¿Cómo funciona el turbocompresor de un coche?

Lo que solemos llamar turbocompresor es en realidad un compresor de aire, que aumenta la entrada de aire del motor comprimiendo aire. En términos generales, el turbocompresor utiliza el impulso inercial de los gases de escape descargados por el motor para impulsar la turbina en la cámara de la turbina. La turbina impulsa el impulsor coaxial para presurizar el aire enviado desde el tubo del filtro de aire al cilindro. Cuando aumenta la velocidad del motor, la velocidad de descarga de los gases de escape aumenta simultáneamente con la velocidad de la turbina y el impulsor comprime más aire en el cilindro. A medida que aumentan la presión y la densidad del aire, se puede quemar más combustible. Al aumentar la cantidad de combustible y ajustar la velocidad del motor en consecuencia, se puede aumentar la potencia del motor. Quizás pienses que el dispositivo turbocompresor es complicado, pero no lo es. El dispositivo turbocompresor consta principalmente de una cámara de turbina y un sobrealimentador. Primero, la entrada de aire de la cámara de la turbina está conectada al colector de escape del motor y el puerto de escape está conectado al tubo de escape. Luego, la entrada de aire del sobrealimentador se conecta a la línea del filtro de aire y la salida de aire se conecta al colector de admisión. Finalmente, la turbina y el impulsor están instalados en la cámara de la turbina y el sobrealimentador respectivamente, y están conectados rígidamente de forma coaxial. Se completa un dispositivo de turbocompresor integrado de este tipo y su motor se "overclockea" como la CPU de una computadora. El turbocompresor común se puede dividir en cuatro tipos: sistema de turbocompresor mecánico, sistema de turbocompresor de ondas de aire, sistema de turbocompresor de gases de escape y sistema de turbocompresor compuesto. Desde la invención del motor de combustión interna, los ingenieros automovilísticos, los conductores de velocidad y los diseñadores de coches de carreras han estado buscando formas de aumentar la potencia. Una forma es construir motores más grandes. Sin embargo, los motores grandes no siempre son deseables. Cuanto más grande es el motor, más pesado es y más caro es su montaje y mantenimiento. Otro enfoque consiste en aumentar la eficiencia de los motores convencionales. Esto se logra forzando la entrada de más aire a la cámara de combustión. Más aire significa que se puede inyectar más combustible, y más combustible significa más potencia explosiva y caballos de fuerza. Instalar un sobrealimentador es una excelente manera de lograr la inducción forzada. En este artículo, explicaré los conceptos, principios de funcionamiento y diferencias entre sobrealimentadores y turbocompresores.

Conocimientos básicos de los sobrealimentadores

Un sobrealimentador es un dispositivo que presuriza el aire inhalado a una presión superior a la normal. Esto es válido tanto para los sobrealimentadores como para los turbocompresores. De hecho, la palabra "turbocompresor" es la abreviatura de su nombre oficial "turbocompresor".

La diferencia entre estos dos dispositivos es la fuente de energía. El turbocompresor impulsa la turbina con la ayuda de un enorme flujo de aire de escape. El sobrealimentador es accionado por el cigüeñal del motor a través de una correa o cadena.

Los motores normales de cuatro tiempos tienen un tiempo dedicado a la entrada de aire. Este proceso consta de tres pasos:

1. El pistón se mueve hacia abajo.

2. Crea un estado de vacío.

3. El aire es aspirado hacia la cámara de combustión mediante la presión atmosférica.

Cuando el aire ingresa al motor, se mezcla con el combustible para formar una mezcla de aceite y aire. Esta mezcla se puede convertir en energía cinética mediante la reacción química de combustión. La bujía provoca esta reacción química al encender una mezcla de aire y combustible. Cuando se oxida el combustible, se libera una gran cantidad de energía. La fuerza generada por este proceso se concentra en la culata, que empuja el pistón, lo que hace que éste se mueva alternativamente. Finalmente, esta potencia se transmite a las ruedas.

Inyectar más combustible en la cámara de combustión producirá una explosión de combustión más potente. Pero no se puede simplemente agregar combustible al motor porque quemar combustible requiere una cantidad estricta de oxígeno. La relación aire-combustible producida por esta reacción química debe controlarse en 14:1, lo cual es muy importante para el funcionamiento eficaz del motor. Entonces la cuestión es: si quieres inyectar más combustible, tienes que aspirar más aire.

Esto es lo que hace un sobrealimentador. Un sobrealimentador aspira más aire comprimiéndolo a una presión atmosférica superior a la normal, en lugar de crear un vacío. Esto puede forzar la entrada de más aire al motor, provocando un "impulso". Cuando el motor está sobrealimentado, aspirará más aire, inyectando así más combustible en la cámara de combustión, y la potencia del motor también aumentará. El sobrealimentador suma una media de 46 caballos de fuerza y ​​365.438 kW de torque. A mayores altitudes, el rendimiento del motor disminuirá porque la densidad y la presión del aire son menores. El sobrealimentador solo puede garantizar el funcionamiento óptimo del motor proporcionando aire con mayor presión al motor.

Un turbocompresor utiliza los gases de escape producidos por la combustión para alimentar el compresor. A diferencia de un sobrealimentador, un sobrealimentador obtiene su energía directamente del cigüeñal. La mayoría de los sobrealimentadores son impulsados ​​por una correa de transmisión adjunta que se enrolla alrededor de una polea que está conectada a un engranaje impulsor. Al mismo tiempo, el engranaje impulsor hace girar el engranaje del compresor. El rotor del compresor puede tener muchos diseños, pero su trabajo es aspirar aire, forzarlo a entrar en un espacio más pequeño e inyectarlo en el colector de admisión.

Para comprimir el aire, el sobrealimentador debe girar rápidamente, incluso más rápido que el propio motor. Si el engranaje impulsor es más grande que el engranaje del compresor, el compresor puede girar más rápido. La velocidad del sobrealimentador puede llegar a 50.000-65.000 rpm.

Un compresor de 50.000 rpm puede producir una presión de aproximadamente 41-62 kPa. A cierta altitud, esto producirá una presión de 41 a 62 kPa por encima de la presión atmosférica. La presión atmosférica al nivel del mar es de 1.012,8 hPa, por lo que el sobrealimentador introducirá aproximadamente un 50% más de aire en el motor.

El aire se calienta más cuando se comprime, lo que significa que se vuelve menos denso y se expande menos durante una explosión. Esto no producirá suficiente energía después de que la bujía encienda la mezcla. Para que un sobrealimentador sea lo más eficiente posible, el aire comprimido que sale del escape debe enfriarse antes de ingresar al colector de admisión. La aparición de intercoolers soluciona este problema. Hay dos diseños básicos de intercoolers: enfriados por aire y enfriados por agua. Funcionan como un radiador, con aire más frío o agua fluyendo a través de las tuberías para eliminar el calor. Cuando el aire caliente sale del sobrealimentador y encuentra conductos más fríos, se enfría. A medida que la temperatura del aire disminuye, su densidad aumenta, lo que permite que una mezcla más densa ingrese a la cámara de combustión.

Ventajas y desventajas de los supercargadores

El mayor beneficio de un supercargador es que puede aumentar la potencia del coche. Agregar un sobrealimentador a un automóvil o camión normal lo hará sentir tan dinámico como un automóvil con un motor de alta potencia.

Pero ¿cómo elegir un sobrealimentador y un turbocompresor? Los ingenieros y aficionados a la automoción han debatido acaloradamente este tema, pero en general, los sobrealimentadores tienen ciertas ventajas sobre los turbocompresores.

Los sobrealimentadores no tienen retraso de impulso: el tiempo desde que el conductor presiona el acelerador hasta que el motor responde. Los turbocompresores tienen un retraso de impulso porque los gases de escape tardan un poco en alcanzar una cierta velocidad para acelerar el impulsor/turbina. Los sobrealimentadores no tienen retraso porque obtienen su energía directamente del cigüeñal. Algunos supercargadores son más eficientes a bajas velocidades, mientras que otros son más eficientes a altas velocidades.

La instalación de un turbocompresor requiere ajustes importantes en el sistema de escape, pero un sobrealimentador solo necesita estar sujeto a la parte superior o lateral del motor. Por lo tanto, el sobrealimentador es más cómodo de instalar y más fácil de usar y mantener.

Por último, no es necesario apagar el sobrealimentador cuando deja de funcionar. Como no requieren lubricación con aceite, pueden cerrarse normalmente. El turbocompresor debe esperar 30 segundos o apagarse antes para permitir que el aceite lubricante se enfríe. En otras palabras, el precalentamiento es muy importante para un sobrealimentador, que tiene la mayor eficiencia a temperatura ambiente.

Los sobrealimentadores se utilizan ampliamente en los motores de combustión interna de los aviones. Si imaginas un avión volando a gran altura durante mucho tiempo (cuando no hay suficiente oxígeno para quemar), pensarás que el sobrealimentador debe estar funcionando. Con la ayuda de un sobrealimentador, los aviones pueden volar más alto sin reducir el rendimiento del motor.

El sobrealimentador utilizado en los motores de los aviones es el mismo que el utilizado en los automóviles. Obtienen su energía directamente del motor y utilizan un compresor para enviar aire comprimido a la cámara de combustión.

Los supercargadores se utilizaron por primera vez en aviones al final de la Segunda Guerra Mundial. El ejemplo más famoso es el Supermarine Spitfire, un avión utilizado por la Royal Air Force con un sobrealimentador instalado en un motor Rolls-Royce Molin.

La mayor desventaja de un sobrealimentador es que debe perder algunos caballos de fuerza del motor porque es impulsado por el cigüeñal. Esta es también una de las características de un sobrealimentador, que absorbe el 20% de la potencia de un motor. Sin embargo, dado que el sobrealimentador puede aumentar la potencia del 46, la mayoría de la gente piensa que el trato vale la pena.

Debido a que la sobrealimentación aumenta la carga sobre el motor, el motor debe reforzarse para soportar la presión adicional y la potencia explosiva más fuerte. Al diseñar motores con sobrealimentadores, la mayoría de los fabricantes utilizan deliberadamente componentes de alta resistencia para prolongar la vida útil del motor. También aumenta el precio del coche. Los costos de mantenimiento del sobrealimentador también son elevados y muchos fabricantes recomiendan utilizar gasolina de alta calidad.

A pesar de estos inconvenientes, los sobrealimentadores siguen siendo la forma más rentable de aumentar la potencia. Un sobrealimentador puede aumentar la potencia entre un 50 y un 100, lo que hace que el automóvil sea más adecuado para carreras, transporte pesado o simplemente para aumentar la emoción de conducir.