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¿Qué es la sobrealimentación?

28 de noviembre de 2012

-La mayoría de los que estéis leyendo esto tendréis este tipo de sistemas instalados en vuestros coches. Y es que desde los años 90, la evolución de la tecnología del automóvil y la tendencia al downsizing para minimizar consumos y optimizar rendimiento, han hecho de los sistemas de sobrealimentación el pan de cada día de los motores modernos, tanto en diésel como en gasolina.

Tan solo los más puristas o aquellos que enfocan sus propulsores a la deportividad extrema y altas cilindradas siguen usando motores de aspiración atmosféricos. Pero, ¿qué es la sobrealimentación? Aquí os contamos todo lo que necesitáis saber sobre ello.

Casi se podría decir que la sobrealimentación nace pareja al surgimiento de los motores diésel. La mayor presión que se alcanza en los cilindros de estos motores hace que los gases de escape sean expulsados con más fuerza y por ello sean de mayor provecho en sistemas de este tipo. Además, las características del motor diésel hacen que se tenga más control sobre la densidad del aire que entra en los cilindros a la hora de variar la potencia, lo que a su vez facilita el acoplamiento de turbocompresores.

Pero vayamos por partes, ¿qué es un motor atmosférico y qué es un motor sobrealimentado? El motor atmosférico se basa en el concepto original del motor tal y como se entendió al principio de la historia de esta máquina. Un dispositivo que aspira el aire de la atmósfera hacia la cámara cuando los pistones hacen una carrera descendente y las válvulas de admisión están abiertas. No hay más.

Con el paso de los años, se llegó a apreciar la utilidad de acoplar algún sistema mecánico intermedio que incrementase la presión del aire aspirado, y por tanto la densidad del mismo dentro de los cilindros, así como su riqueza en oxígeno, principal elemento de la combustión. Es a estos motores a los que se les conoce con el nombre de sobrealimentados.

Hoy en día, existen dos tipos de soluciones mecánicas para la sobrealimentación. Por un lado tenemos el turbocompresor, como el de la imagen superior que usa Corvette, y que es la opción más generalizada entre las marcas, sobre todo en Europa. No obstante, se puede optar también por el supercargador, que es un dispositivo sobrealimentador al que se recurre con frecuencia en el mercado norteamericano y del que también hablaremos.

El turbocompresor es una turbomáquina enfocada a aprovechar la energía de los gases de escape que se generan en el motor tras la combustión de los gases frescos. Habitualmente se expulsan por el tubo de escape, pero si en una zona intermedia instalamos un turbocompresor, esos gases podrán mover una turbina que a su vez, mediante un eje axial, mueva un compresor. Ese compresor “compactará” los gases de entrada al motor y aumentará su densidad, haciendo que tengamos más masa de aire en el mismo espacio.

Como podéis ver en el gráfico, los gases de escape inciden en la turbina de forma radial, provocando su movimiento, y se expulsan axialmente (según la dirección del eje) tras ceder gran parte de su energía interna (mecánica + térmica).

El eje que conecta la turbina con el compresor provoca el movimiento de este último, que aspira el aire en la zona de entrada y lo comprime radialmente (hacia los extremos), dirigiéndolo luego hacia el motor. Como efecto negativo, se produce un incremento poco deseable de temperatura de los gases frescos en la admisión. Dicho efecto se contrarresta habitualmente instalando un intercooler en esta zona para que se encargue de rebajar la temperatura del aire comprimido. Más tarde os contaremos más sobre este elemento. En la imagen, podéis ver el intercooler de un BMW Serie 3:

El aumento de presión que conseguimos con el turbo permite introducir en los cilindros del motor una mayor cantidad de masa de oxígeno, lo que consigue mayor par en cada carrera y consecuentemente mayor potencia que en un motor de aspiración atmosférica de cilindrada equivalente. En el vídeo podéis ver funcionando el sistema turbocompresor EcoBoost de Ford:

En los motores de gasolina, como efecto colateral, se produce un incremento de consumo de combustible proporcional al incremento de la masa de aire. En los motores diésel, que carecen de mariposa, esto no ocurre ya que siempre entre aire en exceso y la masa del mismo no es proporcional al caudal de combustible. Es por ello que se ha visto en estos motores el máximo exponente de aplicación de los turbocompresores. Son capaces de conseguir mayores potencias en motores de cilindrada reducida, conservando una eficiencia considerable y consumos reducidos.

Aclarar que la mariposa es el elemento que regula por estrangulamiento la cantidad de aire que entra en los cilindros, empleada casi en exclusiva en motores de gasolina. En un motor diesel no es necesaria ya que siempre entra la mayor masa de aire posible al motor y la carga, así como la potencia, se regula con la cantidad de combustible que se inyecta.

Otro inconveniente de los sistemas turbo en motores de gasolina es que las altas presiones que se alcanzan gracias a los mismos pueden provocar la autoignición de los gases antes del salto de chispa. Solucionar este problema implica una mayor complejidad mecánica. Dicha complejidad no existe en los motores diésel gracias a las altas presiones que ya de por sí tiene que alcanzar la mezcla aire+combustible para inflamarse, al carecer el sistema diésel de la chispa que provoca la detonación en los motores de gasolina. 

La presiones de admisión que se logran con los compresores más pequeños son de 0,25 bar, mientras que con los más grandes se pueden alcanzar presiones de 1,5 bar. En motores de competición, se llega a valores de 3 y 8 bares, dependiendo de si son motores diésel o gasolina.

En la siguiente animación se puede apreciar como funciona un turbocompresor y como los gases mueven cada una de sus partes:

La principal ventaja del turbocompresor en automóvil es que al aprovecharse de los gases de escape, solo usa energía que sería desechada si no estuviese instalado el sistema de sobrealimentación. Por tanto, no provoca pérdidas mecánicas fuera de su rango de trabajo. Precisamente estas pérdidas son el principal inconveniente del otro gran sistema de sobrealimentación que trataremos al final del post, el supercargador.

Uno de los elementos más llamativos de los sistemas turbo es la válvula de descarga o damp valve. Es el causante del ruido de descarga que hacen muchos coches con turbo cuando deceleramos bruscamente y que los oídos inexpertos pueden confundir con el propio soplido del turbo. Su función es abrir un bypass en la zona de admisión para derivar parte del aire al exterior y así evitar altas presiones cuando se trabaja en regímenes de alta carga. En este vídeo podéis escuchar su sonido característico:

Cuando el compresor gira a altas revoluciones presenta una gran inercia y al soltar el acelerador seguirá moviéndose hasta saturar los conductos de admisión de aire, provocando una parada brusca de la turbina y disminuyendo la vida útil del sistema turbo. Precisamente esto es lo que se consigue evitar con la damp valve.

Uno de los principales problemas del turbocompresor en automóviles es el escaso rendimiento que aporta a bajas revoluciones. Esto se debe a que la velocidad de los gases de escape, y consecuentemente su energía, es baja. Por esto no son capaces de mover con suficiente fuerza la turbina que hace girar al compresor. Históricamente, este problema se ha solucionado con sistemas de turbo más pequeños. No obstante, estos ejercen muy poca fuerza a altas revoluciones.

Para solucionar este problema de una forma más eficaz, existen alternativas mejoradas:

• El sistema biturbo en paralelo o “twin turbo” es un sistema de dos compresores de menor tamaño que presentan menor inercia rotacional y empiezan a generar presión a bajas vueltas, disminuyendo así la demora de respuesta.

• El biturbo secuencial es muy similar al anterior. También está compuesto por dos compresores idénticos, con la salvedad de que suele ser más potente y que todo el aire se envía en un primer momento a uno de ellos, repartiéndose entre los dos cuando aumenta el régimen de giro. De esta forma se consigue mejorar la demora en la respuesta a bajas vueltas, pero también incrementar la potencia en regímenes altos.

• El turbocompresor asimétrico se usa en motores con simetría, como por ejemplo los de 6 cilindros en V. Es de pequeño tamaño y se instala solo en una de las bancadas de cilindros. No mejora notablemente la potencia, pero sí la demora de respuesta.

• El turbocompresor de geometría variable (VTG) es uno de los sistemas más completos, sofisticados y eficientes. Montado en muchos coches deportivos de alta gama, cada vez está más de moda debido a la tendencia al downsizing en los motores de alta cilindrada. Consigue motores muy potentes y más eficientes que sus homólogos atmosféricos. Podéis verlo en acción en la siguiente animación:

Funciona gracias a un sistema de álabes móviles que cambian de posición para variar la velocidad de los gases de escape cuando entran a la turbina. A bajas vueltas, cuando el caudal de gases es menor, se cierran los álabes y se aumenta la velocidad de los gases al entrar en la turbina, haciéndola girar con más fuerza. Con altos regímenes de giro, los álabes se abren para que el sistema turbo no se sature.

Como os comentamos, la alternativa a las soluciones con turbocompresor es el supercargador. No es más que un sistema mecánico conectado al cigüeñal que gira solidario a éste. Corrige muchos de los defectos de los turbocompresores y requiere menor mantenimiento. La turbina que mueve al compresor ahora gira gracias al movimiento de rotación del cigüeñal, y por tanto no depende de la energía de los gases de escape, funcionando de forma excelente a bajas revoluciones.

El principal problema de los supercargadores es que, al ser sistemas mecánicos, ejercen fricción entre las piezas. Esta fricción se traduce en pérdidas de par, más intensas cuanto más alto sea el régimen de giro. Es un sistema muy útil para mejorar la respuesta a bajas revoluciones y régimen de giro medio en vehículos de gran potencia. El sistema del siguiente vídeo es el que usa Ford en uno de sus todoterrenos más exitosos en América:

Como ya he comentado en este post, tanto los sistemas turbocompresores como supercargadores provocan un aumento indeseado de la temperatura de los gases de entrada. Al calentarse, los gases pierden densidad y ello implica una menor cantidad de oxígeno, lo que produce combustiones de menor rendimiento en los cilindros. Si rebajamos la temperatura con que los gases salen de los sistemas sobrealimentadores, que en el caso de los turbo puede ser de 90ºC a 120ºC, conseguiremos mayor potencia y rendimiento.

Este incremento de temperatura se soluciona usando un intercooler, que no es más que un intercambiador de aire-aire que enfría el aire comprimido en un 10%-15%, consiguiendo una temperatura de admisión de unos 60ºC, y por tanto mayor densidad en el aire de entrada. En la imagen, podéis ver un kit completo de un sistema turbo, junto con su intercooler:

En motores de alto rendimiento se usan intercoolers más avanzados con sistemas de agua para intercambiar calor. Incluso en motores de preparación extrema o de muy alta gama se montan sistemas que explulsan CO2 comprimido a muy baja temperatura durante cortos períodos de tiempo para provocar el enfriamiento. Son sistemas similares a los de los videojuegos y películas en los que los pilotos pulsan el famoso botón del óxido nitroso. Éste último se descompone en oxígeno y nitrógeno y, además de enfriar los gases y el motor gracias al nitrógeno que se descompone, aporta más oxígeno a la combustión. No obstante, son sistemas para auténticos quemados que acortan tremendamente la vida útil del motor.

Si en la imagen superior se puede ver el sistema profesional, en esta que os adjunto abajo podéis apreciar las intentos de algún manitas de intentar instalar algo parecido en su coche:

Termino el post dejando un consejo de mantenimiento para los sistemas turboalimentados, que son los más usados y los que requieren de mayores cuidados en su mantenimiento y uso.

Muchas veces habremos escuchado que es bueno dejar enfriar el turbo. No falta razón a quien nos haya aconsejado. Pero… ¿por qué y para qué tenemos que dejar enfriarlo?

Si nuestro coche monta un sistema de este tipo, tras un recorrido de varios kilómetros se habrá calentado y habrá alcanzado su punto óptimo de funcionamiento. La temperatura del compresor y demás componentes de un sistema turbo se regula mediante un circuito hidráulico de aceite en permanente movimiento. Si apagamos el coche sin dejar enfriar el turbocompresor, el aceite se quedará estancado a alta temperatura y se cristalizará. Al encender de nuevo el coche, las piezas rotatorias del turbo sufrirán un serio desgaste por choque y fricción que acortará su vida útil. Por contrario, si dejamos enfriar durante un tiempo el turbo después de un viaje largo, el aceite recuperará la temperatura ambiente y no sufrirá cristalización, por lo que al encender de nuevo el coche el sistema no sufrirá desgaste.

Por último, comentar que tampoco conviene abusar del turbo cuando el motor está recién arrancado. Todos los componentes mecánicos del coche están preparados para funcionar a una temperatura óptima que minimiza el desgaste, y por ello no debemos abusar de los mismos hasta que hayamos recorrido unos cuantos kilómetros.

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