en la gráfica superior).

 

 

 

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