Sobrealimentación, más aire, más combustible, más potencia

Un motor atmosférico tiene un límite de potencia que depende de factores como la cantidad de aire y combustible. Para aumentar la potencia se debe aumentar la cantidad de aire y por ende inyectar más combustible.

La relación ideal entre aire y combustible se establece con la relación estequiométrica. Esta relación entre el aire y combustible se dice que es ideal, cuando el λ=1. Es una relación fija establecida en 14,7 gramos de aire por cada gramo de gasolina y 14,5 gramos de aire por cada gramo de diésel.

Sobrealimentación

La sobrealimentación de un motor utiliza medios mecánicos o aprovecha la dinámica de los gases, ya sea de escape o de la propia admisión para aumentar la cantidad de aire que entra en los cilindros. De esta manera los motores tienen más potencia y normalmente son más eficientes.

Cuando se sobrealimenta un motor, es importante también que el sistema de alimentación de combustible esté preparado para aumentar el caudal de combustible que fluye al interior de los cilindros, si no el motor funcionará con una mezcla pobre λ>1, sobrecalentándose y sin entregar toda la potencia requerida.

Tipos de sobrealimentación

La alimentación forzada de aire a los motores tiene historia y con el paso de los años han aparecido diferentes tipos y cada uno tiene bastantes subtipos. La complejidad y efectividad ha ido en aumento en estos años, hablaremos de los más importantes.

Alimentación forzada dinámica

La sobrealimentación utiliza las propiedades dinámicas de los gases de escape para poner en funcionamiento la inercia de los gases y resonadores para introducir más aire dentro de los cilindros. Su efectividad es media, algunos utilizan admisiones de aire variables que se aprovechan de estas propiedades para mejorar ligeramente la capacidad para ingresar aire en sus cilindros.

Los sistemas de este tipo se destacan de aquellos que orientan su admisión en dirección de la marcha, haciendo que una mayor cantidad de aire entre en la admisión aumentando muy ligeramente la potencia del motor.

Este sistema se utilizó en varios autos de los sesenta, pero actualmente no se utiliza, en parte por la dificultad de instalación y la influencia en la aerodinámica que tendría una boca abierta en dirección de la marcha.

Compresores mecánicos volumétricos y centrífugos

Los compresores mecánicos son aquellos que utilizan un sistema de tracción mecánica, normalmente una correa, engranajes o una cadena, para operar un sistema que en pocas palabras, bombea aire al interior de los cilindros de tal manera que al aportar más combustible el motor tenga mayor potencia.

Existen varios subtipos de los cuales hablaremos en otra oportunidad y se utilizan actualmente en bastantes vehículos, como única opción o acompañados de un turbo para mejorar las

Turbocompresores

Los turbos aprovechan la energía cinética de los gases de escape para ingresar aire a través de la admisión, a través de una turbina ubicada en la línea de escape y conectada a través del eje a un compresor interpuesto a la tubería de emisión de aire.

El ingreso de aire genera un aumento de potencia y de eficiencia en el motor. En la práctica la mayoría de los motores diésel tienen incorporado un turbocompresor. También los motores gasolina de la tecnología downsizing tienden a montarlos, ya que con una cilindrada pequeña y la aplicación de un turbo se pueden obtener grandes resultados en cuanto a potencia, eficiencia y consumo de combustible. Y por obvias razones también lo montan los motores de autos de altas prestaciones.

Uno de los problemas que se derivan de estos sistemas es que al comprimir el aire, por leyes físicas este se calienta, generando una reducción en la densidad del aire que entra al motor.

Habíamos quedado en que lo que queremos es meter más aire y lo más denso posible, que en este caso es aire frío. Para ello se utiliza un dispositivo que nos ayude a reducir la temperatura, que para el caso es un intercambiador de calor o intercooler. El intercooler es un radiador por el cual se hace pasar el aire comprimido previamente por el turbo para enfriarlo, ya sea cediendo calor al aire atmosférico o a un circuito de agua.

Luego de pasar por el intercambiador de calor el destino es el motor, y aunque el intercooler supone una restricción al paso del aire, la ventaja del aire frío compensa cualquier restricción. Ya tenemos la carga fría en los cilindros.

Principio de funcionamiento de Más aire, más combustible, más potencia

Esencialmente, los turbocompresores y los sobrealimentadores son compresores de aire que aumentan el flujo de oxígeno al motor a través de la inducción forzada, pero cada uno lo consigue de una manera diferente.

La inducción forzada se basa en el principio de que más aire en el proceso de combustión produce más potencia. Al comprimir el aire y aumentar su densidad, la inducción forzada permite que entre más oxígeno en el cilindro del motor, lo que requiere una cantidad correspondiente de combustible. Más combustible significa más explosiones en la cámara de combustión, generando más potencia.

A mayor altitud, donde el aire es menos denso, la inducción forzada compensa la pérdida de potencia aumentando la presión del aire y suministrando más oxígeno a los cilindros. Sin la inducción forzada, el motor está limitado por la densidad del aire en la atmósfera circundante, tanto a nivel del mar como a 10.000 pies.

Razones para la sobrealimentación

El uso de componentes turboalimentados en los motores está motivado por la necesidad de aumentar la potencia sin aumentar el volumen de los cilindros. El aumento de la potencia depende de la cantidad de combustible quemado en cada ciclo de trabajo y del número de revoluciones.

Sin embargo, tanto en los motores diésel como en los de gasolina, por mucho combustible adicional que entre en la cámara de combustión, la potencia no aumentará si el combustible no encuentra suficiente aire para quemarse.

Por lo tanto, sólo se puede aumentar la potencia sin cambiar la cilindrada o el régimen del motor si entra en el cilindro más aire (motores diésel) o una mezcla mayor (aire y gasolina en los motores de gasolina) que con la "admisión normal" (motores de aspiración natural).

¿Turbo vs Supercargador la diferencia clave?

Aunque ambos métodos utilizan la inducción forzada, la diferencia fundamental entre el turbocompresor y el sobrealimentador radica en la forma en que funcionan los elementos de compresión del aire en ambos sistemas.

El turbocompresor tiene un enfoque indirecto, ya que no está conectado mecánicamente al motor. En su lugar, el flujo de gases de escape del motor se utiliza para accionar la turbina, que impulsa el compresor.

El supercargador está conectado físicamente al motor. Utiliza el cigüeñal del motor como fuente de energía directa para el compresor.

Los pros y los contras de cada uno

La sobrealimentación y la turboalimentación aumentan considerablemente la potencia de los motores atmosféricos, pero ambas tienen ventajas e inconvenientes.

Ventajas del turbocompresor:

  • Ideal para aplicaciones de pequeña cilindrada; a menudo se utiliza en combinación con motores de cuatro cilindros.
  • Menor peso y menor impacto en el consumo de combustible
  • Funcionamiento generalmente más eficiente de la cadena cinemática gracias a la recuperación de la pérdida de energía (escape).
  • Se utiliza un acelerador suave que reduce las emisiones de dióxido de carbono.

Contras del turbocompresor:

  • Presencia de retraso del turbo.
  • Diseñado para aumentar la presión en un rango específico de funcionamiento del motor en lugar de en todo el rango de revoluciones.
  • Aumento de la demanda de aceite del motor debido a las altas temperaturas de funcionamiento.
  • Instalación integrada.

Ventajas de la sobrealimentación:

  • Genera mucha más potencia que un turbocompresor.
  • Solución rápida para aumentar la potencia de los motores de gran cilindrada con un gran número de cilindros
  • No hay retardo de potencia como con un turbo; la potencia se entrega inmediatamente.
  • Proporciona más potencia a regímenes inferiores que los turbocompresores.
  • Mayor vida útil y menor desgaste térmico que los turbocompresores

Contras de la sobrealimentación:

  • La falta de una aleta de escape provoca un aumento de las emisiones de dióxido de carbono.
  • Mayor consumo de combustible gracias a la potencia directa del motor.
  • El nivel de ruido es mayor en comparación con la turboalimentación.

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