Sobrealimentador

Existen dos familias principales de sobrealimentadores definidas según el método de transferencia de gas: sobrealimentadores de desplazamiento positivo y sobrealimentadores dinámicos . Los sobrealimentadores de desplazamiento positivo proporcionan un nivel casi constante de aumento de presión de sobrealimentación a 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 raramente utilizada, es el sobrealimentador de onda de presión .

Los compresores Roots (un diseño de bomba de lóbulos de desplazamiento positivo ) suelen tener una eficiencia de solo el 40-50% a altos niveles de presión de sobrealimentación, en comparación con el 70-85% de los compresores dinámicos. Los compresores tipo Lysholm (un diseño de tornillo rotativo) pueden ser casi tan eficientes como los compresores dinámicos en un rango estrecho de carga/velocidad/presión de sobrealimentación, para el cual el sistema debe diseñarse específicamente.

Desplazamiento positivo

Las bombas de desplazamiento positivo suministran un volumen de aire prácticamente constante por cada revolución (salvo por fugas, cuyo efecto suele ser menor a altas velocidades del motor). El tipo más común de compresor de desplazamiento positivo es el de tipo Roots . Estos compresores son sopladores, no compresores, ya que el volumen de fluido transferido por revolución se mantiene constante entre la entrada y la salida de la bomba. Otros tipos incluyen los compresores de tornillo rotativo , de paletas deslizantes y de espiral .

El sistema de clasificación para los compresores de desplazamiento positivo generalmente se basa en su capacidad por revolución . En el caso del compresor 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) que está diseñado para aspirar , con la gama de modelos de GMC que incluye compresores 2-71, 3-71, 4-71 y 6-71. El compresor 6-71, por ejemplo, está diseñado para aspirar seis cilindros de 71 pulgadas cúbicas (1,16 L) cada uno, lo que resulta en un motor con una cilindrada total de 426 pulgadas cúbicas (7,0 L ). Sin embargo, dado que 6-71 es la designación del motor y no la del compresor, la cilindrada real del compresor es menor ; por ejemplo, un compresor 6-71 bombea 339 pulgadas cúbicas (5,6 L) por revolución. Otros fabricantes de compresores han producido sopladores con una potencia nominal de hasta 16-71.         

Los métodos comunes para accionar un sobrealimentador incluyen:

• Correa (correa trapezoidal, correa síncrona, correa plana)
• Accionamiento directo
• Transmisión por engranajes
• Transmisión por cadena
• Relación de velocidad variable, centrífuga de relación variable
• Los sobrealimentadores eléctricos utilizan motores eléctricos en lugar de fuentes de energía mecánicas.

Los compresores eléctricos utilizan un motor eléctrico para comprimir el aire de admisión, proporcionando sobrealimentación sin depender de la potencia mecánica del motor. Este diseño ofrece una respuesta inmediata del acelerador y elimina el retardo del turbo, lo que resulta beneficioso para el rendimiento y la eficiencia. ^{[ 6 ]}

Los combustibles con un índice de octano más alto resisten mejor la autoignición y la detonación . Como resultado, se podía aumentar la presión de sobrealimentación de los compresores, lo que se traducía en un incremento de la potencia del motor. El desarrollo del combustible de aviación de 100 octanos, pionero en Estados Unidos en la década de 1930, permitió el uso de presiones de sobrealimentación más elevadas en motores de aviación de alto rendimiento y se utilizó para aumentar considerablemente la potencia de varios aviones que batieron récords de velocidad.

El uso militar de combustibles de alto octanaje comenzó a principios de 1940 cuando se entregó combustible de 100 octanos a la Real Fuerza Aérea Británica que luchaba en la Segunda Guerra Mundial. ^{[ 7 ]} La Luftwaffe alemana también tenía suministros de un combustible similar. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Aumentar el índice de octano se convirtió en un objetivo principal del desarrollo de motores aeronáuticos durante el resto de la guerra, y los combustibles posteriores tenían un índice nominal de hasta 150 octanos. Utilizando dichos combustibles, motores aeronáuticos como el Rolls-Royce Merlin 66 y el Daimler-Benz DB 605 DC producían potencias de hasta 2000 hp (1500 kW) . ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}  

Una desventaja de la sobrealimentación (ya sea mediante compresor o turbocompresor) es que la compresión del aire de admisión aumenta su temperatura. En un motor de combustión interna, la temperatura del aire de admisión se convierte en un factor limitante del rendimiento. Las temperaturas extremas pueden provocar preignición o detonación , lo que reduce el rendimiento y puede dañar el motor. El riesgo de preignición/detonación aumenta con temperaturas ambiente más elevadas y mayores niveles de presión de sobrealimentación.

La mayoría de los motores de aeronaves utilizados durante la Segunda Guerra Mundial empleaban sobrealimentadores mecánicos debido a sus importantes ventajas de fabricación sobre los turbocompresores. Sin embargo, la mejora en el alcance operativo era una prioridad mucho mayor para las aeronaves estadounidenses, dada la menor previsibilidad de dicho alcance y la necesidad de volar lejos de sus bases. Por consiguiente, los turbocompresores se emplearon principalmente en motores de aeronaves estadounidenses como el Allison V-1710 y el Pratt & Whitney R-2800 , que, al ser turboalimentados, resultaban comparativamente más pesados ​​y requerían conductos adicionales de costosas aleaciones metálicas de alta temperatura en la turbina de gas y en una sección previa a la turbina del sistema de escape. El tamaño de los conductos, por sí solo, representaba una consideración de diseño crucial. Por ejemplo, tanto el F4U Corsair como el P-47 Thunderbolt utilizaban el mismo motor radial , pero el gran fuselaje en forma de barril del P-47 turboalimentado era necesario debido a la cantidad de conductos que conectaban con el turbocompresor en la parte trasera de la aeronave. El F4U utilizaba un compresor volumétrico de dos etapas con intercooler y un diseño más compacto. No obstante, los turbocompresores resultaron útiles en bombarderos de gran altitud y 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. Además, requieren inspecciones frecuentes de sus turbocompresores y sistemas de escape para detectar posibles daños causados ​​por el calor y la presión extremos de los turbocompresores. Dichos daños fueron un problema importante en los primeros modelos de los bombarderos de gran altitud Boeing B-29 Superfortress estadounidenses , utilizados en el Teatro de Operaciones del Pacífico entre 1944 y 1945.

Los motores de pistón turboalimentados continuaron utilizándose en un gran número de aviones de la posguerra, como el B-50 Superfortress , el KC-97 Stratofreighter , el Boeing 377 Stratocruiser , el Lockheed Constellation y el C-124 Globemaster II .

En los Campeonatos Mundiales de Rally de 1985 y 1986, Lancia compitió con el Delta S4 , que incorporaba un compresor accionado por correa y un turbocompresor accionado por escape. El diseño utilizaba una compleja serie de válvulas de derivación en los sistemas de admisión y escape, así como un embrague electromagnético, de modo que, a bajas revoluciones, se obtenía un impulso del compresor. En el rango medio de revoluciones, se obtenía un impulso de ambos sistemas, mientras que a las revoluciones más altas el sistema desconectaba el accionamiento del compresor y aislaba los conductos asociados. ^{[ 15 ]} Esto se hizo en un intento de aprovechar las ventajas de cada sistema de sobrealimentación eliminando las desventajas. A su vez, este enfoque aumentó la complejidad y afectó la fiabilidad del coche en las pruebas del WRC, además de incrementar el peso de los componentes auxiliares del motor en el diseño final.

En ocasiones, se han utilizado motores con doble sobrealimentación en coches de producción, como el Volkswagen de 1,4 litros de 2005-2013 y algunos motores Volvo B4204T de cuatro cilindros y 2,0 litros de 2014 hasta la actualidad.

Los primeros automóviles producidos en serie del mundo ^{[ 23 ]} con sobrealimentadores fueron el Mercedes 6/25  hp de 1,6 litros y el Mercedes 10/40  hp de 2,6 litros , ambos cuya producción comenzó en 1923. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} Se comercializaron como modelos Kompressor , un término que se utilizó para varios modelos hasta 2012.

Los coches de carreras sobrealimentados de esta época incluían el Fiat 805-405 de 1923 (el primero en participar y ganar una carrera de Gran Premio), ^{[ 27 ]} el Miller 122 de 1923 ^{[ 28 ]} el Alfa Romeo P2 de 1924 , el coche de la temporada de Gran Premio de 1924 de Sunbeam, ^{[ 29 ]} el Delage de 1925 , ^{[ 30 ]} y el Bugatti Type 35C de 1926 .

Entre los coches sobrealimentados más famosos se encuentra el Bentley 4½ Litre ("Blower Bentley"), que se presentó en 1929.

En 1935, el desarrollo de los compresores de tipo 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 macho. ^{[ 17 ]}

En el siglo XXI, los motores de producción con compresor se han vuelto menos comunes, ya que los fabricantes han optado por la turboalimentación para lograr mayor eficiencia de combustible y potencia. Por ejemplo, los motores Kompressor de Mercedes-Benz de principios de la década de 2000 (como el C 230 Kompressor de cuatro cilindros en línea, el C 32 AMG V6 y el CL 55 AMG V8) fueron reemplazados alrededor de 2010 por motores turboalimentados en modelos como el C 250 y el CL 65 AMG . Sin embargo, existen excepciones, como el Audi 3.0 TFSI V6 con compresor (introducido en 2009) y el Jaguar AJ-V8 V8 con compresor (actualizado a la versión Gen III en 2009).

En la década de 1930, se desarrollaron transmisiones de dos velocidades para los sobrealimentadores de los motores aeronáuticos, lo que proporcionó una operación más flexible de las aeronaves. Esta configuración también implicó una mayor complejidad en la fabricación y el mantenimiento. Los engranajes conectaban el sobrealimentador al motor mediante un sistema de embragues hidráulicos, que inicialmente el piloto accionaba manualmente con un control en la cabina. A bajas altitudes, se utilizaba la marcha de baja velocidad para evitar niveles de sobrealimentación excesivos. A mayores altitudes, el sobrealimentador podía cambiarse a una marcha superior para compensar la menor 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 su mayoría con sobrealimentadores de una sola etapa y una sola velocidad. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

En 1942, se aplicó la sobrealimentación de dos velocidades y dos etapas con postenfriamiento al motor aeronáutico Rolls Royce Merlin 61. El rendimiento mejorado permitió a los aviones que impulsaba mantener una ventaja crucial sobre los aviones alemanes a los que se oponía durante toda la Segunda Guerra Mundial, a pesar de que los motores alemanes tenían una cilindrada significativamente mayor. ^{[ 33 ] [ 32 ]} Los sobrealimentadores de dos etapas también eran siempre de dos velocidades. Después de que el aire se comprimía en la etapa de baja presión , el aire fluía a través de un intercambiador de calor (" intercooler ") donde se enfriaba antes de ser comprimido de nuevo por la etapa de alta presión y luego posiblemente también postenfriado en otro intercambiador de calor.

Si bien los sobrealimentadores se utilizaron ampliamente a mediados del siglo XX y durante la Segunda Guerra Mundial , su uso ha disminuido considerablemente en las aeronaves modernas con motor de pistón . Esto se debe principalmente a las aleaciones más ligeras y de mayor temperatura que hacen que los turbocompresores sean más eficientes que los sobrealimentadores, así como al menor mantenimiento que requieren debido a la menor cantidad de piezas móviles. ^{[ 34 ]}

Debido a la menor densidad del aire a mayor altitud, la sobrealimentación se ha utilizado con frecuencia en los motores de aeronaves. Por ejemplo, la densidad del aire a 9100 m (30 000 pies ) es un tercio de la que hay a nivel del mar, lo que resulta en que se pueda quemar un tercio de combustible en un motor de aspiración natural; por lo tanto, la potencia de salida se reduciría considerablemente. ^{[ 35 ]} Un sobrealimentador puede entenderse como un sistema que aumenta artificialmente la densidad del aire mediante su compresión o como un sistema que introduce más aire de lo normal en el cilindro cada vez que el pistón desciende en la carrera de admisión. ^{[ 35 ]}  

Dado que un sobrealimentador suele diseñarse para producir una determinada cantidad de presión a gran altitud (donde la densidad del aire es menor), a menudo se sobredimensiona para baja altitud. Para evitar niveles de presión excesivos, se suele monitorizar la presión del colector de admisión. A medida que la aeronave asciende y la densidad del aire disminuye, se puede abrir progresivamente la mariposa de admisión para obtener la máxima potencia segura para una altitud determinada. La altitud a la que la mariposa de admisión alcanza su máxima apertura y el motor sigue produciendo la potencia nominal completa se conoce como altitud crítica . Por encima de la altitud crítica, la potencia del motor se reduce, ya que el sobrealimentador ya no puede compensar completamente la disminución de la densidad del aire.

Otro problema que se presenta a bajas altitudes (como a nivel del suelo) es que el aire de admisión está más caliente que a gran altitud. El aire más caliente reduce el umbral a partir del cual puede producirse el picado 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 , compresores de dos velocidades y compresores de dos etapas.

En los motores sobrealimentados con carburador , una mariposa parcialmente abierta reduce la presión del aire dentro del carburador. En condiciones de frío, esta baja presión puede provocar la formación de hielo en la mariposa. Una cantidad significativa de hielo puede causar una avería en el motor, incluso cuando este funciona a su máxima potencia nominal con el sobrealimentador LSA activado.