Sobrealimentación de motores: Concepto y tipos

Compresor mecánico Micra DIG-S

Hoy desempolvamos la literatura técnica para acercaros un pequeño monográfico en el que trataremos la sobrelimentación de motores. En él y en varias partes cubriremos desde los aspectos más básicos a detalles que quizá no conocíais de estas piezas dedicadas a aumentar la potencia de los motores.

Hoy nos centraremos en los conceptos tras la sobrealimentación y los tipos básicos de sobrealimentación, a modo de introducción para las entradas en detalle de los tipos más importantes que llegarán en unos días. Acompañadnos en este viaje a través de la alimentación forzada de aire a los motores.

Bentley Blower 4.5 Supercharged

Un poco de historia de la sobrealimentación

La sobrealimentación ha acompañado a los motores desde los principios de la automoción. 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. Desde entonces y hasta el día de hoy, la historia de la sobrealimentación ha ido fluyendo a la par que los motores de combustión interna.

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.

De ahí a pasar a los motores de la automoción como manera de extraer más potencia de los motores existentes, no hubo nada más que un corto paso. En la actualidad tenemos una de estas máquinas adosada a prácticamente la totalidad de los motores diesel, los motores de gasolina más prestacionales y cada vez más en las opciones más asequibles, gracias a su importancia en el concepto del downsizing.

Motor BMW Turbo de Fórmula 1

El concepto: Más aire, más combustible, más potencia

Un motor atmosférico tiene un límite de potencia que normalmente determinan varios factores, entre ellos uno de los más importantes es la cantidad de aire que puede aspirar a través de su sistema de admisión. Para aumentar la potencia hay que aumentar la cantidad de aire que entra en los cilindros y a la par inyectar más combustible.

La mezcla estequiométrica es la relación ideal entre aire y combustible en la que cada unidad de combustible tiene el aire, más concretamente el oxígeno, exacto con el que reaccionar de forma completa. Cuando la relación entre aire y combustible es la ideal, se dice que λ=1. Es una relación fija establecida en 14,7 gramos de aire por cada gramo de gasolina y 14,5 gramos de aire por cada gramo de diesel.

Kit sobrealimentación HKS

Por ello, cuando se sobrealimenta un motor, es importante también que el sistema de alimentación de combustible esté preparado para aumentar el caudal de combustible que fluye al interior de los cilindros, si no el motor funcionará con una mezcla pobre λ>1, sobrecalentándose y no pudiendo entregar toda la potencia que debería.

La sobrealimentación de un motor utiliza medios mecánicos o aprovecha la dinámica de los gases, ya sea de escape o de la propia admisión para aumentar la cantidad de aire que entra en los cilindros. De esta manera los motores tienen más potencia y normalmente son más eficientes.

Compresor Mazda MX5

Tipos de sobrealimentación

Como ya hemos comentado, la alimentación forzada de aire a los motores ya tiene bastante historia y por lo tanto los tipos que hay son cuanto menos numerosos y cada uno tiene bastantes subtipos. La complejidad y efectividad ha ido en aumento en estos años, hablaremos de los más importantes en profundidad.

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.

Entre otros sistemas de este tipo destacan aquellos que orientan su admisión en dirección de la marcha, haciendo que una mayor cantidad de aire entre en la admisión y aumentando, muy ligeramente, la potencia del motor. Este sistema se utilizó en varios coches de los sesenta, pero actualmente no se utiliza, en parte por la dificultad de instalación y la influencia en la aerodinámica que tendría una boca abierta en dirección de la marcha.

Compresor G del grupo Volkswagen

Compresores mecánicos volumétricos y centrífugos

Los compresores mecánicos son aquellos que utilizan un sistema de tracción mecánica, normalmente una correa, engranajes o una cadena, para operar un sistema que por explicarlo de forma rasa, bombea aire al interior de los cilindros de manera que aportando más combustible el motor tenga más potencia.

Existen varios subtipos que trataremos detenidamente en una futura entrega y se utilizan actualmente en bastantes vehículos, tanto en solitario como acompañado con turbocompresores para complementar las características de ambos ofreciendo ese extra de “patada” en bajas que suelen ofrecer los compresores mecánicos.

Corte esquemático turbo

Turbocompresores

Aprovechar parte de la energía que se desperdicia por los escapes para impulsar el aire que entra a través de la admisión. Ese es el resultado de interponer una turbina en la línea de escape conectada a través de un eje con un compresor interpuesto en la tubería de admisión de aire.

Esto se transforma en un aumento en la potencia y en la eficiencia del motor. La práctica mayoría de los motores diesel que montan los automóviles actuales cuentan con un turbocompresor. También los motores gasolina de la corriente downsizing tienden a montarlos, ya que con una cilindrada pequeña y aplicando un turbo se pueden obtener grandes resultados en cuanto a potencia, eficiencia y consumo de combustible. Por no hablar de las versiones más prestacionales que montan turbos a sus motores de gasolina como manera de obtener potencia bruta y altas prestaciones.

Concluiremos esta parte dedicada a los conceptos básicos haciendo mención a un elemento bastante importante que suele ir acompañando a los motores sobrealimentados. Uno de los problemas que se derivan del mero hecho de comprimir el aire con los dispositivos que hemos mencionado, es que el aire se calienta y por la ley de los gases ideales esto significa una disminución en la densidad del aire que entra en el motor.

Motor 1.2 TSI con intercooler refrigerado por agua

Habíamos quedado en que lo que queremos es meter más aire y lo más denso posible, que en este caso es aire frío. Para ello se utiliza el intercooler o intercambiador de calor, un radiador por el que se hace pasar el aire comprimido previamente por el sobrealimentador para enfriarlo, ya sea cediendo calor al aire atmosférico o a un circuito de agua.

Tras él su destino es el motor, y aunque el intercooler supone una restricción al paso del aire, la ventaja del aire frío compensa cualquier restricción. Ya tenemos la carga fría en los cilindros, ahora solo queda en unos días ver los tipos de sobrealimentación en profundidad, con ejemplos de la vida real.

Dudas, preguntas y sugerencias, como siempre en los comentarios.

Fotografía | Flickr (DumbYellowDog-IV,19seventynine-V)
Fuentes | Manual de AutomóvilesArias-Paz, Maximum BoostCorky Bell, The Automotive HandbookBosch, Wikipedia


via Motorpasión

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