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Sobrealimentación de motores
Cuando el motor de
combustión interna realiza la carrera de
admisión puede hacer la aspiración de dos formas:
1.- Aspiración natural
donde la propia succión
natural del pistón sirve para llenar el cilindro.
2.- Aspiración
forzada donde la succión del
pistón es asistida por un compresor.
Esta aspiración forzada se conoce como sobrealimentación.
En los motores sobrealimentados, la presión dentro del cilindro
al terminar la carrera de admisión es mayor que la
presión atmosférica. Esta sobre-presión supone que
hay mas aire dentro del cilindro
que el que hubiera podido almacenarse en la aspiración natural,
lo que significa a su vez, que la presión final del ciclo de
compresión será también mayor. Como la eficiencia
del proceso termo dinámico de conversión de
energía
térmica a mecánica del ciclo de trabajo del motor crece
con el aumento de la presión final de la compresión, la
sobrealimentación supone un incremento de la eficiencia del
motor, es decir, un mejor aprovechamiento de la energía del
combustible como trabajo útil.
Además de la ventaja del incremento de la eficiencia, la mayor
cantidad de aire aspirada permite el quemado de mayor cantidad de
combustible, por lo que para un mismo motor, la
sobrealimentación supone la posibilidad de lograr un aumento
notable de
la potencia
entregada por el motor.
Si nos atenemos al simple análisis de estas ventajas manifiestas
de la sobrealimentación, podríamos pensar que mientras
mas se
sobrealimente un motor será mejor, pero en la realidad la
sobrealimentación tiene un límite a partir del cual lejos
de representar ventajas empieza a ser desventajoso en el funcionamiento
del motor, veamos.
Existen dos factores que hay que tener en cuenta en este asunto:
1.- Cargas sobre las piezas.
A medida que se sobrealimenta mas el motor, y debido al incremento del
combustible que puede quemarse y con ello las presiones de trabajo, la
carga sobre las partes involucradas en el ciclo de trabajo (pistones,
bielas y cigüeñal) se incrementan. Este incremento tiene un
límite razonable a partir del cual la durabilidad de los
mecanismos se reduce notablemente.
2.- Consumo del compresor.
El dispositivo que inyecta de manera forzada la carga al motor durante
la carrera de admisión se mueve desde el motor consumiendo parte
de la energía producida por este, la energía consumida
por un compresor depende tanto del flujo de aire que induce así
como de la presión a que lo hace. A partir de cierto grado de
sobrealimentación, las ventajas en eficiencia energética
que supone, serán consumidas por el propio compresor y el
resultado final será nulo e inclusio negativo.
La sobrealimentación es realmente útil en los motores Diesel, donde la
aspiración es solo de aire, mientras que su uso
en los motores de gasolina, donde se aspira la mezcla de aire con
combustible, no representa ventaja práctica debido a la
elevada
posibilidad de la auto inflamación de la mezcla durante el ciclo
de compresión por la elevada presión y temperatura
generadas. Solo en motores de gasolina de aplicaciones especiales
como en los automóviles de competencia donde se usan
combustibles de muy elevado octanaje se justifica
tal práctica.
Mecanismos de sobrealimentación
En la práctica se utilizan dos formas de sobrealimentar los
motores:
1.- Utilizando un
compresor helicoidal accionado
mecánicamente desde el motor.
2.- Utilizando
turbo-compresores accionados por los gases
de
escape del motor.
Compresor helicoidal
Conocidos como compresores roots, estos sopladores se utilizan con
frecuencia para sobrealimentar a los motores de combustión
interna y son accionados desde el motor a través de correas o
por medio de engranajes. La figura 1 muestra uno de estos compresores
montado en el motor.
Figura 1.
Figura 2.
La forma helicoidal de los lóbulos, hace que la transferencia de
aire del lado de la succión al lado de descarga se haga de
manera continua y no por impulsos como sucedería si los
lóbulos
fueran rectos.
En la figura 3 se muestra de manera esquemática como es que se
bombea el aire en estos compresores.
Figura 3.
Turbo-compresores
La otra vía para sobrealimentar los motores es utilizando los
llamados turbo-compresores, estos dispositivos aprovechan la
energía de los gases de escape para mover una turbina en cuyo
eje está acoplado un compresor de hélice tal y como se
muestra en la figura 4.
Figura 4.
En principio este método es mas eficiente que el de compresor
roots ya que no se alimenta de la energía mecánica del
motor si no que aprovecha parte de la energía que de todas
formas se desecha al exterior con los gases de escape.
Los problemas tecnológicos inherentes a las altas temperaturas
de los gases de escape y las altas velocidades de rotación de
estos aparatos hacen que los turbo-compresores sean dispositivos caros
y sensibles.
La figura 5 muestra un esquema del uso de un turbo compresor en el
motor, observe el uso de una válvula limitadora de la velocidad
de giro, esta válvula del tipo de diafragma recibe la
presión desde el conducto de admisión, si la velocidad de
la turbina y con ella la del compresor crece mucho, la presión
en el conducto de admisión se hace alta, esta alta
presión mueve el diafragma y levanta una válvula que
deriva parte de los gases de escape a la salida sin pasar por la
turbina, de esta forma se logran dos cosas; primero se mantiene la
presión en el conducto de admisión al valor máximo
óptimo y segundo se impide que la velocidad de giro llegue a
valores peligrosos para el turbo-compresor.
Figura 5
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