Sobrealimentación del motor

Desde los inicios del automóvil uno de los objetivos de su evolución ha sido mejorar sus prestaciones y, sobre todo, la respuesta del motor al acelerar incluso circulando a bajo régimen. Durante años la forma de conseguirlo era aumentar el tamaño del motor, es decir su cilindrada, lo que implica más coste, consumo y contaminación. Sin embargo se puede conseguir con un motor de baja/media cilindrada como seguidamente vamos a ver mediante la sobrealimentación.

Concepto de sobrealimentación del motor

Un motor estándar aporta la energía, par y potencia, acorde a su cilindrada y algunos detalles y ajustes variables. Si se trata de un motor de automóvil de turismo ha de haber un equilibrio entre el par (fuerza) y la potencia (velocidad), lo que implica que ha de tener la mejor respuesta a bajas/medias RPM (zona de par), aunque sea en detrimento de la potencia (altas RPM). Para tener la buena respuesta buscada a medio régimen se ha de conseguir el mejor par motor posible y que se mantenga en el mayor abanico de RPM. El par que genera un motor es proporcional al llenado de los cilindros y la evolución de este llenado al subir de RPM.

Una idea para incrementar el llenado, casi tan antigua como el mismo motor térmico, es llenar a presión los cilindros. Con la animación siguiente se explica este concepto, llamado sobrealimentación del motor, con la imagen inicial de base de un BMW 2002:

    • Se ve el motor resaltando la entrada de admisión
    • Un cilindro hueco, similar a una jeringuilla, se acopla a la entrada de admisión
    • Este cilindro/jeringuilla está lleno de aire
    • Al incorporar el émbolo sobre el cilindro y empujarlo el aire va entrando al motor a presión; entra bastante más cantidad que por la aspiración de los pistones
    • Durante la entrada del aire a presión se va aportando la correspondiente proporción de combustible
    • El llenado a presión del motor es la sobrealimentación
    • Se ven a continuación las curvas de par y potencia del motor original y su evolución con el llenado adicional a presión

Como se ha visto con la sobrealimentación sube mucho el par y la potencia obteniendo  las prestaciones de un motor de más cilindrada.

La sobrealimentación es una de las soluciones para complementar al motor “down size”, más pequeño. Para más información consulta en el blog el artículo ´Motor down size”´ en la sección “Tecnologías limpias” o sigue este enlace:

http://autastec.com/blog/tecnologias-limpias/motor-down-size/#more-1026

La aplicación de la sobrealimentación en el motor se logra con varios sistemas, de los que hay dos más utilizados; compresor volumétrico (CV) y turbocompresor (TC), que se explican a continuación. Hay otro prácticamente no utilizado, es el “Comprex” y funciona por ondas de presión, en otro artículo comentaré su funcionamiento si os parece de interés.

Compresor volumétrico CV

Es el sistema inicialmente utilizado en el automóvil con motor de gasolina desde hace muchos años, sobre todo en automóviles de muy altas prestaciones. Mediante la animación que se propone a continuación se expone esta tecnología de compresor volumétrico CV:

    • Se ve un motor DOHC (doble árbol de levas en culata o cabeza) de frente indicando la entrada de admisión y salida de escape
    • El motor funciona; entra la masa de admisión y salen los gases quemados por el escape tras la combustión
    • A continuación se incorpora el compresor volumétrico, que se compone de una carcasa en cuyo interior hay unos lóbulos que giran en sentidos opuestos
    • El giro del compresor volumétrico se obtiene mediante el arrastre desde el motor con las correspondientes poleas y correa
    • Al girar el compresor volumétrico, sus lóbulos aumentan el volumen de su cámara interna al llegar a la entrada desde el filtro de aire, por encima, aspirándolo. Al girar los lóbulos en sentidos contrarios van comprimiendo el aire al reducirse sensiblemente el volumen de la cámara interna, y en este instante coincide la salida del CV con la entrada de admisión hacia el motor que recibe aire a presión lo que supone más llenado. En algún momento siguiente se aporta la cantidad adecuada de combustible en la masa de aire a presión
    • Se identifican los nombres en el compresor volumétrico de los elementos explicados
    • En la imagen inferior izquierda se ve la representación del compresor volumétrico

El compresor volumétrico utiliza energía del motor para moverse, lo que resta rendimiento pues parte de la energía (par) adicional que produce se utiliza para su rotación

Además del tipo de CV explicado hay de otros, entre estos el tipo “G” denominado así porque su forma interna es similar a esta letra, no es frecuente su uso.

Turbocompresor

Este sistema de sobrealimentación ha sido el ideal durante mucho tiempo en la mente de los diseñadores de motores, pero las exigencias térmicas y mecánicas, entre otras, han demorado su utilización. Una vez logrados los materiales adecuados se inició su aplicación, primero en motores prestacionales para, con las siguientes evoluciones y asistencia del control electrónico, ir ganando terreno en los motores de todo tipo de automóviles hasta llegar a ser casi un elemento más. Con la siguiente animación se explica el turbocompresor:

    • Se parte de la misma imagen que en el sistema anterior, identificando admisión y escape
    • El motor funciona
    • Aparece el turbocompresor:
      • En el escape; una turbina en el interior su carcasa recibe a los gases de escape por su periferia
      • En admisión; otra turbina, que luego llamaremos compresor, toma el aire de admisión y lo envía al motor
      • Un eje de giro transmite el movimiento desde la turbina del escape a la de admisión, compresor
      • Al girar el turbo – compresor el aire de admisión entra al motor en mayor cantidad y presión, proporcional a la velocidad de giro del turbocompresor. El aire entra al compresor desde el filtro por el centro y sigue hacia el motor, a más presión, por una salida en su periferia
      • Se ve un detalle en imagen frontal de la turbina y el compresor
      • Los álabes de la turbina y compresor tienen unas curvaturas, formas y geometría específicas para hacer sus funciones en los flujos de gases
    • Se identifican los nombres de los componentes elementales del turbocompresor
    • El hecho de que la energía que mueve el turbocompresor sea la de los gases de escape, hasta ahora inutilizada, permite un excelente rendimiento de este sistema de sobrealimentación
    • En la imagen inferior izquierda se ve la representación del turbocompresor

El turbocompresor se utiliza en motores de gasolina y diésel. Para estos últimos es un excepcional complemento, pues al funcionar el motor diésel con exceso de aire cuenta, incluso a bajas RPM, con un buen llenado y en consecuencia más gases de escape y son los gases de escape los que mueven el turbocompresor.

El turbocompresor llega a girar a más de 200.000 RPM y la temperatura de los gases de escape son extremadamente altas, estas son las razones de exigir materiales, tecnología y lubricantes de extrema calidad y precisión.

Al funcionar el turbocompresor (TC) se produce un bucle del que hay que salir, a más RPM más velocidad de giro del TC, lo que implica más llenado y presión, que genera más gases de escape y a su vez más velocidad de giro del TC. Al incrementar sensiblemente la presión del aire que entra al motor también lo hace su temperatura, lo que reduce su densidad y puede alterar las condiciones termodinámicas adecuadas para la combustión; estos dos aspectos, control de la sobrepresión y temperatura del aire de admisión se solucionan respectivamente con la válvula de descarga “wasted gate” e intercambiador aire – aire (o aire – agua) “intercooler”. Hay otros aspectos del turbocompresor que precisan explicaciones adicionales, lo haré más adelante en un artículo específico. Sin embargo, un tema que por su trascendencia si voy a incluir en este artículo es las particularidades de utilización del motor con turbocompresor:

    • Arranque en frío; una vez en marcha el motor tras arrancar en frío, es mejor esperar unos segundos antes de iniciar el movimiento para que el aceite de lubricación llegue con presión al eje del turbocompresor
    • Calentamiento del motor; hasta que llegue el motor a su temperatura óptima de funcionamiento, conducir con suavidad y sin pasar de medio régimen
    • Parada del motor; antes de parar el motor esperar a ralentí unos segundos para que el turbocompresor llegue a sus RPM mínimas
    • Parada del motor en carretera; circulando a media o elevada velocidad y más con temperatura ambiental alta, es mejor esperar entre dos y tres minutos antes de parar el motor o circular a medio régimen o menos durante unos kilómetros. Ambas propuestas son para reducir la temperatura del aceite antes de parar el motor

En un artículo monotemático sobre el turbocompresor explicaré a fondo estos aspectos relacionados y otros detalles interesantes; relación entre el aceite y el turbocompresor, funcionamiento de la válvula de descarga e “intercooler”, disminución del tiempo de respuesta, válvula de deceleración, turbocompresor de doble caracola “twin schroll”, turbocompresor de geometría variable, turbocompresor refrigerado por agua, más de un turbocompresor para el motor,

Aplicaciones de la sobrealimentación

En la siguiente animación con imágenes de motores sobrealimentados se repasa lo expuesto añadiendo otros detalles:

  1. Motor Mercedes de gasolinacon compresor volumétrico CV; se ve el CV y la correa de arrastre que también mueve, entre otros elementos, el compresor de aire acondicionado que se ve debajo. Si la sobrepresión es elevada se utilizará para enfriar la temperatura del aire comprimido un “intercooler”. La presión máxima de sobrealimentación se determina por la relación entre los diámetros de las poleas del motor y CV. La curva teórica de par resultante de un motor con CV es similar a la que tendría sin CV pero con valores más altos en todo su recorrido. Con la curva de potencia sería igual
  2. Motor Peugeot diésel con turbocompresor TC; se ve la situación del TC en la salida del escape, cuanto más próximo mejor aprovechará las inercias de los gases de escape. Se identifican las entradas y salidas del turbocompresor;
    • EESP; entrada de gases de escape a presión
    • SES; salida de los gases de escape a baja presión al haber movido la turbina
    • EAD; entrada del aire de admisión (desde el filtro de aire)
    • SADP; salida del aire a presión hacia la admisión el motor (pasando por el “intercooler” si el valor de sobrepresión es elevado)

La curva de par de un motor con TC tiene unos inicios con poco incremento de par, el turbo gira a bajo régimen, para aumentar más o menos bruscamente a partir de ciertas RPM de turbo y de motor. Esto implica una demora en la respuesta a la aceleración que se conoce como tiempo de respuesta, y es la razón de no haberse utilizado habitualmente el TC en motores de automóviles de turismo por la merma de seguridad activa. Cuando se solucionó este inconveniente se han abierto las puertas para la aplicación masiva del turbocompresor en todos los motores, gasolina y diésel

    • Motor Lancia con compresor volumétrico CV y turbocompresor TC; este motor cuenta con un compresor volumétrico y un turbocompresor. El objetivo es que el CV aporte sobrellenado hasta medias RPM y a partir de estas sea el TC, que ya gira más rápido el que tome el relevo para seguir sobrealimentando al motor

La sobrealimentación es una excelente solución para logar un buen equilibrio entre prestaciones, consumo y contaminación. Se parte de un motor de cilindrada baja o media, el concepto “down size” ya mencionado, al que se incorpora la sobrealimentación, CV (gasolina) o TC (gasolina y diésel); a bajas RPM y poca aceleración se comporta y consume como el motor de baja/media cilindrada que es, para ir aumentando sus prestaciones progresivamente al acelerar, entonces también sube el consumo y contaminación, algo menos que en un motor atmosférico (sin sobrealimentar) con similares valores de par. Es como tener dos motores en uno y se van seleccionando según se actúe sobre el acelerador.

El montaje de un sistema de sobrealimentación en el motor requiere adaptar sus componentes a solicitaciones térmicas y mecánicas más exigentes. Los demás órganos relacionados con la dinámica del automóvil han de adecuarse a las mejoradas prestaciones; embrague sobredimensionado, caja de cambios reforzada y con desarrollos más largos, frenos de más tamaño, suspensión adaptada y otros más también implicados. Sería como si se montasen en el automóvil los componentes aludidos de una versión con motor atmosférico de equivalentes prestaciones al sobrealimentado.

 

Compresor volumétrico, turbocompresor y “comprex”

http://es.wikipedia.org/wiki/Sobrealimentaci%C3%B3n#Compresor_Comprex

 

Compresor volumétrico Roots

 

Turbocompresor

 

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2 comentarios

  1. Hola , me llamo Julio , y quisiera hacer un pregunta : tengo un auto con motor durator 1.8 dicel, es de un Ford focus 2006. Me enciende la luz del del icono del motor en el tablero.Le hice un chequeo y me indica que esta sobrealimentado el turbo , me dijeron que puedo seguir andando . ¿ que precauciones debo tomar para solucionar el problema o en su defecto que reparación debo hacer en el turbo ?

    • Bueno, el turbo es el que sobrealimenta al motor. Si hay relación entre el turbo y el testigo de fallo de motor es que de alguna forma afecta al control electrónico; si el control de la válvula de descarga es electrónico podría ser la causa, también si se altera el caudal de entrada de aire, entre otras posibles. Se ha de saber exactamente que es lo que pasa con el turbo relacionado con el testo de motor para determinar que se puede serguir circulando sin problemas, el taller donde se hace el diagnóstico es quién debe dar la información del incidente.

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