Los Fundamentos De Los Supercargadores Y Turbos

Cuchilla centrífuga sobrealimentada H2R Kawasaki

Cortesía de Kawasaki

Unsupercharged, o Los motores "atmosféricos" son aquellos cuyas entradas están abiertas a la atmósfera. Debido a que la presión atmosférica es solo de aproximadamente 14.7 psi, esto pone un límite superior a la cantidad de aire que puede soportar un cilindro de motor sin carga. Si queremos más potencia, debemos quemar más mezcla de combustible / aire por segundo. Tenemos dos opciones obvias sobre cómo hacer esto; para aumentar el desplazamiento del motor (cilindros más grandes o más) o para aumentar las rpm del motor (llenar los cilindros con mayor frecuencia).

Una opción menos obvia es forzar aire a los cilindros del motor para cargarlos por encima de la presión atmosférica utilizando una bomba de algún tipo. Esto se llama sobrealimentación porque es la carga del cilindro a una presión superior a la presión atmosférica (significa super medio). Hay muchas maneras de hacerlo, y aquí están algunos de ellos:

Soplador de raíces - Este es el tipo familiar de soplador giratorio visto encima de los motores dragster AA Fuel clásicos. Un par de lóbulos de malla giratorios barren el aire a través de una carcasa vagamente en forma de 8. Esto se llama un soplador de "desplazamiento positivo" porque cada rotación entrega un volumen de aire o mezcla geométricamente fijo. Los sopladores Roots son relativamente simples pero ineficientes porque no comprimen el aire, lo entregan a la presión atmosférica.

Una sección transversal etiquetada de un soplador Roots con rotores de 2 lóbulos. La forma del rotor es cicloidal, y en este dibujo se dibuja con precisión. De hecho, es en parte epicicloidal y en parte hipocicloidal, y en ambos casos el círculo generador más pequeño es 1/4 del diámetro del círculo en el que rueda. Los sopladores Roots encuentran uso en supercargadores y bombas de gas que necesitan un gran volumen a baja presión diferencial.

Por carga inductiva (Trabajo propio Basado en Archivo: Rotary_piston_pump.svg) [CC BY-SA 3.0], a través de Wikimedia Commons

Soplador de paletas: también es una máquina de desplazamiento positivo, pero en ella, un rotor cilíndrico con ranuras radiales, desplazado dentro de una carcasa cilíndrica, lleva paletas radiales en sus ranuras. A medida que gira el rotor de compensación, las paletas se mueven hacia adentro y hacia afuera en sus ranuras para mantener sus puntas en contacto con el interior de la carcasa. El volumen entre las paletas varía a medida que gira el rotor. Al colocar una entrada donde el volumen aumenta, y una salida donde el volumen es mínimo, el aire o la mezcla pueden introducirse en la máquina, comprimirse y enviarse al motor.

Diagrama de sección transversal de un tipo de paleta Powerplus sobrealimentador

Por Oscar W. Schey y Herman H. Ellerbrock, jr. [Dominio público], a través de Wikimedia Commons

Ventilador centrífugo: un disco de giro rápido que lleva aletas radiales en una o ambas caras está contenido en una carcasa ajustada. El aire entra en el eje central del disco, se acelera y se lanza hacia afuera por sus paletas, adquiriendo la velocidad de las puntas de las paletas radiales. Alrededor de la carcasa hay un difusor en forma de espiral, en el que se desacelera el aire de movimiento rápido (velocidades de punta de 1100 ft./seg.) Para convertir su energía cinética en presión. Los sopladores centrífugos pueden ser altamente eficientes pero su producción aumenta abruptamente con las rpm del impulsor. Esto se llama una máquina dinámica porque su presión de salida no depende de la geometría sino de la velocidad. El H2-R reciente de Kawasaki emplea un sobrealimentador centrífugo impulsado por engranajes.
Compresor de pistón: una vez común pero poco usado hoy en día para la sobrealimentación es el compresor de pistón. La empresa alemana DKW utilizó compresores de pistón en algunas de sus exitosas carreras de dos tiempos anteriores a la guerra. Los motores de dos tiempos de la era Grand Prix 1975-2001 usaban la parte inferior de sus pistones de potencia como bombas de barrido, entregando la mezcla comprimida en sus cárteres. Básicamente, imagine la mayoría de los compresores de aire que compraría para manejar su pistola de clavos o llave de impacto.
Compresor de flujo axial: el aire gana energía al pasar por 7-12 filas o etapas alternadas de matrices circulares giratorias y no giratorias de álabes. Aunque comúnmente se emplean como compresores en motores a reacción, las máquinas de flujo axial se han usado ocasionalmente como supercargadores.

Esquema de compresor axial a baja presión del turborreactor Olympus BOl.1

Por F lanker (hecho por cargador) [Public domain] , a través de Wikimedia Commons

La mayoría de estos tipos de sopladores son accionados mecánicamente por correas o engranajes, pero cuando la energía de escape se recupera pasándola a través de una turbina y el eje de la turbina lleva un soplador centrífugo, el resultado se llama turbocompresor , o simplemente un turbocompresor. Los motores que alimentan a miles de aviones de combate de la Segunda Guerra Mundial como el P-47, P-38, B-17 y B-29 fueron cargados con mayor carga para aumentar su rendimiento a gran altura, pero desde la década de 1960 también ha sido común el turbocompresor y el motores de bicicleta para aumentar su potencia para uso deportivo y de carreras.

Turbocompresor para turboalimentación en dos etapas

Cortesía de MAN Diesel & Turbo

Los turbocompresores son altamente eficientes y funcionan muy bien a velocidad constante, pero cuando deben servir motores que operan a velocidad variable, surgen problemas. Un turbocompresor del tamaño de un motor de motocicleta debe girar hasta 150,000-250,000 rpm para entregar una presión de salida alta (llamada "boost"), y dado que lleva tiempo que la turbina de escape impulse la velocidad del eje del turbo tan alto, el problema de "turbo lag" aparece. El operador del vehículo abre el acelerador, pero dado que toma tiempo girar el conjunto de la turbina / soplador, el par del motor puede tardar uno o dos segundos en aparecer. Se utilizan varios trucos para acortar el retraso del turbo, como el área variable de las boquillas de escape (como colocar el pulgar sobre el extremo de la manguera de jardín para obtener un flujo de agua de movimiento más rápido), llantas de turbina más ligeras de cerámica o el uso de dos turbinas más pequeñas en lugar de una sola más grande.

Debido a que la compresión del aire aumenta su temperatura, cualquier forma de sobrealimentación o turboalimentación puede hacer que el motor choque o la detonación sea más probable. Para reducir esta tendencia, la salida de aire o mezcla de un sobrealimentador puede pasar a través de un enfriador de aire de carga (el nombre común es "intercooler") para reducir su temperatura. Esto es fácil de proporcionar en un automóvil, pero no es tan fácil encontrar espacio para una bicicleta.

Turbocompresor para 2007 Ecotec Turbo 2.0L I-4 (LNF), David Kimble Illustration.

Foto del Sloan Automotive Laboratory , MIT

El término "impulso" se refiere a la presión sobre la atmósfera entregada por el sobrealimentador. Se puede dar en libras por pulgada cuadrada (psi) o en atmósferas (una atmósfera es 14.7 psi). El impulso bajo en el rango de 3-5 psi normalmente puede ser manejado por un motor moderno con poca o ninguna modificación, pero un impulso más alto hace que sea necesario reducir la relación de compresión del motor para evitar golpes o detonaciones en el motor. Normalmente los caballos de fuerza aumentan directamente con el impulso: un impulso de una atmósfera aproximadamente duplica la potencia.

Los fabricantes de automóviles están utilizando turbocompresores para permitir que funcionen motores más pequeños y más eficientes en combustible, así como motores más grandes sin carga, pero no está claro que esta técnica en el futuro se aplicará a los motores de motocicletas.