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 una cilindrada determinada .
La categorización actual es que un sobrealimentador es una forma de inducción forzada impulsada mecánicamente (generalmente por una correa del cigüeñal del motor ), a diferencia de un turbocompresor , que funciona con la energía cinética de los gases de escape. [1] Sin embargo, hasta mediados del siglo XX, un turbocompresor se llamaba "turbosobrealimentador" y se consideraba un tipo de sobrealimentador. [2]
El primer motor sobrealimentado se construyó en 1878, [3] y su uso en motores de aviones comenzó en la década de 1910 y en motores de automóviles a partir de la década de 1920. En los motores de pistón utilizados por los aviones, a menudo se utilizaba la sobrealimentación para compensar la menor densidad del aire a gran altura. La sobrealimentación se utiliza con menos frecuencia en el siglo XXI, ya que los fabricantes han optado por turbocompresores para reducir el consumo de combustible y aumentar la potencia.
Hay dos familias principales de supercargadores definidas según el método de transferencia de gas: supercargadores de desplazamiento positivo y dinámicos . Los sobrealimentadores de desplazamiento positivo ofrecen 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 utilizada, es el sobrealimentador de ondas de presión .
Los sopladores Roots (un diseño de desplazamiento positivo) tienden a tener solo entre un 40% y un 50% de eficiencia en niveles altos de impulso, en comparación con un 70-85% para los sobrealimentadores dinámicos. [ cita necesaria ] Los sopladores estilo Lysholm (un diseño de tornillo giratorio) pueden ser casi tan eficientes como los sobrealimentadores dinámicos en un rango estrecho de carga/velocidad/impulso, para lo cual el sistema debe estar diseñado específicamente.
Las bombas de desplazamiento positivo suministran un volumen de aire casi fijo por revolución del compresor (excepto las fugas, que normalmente tienen un efecto reducido a velocidades más altas del motor). El tipo más común de sobrealimentadores de desplazamiento positivo es el sobrealimentador de tipo Roots . Otros tipos incluyen los sobrealimentadores de tornillo giratorio , de paletas deslizantes y de tipo espiral .
El sistema de clasificación de los sobrealimentadores de desplazamiento positivo suele basarse en su capacidad por revolución . En el caso del soplador 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, para los que está diseñado . La gama de modelos de GMC incluye sopladores 2–71, 3–71, 4–71 y 6–71. El soplador 6-71, por ejemplo, está diseñado para aspirar 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 y no la del soplador, el desplazamiento real del soplador es menor; por ejemplo, un soplador 6–71 bombea 339 pulgadas cúbicas (5,6 L) por revolución. Otros fabricantes de sobrealimentadores han producido sopladores con clasificación de hasta 16 a 71.
Los compresores dinámicos se basan en acelerar el aire a alta velocidad y luego intercambiar esa velocidad por presión difundiéndola o ralentizándola.
Los principales tipos de compresores dinámicos son:
Los métodos comunes para conducir un sobrealimentador incluyen:
Los combustibles con un octanaje más alto son más capaces de resistir la autoignición y la detonación . Como resultado, se podría aumentar la cantidad de impulso suministrado por los sobrealimentadores, lo que daría como resultado un aumento en 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 sobrealimentación más altas en motores de aviación de alto rendimiento y se utilizó para aumentar enormemente la potencia de varios aviones récord de velocidad.
El uso militar de combustibles de alto octanaje comenzó a principios de 1940, cuando se entregó combustible de 100 octanos a la Royal Air Force británica que luchaba en la Segunda Guerra Mundial. [6] La Luftwaffe alemana también tenía suministros de un combustible similar. [7] [8] El aumento del octanaje se convirtió en un foco importante del desarrollo de motores aeronáuticos durante el resto de la guerra, y los combustibles posteriores tuvieron un octanaje nominal de hasta 150. Utilizando estos combustibles, los motores aeronáuticos como el Rolls-Royce Merlin 66 y el Daimler-Benz DB 605 DC producían potencias de hasta 2000 hp (1500 kW). [9] [10] [11] [12]
Una desventaja de la inducción forzada (es decir, sobrealimentación o turboalimentación) es que la compresión del aire de admisión aumenta su temperatura. Para 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 preencendido o detonaciones , lo que reduce el rendimiento y puede provocar daños en el motor. El riesgo de preignición/detonación aumenta con temperaturas del aire ambiente más altas y niveles de impulso más altos.
Los motores turboalimentados utilizan energía de los gases de escape que normalmente se desperdiciarían, en comparación con un sobrealimentador que extrae energía mecánicamente del motor. Por lo tanto, los motores turboalimentados suelen producir más potencia y una mejor economía de combustible que los motores sobrealimentados. Sin embargo, los turbocompresores pueden provocar un retraso del turbo (especialmente a bajas RPM), donde el flujo de gases de escape es inicialmente insuficiente para hacer girar el turbocompresor y alcanzar el nivel de impulso deseado, lo que provoca 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 resistencia y las competiciones de tracción de tractores .
Una desventaja de la sobrealimentación es que el motor debe soportar la potencia neta de salida del motor más la potencia para accionar el sobrealimentador.
Los motores turboalimentados son más propensos a empapar el aire de admisión con calor (ya que el turbocompresor puede colocar los componentes calientes del escape cerca del sistema de aire de admisión), aunque esto se puede superar mediante el uso de un intercooler .
La mayoría de los motores de avión utilizados durante la Segunda Guerra Mundial utilizaron sobrealimentadores accionados mecánicamente porque tenían algunas ventajas de fabricación significativas sobre los turbocompresores. Sin embargo, a los aviones estadounidenses se les dio una prioridad mucho mayor al beneficio del alcance operativo debido a que los requisitos del alcance operativo eran menos predecibles y tenían que viajar lejos de sus bases de origen. En consecuencia, los turbocompresores se emplearon principalmente en motores de aviones 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 metálicas de alta temperatura en la turbina de gas y un 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 aeronave. El F4U utilizó un sobrealimentador de dos etapas con refrigeración intermedia y un diseño más compacto. No obstante, los turbocompresores fueron útiles en bombarderos de gran altitud y en algunos aviones de combate debido al 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. Dichos daños fueron un problema destacado en los primeros modelos de los bombarderos estadounidenses de gran altitud Boeing B-29 Superfortress utilizados en el Teatro de Operaciones del Pacífico durante 1944-1945.
Los motores de pistón turboalimentados continuaron utilizándose en una gran cantidad 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 el Campeonato Mundial de Rally de 1985 y 1986, Lancia corrió el Delta S4 , que incorporaba un sobrealimentador accionado por correa y un turbocompresor accionado por escape. El diseño utilizó una compleja serie de válvulas de derivación en los sistemas de admisión y escape, así como un embrague electromagnético para que, a bajas velocidades del motor, se derivara un impulso del sobrealimentador. En el rango medio de revoluciones, ambos sistemas recibían un impulso, mientras que a las revoluciones más altas el sistema desconectaba el propulsor 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 consigo una mayor complejidad y afectó a la fiabilidad del coche en las pruebas del WRC, además de aumentar el peso de los accesorios del motor en el diseño acabado.
Ocasionalmente se han utilizado motores con doble carga en automóviles de producción, como el Volkswagen 2005-2013 de 1,4 litros y el Volvo B4204T43/B4204T48 de 2,0 litros y cuatro cilindros de 2017 .
En 1849, G. Jones de Birmingham, Inglaterra, comenzó a fabricar un compresor con bomba de lóbulos para proporcionar ventilación a las minas de carbón. [14] En 1860, Roots Blower Company (fundada por los hermanos Philander y Francis Marion Roots) en los Estados Unidos patentó el diseño de un motor de aire para su uso en altos hornos y otras aplicaciones industriales. Este motor de aire y el compresor de ventilación de Birmingham utilizaron diseños similares al de los sobrealimentadores tipo Roots posteriores .
En marzo de 1878, el ingeniero alemán Heinrich Krigar obtuvo la primera patente para un compresor de 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 gasolina 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 coches del mundo producidos en serie [21] con sobrealimentadores fueron el Mercedes de 1,6 litros de 6/25 CV y el Mercedes de 2,6 litros de 10/40 CV , que comenzaron a producirse en 1923. [22] [23] [24] Se comercializaron como modelos Kompressor , término que se utilizó para varios modelos hasta 2012.
Los autos 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 auto de la 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 de 4½ litros ("Blower Bentley"), que se introdujo en 1929.
En 1935, el desarrollo de los sobrealimentadores de 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 machos. [15]
En el siglo XXI, los motores de automóviles de producción sobrealimentados se han vuelto menos comunes, ya que los fabricantes han pasado a utilizar turbocompresores para lograr una mayor economía de combustible y mayor potencia. Por ejemplo, los motores Kompressor de Mercedes-Benz de principios de la década de 2000 (como los motores C 230 Kompressor de cuatro cilindros en línea, C 32 AMG V6 y CL 55 AMG V8) fueron reemplazados alrededor de 2010 por motores turboalimentados en modelos como el C 250 y Modelos CL 65 AMG . Sin embargo, hay excepciones, como el Audi 3.0 TFSI V6 sobrealimentado (introducido en 2009) y el Jaguar AJ-V8 V8 sobrealimentado (actualizado a la versión Gen III en 2009).
En la década de 1930, se desarrollaron transmisiones de dos velocidades para sobrealimentadores de motores aeronáuticos que proporcionaban una operación de aeronaves más flexible. El acuerdo también implicó una mayor complejidad de fabricación y mantenimiento. Los engranajes conectaban el sobrealimentador al motor mediante un sistema de embragues hidráulicos, que inicialmente el piloto activaba o desactivaba manualmente con un control en la cabina. En altitudes bajas, se utilizaría la marcha de baja velocidad para evitar niveles excesivos de impulso. A mayores altitudes, el sobrealimentador podría cambiarse a una marcha más alta para compensar la reducción de la densidad del aire de admisión. En la Batalla de Inglaterra, los aviones Spitfire y Hurricane propulsados por el motor Rolls-Royce Merlin estaban equipados en gran medida con sobrealimentadores de una sola etapa y una sola velocidad. [28] [29]
En 1942, se aplicó sobrealimentación de dos etapas y dos velocidades con posenfriamiento al motor aeronáutico Rolls Royce Merlin 61 . El rendimiento mejorado permitió que los aviones que propulsaban 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 un desplazamiento significativamente mayor. [30] [29] Los sobrealimentadores de dos etapas también fueron siempre de dos velocidades. Después de comprimir el aire en la etapa de baja presión , el aire fluyó a través de un intercambiador de calor (" intercooler "), donde se enfrió antes de ser comprimido nuevamente por la etapa de alta presión y luego posiblemente también enfriado posteriormente en otro intercambiador de calor.
Si bien los sobrealimentadores fueron muy utilizados a mediados del siglo XX y durante la Segunda Guerra Mundial , en gran medida han dejado de utilizarse en los aviones modernos propulsados por pistones . Esto se puede atribuir en gran medida a la temperatura más alta y a las aleaciones más ligeras que hacen que los turbocompresores sean más eficientes que los sobrealimentadores, así como al menor mantenimiento debido a que hay menos piezas móviles. [31]
Debido a la reducida densidad del aire en altitudes más altas, a menudo se han utilizado sobrealimentación y turbocompresor en los motores de aviones. Por ejemplo, la densidad del aire a 30.000 pies (9.100 m) es 1 ⁄ 3 de la que hay al nivel del mar, lo que da como resultado 1 ⁄ 3 de la cantidad de combustible que se puede quemar en un motor de aspiración natural, por lo que la potencia de salida se reduciría considerablemente. . [32] Se puede pensar en un sobrealimentador/turbocompresor como un aumento artificial de la densidad del aire comprimiéndolo o como forzando más aire de lo normal hacia el cilindro cada vez que el pistón desciende en la carrera de admisión. [32]
Dado que un sobrealimentador suele estar diseñado para producir una determinada cantidad de impulso a grandes altitudes (donde la densidad del aire es menor), el sobrealimentador suele estar sobredimensionado para bajas altitudes. Para evitar niveles de impulso excesivos, 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 de potencia máximo seguro para una altitud determinada. La altitud a la que el acelerador se abre por completo y el motor todavía produce potencia nominal máxima se conoce como altitud crítica . Por encima de la altitud crítica, la potencia del motor se reducirá ya que el sobrealimentador ya no puede compensar completamente la disminución de la densidad del aire.
Otro problema que se encuentra en altitudes bajas (como a nivel del suelo) es que el aire de admisión es más cálido que a gran altitud. El aire más caliente reduce el umbral en el que se pueden producir detonaciones del motor , especialmente en motores sobrealimentados o turboalimentados. Los métodos para enfriar el aire de admisión a nivel del suelo incluyen intercoolers/postenfriadores , inyección antidetonante , sobrealimentadores de dos velocidades y sobrealimentadores de dos etapas.
En los motores sobrealimentados que utilizan carburador , un acelerador parcialmente abierto reduce la presión del aire dentro del carburador. En condiciones de frío, este aire a baja presión puede provocar que se forme hielo en la placa del acelerador. Cantidades importantes de hielo pueden causar fallas en el motor, incluso cuando el motor funciona a plena potencia nominal.
motor de velocidad.