Cómo funciona un sobrealimentador centrífugo mecánico

El par y la potencia máximos generados por un motor de combustión interna dependen, entre otros factores, de la cantidad de combustible que se puede quemar en los cilindros. Cuanto mayor sea la cantidad de combustible quemado, mayor será la presión del cilindro y mayor será el par motor (potencia). La cantidad de combustible que se puede quemar dentro del motor está limitada por la cantidad de aire (oxígeno) disponible para la combustión. Esto significa que, aunque inyectemos una gran cantidad de combustible al motor, sin la cantidad adecuada de aire (oxígeno), el combustible quedará sin quemar y el motor perderá rendimiento y tendrá mayores emisiones de gases de escape.

En un motor de combustión interna de aspiración natural, también llamado motor atmosférico, el aire ingresa a los cilindros mediante succión, cuando el pistón se mueve hacia el punto muerto inferior (BDC) y crea volumen en los cilindros. En este caso, el caudal másico de aire depende de la estrangulación del colector de admisión y la presión del aire es siempre inferior a la presión atmosférica (1 bar/atm).

Para un tamaño de motor fijo (desplazamiento), al comprimir el aire de admisión a una densidad más alta que el aire atmosférico, antes de ingresar a los cilindros, aumentaremos la salida de torque (potencia) del motor. Este es el objetivo principal de una motor sobrealimentado. Por lo tanto, un motor sobrealimentado es un motor de combustión interna que utiliza aire comprimido antes de la entrada del cilindrocon el fin de aumentar el par y la potencia de salida.

Al comprimir el aire aspirado, su densidad aumenta, lo que significa que, para el mismo volumen, hay más moléculas de oxígeno disponibles para la combustión. Esto significa que se puede inyectar más combustible y, por tanto, obtener una mayor presión de combustión, lo que se traduce en un mayor par y potencia del motor.

Imagen: Aumento del par del motor debido a la sobrealimentación

Existen varios métodos para comprimir el aire de admisión de un motor:

• turbocompresor de gases de escape
• sobrealimentación mecánica
• sobrealimentación por onda de presión

La turboalimentación se explica detalladamente en los siguientes artículos:

En sobrealimentadores accionados mecánicamente, el compresor es accionado directamente por el motor. Esto significa que el compresor está conectado mecánicamente al cigüeñal, a través de un engranaje o correa, y toma energía del motor para comprimir el aire de admisión.

Dependiendo del método de compresión del aire, los sobrealimentadores de accionamiento mecánico se dividen en dos categorías principales:

• sobrealimentadores centrífugos
• supercargadores de desplazamiento positivo

En este artículo nos vamos a centrar en sobrealimentadores centrífugos accionados mecánicamente.

El sobrealimentador centrífugo mecánico utiliza el principio de flujo y el principio de impulso para comprimir el aire de admisión. Básicamente consta de una rueda de compresor (impulsor) que está montada sobre un eje y accionada por el motor a través de un juego de engranajes o una transmisión por correa.

Imagen: Esquema de sobrealimentación centrífuga mecánica
Crédito: [5]

El aire atmosférico es aspirado por el impulsor (compresor) a través del filtro y comprimido a una presión más alta. Antes de entrar al motor (cilindros), el aire de admisión se enfría para aumentar aún más su densidad. El aire frío y denso significa que se puede inyectar más combustible en el motor, lo que genera más torque (potencia) en el cigüeñal. La presión de sobrealimentación depende de la velocidad del motor; cuanto mayor sea la velocidad del impulsor (motor), mayor será la presión del aire comprimido.

Dado que la potencia que requiere el compresor para girar se toma directamente del motor y no de los gases de escape, como en el caso del turbocompresor, la desventaja es que el sobrealimentador aumenta la cargas parásitas en el motor. La ventaja es que no hay transferencia de temperatura de los gases de escape al aire comprimido, lo que se traduce en una mayor densidad del aire de admisión, en comparación con el turbocompresor.

Imagen: Principio de funcionamiento del sobrealimentador centrífugo
Crédito: ProCharger

El engranaje impulsor más simple para un sobrealimentador centrífugo es mediante una correa conectada al cigüeñal a través de dos poleas. Sin embargo, este método simple y eficiente limita el funcionamiento del sobrealimentador, ya que la presión de salida está directamente relacionada con la velocidad del motor. También hay conceptos más avanzados, como los sobrealimentadores Torotrak V-charge CVT, que utilizan variadores toroidales completos para controlar la velocidad del impulsor, independientemente de la velocidad del motor. Este método proporciona un mejor control de la función de presión de sobrealimentación del punto de funcionamiento del motor (velocidad y par).

Otra ventaja del sobrealimentador, en comparación con los turbocompresores, es que la masa de aire de admisión aumenta aproximadamente en proporción directa al régimen del motor y, por tanto, a la necesidad de aire del motor. En el caso de los sobrealimentadores, dado que su rango de operación no está limitado por el aumento del compresor (como en el caso del turbocompresor), es posible un área de operación del compresor mucho más amplia. Además, al tener una conexión mecánica directa con el motor, la respuesta a una demanda repentina de presión del aire de admisión es mucho más rápida.

Imagen: motor Ford Mustang con sobrealimentador centrífugo
Crédito: ProCharger

1. filtro de aire
2. sobrealimentador centrífugo
3. intercooler
4. polea del cigüeñal
5. colector de admisión

Dado que el compresor del sobrealimentador mecánico funciona según el principio de flujo, su eficiencia general es alta y también tiene la mejor relación entre dimensiones y flujo volumétrico, en comparación con otros sobrealimentadores accionados mecánicamente.

Un sobrealimentador accionado mecánicamente puede funcionar a velocidades de hasta 100.000 rpm o más. Esto hace que, al estar impulsado directamente por el motor, necesite desmultiplicaciones bastante importantes. La primera conversión de velocidad se realiza en las poleas (si son accionadas por correa), con una relación de velocidad de alrededor de 2:1. La segunda conversión de velocidad se realiza internamente en la carcasa del compresor, a través de un juego de engranajes simples fijos o un juego de rodillos (engranajes) planetarios. La relación de transmisión interna puede llegar hasta 15:1. Esto da una conversión de velocidad general de alrededor de 30:1, lo que, para una velocidad del motor de 2000 rpm, se traduce en una velocidad del impulsor de 60000 rpm.

El rendimiento del sobrealimentador se mide en función de su Impulso de presión. Un aumento de presión de 1,2 bar significa que el sobrealimentador ha aumentado la presión del aire de admisión en 1,2 bar por encima de la presión atmosférica (1 bar). Esto significa que la presión absoluta en el colector de admisión de aire, después del compresor, es de 2,2 bar. La presión de sobrealimentación no es constante, depende de la velocidad del impulsor, cuanto más rápido gira el impulsor, mayor será la presión de sobrealimentación.

Imagen: Componentes del sobrealimentador centrífugo
Crédito: ProCharger

1. carcasa del compresor (voluta)
2. impulso
3. bomba de aceite de aireación
4. aspectos
5. polea
6. transmisión (engranaje simple de relación fija)

El sobrealimentador centrífugo contiene un impulsor que gira a alta velocidad para aspirar aire en un pequeño carcasa del compresor (voluta). Cuando el aire sale del impulsor, viaja a alta velocidad con baja presión. Este aire de baja presión y alta velocidad se envía a través de un difusor que convierte el flujo de aire para que sea de alta presión y baja velocidad. Luego, el aire ingresa al motor, donde el flujo de aire adicional (causado por el aumento de presión) le da al motor la capacidad de quemar más combustible y tener un mayor nivel de combustión. Esto da como resultado un vehículo más rápido y con mayor capacidad de respuesta debido a una mayor eficiencia del motor.

El impulso Es el principal componente giratorio del sobrealimentador y es el componente que crea el impulso de aire. El impulsor empuja aire hacia el soplador y genera la presión que se traduce directamente en presión positiva en el colector de admisión, también conocida como presión de sobrealimentación. El impulsor debe poder soportar altas temperaturas de funcionamiento y debe ser lo suficientemente duradero para funcionar continuamente a altas velocidades del motor.

El diseño en forma de caracol de la carcasa del compresor es una característica exclusiva de los sobrealimentadores centrífugos. Técnicamente conocido como colector, el propósito de esta carcasa de compresor es recolectar el flujo de aire y entregarlo a una tubería aguas abajo. Aunque las carcasas de los compresores pueden fabricarse con una amplia variedad de metales o aleaciones, normalmente están formadas o fundidas en aluminio. El aluminio se utiliza normalmente para carcasas/volutas del supercargador debido a la combinación de fuerza, peso y resistencia a la corrosión. Una vez fundida la carcasa, se mecaniza para que coincida con el diseño del impulsor. Durante el montaje del sobrealimentador, la carcasa se fija a la transmisión con pernos de fijación o abrazaderas de banda.

Situado entre el impulsor y la voluta se encuentra el difusor. Aguas abajo del impulsor en la trayectoria del flujo, es responsabilidad del difusor convertir la energía cinética (alta velocidad) del gas en presión disminuyendo (difundiendo) gradualmente la velocidad del gas.

Junto con la relación de aumento obtenida a través del sistema de transmisión (por correa), una transmisión También se requiere un aumento para obtener las velocidades del impulsor necesarias para crear el impulso deseado. Además, la transmisión contiene cojinetes para soportar los ejes que están unidos a los engranajes internos. Aspectos se utilizan en todo el sistema para ayudar a que las piezas se muevan suavemente y reducir la fricción y el desgaste. Todos los cojinetes de sobrealimentador centrífugo deben poder soportar movimientos de alta velocidad de forma constante.

Las formas más simples de transmisiones con sobrealimentador utilizan un engranaje simple conjunto o un juego de rodillos planetarios (engranajes). También hay diseños más complicados, por ejemplo los sobrealimentadores Torotrak V-charge CVT, que utilizan transmisiones toroidales para modificar la relación de transmisión global de la función de sobrealimentación del punto de funcionamiento del motor (velocidad y par).

Imagen: Sobrealimentadores centrífugos con rodillos planetarios Crédito: Rotrex	Imagen: Sistema de accionamiento giratorio con rodillos planetarios. Crédito: Rotrex
Imagen: Sobrealimentador centrífugo con transmisión de rodillos planetarios. Crédito: HKS

1. polea
2. alojamiento delantero
3. anillo de entrada
4. rodillo
5. carcasa del compresor
6. huso
7. rueda de compresor
8. carcasa trasera

El V-charge de Torotrak es un sobrealimentador centrífugo accionado mecánicamente, con una transmisión de tracción de relación variable. La transmisión toroidal, actuando como una transmisión continuamente variable (CVT), es capaz de cambiar la relación de transmisión, desde mínima (0,28) hasta máxima (2,8) en menos de 400 ms. Dispone de un sistema de accionamiento hidráulico de baja potencia, que consume menos de 20 W cuando cambia de relación.

Imagen: Sobrealimentador accionado por CVT Torotrak V-charge Crédito: Torotrak

Imagen: Relaciones y velocidades de carga V de Torotrak Crédito: Torotrak

El sobrealimentador V-charge es accionado por correa del motor, con una relación de polea de 2,5:1. Además, la salida del variador toroidal pasa por un juego de rodillos planetarios con una relación de 12,5:1. La combinación de la polea para correa, la transmisión toroidal y el juego de rodillos planetarios proporciona una relación de velocidad mínima de 8,75:1 y una relación de velocidad máxima de 87,5:1.

La lubricación adecuada es esencial para el rendimiento continuo del sobrealimentador centrífugo. La alta velocidad requerida para que el sobrealimentador genere impulso exige una lubricación adecuada para todas las piezas móviles. Existen varios métodos de lubricación utilizados en los sobrealimentadores centrífugos. Algunos diseños utilizan aceite de motor para lubricar el sobrealimentador. En sistemas cerrados (autónomos), la lubricación es aceite sintético de bajo peso diseñado específicamente para uso a alta velocidad. El aceite lubricante se distribuye por toda la transmisión a través de una bomba/deflector de aceite.

Imagen: Circuito de refrigeración del sobrealimentador
Crédito: Supercargadores de hamburguesas

1. bote de aceite
2. filtro de aceite
3. sobrealimentador centrífugo
4. enfriador de aceite

Los sobrealimentadores centrífugos utilizan una pequeña porción de la potencia del motor para impulsar el movimiento de los componentes internos del sobrealimentador. La eficiencia tiene factores tanto mecánicos (consumo de energía) como térmicos (calentamiento del aire comprimido). Una mayor eficiencia significa que el sobrealimentador consume menos energía del motor que lo impulsa y produce menos calor. Hay una cantidad sustancial de calor dentro del compartimiento del motor y algunos diseños de sobrealimentador permiten una transferencia sustancial de calor desde el motor y otros componentes al sobrealimentador. Esto, a su vez, permite que se transfiera calor adicional al aire que se comprime dentro del sobrealimentador, lo que efectivamente reduce la eficiencia.

En conclusión, resumamos los objetivos de sobrealimentación:

• para un tamaño de motor determinado (cilindrada), la sobrealimentación aumenta el par y la potencia de salida (por ejemplo, un motor de 2,0 litros de aspiración natural (NA) tiene una potencia máxima de 110 kW, mientras que un motor sobrealimentado de 2,0 litros tiene una potencia máxima de 140 kW)
• Para un motor de tamaño reducido (menor cilindrada), con menor consumo de combustible y menores emisiones de gases de escape, la sobrealimentación mantiene el mismo nivel de potencia y par del motor (por ejemplo, un motor sobrealimentado de 1,2 litros tiene el mismo par y potencia que un motor de 1,6 litros). Motor NA (atmosférico))

Normalmente, los sobrealimentadores se utilizan en motores de alto rendimiento. Para los sobrealimentadores de relación de velocidad fija, su relación de velocidad general debe coincidir adecuadamente con el mapa de flujo de aire del compresor con la velocidad utilizable del motor. Esto significa que la relación de la polea de la correa y la relación de la transmisión interna deben seleccionarse en función de la velocidad del motor y de dónde se requiere la presión de sobrealimentación máxima.

Imagen: Transmisión por correa del sobrealimentador
Crédito: ProCharger

1. sobrealimentador centrífugo
2. cinturón de goma
3. polea del cigüeñal

Las velocidades bajas dan como resultado una menor salida de aire comprimido, y la necesidad de alta velocidad para producir altos niveles de impulso es una de las desventajas del sobrealimentador centrífugo. La aceleración en ralentí produce una presión de sobrealimentación baja, como resultado de la baja velocidad del motor. Para lograr las velocidades muy altas del impulsor (por encima de 40.000 rpm) necesarias para una presión de sobrealimentación significativa, se necesita una combinación de una polea más pequeña en la transmisión por correa del sobrealimentador, en comparación con el cigüeñal.

Los sobrealimentadores centrífugos tienen una gran flexibilidad en términos de ubicación de montaje, lo que los hace populares para uso en el mercado de repuestos. Se pueden colocar antes o después del cuerpo del acelerador. Se puede usar un tubo de descarga para llevar el aire comprimido a la entrada del motor o a un intercooler, en lugar de conectarlo directamente al colector de admisión.

Los sobrealimentadores centrífugos tienen una transferencia de calor mínima, como resultado de su baja relación de compresión interna. Esta alta eficiencia térmica da como resultado una mayor ganancia de potencia, en comparación con los sobrealimentadores de desplazamiento positivo.

En comparación con los turbocompresores, los sobrealimentadores centrífugos accionados mecánicamente tienen una respuesta más rápida debido a la conexión mecánica con el cigüeñal del motor.

Recuerde que, en los motores de combustión interna con ciclo de cuatro tiempos, Los sobrealimentadores centrífugos accionados mecánicamente se utilizan para aumentar el par y la potencia de salida del motor por unidad de volumen desplazado..

Referencias