Manual Supercargador Sobrealimentador Funcionamiento Tipos Turbo Turbocompresor 2y162j

SUPERCARGADOR o SOBREALIMENTADOR

Definición: El supercargador, también conocido como sobrealimentador, es el nombre con el que se denomina al compresor instalado a un motor de combustión con el objetivo de generar una sobrealimentación para aumentar su potencia específica.

También se le llama Sobrecompresor cuando se instalan varios de ellos en serie, con varias etapas, o por encima del sistema de carburación, para que el ciclo se cumpla con un aire más denso y rico en oxígeno que a presión atmosférica.

Su funcionamiento consta básicamente en introducir aire a presión dentro del motor utilizando la fuerza del mismo, (utilizando el cigüeñal para la transmisión de potencia) para que el aire entre a los pistones y exista una mezcla de oxigeno y combustible más rica y el pistón pueda trabajar más rápido.

HISTORIA DEL SUPERCARGADOR: 

En 1860 los hermanos Philander y Francis Marion Roots, fundadores de Roots Blower Company de Connersville, Indiana, patentaron el diseño de un motor de aire, para el uso en hornos y otras aplicaciones industriales.

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El primer motor de sobrealimentación del mundo puesto a prueba, totalmente funcional, fue hecho por Dugald Clerk, utilizado en el primer motor a dos tiempos en 1878.

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Gottlieb

Daimler

recibió

la

patente

en

Alemania

para

motores

con

sobrealimentación con combustión interna en el año 1885. 

Louis Renault patentó un compresor centrífugo en Francia en 1902.

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Un gran auto de carreras fue construido por Lee Chadwick de Pottstown, Pennsylvania en 1908 que, al parecer, alcanzó una velocidad máxima de 100mph (160km/h) utilizando el sistema de sobrealimentación.

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El primer carro producido en serie con supercargadores fue el Mercedes 6/25/40 hp y el Mercedes 10/40/65 hp. Ambos modelos fueron introducidos en el año

1921. Eran distinguidos como modelos "Kompressor", el cual fue el origen de dicha línea que continúa hoy en día 

En el año 1878, Heinrich Krigar de obtuvo la patente del primer compresor tipo tornillo. Más tarde ese mismo año, obtuvo la patente de su mismo diseño mejorado, en el que igualó la geometría de ambos componentes giratorios del supercargador (aunque la tecnología del momento no permitía la construcción de estas piezas).

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En 1935, Alf Lysholm patentó un diseño con 5 hembras y 4 machos rotores. También patentó el método para mecanizar los rotores del compresor.

FUNCIONAMIENTO DEL TURBOCOMPRESOR:

El Supercargador no funciona aprovechando el impulso de los gases de escape (como el turbocompresor) sino que va directamente impulsado por las bandas o correas del motor, tal y como lo hace un alternador, una bomba de agua o un compresor para el A/A (Aire Acondicionado). Cierta potencia del motor es consumida pero la ganancia obtenida es mucho mayor a esta pérdida.

El supercargador tiene variantes y estilos distintos para cada tipo, pero las partes más comunes y destacables que se encuentran en todos: 

La Polea o Engrane de Mado, que es donde va la correa que va hacia el cigüeñal.

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Dos Rotores con Lobulos o Dientes, por lo regular 2 ó 3 dientes cada uno.

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Carcasa o Cubierta, que es donde se encuentran los Rotores.

Regulación de la presión exceso: Para prevenir los incrementos de presión peligrosos en la isión, una válvula controlada por la computadora del motor se abre, permitiendo que el aire recircule de nuevo hacia el lado de isión del supercargador. Esta válvula también regula el nivel de refuerzo según las condiciones de funcionamiento del motor.

TIPOS DE SUPERCARGADORES:

A) Supercargadores tipo Roots: Hay

varios

tipos

de

diseños

de

supercargadores, pero el más común es la variedad Rootes. En este diseño la potencia del motor activa un eje que atraviesa toda la longitud de la cubierta del supercargador. Este eje se acopla a través de engranajes a un segundo eje, paralelo a él, también dentro de la cubierta. Ambos ejes tienen rotores con lóbulos que son los que se acoplan entre sí, como un engranaje muy grueso del tipo de 2 o 3 dientes. Los rotores dan vuelta de manera que los lóbulos se separen justo en la isión de la cubierta, absorbiendo aire dentro de la misma. A medida que los rotores giran y sus lóbulos se separan uno de otro, cada uno lleva al interior de la cubierta el aire fresco atrapado en sus lóbulos. Cuando los lóbulos se vuelven a encontrar en el escape de la cubierta, los lóbulos mezcladores de los rotores obligan el aire a fluir dentro del múltiple de isión (Ver imagen de arriba).

El girar constante de los rotores trae más aire dentro del motor del que éste puede consumir, lo que ocasiona que la acumulación de aire ejerza presión sobre el múltiple. Cuando las válvulas individuales de isión de los cilindros se abren, el aire a presión es forzado dentro de los cilindros.

En pocas palabras, un supercargador tipo Roots: 

Es un impulsor no un compresor.

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Provee mucho torque y caballaje instantáneo en bajas y medias revoluciones.

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Es ideal para uso de calle y uso diario.

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Es el sistema más usado en autos de fábrica.

B) Supercargadores de Doble Tornillo: Los supercargadores de Doble Tornillo son parecidos a los Roots ya que también extraen el aire a través de un par de lóbulos de mallado que se asemejan a un conjunto de engranajes de tornillo sinfín. El aire dentro del supercargador está atrapado en bolsillos creados por los lóbulos del rotor, pero en este método el aire se comprime dentro de la carcasa del rotor. Esto se debe a que los rotores tienen un ahusamiento cónico, es decir, con una disminución gradual en el diámetro desde un extremo al otro (En un diagrama de taller, un ahusamiento forma un triángulo rectángulo), lo que significa que las bolsas de aire disminuyen de tamaño, debido a que el aire se mueve desde el lado de relleno hacia el lado de descarga; por eso el aire se comprime en un espacio más pequeño. En pocas palabras, un supercargador de Doble Tornillo: 

Es de desplazamiento positivo.

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Es un compresor.

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Es ideal para bajas, medias y altas revoluciones.

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Es más eficiente que el Roots.

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Muchos Ford Cobra de alto rendimiento lo usan

C) Supercargadores tipo Procargador: El procargador o compresor centrifugo es un tipo de supercargador que difiere en la forma en que mueven el aire hacia el colector de isión y su posición en el motor. Es como un turbocompresor, sólo que funciona acoplado al cigüeñal mediante una banda

como un supercargador. A velocidades muy altas (altas rpm), extrae rápidamente el aire hacia una carcasa de un compresor pequeño, el impulsor del compresor puede alcanzar velocidades muy altas (entre 50,000 rpm y 70,000 rpm aproximadamente). A medida que el aire es aspirado en el cubo del impulsor, la fuerza centrífuga hace que se irradie hacia afuera (área de compresión por reducción de caudal) o en su defecto entre a un difusor el cual tiene un conjunto de paletas estacionarias que rodean al impulsor convirtiendo la alta velocidad y baja presión de aire en baja velocidad y alta presión de aire e incorporando este aire comprimido al cuerpo de isión del motor. En pocas palabras, un supercargador tipo Procargador: 

Es excelente para altas revoluciones

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Son eficientes y seguros ganadores en carreras de aceleración continua.

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Se asemejan mucho a los turbocompresores.

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Conforme aumenta la velocidad del motor (rpm), la presión del

procargador aumenta al cuadrado de las RPMs y, si estás acelerando y desacelerando continuamente, de igual forma la presión disminuye al cuadrado de las revoluciones.

VENTAJAS DEL SUPERCARGADOR: 

Respuesta inmediata debido a que está directamente conectado a las poleas del motor. Esta respuesta es ideal para competencia.

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No se calienta tanto como el turbo por lo que el funcionamiento es más confiable.

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No requiere de mucho de mantenimiento.

DESVENTAJAS DEL TURBOCOMPRESOR: 

Al ser impulsado por las poleas del motor consume más potencia tal y como lo hace el compresor de A/A (aire acondicionado).

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Alto costo (muchas veces viene junto con el múltiple de isión).

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Capacidad de presurización menor a la de un Turbocompresor equivalente.

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Diseño más complejo y por lo tanto es pesado.

TURBO o TURBOCOMPRESOR

Definición: El turbo o técnicamente conocido como turbocompresor

es

un

sistema

de

sobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar mediante un eje coaxial a ella, un compresor centrífugo para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores diesel.

HISTORIA DEL TURBO:

La historia de la turboalimentación es casi tan antigua como la del motor de combustión interna. Ya a finales del siglo XIX, Gottlieb Daimler y Rudolf Diesel investigaron incrementar la potencia y reducir el consumo de combustible de sus motores mediante la precompresión del aire de combustión. En 1925, el ingeniero suizo Alfred Büchi fuel el primero en lograr la turboalimentación por gases de escape, obteniendo un aumento de potencia superior al 40%, marcando así el inicio de la introducción de turboalimentación en la industria automovilística.

Las primeras aplicaciones del turbocompresor se limitaban a motores enormes, como los motores marinos. En la industria de motores para automóviles, la turboalimentación empezó aplicándose a motores de camiones en el año 1938, gracias a la sociedad "Swiss Machine Works Saurer ".

El Chevrolet Corvair Monza y el Oldsmobile Jetfire fueron los dos primeros turismos dotados de turbocompresor, e hicieron su debut en el mercado estadounidense en 1962. A pesar del gran gasto técnico, su escasa fiabilidad hizo que desaparecieran pronto del mercado.

Tras la primera crisis del petróleo en 1973 hasta la fecha de hoy, ha aumentado enormemente el número de motores de camión dotados de turbocompresor hasta el punto en el que todos los motores de camiones actuales cuetnan con el sistema de turbocompresión.

En los años 70 fue la introducción del turbocompresor en el deporte del motor, sobretodo en las carreras de Formula I. Pero, el gran descubrimiento en turboalimentación para turismos llegó en 1978 con la introducción del primer motor turbodiesel para turismos en el Mercedes-Benz 300 SD, seguido del VW Golf Turbodiesel en 1981. Gracias al turbocompresor, se podía incrementar la eficiencia del coche con motor diesel, manteniendo prácticamente la misma “manejabilidad” que un motor de gasolina y con una reducción significativa de las emisiones de C)2 al ambiente.

ELEMENTOS DE UN TURBOCOMPRESOR:

Los

elementos

principales

que

forman un turbo son el eje común (3) que tiene en sus extremos los rodetes de la turbina (2) y el compresor (1). Este conjunto gira sobre los cojinetes de apoyo, los

cuales

trabajan

en

condiciones

extremas y dependen necesariamente de un circuito de engrase que los lubrica.

Por otra parte el turbo sufre una constante aceleración a medida que el motor sube de revoluciones y como no hay límite alguno en el giro de la turbina empujada por los gases de escape, la presión que alcanza el aire en el colector de isión sometido a la acción del compresor puede ser tal que sea más un inconveniente que una ventaja a la hora de sobrealimentar el motor. Por lo tanto se hace necesario el uso de un elemento que nos limite la presión en el colector de isión. Este elemento se llama válvula de descarga o válvula waste gate (4).

FUNCIONAMIENTO DEL TURBO:

En los motores sobrealimentados con turbo, el turbocompresor consiste en una turbina accionada por los gases de escape del motor de explosión, en cuyo eje se fija un compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión.

Los radialmente

gases en

de la

escape turbina,

inciden saliendo

axialmente, después de ceder gran parte de su energía interna (mecánica + térmica) a la misma.

El aire entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, con el efecto secundario negativo de un aumento de la temperatura más o menos considerable. Este efecto se contrarresta en gran medida con el intercooler o intercambiador.

Entrada de oxígeno (masa) al motor: El aumento de la presión consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad de oxígeno que el normalmente inyectado a

presión atmosférica, obteniéndose más torque en el motor en cada carrera útil (carrera de expansión), por lo tanto más potencia que un motor atmosférico de cilindrada equivalente, y con un incremento de consumo proporcional al aumento de masa de aire en el motor de gasolina. En los motores diesel la masa de aire (oxígeno) no es proporcional al caudal de combustible porque siempre entra aire en exceso al carecer de mariposa, por ello es en este tipo de motores en donde se ha encontrado su máxima aplicación (motor turbodiésel).

Rangos de presión en los turbocompresores: Los turbocompresores más pequeños y de presión de soplado más baja ejercen una presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi), mientras que los más grandes alcanzan los 1,5 bar (21,75 psi). En motores de competencia se llega a presiones de 3 y 8 bares dependiendo de si el motor es gasolina o diésel.

Uso eficiente de la energía: Como la energía utilizada para comprimir el aire de isión proviene de los gases de escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al motor cuando el turbocompresor está trabajando.

Overboost: Se le conoce como Overboost al período durante el cual el sistema produce una sobrepresión de alimentación que supera los valores de máximas prestaciones durante un corto instante de tiempo (no mayor a medio minuto), lo que genera un mayor par para el motor. Este proceso tiene como objetivo ayudar al adelantamiento donde se demande la máxima potencia.

El Overboost se consigue manteniendo la presión del turbo elevada, actuando mediante la centralita de inyección en su válvula de tarado, elevando la presión entre 0.2 y 0.4 bares. De esta modo no se fuerza continuamente la mecánica y se puede conseguir momentáneamente una mayor potencia instantánea.

Lubricación del turbo: El aceite del motor es la fuente de lubricación del los cojinetes del rodete, por lo que es recomendable, esperar un tiempo prudencial (sobre medio minuto) cuando se arranque el motor antes de someter a carga el mismo. Este tiempo será el preciso para que todo el sistema se encuentre cebado de aceite. Aunque el proceso de sinterización de los cojinetes les permite mantener una reserva interna de

aceite para los momentos en que gira sin lubricación forzada, no es recomendable, acelerar el motor hasta garantizar su total y correcta lubricación.

Evidentemente al tener que refrigerar un motor con puntos mas calientes (zona del turbo), obliga a una mejor calidad en el aceite, para soportar los mayores esfuerzos y, a su vez, la mayor untuosidad de los aceites. Los sintéticos ayudan al funcionamiento del turbo en los momentos donde la lubricación forzada no se ha establecido completamente.

Fuerza a altas revoluciones vs. rápida respuesta: El turbo no funciona de igual manera en todos los motores debido a los distintos regímenes. A bajas revoluciones, el turbocargador no ejerce presión porque la escasa cantidad de gases no empuja con suficiente fuerza. Un turbocompresor más pequeño evita la demora en la respuesta, pero ejerce menos fuerza a altas revoluciones. Distintos fabricantes de motores han diseñado soluciones a este problema. Para atacar este fenómeno existen los siguientes sistemas: 

Biturbo: sistema con dos turbocargadores de distintos tamaños. A bajas revoluciones funciona sólo el pequeño, debido a su respuesta más rápida y, el grande funciona únicamente a altas revoluciones, ya que ejerce mayor presión.

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Biturbo en paralelo o twin turbo: sistema con dos turbocargadores pequeños de idéntico tamaño. Al ser más pequeños como si fuera un turbocargador único, tienen una menor inercia rotacional, por lo que empiezan a generar presión a revoluciones más bajas y se disminuye la demora de respuesta.

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Turbocargador asimétrico: consiste en poner un solo turbocargador pequeño en una bancada dejando la otra libre. La idea no es conseguir una gran potencia, sino que la respuesta sea rápida.

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Biturbo secuencial: consta de dos turbocargadores idénticos. Cuando hay poco volumen de gases de escape se envía todo este volumen a un turbocompresor, y cuando este volumen aumenta, se reparte entre los dos turbocargadores para lograr una mayor potencia y un menor tiempo de respuesta.

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Turbocargador de geometría variable (VTG): consiste en un turbocompresor que tiene un mecanismo de aletas llamadas álabes móviles que se abren y cierran haciendo variar la velocidad de los gases de escape al entrar en la

turbina. A menor caudal de gases de escape (bajas revoluciones) se cierra el paso entre los álabes provocando que los gases aumenten la velocidad al entrar en la turbina; a mayor caudal (altas revoluciones) necesitamos más paso y estos se abren. Esto nos permite tener una presión de trabajo muy lineal en todo el régimen de trabajo del turbocargador. En motores diésel es muy común pero en motores de gasolina sólo Porsche ha desarrollado un turbo que soporta más de 1000 °C en el modelo Porsche 911 turbo.

VENTAJAS DEL TURBOCOMPRESOR: 

Permite aumentar la potencia de un motor, sin la necesidad de hacer mayores cambios.

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Contribuye al rescate de la energía, ya que usa como medio propulsor los gases de escape del motor.

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Añade poco volumen y peso al motor, lo que permite encajarlo a un vehículo sin modificaciones externas.

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Debido a que depende de la presión entre los gases de escape y el medio ambiente se auto-ajusta a cualquier altitud sobre el nivel del mar.

DESVENTAJAS DEL TURBOCOMPRESOR: 

Mala capacidad de respuesta en bajas cargas por el poco volumen de gases.

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Retraso en su actuación por la inercia de la masa móvil y su aceleración mediante gases.

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Alta temperatura de funcionamiento al accionarse con gases de escape.

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Mayores cuidados de uso y mantenimiento.

TURBOCARGADORES vs. SUPERCARGADORES

Lo más importante para los supercargadores y los turbocargadores es mantener el aire que entra al motor a un temperatura fresca; para ello, comprimen el aire utilizando un radiador (llamado también intercooler o intercambiador) entre la bomba y el motor para reducir la temperatura de entrada del aire.

A diferencia de los turbocargadores, los supercargadores no son alimentados por los gases de escape sino que utilizan un sistema mecánico directo del motor, lo que lo hace menos eficiente. Correas, cadenas y engranajes son usualmente los métodos utilizados para alimentar el supercargador. Por lo tanto, el sistema del motor debe sobrepasar la potencia de salida del motor más la potencia que requiera el supercargador para funcionar.

Otra desventaja del supercargador es la baja eficiencia adiabática en comparación a los turbocargadores, es decir, que tiene baja capacidad para comprimir el aire sin añadirle excesos de calor al mismo.