SOBREALIMENTACION (instalación de sobrealimentación con turbocompresor) - Definición - Significado

La potencia producida por una máquina de combustión interna depende esencialmente de la cantidad de calor que puede desarrollar y transformar en trabajo por unidad de tiempo; en el caso específico de un motor volumétrico, la potencia, para un mismo combustible, es proporcional a la cantidad de aire que consigue quemar por cada ciclo, en la práctica a su cilindrada por la densidad del aire. Sin embargo, estas consideraciones son valederas solamente en teoría; examinando concretamente el rendimiento de un motor volumétrico alternativo se comprueba que la presión media efectiva es función de toda una serie de rendimientos y, concretamente: p.m.e.

De todos estos factores, el que más varía en las diferentes condiciones de funcionamiento del motor es el rendimiento volumétrico Xv. En un motor de aspiración X, es siempre inferior a 1 por diferentes motivos:

- las pérdidas de carga que se producen en los conductos de admisión determinan que exista una caída de presión entre el ambiente exterior y el interior del cilindro al final de la admisión;

- el aire aspirado tiene un volumen específico generalmente diferente del que corresponde a las condiciones de referencia (1 atm, 15 °C, 60% de humedad);

- la parte residual de los gases quemados que permanece en el volumen de la cámara de combustión después del escape, encontrándose a una presión mayor que la atmosférica, se expansiona durante la admisión y ocupparte del volumen que podría ser llenado por la carga fresca.

Respecto a la densidad del aire aspirado, la necesidad de evitar dicho inconveniente se presentó primeramente en los motores destinados a los aviones a causa del enrarecimiento de la atmósfera, que en altura provoca pérdidas enormes de potencia.

La primera aplicación de un dispositivo para la alimentación forzada de un motor alternativo se efectuó precisamente en un avión, durante la primera guerra mundial. Con ello se pretendió solamente hacer que el funcionamiento del motor fuese independiente de las variaciones de la densidad del aire sin obtener aumentos de potencia. Siguiendo por este camino, es posible comprimir el aire por encima de la presión atmosférica e introducir en el motor una mezcla de aire y combustible cuya densidad es superior a la de las condiciones de referencia. En este caso, la cantidad en peso del aire aspirado es mayor que la teórica: el valor de v es superior a 1 y el motor se denomina sobrealimentado.

La idea de alimentar un motor con aire comprimido ha tenido éxito en el sector automovilístico relativamente tarde, con el famoso Fiat 805 de Gran Premio de 19S3, e inicialmente tenía sobre todo la finalidad de eliminar las pérdidas de carga en los largos y complicados conductos de admisión y de alcanzar relaciones de compresión reales más elevadas que las permitidas por la configuración poco racional de las culatas. Posteriormente, el mejoramiento de la fiabilidad de los propulsores y el perfeccionamiento de las técnicas de sobrealimentación han permitido el aumento gradual de la presión de alimentación hasta valores de 3-4 atm e incluso superiores.

Examinando los efectos de la sobrealimentación desde el punto de vista termodinámico, es necesario separar los dos aspectos principales: el incremento de la potencia producida por el motor en función de la sobrealimentación, y el rendimiento del ciclo del motor sobrealimentado.

Las consideraciones hechas anteriormente han demostrado que a un aumento de Xv (es decir, un aumento en peso de aire aspirado) corresponde otro igual de p.m.e.; esto es importante tenerlo en cuenta por el solo hecho de quemar una mayor cantidad de carburante, independientemente del valor de la relación de compresión. En realidad, esta última, cuando se quieran obtener prestaciones límites, depende solamente del tipo de carburante empleado y de su capacidad para evitar la detonación. Por este motivo, en el proyecto de un motor sobrealimentado, la relación volumétrica de compresión se calcula de manera que la presión máxima al final de la fase de compresión no sea nunca superior a la soportable en aquellas condiciones por el carburante empleado. Por ejemplo, el motor Porsche Turbo, que tiene una presión máxima de sobrealimentación de 0,8 kg/cm2, tiene una relación de compresión volumétrica muy baja, de 6,5:1, de manera que la presión máxima al final de la compresión sea siempre inferior a la soportable por el carburante comercial.

Cuando en las competiciones existía completa libertad en la elección del carburante, era conveniente emplear el compresor para alcanzar las enormes compresiones soportables por las mezclas especiales empleadas. Las más avanzadas de tales construcciones, el BRM de 16 cilindros y 1,5 l, del año 1962, tenía una relación de compresión volumétrica de 7,5:1, con una presión máxima de sobrealimentación igual a casi 4,7 atm y daba 48 CV.

El otro aspecto, el negativo, de la sobrealimentación está representado por la disminución del rendimiento que, en la práctica, se traduce en un aumento del consumo específico. Si el rendimiento del ciclo se mantuviese constante, la potencia producida sería proporcional a la cantidad de carburante que se consigue hacer quemar en el motor; sin embargo, en la práctica, el rendimiento disminuye al aumentar la sobrealimentación; véanse los motivos:

En un motor volumétrico, las carreras de compresión y de expansión son idénticas, es decir durante éstas se cumplen variaciones de volumen idénticas (iguales ala cilindrada); en un motor sobrealimentado, parte de la compresión es realizada por la instalación de sobrealimentación (en la práctica se realiza una compresión en dos fases, una exterior y otra interior a la máquina), mientras que la expansión permanece la posible en el interior del cilindro. En definitiva, los gases quemados experimentan una expansión incompleta en el interior del cilindro motor y son expulsados con una enorme energía residual (térmica y de presión). Esto demuestra que las prestaciones de un motor sobrealimentado no pueden compararse con las de un motor de aspiración, si se valoran únicamente en función de la cantidad de carga aspirada.

Cuando los reglamentos deportivos trataron de comparar los dos tipos diferentes de propulsor, se encontraron siempre con el han-dicap entre las cilindradas en base a consideraciones empíricas, teniendo en cuenta las potencias que hipotéticamente se hubieran podido obtener con los dos tipos de propulsor. Por este motivo se encuentran valores muy diferentes en la relación de cilindradas entre un motor de aspiración y uno sobrealimentado y, más concretamente: 1,5 para los vehículos de Gran Premio del período 1938-1946; 3 para la Fórmula 1 de 1947-1953 (y en el mismo período, 4 para la Fórmula 2); 3,33 para la Fórmula 1 de 1954-1960 y, desde 1966, 2 para la Fórmula 1 y 1,4 para las demás categorías.

Aparte de los reglamentos, más o menos favorables, el éxito o el fracaso de la sobrealimentación depende también de las características funcionales del compresor.

Las primeras instalaciones de alimentación forzada de los motores automovilísticos consistían en compresores de tipo Roots, Shorrock o centrífugos de mando mecánico y estaban ubicados generalmente en la salida del carburador por las dificultades de obtener una carburación regular al variar la densidad del aire. Este sistema, sobre todo en el caso de compresión de varias fases, aumentaba considerablemente la complejidad del motor, empeorando el rendimiento mecánico para la potencia absorbida por el compresor. En estas condiciones, el imponer el empleo de carburante comercial, impidiendo altas presiones de alimentación, condujo a la supresión de la sobrealimentación en las competiciones.

En los años setenta, el despertar del interés por la sobrealimentación en las competiciones por parte de las marcas constructoras europeas (en Estados Unidos los vehículos para Indianápolis lo habían adoptado ininterrumpidamente desde 1924) deriva de dos motivos diferentes: un coeficiente favorable (no tanto para la Fórmula 1 que opone los 1.500 ce de sobrealimentación a los 3.000 ce de aspiración, como para los demás grupos donde el coeficiente 1,4 opone a 3.000 ce de aspiración 2.140 ce de sobrealimentación) y, sobre todo, la puesta a punto de sistemas eficientes de sobrealimentación con turbocompresor de gases de escape.

Dicho dispositivo no es realmente nuevo, habiendo sido aplicado primeramente en el sector aeronáutico ya en los años veinte (compresores Sherbondy, Moss y Rateau); sin embargo, la eficiencia de tales soluciones, al estar en función del rendimiento mecánico y termodinámico del grupo turbocompresor, era aceptable solamente para los grandes caudales de gas y era causa de grandes sobrepresiones en el escape que disminuían el rendimiento del motor. Pero los actuales motores sobrealimentados llegan a ser competitivos precisamente gracias al óptimo rendimiento de este dispositivo y a su sencillez.

El funcionamiento del turbocompresor es el siguiente: los gases de escape expulsados por el cilindro son canalizados a través de un colector a la turbina, la cual, aprovechando la temperatura y la presión residual de los gases de escape, recupera parte de la energía que se perdería por la incompleta expansión y la utiliza para accionar el compresor de tipo centrífugo montado sobre el propio árbol.

En el conducto de admisión existe una válvula de seguridad cuyo tarado establece la presión máxima de sobrealimentación; sin embargo, para evitar desperdiciar trabajo comprimiendo más aire del que realmente es aspirado, existe en el escape una válvula by-pass que, cuando la presión en la admisión supera cierto límite, descarga al exterior parte de los gases de escape y disminuye la velocidad de la turbina y del compresor.

Mientras que en los compresores accionados mecánicamente el caudal y la presión están directamente relacionados con el régimen de rotación y las mejores prestaciones se obtienen a régimen constante, en el caso del turbocompresor la presión es función del volumen de los gases de escape, por lo que, con un correcto dimensionado del grupo, es posible obtener el caudal necesario para los regímenes bajos. Además, también es posible y conveniente aprovechar la inercia del grupo, que es grande, puesto que la velocidad de rotación oscila entre 30.000 y 100.000 rpm. Con esta finalidad existe una válvula situada en la salida del compresor que, al abrirse cuando se levanta el pie del acelerador, deja salir el aire comprimido y evita que la contrapresión en el colector haga disminuir la velocidad del turbocompresor. De esta manera, en el momento que vuelve a acelerarse, la velocidad residual es suficiente para restablecer con cierta rapidez una elevada presión.

En el Porsche 911 Turbo, un sistema ligeramente más complejo se encarga además de reciclar el aire comprimido (que es reenviado a la entrada del compresor), creando de esta manera un ciclo cerrado. Este sistema ha sido adoptado porque el regulador de la instalación de inyección está colocado en la entrada del compresor y establece la dosificación en función del aire aspirado; con el acelerador levantado y la mariposa cerrada, el turbocompresor continúa reciclando el aire y, puesto que éste no es aspirado del exterior, se interrumpe el flujo del carburante.

En versiones más avanzadas (por ejemplo, Porsche 908/4 Turbo y Alpine A 442 Turbo), para mejorar la eficiencia de la sobrealimentación existe un intercambiador de calor (refrigerador) antes de la aspiración; al enfriar el aire comprimido, aumenta su densidad y disminuye el trabajo necesario para obtener la presión deseada. Esta técnica es necesaria solamente para altas presiones, cuando las ventajas que se derivan del rendimiento aumentado del compresor superan las desventajas debidas a las pérdidas de carga provocadas por el refrigerador.

Cuando la carburación del aire se realice antes del compresor, no es posible volver a efectuar la refrigeración, pues se producirían condensaciones y acumulaciones de combustible; alternativamente, en otros tiempos se recurría a inyecciones de pequeñas cantidades de agua con el fin de rebajar la temperatura y obtener un cierto efecto antidetonante.

Mecánicamente, la sobrealimentación provoca un aumento de las solicitaciones de todos los componentes de un propulsor; de manera especial, aumenta notablemente la fatiga térmica de la culata, d*¡ la cabeza del pistón, de las válvulas de escape y, como consecuencia, del aceite lubricante. No obstante, el sistema biela-manivela no está sometido a mayores cargas a consecuencia de la enorme presión alcanzada durante la combustión, puesto que, sobre todo en los pequeños motores rápidos, las crestas de solicitación máximas son debidas a la inercia del grupo biela-pistón; con la sobrealimentación se incrementa la carga de compresión de la biela, pero se obtiene una ligera disminución de la carga de tracción, pues la presión existente en el cilindro es siempre mayor que la de la parte inferior del pistón (en la práctica se aproxima al tipo de solicitación de los 2 tiempos).

Por este motivo, la sobrealimentación tuvo un gran éxito en casi todos los vehículos deportivos o de altas prestaciones de los años treinta; dichos motores tenían la posibilidad de conectar el compresor para obtener una potencia mayor en ciertos períodos, sin perjuicio para su buen funcionamiento y duración.

La sobrealimentación en la producción de serie fue abandonada principalmente a causa de los enormes consumos y de la complejidad que implicaba la instalación del compresor para todo el grupo propulsor. Existen algunas tentativas esporádicas, sobre todo con el fin de obtener potencias elevadas de motores de serie destinados a aplicaciones especiales. En estos casos, la sencillez del grupo autónomo turbocompresor y su ligereza han hecho conveniente la aplicación respecto a complejas y costosas operaciones de mecanización.

En términos prácticos, la sobrealimentación es conveniente cuando se quieren obtener potencias elevadas a igualdad de dimensiones y de peso del propulsor; el caso típico está representado por los motores aeronáuticos, en los que sus escasas dimensiones y la ligereza, junto con la elevada potencia, son las características fundamentales; la sobrealimentación se aplica también habitualmente a los motores para los ferrocarriles e incluso para los vehículos de transporte en carretera más avanzados.

En los vehiculos de producción normal, la aplicación de un compresor de sobrealimentación permite obtener potencias y sobre todo valores de par muy elevados con la única modificación de reducir la relación de compresión volumétrica; la conveniencia de dicha operación depende del empeoramiento de los consumos y, sobre todo, de las consecuencias sobre la duración del motor y de la transmisión.

Las investigaciones más recientes en este sector, realizadas por BMW y Porsche, incluso en la producción de serie, tienen también otra finalidad, es decir, la de obtener altas prestaciones con un motor de tipo convencional y, al mismo tiempo, respetar las leyes más recientes sobre la emisión de gases contaminantes.

De hecho, con el sistema turbocompresor es posible mantener los mismos niveles de potencia de un motor muy rápido sin que se obtengan gases de escape con elevados porcentajes de hidrocarburos sin quemar. Esto se debe a que es posible hacer funcionar correctamente el motor incluso con carburaciones no excesivamente ricas; además, la alta temperatura de los gases de escape y la agitación que experimentan en la turbina facilitan la completa oxidación de los hidrocarburos residuales.