Sobrealimentador

En un motor de combustión interna , un sobrealimentador comprime el gas de admisión, forzando la entrada de más aire al motor para producir más potencia para un desplazamiento determinado .

La categorización actual es que un sobrealimentador es una forma de inducción forzada que se alimenta mecánicamente (generalmente por una correa del cigüeñal del motor ), a diferencia de un turbocompresor , que se alimenta por la energía cinética de los gases de escape. ^[1] Sin embargo, hasta mediados del siglo XX, un turbocompresor se llamaba "turbosupercargador" y se consideraba un tipo de sobrealimentador. ^[2]

El primer motor sobrealimentado se construyó en 1878 ^[3] y se empezó a utilizar en motores de aviones en la década de 1910 y en motores de automóviles en la década de 1920. En los motores de pistón utilizados en aviones, la sobrealimentación se utilizaba a menudo para compensar la menor densidad del aire a grandes altitudes. La sobrealimentación se utiliza con menos frecuencia en el siglo XXI, ya que los fabricantes han optado por los turbocompresores para reducir el consumo de combustible y aumentar la potencia.

Existen dos familias principales de sobrealimentadores definidos según el método de transferencia de gas: sobrealimentadores de desplazamiento positivo y sobrealimentadores dinámicos . Los sobrealimentadores de desplazamiento positivo proporcionan un nivel casi constante de aumento de la presión de sobrealimentación en todas las velocidades del motor, mientras que los sobrealimentadores dinámicos hacen que la presión de sobrealimentación aumente exponencialmente con la velocidad del motor (por encima de un cierto umbral). ^[4] Otra familia de sobrealimentadores, aunque rara vez se utiliza, es el sobrealimentador de onda de presión .

Los sopladores Roots (un diseño de desplazamiento positivo) tienden a tener una eficiencia de solo el 40-50% en niveles altos de impulso, en comparación con el 70-85% de los supercargadores dinámicos. ^{[ cita requerida ]} Los sopladores de estilo Lysholm (un diseño de tornillo rotativo) pueden ser casi tan eficientes como los supercargadores dinámicos en un rango estrecho de carga/velocidad/impulso, para el cual el sistema debe estar diseñado específicamente.

Las bombas de desplazamiento positivo suministran un volumen de aire casi fijo por revolución del compresor (excepto en caso de fugas, que suelen tener un efecto reducido a velocidades más altas del motor). El tipo más común de sobrealimentadores de desplazamiento positivo es el sobrealimentador tipo Roots . Otros tipos incluyen los sobrealimentadores de tornillo rotativo , de paletas deslizantes y de espiral .

El sistema de clasificación de los sobrealimentadores de desplazamiento positivo se basa generalmente en su capacidad por revolución . En el caso del sobrealimentador Roots, el patrón de clasificación de GMC es típico. La clasificación de GMC se basa en la cantidad de cilindros de dos tiempos (y el tamaño de esos cilindros) que está diseñado para barrer , y la gama de modelos de GMC incluye los sobrealimentadores 2-71, 3-71, 4-71 y 6-71. El sobrealimentador 6-71, por ejemplo, está diseñado para barrer seis cilindros de 71 pulgadas cúbicas (1,2 L) cada uno, lo que da como resultado un motor con una cilindrada total de 426 pulgadas cúbicas (7,0 L)). Sin embargo, debido a que 6-71 es la designación del motor en lugar de la del sobrealimentador, la cilindrada real del sobrealimentador es menor; por ejemplo, un sobrealimentador 6-71 bombea 339 pulgadas cúbicas (5,6 L) por revolución. Otros fabricantes de supercargadores han producido sopladores con una clasificación de hasta 16-71.

Los compresores dinámicos se basan en acelerar el aire a alta velocidad y luego intercambiar esa velocidad por presión difundiéndolo o desacelerándolo.

Los principales tipos de compresor dinámico son:

• Centrífuga ^[5]
• Flujo axial multietapa

Los métodos comunes para conducir un supercargador incluyen:

• Correa (correa trapezoidal, correa síncrona, correa plana)
• Accionamiento directo
• Transmisión por engranajes
• Transmisión por cadena
• Relación de velocidad variable, centrífuga de relación variable
• Los supercargadores eléctricos utilizan motores eléctricos en lugar de fuentes de energía mecánicas.

Los combustibles con un índice de octano más alto son más resistentes a la autoignición y la detonación . Como resultado, se pudo aumentar la cantidad de refuerzo suministrado por los sobrealimentadores, lo que resultó en un aumento de la potencia del motor. El desarrollo del combustible de aviación de 100 octanos, iniciado en los EE. UU. en la década de 1930, permitió el uso de presiones de refuerzo más altas en motores de aviación de alto rendimiento y se utilizó para aumentar enormemente la potencia de salida de varios aviones que batieron récords de velocidad.

El uso militar de combustibles de alto octanaje comenzó a principios de 1940, cuando se entregó combustible de 100 octanos a la Real Fuerza Aérea británica que luchaba en la Segunda Guerra Mundial. ^[6] La Luftwaffe alemana también tenía suministros de un combustible similar. ^{[7] [8]} El aumento del índice de octano se convirtió en un objetivo principal del desarrollo de motores de aviación durante el resto de la guerra, y los combustibles posteriores tenían un índice nominal de hasta 150 octanos. Usando estos combustibles, motores de aviación como el Rolls-Royce Merlin 66 y el Daimler-Benz DB 605 DC produjeron potencias de hasta 2000 hp (1500 kW). ^{[9] [10] [11] [12]}

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Una desventaja de la inducción forzada (es decir, la sobrealimentación o turboalimentación) es que al comprimir el aire de admisión, aumenta su temperatura. En un motor de combustión interna, la temperatura del aire de admisión se convierte en un factor limitante en el rendimiento del motor. Las temperaturas extremas pueden provocar preignición o detonación , lo que reduce el rendimiento y puede provocar daños en el motor. El riesgo de preignición o detonación aumenta con temperaturas del aire ambiente más altas y niveles de sobrealimentación más altos.

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Los motores turboalimentados utilizan energía de los gases de escape que normalmente se desperdiciaría, en comparación con un sobrealimentador que extrae mecánicamente la energía del motor. Por lo tanto, los motores turboalimentados suelen producir más potencia y mejor economía de combustible que los motores sobrealimentados. Sin embargo, los turboalimentadores pueden causar un retraso del turbo (especialmente a bajas RPM), donde el flujo de gases de escape es inicialmente insuficiente para hacer girar el turbocompresor y lograr el nivel de impulso deseado, lo que lleva a un retraso en la respuesta del acelerador . Por esta razón, los motores sobrealimentados son comunes en aplicaciones donde la respuesta del acelerador es una preocupación clave, como las carreras de aceleración y las competiciones de tracción de tractores .

Una desventaja de la sobrealimentación es que el motor debe soportar la potencia neta del motor más la potencia para impulsar el sobrealimentador.

Los motores turboalimentados son más propensos a la sobrealimentación por calor del aire de admisión (ya que la turboalimentación puede colocar los componentes de escape calientes cerca del sistema de aire de admisión), aunque esto se puede superar mediante el uso de un intercooler .

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La mayoría de los motores de aviación utilizados durante la Segunda Guerra Mundial utilizaban sobrealimentadores accionados mecánicamente porque tenían algunas ventajas de fabricación significativas sobre los turbocompresores. Sin embargo, el beneficio para el rango operativo recibió una prioridad mucho mayor para los aviones estadounidenses debido a un requisito menos predecible en el rango operativo y tener que viajar lejos de sus bases de origen. En consecuencia, los turbocompresores se emplearon principalmente en motores de aviación estadounidenses como el Allison V-1710 y el Pratt & Whitney R-2800 , que eran comparativamente más pesados ​​​​cuando estaban turboalimentados y requerían conductos adicionales de costosas aleaciones de metal de alta temperatura en la turbina de gas y una sección previa a la turbina del sistema de escape. El tamaño de los conductos por sí solo fue una consideración de diseño seria. Por ejemplo, tanto el F4U Corsair como el P-47 Thunderbolt usaban el mismo motor radial , pero el gran fuselaje en forma de barril del P-47 turboalimentado era necesario debido a la cantidad de conductos hacia y desde el turbocompresor en la parte trasera del avión. El F4U utilizaba un sobrealimentador de dos etapas con intercooler y un diseño más compacto. No obstante, los turbocompresores eran útiles en los bombarderos de gran altitud y en algunos aviones de combate debido a su mayor rendimiento y alcance a gran altitud.

Los motores de pistón turboalimentados también están sujetos a muchas de las mismas restricciones operativas que los motores de turbina de gas. Los motores turboalimentados también requieren inspecciones frecuentes de sus turbocompresores y sistemas de escape para buscar posibles daños causados ​​por el calor y la presión extremos de los turbocompresores. Este tipo de daños fue un problema importante en los primeros modelos de los bombarderos de gran altitud estadounidenses Boeing B-29 Superfortress utilizados en el teatro de operaciones del Pacífico durante 1944-45.

Los motores de pistón turboalimentados continuaron utilizándose en un gran número de aviones de posguerra, como el B-50 Superfortress , el KC-97 Stratofreighter , el Boeing 377 Stratocruiser , el Lockheed Constellation y el C-124 Globemaster II .

En los Campeonatos del Mundo de Rally de 1985 y 1986, Lancia utilizó el Delta S4 , que incorporaba tanto un sobrealimentador accionado por correa como un turbocompresor accionado por escape. El diseño utilizó una serie compleja de válvulas de derivación en los sistemas de inducción y escape, así como un embrague electromagnético, de modo que, a bajas velocidades del motor, se derivaba un impulso del sobrealimentador. En la mitad del rango de revoluciones, se derivaba un impulso de ambos sistemas, mientras que en las revoluciones más altas, el sistema desconectaba la transmisión del sobrealimentador y aislaba los conductos asociados. ^[13] Esto se hizo en un intento de explotar las ventajas de cada uno de los sistemas de carga y al mismo tiempo eliminar las desventajas. A su vez, este enfoque trajo una mayor complejidad y afectó la confiabilidad del automóvil en los eventos del WRC, además de aumentar el peso de los auxiliares del motor en el diseño final.

Ocasionalmente se han utilizado motores twin-charged en automóviles de producción, como el Volkswagen 1.4 litros de 2005-2013 y los motores de cuatro cilindros 2.0 litros Volvo B4204T43/B4204T48 de 2017 en adelante .

En 1849, G. Jones de Birmingham, Inglaterra, comenzó a fabricar un compresor de bomba de lóbulos para proporcionar ventilación a las minas de carbón. ^[14] En 1860, la Roots Blower Company (fundada por los hermanos Philander y Francis Marion Roots) en los Estados Unidos patentó el diseño de un impulsor de aire para su uso en altos hornos y otras aplicaciones industriales. Este impulsor de aire y el compresor de ventilación de Birmingham utilizaron ambos diseños similares a los de los supercargadores posteriores de tipo Roots .

En marzo de 1878, el ingeniero alemán Heinrich Krigar obtuvo la primera patente para un compresor de tipo tornillo. ^[15] El diseño era un conjunto de rotor de dos lóbulos con rotores de forma idéntica, sin embargo, el diseño no llegó a producción.

También en 1878, el ingeniero escocés Dugald Clerk diseñó el primer sobrealimentador que se utilizó con un motor. ^[16] Este sobrealimentador se utilizó con un motor de gas de dos tiempos . ^[17] Gottlieb Daimler recibió una patente alemana para sobrealimentar un motor de combustión interna en 1885. ^[18] Louis Renault patentó un sobrealimentador centrífugo en Francia en 1902. ^{[19] [20]}

Los primeros automóviles producidos en serie del mundo ^[21] con supercargadores fueron el Mercedes 6/25 hp de 1,6 litros y el Mercedes 10/40 hp de 2,6 litros , ambos comenzaron a producirse en 1923. ^{[22] [23] [24]} Se comercializaron como modelos Kompressor , un término que se utilizó para varios modelos hasta 2012.

Los coches de carreras sobrealimentados de esta época incluían el Fiat 805-405 de 1923 , ^{[ cita requerida ]} el Miller 122 de 1923 ^[25] el Alfa Romeo P2 de 1924 , el coche de temporada del Gran Premio de 1924 de Sunbeam, ^[26] el Delage de 1925 , ^[27] y el Bugatti Type 35C de 1926 .

Entre los coches sobrealimentados más famosos se encuentra el Bentley 4½ Litre ("Blower Bentley"), que se presentó en 1929.

En 1935, el desarrollo de los sobrealimentadores de tipo tornillo alcanzó un hito cuando el ingeniero sueco Alf Lysholm patentó un diseño para un compresor de tornillo rotativo con cinco rotores hembra y cuatro macho. ^[15]

En el siglo XXI, los motores de producción sobrealimentados se han vuelto menos comunes, ya que los fabricantes han optado por la turboalimentación para lograr un mayor ahorro de combustible y mayor potencia. Por ejemplo, los motores Kompressor de Mercedes-Benz de principios de la década de 2000 (como el C 230 Kompressor de cuatro cilindros en línea, el C 32 AMG V6 y el CL 55 AMG V8) fueron reemplazados alrededor de 2010 por motores turboalimentados en modelos como los modelos C 250 y CL 65 AMG . Sin embargo, hay excepciones, como el Audi 3.0 TFSI V6 sobrealimentado (introducido en 2009) y el Jaguar AJ-V8 sobrealimentado V8 (actualizado a la versión Gen III en 2009).

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En la década de 1930, se desarrollaron transmisiones de dos velocidades para los sobrealimentadores de los motores de aviación, lo que proporcionó un funcionamiento más flexible de la aeronave. La disposición también implicó una mayor complejidad de fabricación y mantenimiento. Los engranajes conectaban el sobrealimentador al motor mediante un sistema de embragues hidráulicos, que inicialmente eran activados o desactivados manualmente por el piloto con un control en la cabina. A bajas altitudes, se utilizaría el engranaje de baja velocidad, para evitar niveles excesivos de impulso. A altitudes más altas, el sobrealimentador podría cambiarse a un engranaje más alto para compensar la densidad reducida del aire de admisión. En la Batalla de Inglaterra, los aviones Spitfire y Hurricane propulsados ​​por el motor Rolls-Royce Merlin estaban equipados en su mayoría con sobrealimentadores de una sola etapa y una sola velocidad. ^{[28] [29]}

En 1942, se aplicó una sobrealimentación de dos etapas de dos velocidades con postenfriamiento al motor de avión Rolls Royce Merlin 61. El rendimiento mejorado permitió que los aviones que impulsaban mantuvieran una ventaja crucial sobre los aviones alemanes a los que se opusieron durante la Segunda Guerra Mundial, a pesar de que los motores alemanes tenían una cilindrada significativamente mayor. ^{[30] [29]} Los sobrealimentadores de dos etapas también fueron siempre de dos velocidades. Después de que el aire se comprimiera en la etapa de baja presión , el aire fluía a través de un intercambiador de calor (" intercooler ") donde se enfriaba antes de ser comprimido nuevamente por la etapa de alta presión y luego posiblemente también postenfriado en otro intercambiador de calor.

Si bien los sobrealimentadores se utilizaron mucho a mediados de la década de 1900 y durante la Segunda Guerra Mundial , en gran medida han caído en desuso en los aviones modernos impulsados ​​por pistones . Esto se puede atribuir en gran medida a la mayor temperatura y las aleaciones más ligeras que hacen que los turbocompresores sean más eficientes que los sobrealimentadores, así como al menor mantenimiento debido a menos piezas móviles. ^[31]

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Debido a la menor densidad del aire a mayores altitudes, la sobrealimentación y la turboalimentación se han utilizado a menudo en los motores de las aeronaves. Por ejemplo, la densidad del aire a 30.000 pies (9.100 m) es 1/3 de la que hay a nivel del mar, lo que da como resultado que se pueda quemar 1/3 de la cantidad de ^{combustible en un motor de aspiración natural, por lo que la potencia de salida se reduciría considerablemente. [32]} Se puede pensar en un sobrealimentador/turboalimentador como si aumentara artificialmente la densidad del aire comprimiéndolo o como si obligara a que entrara más aire de lo normal en el cilindro cada vez que el pistón se mueve hacia abajo en la carrera de admisión. ^[32]

Dado que un sobrealimentador suele estar diseñado para producir una cantidad determinada de impulso a grandes altitudes (donde la densidad del aire es menor), el sobrealimentador suele estar sobredimensionado para bajas altitudes. Para evitar niveles excesivos de impulso, es importante controlar la presión del colector de admisión a baja altitud. A medida que el avión asciende y la densidad del aire disminuye, el acelerador se puede abrir progresivamente para obtener el nivel máximo de potencia segura para una altitud determinada. La altitud a la que el acelerador se abre por completo y el motor sigue produciendo la potencia nominal completa se conoce como altitud crítica . Por encima de la altitud crítica, la potencia de salida del motor se reducirá ya que el sobrealimentador ya no puede compensar por completo la disminución de la densidad del aire.

Otro problema que se presenta a bajas altitudes (como a nivel del suelo) es que el aire de admisión es más cálido que a gran altitud. El aire más cálido reduce el umbral en el que se puede producir detonación del motor , especialmente en motores sobrealimentados o turboalimentados. Los métodos para enfriar el aire de admisión a nivel del suelo incluyen intercoolers/postcoolers , inyección antidetonante , sobrealimentadores de dos velocidades y sobrealimentadores de dos etapas.

En los motores sobrealimentados que utilizan un carburador , un acelerador parcialmente abierto reduce la presión de aire dentro del carburador. En condiciones de frío, este aire a baja presión puede provocar la formación de hielo en la placa del acelerador. Una cantidad significativa de hielo puede provocar una falla del motor, incluso cuando el motor funciona a plena potencia nominal.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Supercargadores .

• Indicador de impulso
• Inducción forzada
• Intercambiador de calor
• Motor de aspiración natural