Optimización de Motores: Funcionamiento Detallado de Sistemas de Sobrealimentación

¿Qué es la Sobrealimentación y sus Componentes?

Es el sistema con el que se consigue aumentar el par del motor y la potencia del vehículo sin variar la cilindrada ni el régimen del motor, elevando el valor de la presión media efectiva del cilindro.

Turbocompresor: Funcionamiento y Tipos

Es una bomba de aire diseñada para operar con la energía que normalmente se pierde en los gases de escape del motor. Este es el sistema más utilizado, ya que no consume potencia directamente del motor y puede girar a más de 100.000 rpm. Estos gases impulsan la rueda de la turbina, que va acoplada mediante un eje a la rueda del compresor. Cuando estas ruedas giran, aportan un gran volumen de aire a presión a los cilindros. Existen dos tipos principales de turbocompresores:

• Turbocompresores de geometría variable (TGV)
• Turbocompresores de geometría fija (TGF)

Turbocompresor de Geometría Fija (TGF)

Está formado por una turbina y un compresor que se encuentran dentro de sus respectivas carcasas, dispuestos de forma opuesta y unidos por un eje común. La turbina y el compresor poseen álabes diseñados para aumentar la presión de alimentación. También cuenta con una válvula encargada de limitar la presión máxima de soplado, denominada wastegate.

Turbocompresor de Geometría Variable (TGV)

Se caracterizan porque su efecto es notable a bajas revoluciones del motor, a diferencia de los turbocompresores de geometría fija que suelen tener un mayor retardo (turbo lag). Este tipo es el más utilizado en los vehículos diésel modernos y cada vez más en motores de gasolina. Tienen un funcionamiento similar a los de geometría fija en cuanto a sus componentes principales, con la excepción de que incorporan un sistema de álabes móviles en la turbina. Estos álabes pueden variar su ángulo para optimizar el flujo de gases de escape a diferentes regímenes del motor. Gracias a esta capacidad de regulación, muchos TGV no necesitan una válvula wastegate tradicional, ya que el propio sistema puede controlar la velocidad de la turbina y, por ende, la presión de soplado, ajustándola a valores óptimos.

Compresor Volumétrico

El tipo más utilizado es el Roots. Estos compresores son accionados mecánicamente por el cigüeñal del motor, generalmente a través de una correa dentada o un sistema de engranajes. Las revoluciones que pueden alcanzar oscilan entre 10.000 y 15.000 rpm y se caracterizan porque fuerzan la entrada de aire al motor a una velocidad mayor que la que proporcionaría la presión atmosférica por sí sola. Estos sistemas, por lo general, no disponen de una válvula de descarga como la wastegate de los turbos; la cantidad de sobrealimentación está directamente relacionada con la velocidad del motor.

Funcionan aspirando el aire e introduciéndolo en una cámara cuyo volumen disminuye progresivamente, comprimiendo así el aire. Un compresor Roots está compuesto típicamente por dos rotores con lóbulos (álabes) que suelen tener forma de ocho o helicoidal. Los rotores están sincronizados mediante engranajes y giran a la misma velocidad pero en sentidos opuestos, atrapando y desplazando el aire.

Ventajas:

• Respuesta inmediata al acelerador, ya que su accionamiento es mecánico y directo desde el motor.
• Se pone en marcha en cuanto arranca el motor, proporcionando sobrealimentación desde bajas revoluciones.
• Entrega de potencia lineal y predecible.

Desventajas:

• Restan una parte de la potencia generada por el motor para su propio accionamiento (pérdida parásita, que puede ser de alrededor de un 10% o más según el diseño y la demanda).
• Su rendimiento volumétrico puede ser menor a altas presiones en comparación con los turbocompresores.
• Pueden generar más ruido que un turbocompresor.

Compresor Comprex

Se denominan así porque realizan una función de "cambiador de onda de presión". Estos sistemas se desarrollaron como una alternativa para mejorar las características de respuesta de los turbocompresores, especialmente a bajas revoluciones. Mercedes-Benz fue una de las marcas que experimentó y utilizó esta tecnología bajo la denominación de "Compresor G" (aunque el "Kompressor" de Mercedes más conocido es volumétrico tipo Roots).

Su funcionamiento se basa en la transmisión directa de energía entre los gases de escape y el aire de admisión mediante ondas de presión. Un rotor celular, accionado por el motor, pone en contacto brevemente los gases de escape calientes y a alta presión con el aire fresco de admisión. La energía de los gases de escape comprime directamente el aire de admisión. El régimen máximo de funcionamiento de los Comprex suele estar entre 15.000 y 20.000 rpm.

Ventajas:

• Teóricamente, no consume energía neta del motor para su accionamiento, ya que utiliza la energía de los gases de escape (aunque el rotor sí es movido por el motor).
• Incremento notable del par motor a bajas rpm.
• Respuesta casi inmediata al acelerador, similar a un compresor volumétrico.

Desventajas:

• Construcción compleja y de mayor tamaño en comparación con un turbocompresor.
• Puede ser más ruidoso.
• Dificultad para su ubicación óptima en el vano motor.
• Sensibilidad a las contrapresiones de escape y admisión.

Intercooler: Enfriamiento Clave para la Potencia

El intercooler es un componente crucial en muchos sistemas de sobrealimentación. Se trata de un intercambiador de calor (aire-aire o aire-agua) diseñado para enfriar el aire que ha sido comprimido (y, por lo tanto, calentado) por el turbocompresor o compresor volumétrico, antes de que este aire ingrese a los cilindros del motor.

Al reducir la temperatura del aire de admisión, el intercooler logra aumentar su densidad. Un aire más denso contiene más oxígeno por unidad de volumen, lo que permite una combustión más eficiente y, consecuentemente, un incremento en la potencia y el par motor. Además, enfriar el aire de admisión ayuda a prevenir el fenómeno de detonación (o picado de bielas), especialmente en motores con altas relaciones de compresión o elevados niveles de soplado.

Ventajas del Intercooler:

• Mejora del rendimiento: Aumenta la potencia y el par motor al densificar el aire de admisión.
• Mayor fiabilidad del motor: Reduce la temperatura de la carga de admisión, disminuyendo el estrés térmico en los componentes del motor y el riesgo de detonación.
• Eficiencia: No consume energía directamente del motor para su funcionamiento (es un sistema pasivo).

Consideraciones sobre el Intercooler:

• Caída de presión: Puede introducir una ligera pérdida de presión en el sistema de admisión, aunque los diseños modernos buscan minimizar este efecto.
• Complejidad y espacio: Añade componentes, peso y requiere espacio para su montaje, lo que puede ser un desafío en el diseño de algunos vehículos.
• Respuesta dinámica: En algunos casos, un intercooler de gran tamaño o con un largo recorrido de tuberías podría contribuir ligeramente al retraso en la respuesta del sistema de sobrealimentación (turbo lag), aunque este efecto suele ser secundario frente a otros factores como el tamaño del propio turbo.

Válvula Wastegate: Control de Presión

La válvula wastegate (válvula de descarga o de alivio) es la encargada de regular la presión máxima de soplado generada por el turbocompresor, protegiendo así al motor de una sobrepresión excesiva. Está situada en el colector de escape, en una derivación antes de la turbina. Está constituida fundamentalmente por una cápsula neumática que contiene una membrana y un muelle tarado a una presión específica. Cuando la presión de sobrealimentación en el colector de admisión alcanza el valor preestablecido, esta presión actúa sobre la membrana, venciendo la fuerza del muelle y abriendo la válvula. Al abrirse, permite que una parte de los gases de escape se desvíen directamente al sistema de escape sin pasar por la turbina, lo que reduce la velocidad de giro de esta y, por tanto, limita la presión de soplado del compresor. El accionamiento de esta válvula puede ser de tipo neumático (el más común) o, en sistemas más avanzados, electrónico.

Temperaturas de Funcionamiento de un Turbocompresor

Un turbocompresor opera bajo condiciones extremas de temperatura. En la sección de la turbina, por donde circulan los gases de escape calientes, se pueden alcanzar temperaturas de 800 a 1000 grados Celsius (°C), e incluso superiores en motores de alto rendimiento o de gasolina. Mientras tanto, en la sección del compresor, que maneja el aire de admisión, la temperatura del aire comprimido puede alcanzar como máximo unos 80 °C a 180 °C antes de pasar por el intercooler (si lo equipa), dependiendo de la relación de presión y la eficiencia del compresor.