Profesor: Sr. Carlos Fuentes Acevedo

Guía de Mecánica Automotriz. Tema: Mantenimiento de Sobrealimentadores de Motores.

(Fuente de información; http://www.geocities.com/mcascella/sobrealim/index.html)

Objetivo:

Conocer la historia, evolución y proyección de los sistemas de sobrealimentación de los

motores de combustión interna. Conocer el funcionamiento y componentes de los “Turbo cargadores” y “Super

cargadores”. Analizar las ventajas y desventajas de cada sistema.

1. LA SOBREALIMENTACIÓN.

Los aparatos de sobrealimentación para motores de combustión elevan por compresión la cantidad de aire necesaria para la combustión del combustible, manteniendo constante la cilindrada y el número de revoluciones del motor, con lo cual facilitan una mayor densidad de potencia. Los aparatos de sobrealimentación para motores de combustión se denominan generalmente “compresores”.

Se distingue entre compresor mecánico, turbocompresor de gases de escape y

compresor de onda de presión.

La potencia de compresión necesaria en los compresores mecánicos procede del cigüeñal del motor (acoplamiento mecánico motor/compresor), también denominados “supercargador”. En los turbocompresores de gases de escape se obtiene la potencia de los gases de escape (acoplamiento fluidico, motor/compresor).

En los compresores de onda de presión la potencia procede de los gases de escape, pero mediante un aparato de transmisión mecánico además (acoplamiento mecánico y

fluidico).

2. HISTORIA.

En los primeros años del automóvil la forma de conseguir más potencia fue

relativamente sencilla: si se querían más caballos se subía la cilindrada, bien empleando pistones de mayor tamaño o bien aumentando el número de cilindros. Este tipo de solución no presentaba problemas graves en vehículos de uso normal, pero en competición pronto se demostró que no era la solución ideal.

También se aumentó la velocidad de giro de los motores, pero la fragilidad y el aumento

de peso no favorecían lo más mínimo a la hora de competir. Ante este problema surgió una tercera vía para conseguir más potencia. Si ésta, en

definitiva, dependía de la cantidad de gasolina que se quemaba dentro de los motores, si

se forzaba su entrada a los mismos se podrían conseguir más caballos sin necesidad de construirlos con cilindradas enormes o con más cilindros.

La idea de la sobrealimentación es casi centenaria y existen patentes que se remontan

al siglo XIX (años de 1800). Ya los hermanos Daimler patentaron un tipo de compresor en 1896, y el ingeniero Büchi también presentó en 1905 la primera idea de lo que podría ser un turbocompresor, la cual completó en 1910 con un sistema básicamente igual al que se utiliza hoy día. El mismo Büchi trabajó intensamente con su idea y en 1925 llegó a perfeccionarlo de tal manera que su invento aún está vigente en determinados tipos de motores diesel.

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La llegada del turbo al motor de combustión interna se produjo más tarde y su

aplicación comenzó en la competición después de que por los años sesenta se utilizase con profusión el compresor volumétrico. Los éxitos más notables en la implantación del turbo vinieron de la mano del ingeniero francés Auguste Rateau. Después, por encargo de Renault, comenzó en los años setenta, ya con los debidos medios, su aplicación a

motores de competición en la categoría de los Sport Prototipos. Así nació el Renault Alpine A-442 que sirvió de base para el motor de Fórmula 1 que debuto en 1977. A partir de ese momento, comenzó una vertiginosa carrera en la aplicación del turbo para motores de vehículos de gran serie, hasta el punto de que en la actualidad no hay fabricante de prestigio que no comercialice alguno de sus modelos dotado de turbo.

3. Evolución del Turbocompresor.

Después de la Segunda Guerra Mundial, con una economía que no permitía grandes alegrías, la mayoría de los fabricantes Europeos se olvidaron de los motores sobrealimentados. Por un lado, resultaban complicados de fabricar, por otro, no había muchas economías que pudieran permitirse su adquisición.

Pasarían bastantes años hasta que una marca volviera a lanzar al mercado un coche de serie movido con un sistema fiable de sobrealimentación. Nos referimos a BMW, que con su 2.002 Ti Turbo a principios de los 70 dio el primer paso de lo que más tarde sería una moda que llegaría a todo el mundo de automóvil y que aún se sigue empleando con éxito.

La nueva forma de sobrealimentar era mucho más sencilla y barata que la de los compresores volumétricos. Un sistema de dos turbinas unidas por un eje se encargó de que el rendimiento de los motores subiera, como por arte de magia, de un 50 a 60 por ciento, con la ventaja añadida de no exigir grandes cambios en el motor y ser un sistema muy ligero.

La idea no puede ser más simple: los gases de escape, al salir del motor, mueven una turbina. Su movimiento es trasmitido, mediante un eje, a una segunda turbina que lo que hace es aspirar aire y mandarlo comprimido a los cilindros.

Bastaron algunas pequeñas modificaciones en los colectores de escape, en el sistema de alimentación, engrase y refrigeración para conseguir potencias de unos 100 caballos por litro. Algo que ahora nos parece relativamente normal, pero que parecía imposible

conseguir, en un vehículo de calle, no hace muchos años.

Figura 1. Motor turboalimentado Una idea tan buena

rápidamente fue utilizada en competición, ya que gracias a ella se conseguían todos los objetivos de cualquier fabricante o preparador de

motores de competición. Poco peso y alto rendimiento sin

necesidad de complicar mucho el diseño del motor.

El turbocompresor no era una idea nueva, ya que se había venido utilizando hacía muchos años como sistema de sobrealimentación de motores Diesel estacionarios. En éstos al no existir cambios frecuentes en su velocidad de giro, poco importaba que el turbocompresor fuera muy pesado, pero en un motor destinado al automóvil había que conseguir que respondiera con rapidez y que fuera fiable.

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Como en otras muchas ocasiones, fue la mejora en la calidad de los materiales y de los lubricantes lo que permitió que se desarrollaran rápidamente.

El turbocompresor moderno tiene un tamaño muy pequeño, lo que permite que gire muy rápido y que tenga pocas inercias. Con esto se consigue que sobrealimente de forma progresiva y que no pase mucho tiempo entre el momento de pisar el acelerador y el de

notar cómo el motor comienza a entregar caballos de forma espectacular.

4. TURBOCOMPRESOR.

El turbocompresor podría definirse como un “aparato soplador” o compresor movido por

una turbina. Se puede considerar que está formado por tres cuerpos: el de la turbina, el de los cojinetes o central y el del compresor, van acoplados a ambos lados de los cojinetes.

Así, en uno de los lados del eje central del turbo van acoplados los álabes de la turbina, y en el otro extremo los álabes del compresor. Los gases de escape, al salir con velocidad hacen que giren los álabes de la turbina a elevadas velocidades, y ésta, a través del eje central, hace girar el compresor que, a su vez, impulsa el aire a presión hacia las cámaras de combustión.

Tanto los álabes de la turbina como los del compresor giran dentro de unas carcasas que en su interior tienen unos conductos de formas especiales para mejorar la circulación de los gases. El eje común central gira apoyado sobre cojinetes situados entre compresor y turbina, y también está recubierto por una carcasa. El eje y los cojinetes reciben del propio motor, lubricación forzada de aceite, que llega a la parte superior del cuerpo de cojinetes, se distribuye a través de conductos en el interior y desciende a la parte inferior.

En el cuerpo del compresor, el

aire entra por el centro de la carcasa dirigido directamente al rodete de álabes, que le dan un giro de 90° y lo impulsan hacia el difusor a través de un paso

estrecho que queda entre la tapa, el cuerpo central y la pared interna del difusor. Este es un pasaje circular formado en la carcasa, que hace dar una vuelta completa al

aire comprimido para que salga tangencialmente hacia el colector de admisión. Figura 2.

Figura 2. Turbocompresor en corte.

El sistema de alimentación por medio de turbocompresor, es una tecnología que

alcanzó su validez en esta década. La disipación térmica, la lubricación de los componentes móviles y la dosificación de la presión, forman la clave del buen funcionamiento.

En el cuerpo de la turbina, los gases de escape entran tangencialmente y circulan por un pasaje de sección circular que se va estrechando progresivamente y los dirige hacia el centro, donde está situado el rodete de álabes de la turbina. Al chocar contra los álabes, los gases hacen girar la turbina, cambian de dirección 90° y salen perpendicularmente por el centro hacia el tubo de escape. El cuerpo de la turbina es de fundición, o de fundición con aleación de níquel, y el rodete se suele fabricar en aleaciones de níquel, de

alta resistencia al calor. La utilización del turbo no sería posible en un motor si no se pudiera regular la

sobrepresión que en mayor o menor grado aporta, de acuerdo con su mayor o menor velocidad de giro. Es evidente que a pocas revoluciones del motor, la salida de gases es

de poca consideración y la velocidad de giro de la turbina resulta muy moderada. Pero cuando el motor aumenta su régimen de giro, la turbina recibe una mayor densidad y velocidad de los gases de escape, de modo que aumenta también su giro y con ella lo hace el compresor, que adquiere de ese modo elevados valores de sobrepresión.

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Para que el conjunto funcione correctamente, el turbo no ha de sobrepasar ciertos valores de sobrepresión, que oscilan generalmente entre los 0,4 y 0,7 bares, según el diseño, de modo que se hace necesaria una válvula de seguridad que controle la presión máxima para la que el motor ha sido diseñado. Esto se consigue por medio de la válvula de descarga, también conocida como “waste gate” (puerta de desecho), que desvía las presiones de los conductos cuando alcanzan valores superiores a los establecidos. Esta válvula está gobernada automáticamente por una cápsula manométrica que actúa en función de la presión de admisión.

Como se decía al principio, la utilización del turbo suponía muchas ventajas pero al mismo tiempo aportaba algunos inconvenientes; lo que no quiere decir que muchos de ellos no estén solucionados satisfactoriamente o que supongan un peligro real para la vida útil del motor.

La enumeración de estos

problemas simplemente quiere reflejar que un motor turboalimentado, aunque fiable, resulta más delicado que un atmosférico; es la contrapartida a las altas cotas de rendimiento y potencia que proporciona la sobrealimentación con un turbo.

Por medio del turbocompresor, se llegó a obtener una potencia

considerable de un simple motor de dos mil centímetros cúbicos de cilindrada con cuatro cilindros en línea.

Un voluminoso intercambiador de calor junto a otro radiador del lubricante, han hecho posible el control de la temperatura.

(Figura 3)

Figura 3.

A la vista de que la mezcla gasolina/aire es altamente explosiva cuando ya ha sido

preparada, y es muy sensible a las altas temperaturas y las altas presiones, la aplicación del turbo a un motor de chispa plantea problemas, precisamente porque aumenta las temperaturas y presiones. Este aumento de valores no sólo afecta a la mezcla sino también a las partes móviles del motor, por lo que debe ser preparado convenientemente en sus partes vitales. De ahí una de las razones del encarecimiento de los motores

turboalimentados respecto a los atmosféricos. Además del costo elevado de producción, hay una serie de cuestiones fundamentales a

tener en cuenta a la hora de hacer una somera descripción de las desventajas del turbo, el aumento de temperatura y los problemas de engrase.

En cuanto a la detonación (explosión de la mezcla en la cámara de combustión sin que haya chispa), cuando un motor se somete a la sobrealimentación se produce un aumento de volumen en la entrada de la mezcla cada vez que se abre la válvula de admisión debido a que existe una mayor presión en el colector. El aire entra a mayor velocidad en

el cilindro, y cuando se cierra la válvula ha entrado una mayor cantidad de mezcla. La importancia de este aumento se manifiesta en una considerable subida de los valores de temperatura y compresión, que producirá inevitablemente la detonación. Por lo tanto, un motor sobrealimentado ha de tener una relación de compresión inferior a la de un motor atmosférico, lo que se traduce en un rendimiento pobre del motor cuando el régimen de

giro es bajo. Respecto a la lentitud de respuesta del turbo, hay que tener en cuenta que la presión de

sobrealimentación alcanzada por un turbo, resulta prácticamente proporcional a su régimen de giro, es decir, a más velocidad de giro, mayor caudal y también mayor valor de sobrepresión.

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Como el régimen de giro del turbo depende de los gases de escape, y éstos a su vez, del volumen de gas quemado, el turbo aumenta su presión de admisión sólo cuando los gases quemados son abundantes, y son abundantes sólo cuando son recibidos en las cámaras de combustión en suficiente cantidad. Es un problema, cuando se produce un retardo, cuando el motor está en un régimen bajo, lo que determina una lentitud de respuesta del turbo, problema que se agrava además ante la necesidad de una baja relación de compresión por las causas antes explicadas.

Figura 4. Motor turboalimentado SAAB.

El constructor sueco Saab, ha logrado motores turboalimentados de elevada fiabilidad mecánica y buenas prestaciones (Figura 4). El propulsor que aparece en la

figura, es un claro ejemplo de avanzada tecnología, en el que el turbocompresor ha jugado un papel determinante.

Este es un fenómeno que se

está investigando y cuya solución pasa por un turbo que se mueva al compás del régimen de giro del motor, que tenga muy poca inercia y sea

de tamaño reducido; además de ser muy sensible al paso de

los gases, acelerando y desacelerando con gran rapidez.

Otra solución, que ya comienza a desarrollarse, es la creación de turbinas con álabes de inclinación variable, pero al fin y al cabo son soluciones que aún no se han implantado en serie debido a los altos costos de producción.

El problema del aumento del calor es consecuencia de la alta temperatura que se alcanza en la cámara de combustión, del orden de los 3.000 grados centígrados en el momento de la explosión. Los gases de escape salen por los colectores con temperaturas cercanas a los 1.000 grados. Estos gases, que son los que mueven la turbina, acaban

calentando los de admisión, movidos por el compresor, muy por encima del valor de temperatura ambiente. Esto se traduce en una dilatación del aire y pérdida de oxígeno en una misma unidad de volumen, lo que hace que el excesivo calor de la mezcla en la cámara de combustión eleve la temperatura de funcionamiento del motor, por lo que la refrigeración tradicional del mismo resulta insuficiente.

La solución llega con la adopción de un sistema de refrigeración del aire de admisión, por medio de un radiador enfriador aire - aire, conocido también como “intercooler”. Esta refrigeración del aire de admisión hace posible el uso continuado del turbo y dificulta enormemente la presencia de los efectos de detonación que se presentan con gran frecuencia con el aire caliente, en cuanto los valores de sobrepresión son importantes.

Sobre los problemas de engrase en los turboalimentadores, el aceite en los motores de gasolina ha de realizar una labor mucho más dura. Debido a las altas temperaturas que alcanza el turbo, el aceite ha de realizar una doble labor de engrase y refrigeración, lo que significa que está sometido a condiciones mucho más duras y extremas de lo que podría considerarse habitual en otros motores.

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Figura 5. Motor Turboalimentado Alfa Romeo 2 litros.

En este esquema que pertenece al motor Alfa Romeo 2l. turboalimentado, se puede comprobar

en todos sus detalles la instalación de la inyección electrónica. (Figura 5). Por ello, los motores turboalimentados tienen el cárter de aceite sobredimensionado, suelen llevar un

radiador de refrigeración para el aceite y se utilizan formulaciones distintas a las habituales en la composición de estos aceites. Además, los fabricantes recomiendan acortar los períodos de

cambio del aceite y seguir unas normas básicas para la puesta en marcha y apagado del motor.

4. COLOCACIÓN DEL TURBOCOMPRESOR.

Para motores alimentados con carburador, según donde se coloque el sistema de sobrealimentación se pueden distinguir dos casos:

* Carburador soplado: el carburador se sitúa entre el compresor y el colector de

admisión. De esta forma el aire que entra en el compresor es aire limpio directamente del exterior. (Figura 6)

Figura 6. Carburador Soplado.

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* Carburador aspirado: el carburador se monta antes del compresor por lo que en este caso lo que se comprime es una mezcla de aire y gasolina. (Figura 7)

Este último sistema fue el

más utilizado en las primeras aplicaciones de la sobrealimentación, por su sencillez y porque proporcionaba una mezcla de aire - gasolina de temperatura más baja que el sistema soplado.

Sin embargo actualmente se utiliza más el sistema de carburador soplado ya que

este sistema permite la utilización de un intercambiador de calor o intercooler.

Para motores diesel o motores de gasolina alimentados por inyección esta clasificación no tiene sentido ya que los inyectores de combustible se colocan siempre después del sistema de sobrealimentación.

Figura 7. Carburador Aspirado.

5. SISTEMA DE INTERCOOLER.

El sistema intercooler consiste en un intercambiador de calor en el que se introduce el aire que sale del turbocompresor para enfriarlo antes de introducirlo en los cilindros del motor. (Figura 8)

La circulación del aire en el sistema de alimentación de un motor turbo es muy

complicada. A- Aire que llega desde el filtro. B- Aire que al pasar por el turbocompresor se calienta. C- Aire refrigerado por el intercambiador de calor. D- Gases productos de la combustión que van a la turbina de escape. E- Dichos gases se expulsan por el tubo de

escape.

Figura 8. Sistema intercambiador de calor.

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Al enfriar el aire disminuye la densidad de éste por lo que para el mismo volumen de los cilindros se puede introducir mayor masa de aire y así mejorar el rendimiento del motor. (Figura 9)

Figura 9. Sistema de enfriamiento “Intercooler”

6. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL TURBO.

a) Ventajas:

Obtención de elevadas potencias a partir de cilindradas reducidas.

Reducción del consumo de combustible.

Reducción de peso y volumen del motor en comparación con motores de aspiración

atmosférica de similar potencia ya que los cilindros de estos últimos serán de mayores dimensiones.

Ruidos de funcionamiento relativamente menores que en motores de aspiración

atmosférica ya que el turbo actúa como silenciador de los gases de escape y del aire o

mezcla aire-gasolina.

b) Inconvenientes:

Potencias reducidas a bajas revoluciones. Cuando se lleva poco pisado el acelerador y por lo tanto un régimen de vueltas bajo, los gases de escape se reducen considerablemente y esto provoca que el turbo apenas trabaje. La respuesta del motor entonces es poco brillante salvo que se utilice una marcha convenientemente corta que aumente el régimen de giro.

El mantenimiento del turbo es más exigente que el de un motor atmosférico.

Los motores turbo requieren un aceite de mayor calidad y cambios de aceite más frecuentes, ya que éste se encuentra sometido a condiciones de trabajo más duras al tener que lubricar los cojinetes de la turbina y del compresor frecuentemente a muy altas temperaturas.

Los motores turboalimentados requieren mejores materiales y sistemas de lubricación y refrigeración más eficientes.

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7. COMPRESOR VOLUMÉTRICO.

Figura 10. Compresor Volumétrico.

Uno de los sistemas más antiguos de sobrealimentar motores ha sido la aplicación de compresores volumétricos,

técnica que estuvo casi en desuso a nivel

comercial durante años, hasta que a finales de la década de los 80, cobró un nuevo impulso cuando fabricantes como Lancia o Volkwagen iniciaron su

aplicación en modelos de gran serie. El objetivo de la instalación en el

automóvil de sobrealimentadores, como

los compresores volumétricos, es conseguir un mejor rendimiento del motor a base de llenar los cilindros lo más rápido y con la mayor cantidad de mezcla aire/combustible posible.

Existen varios tipos de compresor aunque casi todos han partido del mismo concepto: hacer circular aire a mayor velocidad de la que proporciona la presión atmosférica, para acumular la mayor cantidad de aire posible en el conducto de

admisión y crear una sobrepresión en él.

Todos los compresores volumétricos tienen una característica en común, que además es una de sus principales desventajas: su accionamiento es mecánico y para funcionar necesitan ser movidos por el cigüeñal del motor, arrastre que supone una merma considerable en el potencial del motor.

Pero esta desventaja tiene su gran contrapartida y es que al ser accionados directamente por el motor, se ponen en funcionamiento en el mismo instante en que éste

arranca, y aumentan o disminuyen su función de sobrealimentación en perfecta armonía con el régimen de giro del motor. Con ello, se consigue una sobrealimentación instantánea y muy equilibrada a cualquier régimen de giro, cosa que no ocurre con el turbo, que solo consigue entrar en funcionamiento útil cuando los gases de escape que lo accionan tienen la suficiente velocidad para arrastrar la turbina.

Uno de los compresores más utilizados hace años era el Eaton Roots 1, adoptado por prestigiosos fabricantes de motores, entre otros Abarth. En este compresor, la presión efectiva de carga no se creaba hasta llegar al colector de admisión y sus rotores de dos lóbulos originaban una presión relativamente baja. El Roots 1, para una presión de 0,6 bares y paso máximo de aire, absorbía 12,2 caballos de potencia del motor y su rendimiento, además de no ser muy alto, empeoraba con el aumento de régimen del motor.

Luego vino el Roots 2, una versión posterior que llegó a mejores resultados gracias a una mayor complejidad en su construcción, con rotores de tres álabes y que para moverse sólo necesitaba 8 caballos de potencia para conseguir 0,6 bares de presión. (Figura 11)

Aquí se puede notar la presencia del Compresor Roots, definiendo al motor como un modelo Super

Cargado (Super Charger).

Figura 11. Compresor Volumétrico Roots 2, con rotores de tres álabes.

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Por su parte, los ingenieros de Wanquel construyeron un compresor de pistones rotativos inspirado en una versión de Roots, con distintas geometrías de rotores y una arquitectura más sencilla. Alcanzaba una presión mucho más alta y absorbía 8 caballos, pero conseguía además un rendimiento que superaba el 50 por ciento.

También el fabricante escocés Sprintex pasó a la historia por su compresor de hélice con diseño de rotores en forma de caracol, parecidos a una trituradora de carne, que no consiguió un rendimiento muy bueno, y además tenía un consumo de energía del motor muy elevado, que alcanzaba la cota de los 11 caballos de potencia.

Otra solución para la sobrealimentación fue el compresor Pierburg de pistón rotativo, con un cierto parentesco con el motor Wankel; un rotor de tres álabes describe una trayectoria circular en un tambor rotativo con cuatro cámaras. Puesto que éstas en su rotación van variando el volumen, la compresión del aire tiene lugar dentro del compresor y gracias a esto su rendimiento supera el 50 por ciento con un consumo de

energía relativamente bajo, con valores comprendidos entre 2,5 y 8,2 caballos de potencia.

Otra modificación del compresor Roots es el KKK de pistón rotativo. En éste, el rotor gira en un tambor que lo envuelve, que a su vez también gira. La creación de presión de carga y el paso del aire es muy rápido en este compresor KKK, y la potencia necesaria para conseguir una elevada presión y un alto grado de flujo es relativamente baja, menos de 8 caballos.

Pero uno de los mejores logros dentro del campo de la sobrealimentación por medio de compresores volumétricos lo ha construido Volkswagen, aplicándolo en varios de sus modelos más populares. El G, es un compresor en espiral y se diferencia de otros modelos sobre todo porque su diseño ha eliminado los elementos en rotación para conseguir la circulación del aire.

En el compresor G, la compresión que se produce en el conducto del caracol es consecuencia del movimiento oscilante de su pieza interior, y las características de suministro de flujo de éste compresor cumplen el requisito más importante: una rápida creación de presión. A su elevada capacidad de circulación se aúna además un bajo consumo de energía, ya que las pérdidas por rozamiento son muy pequeñas en los

cojinetes del compresor implantado en sus modelos por el fabricante alemán Volkwagen.

La marca japonesa Mazda utiliza un compresor volumétrico helicoidal en su motor V6, mandado por una polea de diámetro variable. Esta polea, al variar su diámetro, y consecuentemente su relación de transmisión, es capaz de disminuir el esfuerzo de giro

en regímenes altos. Gracias a ello se palian las pérdidas de potencia producidas por el arrastre del compresor en alta, conservando unas buenas cualidades de sobrealimentación.

En base a las experiencias obtenidas en los últimos tiempos, casi todos los fabricantes de automóviles, independientemente del tipo de sobrealimentación que hayan implantado en sus modelos, están de acuerdo en que el compresor volumétrico de

accionamiento mecánico es ventajoso sobre todo en motores de pequeña cilindrada, porque en ellos puede trabajar con un buen rendimiento y con resultados altamente

positivos.