SUPERCARGADOR EN MOTOR DIESEL

Sobrecargador en Perkins 6305 sobre tractor EBRO
(Foto y proyecto de AQ)

LA SOBREALIMENTACIÓN ¿QUÉ ES?

Sobrealimentar un motor significa la inducción forzada de aire de admisión. El concepto nace a principios del siglo XX para conseguir motores más eficientes: Con la sobrealimentación se aumenta el rendimiento del motor, es decir el par y la potencia entregada, pero sin necesidad de recurrir a aumentar la cilindrada. Esta ventaja, con la actual filosofía de los “motores anoréxicos” (dowsizing) encaja perfectamente.

Mientras que en un motor atmosférico el aire necesario para la mezcla con el combustible entra en el cilindro debido exclusivamente a la presión atmosférica, en un motor sobrealimentado, con inducción forzada, el aire, mediante ayuda externa, se comprime para que entre más aire en el cilindro.

Un mecanismo sobrealimentador es un componente que sirve para comprimir el aire y con ello conseguir aumentar la presión y la densidad del aire suministrado al motor. El efecto proporciona más oxígeno al motor, por lo que puede quemar más combustible, o bien, a igualdad de combustible quemado, se realiza más trabajo por ciclo.

Un motor sobrealimentado dispone de un mayor índice de flujo másico que el que está disponible en un motor de aspiración natural; se aumenta la potencia de salida para una determinada cilindrada sin cambiar otras especificaciones como la inyección. Como consecuencia, la sobrealimentación consigue independizar, en parte, a los motores de la altitud (asociada a la presión barométrica) a la que funcionan.

Existen dos grandes familias dentro de los sobrealimentadores: los turbocompresores y los denominados supercargadores (del inglés supercharger)

Supercargador: Los supercargadores reciben la energía que necesitan para comprimir el aire desde el propio cigüeñal; están por tanto, conectados físicamente al motor. Aunque hay varios tipos, el más popular es el que se conoce como tipo Roots y que consiste en un rotor con álabes que al girar comprimen el aire.

Turbocompresor: El componente dispone de unas hélices que por un lado recibe los gases de escape del motor y con esa energía mueve otra turbina que impulsan aire fresco al interior de los cilindros. Es decir, en el caso de los turbos, no existe una conexión física al motor, si no que el giro de los álabes de la hélice proviene de la energía de los gases de escape del propio motor.

Supercargador dos lóbulos cicloides

Obsérvese que la gran diferencia entre ambos es la fuente de la energía que necesitan para su funcionamiento; mientras el supercargador la obtiene del giro conectado al propio motor, el turbocompresor lo toma de le energía de los gases de escape.

SUPERCARGADOR

HISTORIA: No es un invento “nuevo”, pero si ha evolucionado:

• 1849.- Un inglés, un tal G. Jones, presenta el primer sobrealimentador, por cierto, de tipo Root
• 1860.- Son ahora los hermanos norteamericanos Roots los que patentan el diseño de un motor de aire para aplicaciones industriales
• 1878.- Es el año, D. Clerk, presenta un sobrealimentador funcional sobre un motor de dos tiempos
• 1885.- G. Daimler, de Daimler-Benz, patenta un sobrealimentador para un motor de combustión interna
• 1902.- Otro nombre ilustre, Louis Renault, patenta un sobrealimentador centrífugo
• 1908.- L. Chadwick construye un coche de carreras sobrealimentado
• 1921.- Aparecen los primeros coches en serie con sobrealimentador; son Mercedes y que incorporan sobrealimentador tipo Roots en alguno de sus modelos “Kompressor”
• 1929.- El "Blower" Bentley incorpora un "soplador", ubicado frente al radiador, que da nombre al modelo

La energía necesaria para alimentar al supercargador procede del propio motor a través de correas (habitualmente) o cadenas (más raro) o incluso mediante ejes conectados por medio de engranajes al cigüeñal del motor. La clave del “invento” reside en que el supercargador proporciona más potencia que la que requiere del propio motor: la ganancia es superior al consumo.

Soplador de un supercargador

Obsérvese que al estar el supercargador conectado directamente al motor, su acción se consigue a cualquier régimen de giro.

Sobrecargador Roots: Es quizá el tipo más popular de sobrecargador. Debe su nombre a su inventor Francis Roots. El soplador dispone de un par de rotores de dos lóbulos. El aire se bombea desde el lado de succión o entrada hacia el lado de presión o salida. Al girar se provoca una contrapresión en el lado de la salida que origina la compresión del aire de admisión.

La forma de los rotores se compone de cicloides (idénticos a los engranajes cicloides) pero a diferencia de los engranajes no hay transmisión de potencia entre las paletas rotativas.

Lo habitual son encontrar ejes de 3 lóbulos o incluso de 4 lóbulos pues con rotores de 2 lóbulos se pueden provocar indeseables golpes de ariete; mientras que con 3 o 4 la sobrepresión se produce de forma más continua.

Otros tipos son los de doble tornillo (Lysholm) o los TVS (Eaton)

¿TURBO O SOBRECARGADOR?

Ambos componentes comparten el mismo objetivo: introducir más cantidad de aire en los cilindros. 

A favor del turbo

• Los supercargadores al ser de accionamiento mecánico, pueden absorber hasta un tercio de la potencia total del cigüeñal del motor.
• Los turbocargadores son más eficientes puesto que utilizan una energía que ya está generada y que si no se aprovecha se desperdicia enviándola a la atmósfera
• El turbo no está conectado físicamente al motor por lo que es más sencillo su manejo en el caso del mantenimiento del motor.

A favor del supercargador

• El supercargador “sopla” desde bajas revoluciones. No hay retardo en la respuesta como ocurre con el turbo. Mientras que los turbocompresores sufren (en mayor o menor medida) del llamado turbo-spool o turbo lag, y que es el retraso en la respuesta del turbo. En la aceleración inicial, desde bajas revoluciones, la respuesta del turbo está muy limitada ya que no existe suficiente flujo de gases de escape (hay poca presión) Una vez que el motor se revoluciona entonces es cuando si se elevan las revoluciones de la turbina y existe el típico aumento rápido de potencia.

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  Supercargador de 3 lóbulos cicloides

  Mantener las revoluciones y conseguir que aumenten suavemente que es lo deseable en motores “convencionales” (no de competición) es más complicado conseguirlo con el uso de turbocompresores que con el de los supercargadores (siempre aplican un impulso proporcional a las revoluciones del motor). En resumen, el supercargador presenta mejor respuesta al acelerador y también es más proclive a alcanzar la presión de sobrealimentación de forma instantánea.

En conclusión

• En aplicaciones en las cuales se debe primar la respuesta y la potencia del motor de forma instantánea, el supercargador es mucho más común; su respuesta en aceleración, así como la capacidad para alcanzar la presión máxima de forma casi instantánea es mucho mejor. Son típicas las aplicaciones en los dragsters (carreras de aceleración) y en competiciones de tracción de tractores (tractor pulling)
• El turbocompresor es en cualquier caso más popular que el supercargador e incluso fabricantes típicos de supercargador como Mercedes con su Kompressor ha abandonado la tecnología por el turbo.

¿No quieres sopa? Pues toma dos tazas: Y es que a algún loco de la mecánica se le ha ocurrido mezclar ambos componentes, es lo que se suele denominar twincharging

Quizá el caso más famoso ha sido el Lancia Delta S4 cuando en 1986 salió con “doble” sobrealimentación: un supercargador accionado por corea más un turbo accionado por los gases de escape…

¡NO MÁS TEMPERATURA!

V8 con supercargador

Con la sobrealimentación se hereda el efecto indeseado del aumento de la temperatura del aire de admisión. La solución está en la utilización de un pequeño radiador (intercooler)

Con el aumento de la temperatura de carga del aire-combustible, se acarrea una bajada en el rendimiento del motor e incluso, en motores de encendido por chispa (no muy habituales en el sector agrícola…) se podría llegar a detonar la mezcla aire-combustible cuando no corresponde.

Se entiende mejor el proceso haciendo uso de una sencilla fórmula. Las temperaturas (ambiente y tras la compresión) están relacionadas con las presiones (atmosférica y tras la compresión):

Ejemplo: Imaginemos un motor sobrealimentado con sobrepresión de 0,75 bar. Mientras que la presión ambiente a nivel del mar medida es de 1 bar La temperatura ambiente es de 25 ° C (298,15 K)

• T₁ = 298,15 K (25 ºC)
• p₁ = 1,00 bar
• p₂ = 1,00 + 0,75 = 1,75 bar

Es decir que la temperatura del aire tras el sobrealimentador (temperatura de descarga) habrá ascendido a 76,7 ° C

¿Y en los aviones?: Con la sobrealimentación se consigue, en parte, independizar a los motores del parámetro de la altitud, de ahí que los supercargadores sean un componente muy apropiado en motores de pistón de aviones.

Un piloto experimentado va controlando el acelerador de su motor a la par que el manómetro del compresor y así poder evitar que a baja cota se produzca un aumento excesivo de la presión. A medida que la aeronave asciende, la densidad del aire desciende; se debe ir abriendo el acelerador para mantener la potencia inicial.

Al llegar a la máxima apertura del compresor, el motor ya no puede dar la máxima potencia. Se trata de la altitud crítica del avión.

También hay modelos de supercargadores que incorporan una pequeña “caja de cambios” que el piloto acciona con embragues hidráulicos. A baja altitud se elige un engranaje de baja presión, baja velocidad de giro del supercargador. A medida que se gana altitud se van accionado marchas más altas.

Esta mejora se utilizó mucho en la 2ª guerra mundial y puede explicar cierta supremacía aérea de los aliados cuando a los Spitfire en 1942 se les incorpora un supercargador de dos velocidades.

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By: Catalán Mogorrón, H.

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