Sobrealimentador

Air compressor for an internal combustion engine

Para otros usos, consulte Supercharger (desambiguación) y Supercharged (desambiguación) .

Este artículo trata sobre sobrealimentadores de accionamiento mecánico. Para sobrealimentadores de turbina de gas, consulte Turbocompresor .

Este artículo necesita citas adicionales para su verificación . Por favor, ayuda a mejorar este artículo mediante la adición de citas de fuentes confiables . El material no obtenido puede ser cuestionado y eliminado. Buscar fuentes:  "Supercharger"  -  noticias  · periódicos  · libros  · académico  · JSTOR ( octubre de 2014 ) ( Aprenda cómo y cuándo eliminar este mensaje de plantilla )

Sobrealimentador tipo Roots en un motor AMC V8 para carreras de resistencia .

	Mercedes-Benz W25 de 1934 1934 Mercedes-Benz W25 sobrealimentado Straight-8 en el Festival de Velocidad de Goodwood 2009
¿Problemas al reproducir este archivo? Consulte la ayuda de medios .

Un sobrealimentador es un compresor de aire que aumenta la presión o la densidad del aire suministrado a un motor de combustión interna . Esto le da a cada ciclo de admisión del motor más oxígeno , lo que le permite quemar más combustible y hacer más trabajo , aumentando así la potencia de salida.

La energía para el sobrealimentador se puede proporcionar mecánicamente por medio de una correa, eje o cadena conectados al cigüeñal del motor .

El uso común restringe el término sobrealimentador a unidades accionadas mecánicamente; cuando, en cambio, la energía es proporcionada por una turbina impulsada por gases de escape , un sobrealimentador se conoce como turbocompresor o simplemente turbo, o en el pasado un turbocompresor . ^[1]

Historia

Animación de sobrealimentador

En 1848 o 1849, G. Jones de Birmingham, Inglaterra, presentó un compresor de estilo Roots. ^[2]

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 su uso en altos hornos y otras aplicaciones industriales.

El primer motor sobrealimentador funcional, realmente probado ^[3] fue fabricado por Dugald Clerk , quien lo utilizó para el primer motor ^{[4] de} dos tiempos en 1878. Gottlieb Daimler recibió una patente alemana para sobrealimentar un motor de combustión interna en 1885. ^{[ 5]} Louis Renault patentó un sobrealimentador centrífugo en Francia en 1902. Lee Chadwick de Pottstown, Pensilvania, construyó uno de los primeros autos de carreras sobrealimentado en 1908, que supuestamente alcanzó una velocidad de 160 km / h.

Los primeros coches del mundo producidos en serie ^[6] con sobrealimentadores fueron Mercedes 6/25/40 CV y ​​Mercedes 10/40/65 CV. Ambos modelos se introdujeron en 1921 y tenían supercargadores Roots. Fueron distinguidos como modelos " Kompressor ", el origen de la insignia de Mercedes-Benz que continúa en la actualidad.

El 24 de marzo de 1878, Heinrich Krigar de Alemania obtuvo la patente # 4121, patentando el primer compresor de tornillo. ^[7] Más tarde ese mismo año, el 16 de agosto, obtuvo la patente # 7116 después de modificar y mejorar sus diseños originales. Sus diseños muestran un conjunto de rotor de dos lóbulos en el que cada rotor tiene la misma forma que el otro. Aunque el diseño se parecía al compresor de estilo Roots, los "tornillos" se mostraban claramente con 180 grados de torsión a lo largo de su longitud. Desafortunadamente, la tecnología de la época no era suficiente para producir tal unidad, y Heinrich no hizo más avances con el compresor de tornillo. Casi medio siglo después, en 1935, Alf Lysholm, que trabajaba para Ljungströms Ångturbin AB (más tarde conocido como Svenska Rotor Maskiner AB o SRM en 1951), patentó el diseño con cinco rotores hembra y cuatro macho. También patentó el método para mecanizar los rotores del compresor.

Tipos de sobrealimentador

Hay dos tipos principales de sobrealimentadores definidos según el método de transferencia de gas: compresores de desplazamiento positivo y dinámicos. Los ventiladores y compresores de desplazamiento positivo proporcionan un aumento de presión casi constante a todas las velocidades del motor (RPM). Los compresores dinámicos no suministran presión a bajas velocidades; por encima de un umbral, la presión de velocidad aumenta exponencialmente. ^[8]

Desplazamiento positivo

Un supercargador tipo Eaton M62 Roots es visible en la parte delantera de este motor Ecotec LSJ en un Saturn Ion Red Line 2006 .

Rotores de tornillo Lysholm con forma compleja de cada rotor, que deben funcionar a alta velocidad y con tolerancias estrechas. Esto encarece este tipo de sobrealimentador. (Esta unidad ha sido azulada para mostrar áreas de contacto cercano).

Las bombas de desplazamiento positivo suministran un volumen de aire casi fijo por revolución a todas las velocidades (menos las fugas, que es casi constante a todas las velocidades para una presión determinada, por lo que su importancia disminuye a velocidades más altas).

Los principales tipos de bombas de desplazamiento positivo incluyen:

• Raíces
• Tornillo doble Lysholm
• Paleta deslizante
• sobrealimentador tipo scroll , también conocido como G-Lader

Tipo de compresión

Esta sección no cita ninguna fuente . Por favor, ayuda a mejorar esta sección mediante la adición de citas de fuentes confiables . El material no obtenido puede ser cuestionado y eliminado . ( Mayo de 2010 ) ( Obtenga información sobre cómo y cuándo eliminar este mensaje de plantilla )

Las bombas de desplazamiento positivo se dividen además en tipos de compresión interna y externa.

Los sobrealimentadores de raíces, incluidos los sobrealimentadores de raíces de alta hélice, producen compresión externamente.

• La compresión externa se refiere a bombas que transfieren aire a presión ambiental. Si un motor equipado con un sobrealimentador que se comprime externamente está funcionando en condiciones de refuerzo, la presión dentro del sobrealimentador permanece a la presión ambiente; el aire se presuriza solo aguas abajo del sobrealimentador. Los supercargadores Roots tienden a ser muy eficientes mecánicamente para mover aire en diferenciales de baja presión, mientras que en relaciones de alta presión, los supercargadores de compresión interna tienden a ser más eficientes mecánicamente.

Todos los demás tipos tienen algún grado de compresión interna.

• La compresión interna se refiere a la compresión de aire dentro del propio sobrealimentador, que, ya en o cerca del nivel de impulso, se puede entregar suavemente al motor con poco o ningún reflujo. Los dispositivos de compresión internos suelen utilizar una relación de compresión interna fija. Cuando la presión de sobrealimentación es igual a la presión de compresión del sobrealimentador, el reflujo es cero. Si la presión de sobrealimentación excede esa presión de compresión, el reflujo aún puede ocurrir como en un soplador de raíces. La relación de compresión interna de este tipo de sobrealimentador puede adaptarse a la presión de sobrealimentación esperada para optimizar la eficiencia mecánica.

Clasificación de capacidad

Los supercargadores de desplazamiento positivo generalmente se clasifican por su capacidad por revolución. En el caso del soplador Roots, el patrón de clasificación GMC es típico. Los tipos de GMC se clasifican de acuerdo con la cantidad de cilindros de dos tiempos y el tamaño de esos cilindros para los que está diseñado. GMC ha fabricado 2–71, 3–71, 4–71 y los famosos sopladores 6–71. Por ejemplo, un soplador 6–71 está diseñado para recoger seis cilindros de 71 pulgadas cúbicas (1,163 cc) cada uno y se usaría en un diesel de dos tiempos de 426 pulgadas cúbicas (6,981 cc), que se designa como 6–71; el soplador toma esta misma designación. Sin embargo, debido a 6-71 es en realidad el motor estádesignación, el desplazamiento real es menor de lo que sugeriría la simple multiplicación. Un 6-71 en realidad bombea 339 pulgadas cúbicas (5555 cc) por revolución (pero como gira más rápido que el motor, puede generar fácilmente la misma cilindrada que el motor por revoluciones del motor).

Los derivados del mercado de accesorios continúan la tendencia con sopladores de 8–71 a 16–71 actuales utilizados en diferentes deportes de motor. A partir de esto, se puede ver que un 6-71 es aproximadamente el doble del tamaño de un 3-71. GMC también fabricó una serie de 53 pulgadas cúbicas (869 cc) en tamaños 2–, 3–, 4–, 6– y 8–53, así como una serie "V71" para su uso en motores que utilizan una configuración en V.

Dinámica

Los compresores dinámicos se basan en acelerar el aire a alta velocidad y luego intercambiar esa velocidad por presión difundiéndola o disminuyéndola.

Los principales tipos de compresores dinámicos son:

• Centrífugo
• Flujo axial de varias etapas

Rotor de onda

• Sobrealimentador de onda de presión

Tipos de impulsión del sobrealimentador

Los supercargadores se definen además de acuerdo con su método de accionamiento.

• Correa (correa trapezoidal, correa síncrona, correa plana)
• Manejo directo
• Accionamiento por engranajes
• Transmisión por cadena
• Relación de velocidad variable, Centrífuga de relación variable

Efectos de temperatura e intercoolers

Supercargador CDT frente a temperatura ambiente . El gráfico muestra cómo varía el CDT de un supercargador con la temperatura del aire y la altitud (presión absoluta).

Una desventaja de la sobrealimentación es que comprimir el aire aumenta su temperatura. Cuando se utiliza un sobrealimentador en un motor de combustión interna, la temperatura de la carga de combustible / aire se convierte en un factor limitante importante en el rendimiento del motor. Las temperaturas extremas provocarán la detonación de la mezcla de aire y combustible (motores de encendido por chispa) y dañarán el motor. En los automóviles, esto puede causar un problema cuando hace calor en el exterior o cuando se alcanza un nivel excesivo de impulso.

Es posible estimar el aumento de temperatura en un supercargador modelándolo como un proceso isentrópico .

${\displaystyle {\frac {T_{2}}{T_{1}}}}$

${\displaystyle =\,\!}$

${\displaystyle \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}}$

Dónde:

${\displaystyle T_{1}\,\!}$ = temperatura del aire ambiente (absoluta)

${\displaystyle T_{2}\,\!}$ = temperatura después del compresor (absoluta)

${\displaystyle p_{1}\,\!}$ = presión atmosférica ambiental (absoluta)

${\displaystyle p_{2}\,\!}$ = presión después del compresor (absoluta)

${\displaystyle \gamma \,\!}$= Relación de capacidades caloríficas específicas = = 1.4 para aire${\displaystyle C_{p}/C_{v}\,\!}$

${\displaystyle C_{p}\,\!}$ = Calor específico a presión constante

${\displaystyle C_{v}\,\!}$ = Calor específico a volumen constante

Por ejemplo, si un motor sobrealimentado está impulsando 10 psi (0,69 bar) de impulso al nivel del mar (presión ambiente de 14,7 psi (1,01 bar), temperatura ambiente de 75 ° F (24 ° C)), la temperatura del aire después el sobrealimentador estará a 160,5 ° F (71,4 ° C). Esta temperatura se conoce como temperatura de descarga del compresor (CDT) y destaca por qué es tan importante un método para enfriar el aire después del compresor.

Nota: en el ejemplo anterior, la presión del aire ambiente (1,01 bar) se suma al impulso (0,69 bar) para obtener la presión total (1,70 bar), que es el valor utilizado en la ecuación. Las temperaturas deben estar en valores absolutos, utilizando la escala Kelvin, que comienza en el cero absoluto (0 Kelvin) y donde 0 ° C es 273.15 K. Una unidad Kelvin tiene el mismo tamaño que un grado Celsius, por lo que 24 ° C es 273.15 K + 24 K, o simplemente 297,15 K.${\displaystyle p_{2}\,\!}$

Entonces esto significa,

${\displaystyle p_{2}\,\!}$ = 1,70 bar (24,7 psi = [14,7 psi + aumento de 10 psi]; o 1,70 bar = [1,01 bar + 0,69 bar])

${\displaystyle p_{1}\,\!}$ = 1,01 bar

${\displaystyle T_{1}\,\!}$ = 297.15K (24 K + 273.15 K; use la escala Kelvin, donde 0 ° C equivale a 273.15 Kelvin)

el exponente se convierte en 0.286 (o 1.4-1 /[1.4]),

Resultando en:

${\displaystyle T_{2}\,\!}$ = 344. 81 K, que es aproximadamente 71,7 ° C [344,81 K - 273,15 (ya que 273,15 K es 0 ° C)]

Donde 71.7 ° C excede 160 ° F.

Si bien es cierto que las temperaturas de admisión más altas para los motores de combustión interna ingerirán aire de menor densidad, esto es correcto solo para la presión de aire estática e invariable. es decir, en un día caluroso, un motor consumirá menos oxígeno por ciclo de motor que en un día frío. Sin embargo, el calentamiento del aire, mientras está en el compresor del sobrealimentador, no reduce la densidad del aire debido a su aumento de temperatura. El aumento de temperatura se debe a su aumento de presión. Se está agregando energía al aire y esto se ve tanto en su energía, interna a las moléculas (temperatura) y del aire en presión estática, como en la velocidad del gas.

Motores de dos tiempos

En motores de dos tiempos , de barrido se requiere que los gases de escape de purga, así como cargar los cilindros para la siguiente carrera de potencia. En motores pequeños, este requisito se cumple comúnmente utilizando el cárter como ventilador; el pistón descendente durante la carrera de potencia comprime el aire en el cárter usado para purgar el cilindro. El soplado de barrido no debe confundirse con la sobrealimentación, ya que no se produce ninguna compresión de carga. Como el cambio de volumen producido por el lado inferior del pistón es el mismo que el de la cara superior, esto se limita a la limpieza y no puede proporcionar sobrealimentación.

Los motores más grandes usualmente usan un soplador separado para la limpieza y fue para este tipo de operación que se utilizó el soplador Roots. Históricamente, se han utilizado muchos diseños de ventiladores, desde cilindros de bombeo separados, pistones de 'sombrero de copa' que combinan dos pistones de diferente diámetro, el más grande se usa para barrido, varios ventiladores rotativos y turbocompresores centrífugos, incluidos los turbocompresores. La turboalimentación de los motores de dos tiempos es difícil, pero no imposible, ya que un turbocompresor no proporciona ningún impulso hasta que ha tenido tiempo de acelerar. Por lo tanto, los motores de dos tiempos puramente turboalimentados pueden tener dificultades al arrancar, con una combustión deficiente y escapes sucios, posiblemente incluso de cuatro tiempos . Algunos turbocompresores de dos tiempos, en particular los utilizados en Electro-Motive DieselLos motores de locomotora se accionan mecánicamente a velocidades más bajas del motor a través de un embrague de rueda libre para proporcionar el aire de barrido adecuado. A medida que aumentan la velocidad del motor y el volumen de los gases de escape, el turbocompresor ya no depende de la transmisión mecánica y el embrague de rueda libre se desacopla.

Los motores de dos tiempos requieren un barrido a todas las velocidades del motor, por lo que los motores de dos tiempos con turbocompresor aún deben emplear un soplador, generalmente del tipo Roots. Este ventilador puede accionarse mecánica o eléctricamente, en cualquier caso, el ventilador puede desconectarse una vez que el turbocompresor comienza a suministrar aire.

Automóviles

1929 "Blower" Bentley . El gran "soplador" (sobrealimentador), ubicado frente al radiador, le dio su nombre al automóvil.

En 1900, Gottlieb Daimler , de Daimler-Benz ( Daimler AG ), fue el primero en patentar un sistema de inducción forzada para motores de combustión interna, supercargadores basados ​​en el diseño de bomba de aire de doble rotor, patentado por primera vez por la estadounidense Francis Marion Roots. en 1860, el diseño básico del sobrealimentador moderno tipo Roots .

Los primeros coches sobrealimentados se presentaron en el Salón del Automóvil de Berlín de 1921 : el Mercedes de 6/20 CV y ​​10/35 CV . Estos coches entraron en producción en 1923 como 6/25/40 CV (considerado como el primer coche de carretera sobrealimentado ^[9] ) y 10/40/65 CV. ^[10] Estos fueron los coches de carretera normales como otros coches sobrealimentados en la misma hora eran casi todos los coches de carreras, incluyendo el 1923 Fiat 805-405, 1923 Miller 122 ^[11] 1924 Alfa Romeo P2 de 1924 Sunbeam , ^[12] 1925 Delage , ^{[ 13]} y el Bugatti Type 35C de 1926 . A finales de la década de 1920,Bentley fabricó una versión sobrealimentada del automóvil de carretera Bentley de 4½ litros . Desde entonces, los supercargadores (y turbocargadores) se han aplicado ampliamente a los coches de carreras y de producción, aunque la complejidad tecnológica y el coste del supercargador lo han limitado en gran medida a los coches caros y de alto rendimiento.

Sobrealimentación versus turboalimentación

Un sobrealimentador de tipo scroll G-Lader en un Volkswagen Golf Mk1 .

Mantener frío el aire que ingresa al motor es una parte importante del diseño tanto de los supercargadores como de los turbocompresores. La compresión del aire aumenta su temperatura, por lo que es común utilizar un pequeño radiador llamado intercooler entre la bomba y el motor para reducir la temperatura del aire.

Hay tres categorías principales de sobrealimentadores para uso automotriz:

• Turbocompresores centrífugos: impulsados ​​por gases de escape.
• Sobrealimentadores centrífugos: impulsados ​​directamente por el motor a través de una transmisión por correa.
• Bombas de desplazamiento positivo, como los sopladores Roots , de doble tornillo (Lysholm) y TVS ( Eaton ).

Los sopladores de raíces tienden a tener solo un 40-50% de eficiencia a altos niveles de impulso; por el contrario, los supercargadores centrífugos (dinámicos) tienen una eficiencia del 70 al 85% con un impulso alto. Los sopladores de estilo Lysholm pueden ser casi tan eficientes como sus homólogos centrífugos en un rango estrecho de carga / velocidad / impulso, para lo cual el sistema debe estar diseñado específicamente.

Los supercargadores de accionamiento mecánico pueden absorber hasta un tercio de la potencia total del cigüeñal del motor y son menos eficientes que los turbocompresores. Sin embargo, en aplicaciones para las que la respuesta y la potencia del motor son más importantes que otras consideraciones, como los dragsters de combustible superior y los vehículos utilizados en las competiciones de tracción de tractores , los supercargadores de accionamiento mecánico son muy comunes.

La eficiencia térmica , o fracción de la energía del combustible / aire que se convierte en potencia de salida, es menor con un sobrealimentador accionado mecánicamente que con un turbocompresor, porque los turbocompresores utilizan energía de los gases de escape que normalmente se desperdiciaría. Por esta razón, tanto la economía como la potencia de un motor turbocargado suelen ser mejores que con los supercargadores.

Los turbocompresores sufren (en mayor o menor medida) del llamado turbo-spool (turbo lag; más correctamente, boost lag), en el que la aceleración inicial desde bajas RPM está limitada por la falta de suficiente flujo másico de gases de escape (presión). Una vez que las RPM del motor son suficientes para elevar las RPM de la turbina a su rango de operación diseñado, hay un rápido aumento en la potencia, ya que un mayor impulso del turbo provoca una mayor producción de gases de escape, lo que hace girar el turbo aún más rápido, lo que lleva a una "oleada" tardía de aceleración. Esto hace que el mantenimiento de las RPM que aumentan suavemente con los turbocompresores sea mucho más difícil que con los supercargadores impulsados ​​por motor, que aplican un impulso en proporción directa a las RPM del motor. La principal ventaja de un motor con un sobrealimentador de accionamiento mecánico es una mejor aceleraciónrespuesta, así como la capacidad de alcanzar la presión de refuerzo instantáneamente. Con la última tecnología de turbocompresor y la inyección directa de gasolina, la respuesta del acelerador en los autos con turbocompresor es casi tan buena como con los supercargadores de propulsión mecánica, pero el tiempo de retraso existente todavía se considera un inconveniente importante, especialmente considerando que la gran mayoría de los supercargadores de propulsión mecánica ahora son impulsados. de poleas embragadas, muy parecido a un compresor de aire.

El turbocompresor ha sido más popular que los supercargadores entre los fabricantes de automóviles debido a su mejor potencia y eficiencia. Por ejemplo, Mercedes-Benz y Mercedes-AMG ya tenían ofertas de "Kompressor" sobrealimentadas a principios de la década de 2000, como el C230K, C32 AMG y S55 AMG, pero han abandonado esa tecnología en favor de los motores turboalimentados lanzados alrededor de 2010, como el C250. y S65 AMG Biturbo. Sin embargo, Audi presentó su V6 sobrealimentado 3.0 TFSI en 2009 para su A6, S4 y Q7, mientras que Jaguar tiene su motor V8 sobrealimentado disponible como una opción de rendimiento en el XJ, XF, XKR y F-Type, y, a través de un conjunto propiedad de Tata Motors, también en el Range Rover.

Twincharging

En los Campeonatos del Mundo de Rallyes de 1985 y 1986, Lancia corrió el Delta S4 , que incorporaba un sobrealimentador accionado por correa y un turbocompresor accionado por escape. El diseño utilizó una serie compleja de válvulas de derivación en los sistemas de inducción y escape, así como un embrague electromagnético para que, a bajas velocidades del motor, se derivara un impulso del sobrealimentador. En el medio del rango de revoluciones, se derivó un impulso de ambos sistemas, mientras que a las revoluciones más altas, el sistema desconectó la transmisión del sobrealimentador y aisló los conductos asociados. ^[14]Esto se hizo en un intento de aprovechar las ventajas de cada uno de los sistemas de carga y eliminar las desventajas. A su vez, este enfoque trajo una mayor complejidad e impactó en la confiabilidad del automóvil en los eventos del WRC, además de aumentar el peso de los accesorios del motor en el diseño terminado.

El motor Volkswagen TSI (o Twincharger ) es un motor de inyección directa de 1.4 litros que también usa un sobrealimentador y un turbocompresor. Volvo ofrece un motor de 2.0 litros con sobrealimentador y turbocompresor en modelos híbridos como S60 , XC60 y XC90 .

Aeronave

Efectos de la altitud

El Rolls-Royce Merlin , un motor de avión sobrealimentado de la Segunda Guerra Mundial. El sobrealimentador está en la parte trasera del motor a la derecha.

Un sobrealimentador centrífugo de un motor de avión radial Bristol Centaurus .

Los supercargadores son una adición natural a los motores de pistón de los aviones que están diseñados para funcionar a grandes altitudes. A medida que un avión asciende a una mayor altitud, la presión y la densidad del aire disminuyen. La potencia de un motor de pistón disminuye debido a la reducción de la masa de aire que puede introducirse en el motor. Por ejemplo, la densidad del aire a 30.000 pies (9.100 m) es 1 ⁄ 3 de la que hay al nivel del mar , por lo que solo 1 ⁄ 3 de la cantidad de aire puede introducirse en el cilindro, con suficiente oxígeno para proporcionar una combustión eficiente durante solo un período de tiempo. tercero tanto combustible. Entonces, a 30,000 pies (9,100 m), solo 1 ⁄ 3del combustible quemado al nivel del mar puede quemarse. ^[15] (Una ventaja de la disminución de la densidad del aire es que el fuselaje experimenta solo aproximadamente 1/3 de la resistencia aerodinámica . Además, hay una contrapresión disminuida en los gases de escape. ^[16] Por otro lado, se consume más energía. consumido sosteniendo un avión con menos aire para generar sustentación).

Se puede pensar que un sobrealimentador aumenta artificialmente la densidad del aire al comprimirlo o que fuerza más aire de lo normal en el cilindro cada vez que el pistón se mueve hacia abajo en la carrera de admisión. ^[15]

Un sobrealimentador comprime el aire de nuevo a presiones equivalentes al nivel del mar, o incluso mucho más altas, para que el motor produzca tanta potencia a altitud de crucero como a nivel del mar. Con la resistencia aerodinámica reducida a gran altitud y el motor aún produciendo potencia nominal, un avión sobrealimentado puede volar mucho más rápido en altitud que uno de aspiración natural. El piloto controla la salida del sobrealimentador con el acelerador e indirectamente a través del control del regulador de la hélice. Dado que el tamaño del sobrealimentador se elige para producir una determinada cantidad de presión a grandes altitudes, el sobrealimentador está sobredimensionado para bajas altitudes. El piloto debe tener cuidado con el acelerador y observar el manómetro del colector para evitar un aumento excesivo a baja altitud. A medida que el avión asciende y la densidad del aire desciende,el piloto debe abrir continuamente el acelerador en pequeños incrementos para mantener la máxima potencia. La altitud a la que el acelerador alcanza la máxima apertura y el motor sigue produciendo la máxima potencia nominal se conoce comoaltitud crítica. Por encima de la altitud crítica, la potencia del motor comenzará a disminuir a medida que la aeronave continúe ascendiendo.

Efectos de la temperatura

CDT sobrealimentador frente a altitud . El gráfico muestra las diferencias de CDT entre un sobrealimentador de impulso constante y un sobrealimentador de impulso variable cuando se utilizan en un avión.

Como se discutió anteriormente, la sobrealimentación puede causar un pico en la temperatura y las temperaturas extremas causarán la detonación de la mezcla de aire y combustible y dañarán el motor. En el caso de las aeronaves, esto causa un problema en altitudes bajas, donde el aire es más denso y cálido que en altitudes elevadas. Con altas temperaturas del aire ambiente, la detonación podría comenzar a ocurrir con la lectura del manómetro del colector muy por debajo de la línea roja.

Un sobrealimentador optimizado para grandes altitudes provoca el problema opuesto en el lado de admisión del sistema. Con el acelerador retardado para evitar un aumento excesivo, la temperatura del aire en el carburador puede bajar lo suficiente como para provocar la formación de hielo en la placa del acelerador. De esta manera, se podría acumular suficiente hielo para causar una falla del motor, incluso con el motor funcionando a la máxima potencia nominal. Por esta razón, muchos aviones sobrealimentados presentaban un indicador de temperatura del aire del carburador o una luz de advertencia para alertar al piloto de posibles condiciones de formación de hielo.

Se desarrollaron varias soluciones a estos problemas: intercoolers y postenfriadores, inyección anti-detonante , sobrealimentadores de dos velocidades y sobrealimentadores de dos etapas.

Sobrealimentadores de dos velocidades y dos etapas

En la década de 1930, se desarrollaron propulsores de dos velocidades para sobrealimentadores para motores aeronáuticos que proporcionaban una operación de aeronave más flexible. La disposición también implicaba una mayor complejidad de fabricación y mantenimiento. Los engranajes conectaban el sobrealimentador al motor mediante un sistema de embragues hidráulicos, que inicialmente el piloto activaba o desactivaba manualmente con un control en la cabina. En altitudes bajas, se utilizaría el engranaje de baja velocidad para mantener bajas las temperaturas del colector. Aproximadamente a 12.000 pies (3.700 m), cuando el acelerador estaba completamente hacia adelante y la presión del colector comenzaba a descender, el piloto retardaba el acelerador y cambiaba a la marcha más alta, luego reajustaba el acelerador a la presión del colector deseada. Instalaciones posteriores automatizaron el cambio de marcha según la presión atmosférica.

En la Batalla de Gran Bretaña, los aviones Spitfire y Hurricane propulsados ​​por el motor Rolls-Royce Merlin estaban equipados en gran parte con supercargadores de una sola etapa y de una sola velocidad. ^[17] Stanley Hooker de Rolls Royce , con el fin de mejorar el rendimiento del motor Merlin, desarrolló la sobrealimentación de dos velocidades y dos etapas con posenfriamiento con una aplicación exitosa en el motor aeronáutico Rolls Royce Merlin 61 en 1942. Se aumentaron los caballos de fuerza y ​​el rendimiento. en todas las altitudes. Los desarrollos de Hooker permitieron que los aviones que impulsaran mantuvieran una ventaja crucial sobre los aviones alemanes a los que se opusieron durante la Segunda Guerra Mundial, a pesar de que los motores alemanes tenían un desplazamiento significativamente mayor. ^[18][17] Los supercargadores de dos etapas también fueron siempre de dos velocidades. Después de que el aire se comprimió en la etapa de baja presión , el aire fluyó a través de unradiador intercooler donde se enfrió antes de ser comprimido nuevamente por la etapa de alta presión y luego posiblemente también posenfriado en otro intercambiador de calor . Los compresores de dos etapas proporcionaron un rendimiento a gran altitud mucho mejor, como lo tipificaron el Supermarine Spitfire Mk IX conmotor Rolls-Royce Merlin 61y el Mustang norteamericano .

En algunos sistemas de dos etapas, el piloto abriría o cerraría las puertas de las compuertas para evitar una etapa según sea necesario. Algunos sistemas tenían un control de cabina para abrir o cerrar un regulador del intercooler / posenfriador, proporcionando otra forma de controlar la temperatura. Los motores Rolls-Royce Merlin tenían un control de impulso totalmente automatizado y todo lo que el piloto tenía que hacer era avanzar el acelerador con el sistema de control que limitaba el impulso según fuera necesario hasta alcanzar la altitud máxima.

Turbocompresor

Artículo principal: turbocompresor

Un sobrealimentador accionado mecánicamente tiene que tomar su potencia motriz del motor. Tomando un motor sobrealimentado de una sola velocidad y una etapa, como uno de los primeros Rolls-Royce Merlin , por ejemplo, el sobrealimentador consume alrededor de 150  hp (110  kW ). Sin un sobrealimentador, el motor podría producir alrededor de 750 caballos de fuerza (560 kilovatios ), pero con un sobrealimentador, produce alrededor de 1000 caballos de fuerza (750 kW), un aumento de alrededor de 400 caballos de fuerza (750 - 150 + 400 = 1000 caballos de fuerza), o un ganancia neta de 250 hp (190 kW). Aquí es donde se hace evidente la principal desventaja de un sobrealimentador. El motor tiene que quemar más combustible para proporcionar energía para impulsar el sobrealimentador. El aumento de la densidad del aire durante el ciclo de entrada aumenta lapotencia específica del motor y su relación potencia / peso , pero a costa de un aumento en el consumo específico de combustible del motor. Además de aumentar el costo de funcionamiento de la aeronave, un sobrealimentador tiene el potencial de reducir su alcance general para una carga de combustible específica.

A diferencia de un sobrealimentador impulsado por el propio motor, un turbocompresor se impulsa utilizando el gas de escape del motor que de otro modo se desperdiciaría. La cantidad de potencia en el gas es proporcional a la diferencia entre la presión de escape y la presión del aire, y esta diferencia aumenta con la altitud, lo que ayuda a un motor turboalimentado a compensar los cambios de altitud. Esto aumenta la altura a la que se alcanza la máxima potencia de salida del motor en comparación con el refuerzo del sobrealimentador, y permite un mejor consumo de combustible a gran altitud en comparación con un motor sobrealimentado equivalente. Esto facilita un aumento de la velocidad aerodinámica real a gran altitud y proporciona un mayor rango operativo que un motor impulsado de manera equivalente que utiliza un sobrealimentador.

La mayoría de los motores de aviones utilizados durante la Segunda Guerra Mundial usaban sobrealimentadores accionados mecánicamente porque tenían algunas ventajas de fabricación significativas sobre los turbocompresores. Sin embargo, el beneficio para el alcance operativo recibió una prioridad mucho más alta para los aviones estadounidenses debido a un requisito menos predecible en el alcance operativo y a tener que viajar lejos de sus bases de operaciones. En consecuencia, los turbocompresores se emplearon principalmente en motores de aviones estadounidenses como el Allison V-1710 y el Pratt & Whitney R-2800 , que eran comparativamente más pesados ​​cuando estaban turboalimentados y requerían conductos adicionales de costosas aleaciones metálicas de alta temperatura en la turbina de gas.y una sección de pre-turbina del sistema de escape. El tamaño de los conductos por sí solo fue una consideración de diseño seria. Por ejemplo, tanto el F4U Corsair como el P-47 Thunderbolt usaban el mismo motor radial , pero el gran fuselaje en forma de barril del P-47 turboalimentado era necesario debido a la cantidad de conductos hacia y desde el turbocompresor en la parte trasera del vehículo. aeronave. El F4U usó un sobrealimentador de dos etapas con enfriamiento intermedio con un diseño más compacto. No obstante, los turbocompresores fueron útiles en bombarderos de gran altitud y algunos aviones de combate debido al aumento del rendimiento y el alcance a gran altitud.

Los motores de pistón turboalimentados también están sujetos a muchas de las mismas restricciones operativas que las de los motores de turbina de gas. Los motores turboalimentados también requieren inspecciones frecuentes de sus turbocompresores y sistemas de escape para buscar posibles daños causados ​​por el calor y la presión extremos de los turbocompresores. Dicho daño era un problema importante en los primeros modelos de la American Boeing B-29 Superfortress gran altitud bombarderos usados en el Teatro de Operaciones del Pacífico durante 1944-1945.

Los motores de pistón turboalimentados continuaron utilizándose en un gran número de aviones de posguerra, como el B-50 Superfortress , el KC-97 Stratofreighter , el Boeing Stratoliner , el Lockheed Constellation y el C-124 Globemaster II .

En tiempos más recientes, la mayoría de los motores de aviación para la aviación general (aviones ligeros) son de aspiración natural , pero la menor cantidad de motores de pistón de aviación modernos diseñados para funcionar a grandes altitudes utilizan sistemas de turbocompresor o turbo-normalizador, en lugar de un sobrealimentador impulsado por los cigüeñales. El cambio de pensamiento se debe en gran parte a la economía. La gasolina de aviación alguna vez fue abundante y barata, favoreciendo al sobrealimentador simple pero hambriento de combustible. A medida que ha aumentado el costo del combustible, el sobrealimentador ordinario ha caído en desgracia. Además, dependiendo del factor de inflación monetaria que se utilice, los costos de combustible no han disminuido tan rápido como lo han hecho los costos de producción y mantenimiento.

Efectos del índice de octanaje del combustible

Artículo principal: índice de octano

Hasta finales de la década de 1920, todo el combustible para automóviles y aviación tenía una clasificación de 87 octanos o menos. Ésta es la calificación que se logró mediante la simple destilación de petróleo "crudo ligero". Los motores de todo el mundo se diseñaron para trabajar con este grado de combustible, lo que establece un límite a la cantidad de impulso que podría proporcionar el supercargador mientras se mantiene una relación de compresión razonable.

El aumento del índice de octanaje a través de aditivos, como el plomo tetraetílico , era una línea de investigación que se estaba explorando en ese momento. Usando estas técnicas, el crudo menos valioso aún podría suministrar grandes cantidades de gasolina útil, lo que lo convirtió en un proceso económico valioso . Sin embargo, los aditivos no se limitaron a convertir aceite de mala calidad en gasolina de 87 octanos; los mismos aditivos también podrían usarse para impulsar la gasolina a índices de octanaje mucho más altos.

El combustible de mayor octanaje resiste el encendido automático y la detonación mejor que el combustible de bajo octanaje. Como resultado, la cantidad de impulso suministrado por los supercargadores podría incrementarse, lo que resultaría en un aumento en la potencia del motor. El desarrollo de combustible de aviación de 100 octanos, iniciado en los EE. UU. Antes de la guerra, permitió el uso de presiones de refuerzo más altas en motores de aviación de alto rendimiento y se utilizó para desarrollar salidas de potencia extremadamente alta, durante períodos cortos, en varios de los aviones récord de velocidad de antes de la guerra. El uso operativo del nuevo combustible durante la Segunda Guerra Mundial comenzó a principios de 1940 cuando se entregó combustible de 100 octanos a la Royal Air Force británica desde refinerías en América y las Indias Orientales. ^[19] La Luftwaffe alemanatambién contaba con suministros de un combustible similar. ^{[20] [21]}

El aumento de los límites de detonación de los combustibles de aviación existentes se convirtió en un foco importante del desarrollo de motores aeronáuticos durante la Segunda Guerra Mundial. Al final de la guerra, el combustible se entregaba a una clasificación nominal de 150 octanos, en el que se desarrollaron motores aeronáuticos de finales de la guerra como el Rolls-Royce Merlin 66 ^{[22] [23]} o el Daimler-Benz DB 605 DC. como 2,000 caballos de fuerza (1,500 kW). ^{[24] [25]}

Ver también

• Turbocompresor de geometría variable
• Turbodiésel
• Indicador de impulso
• Historia del motor de combustión interna
• Motor a reacción
• Motor de aspiración natural
• Entrada de aire ram
• Turbofan
• Turborreactor
• Twincharger

Notas

1. "El turbocompresor y la planta de energía del avión" . Rwebs.net. 1943-12-30 . Consultado el 3 de agosto de 2010 .
2. Ingeniero mecánico colegiado . Gran Bretaña: Institución de ingenieros mecánicos. 1974-01-01 - a través de Google Books.
3. Ian McNeil, ed. (1990). Enciclopedia de Historia de la Tecnología . Londres: Routledge. págs.  315 –321. ISBN 0-203-19211-7. motor rateau.
4. "Héroe olvidado: el hombre que inventó el motor de dos tiempos" . David Boothroyd, The VU . Archivado desde el original el 15 de diciembre de 2004 . Consultado el 19 de enero de 2005 .
5. "Gottlieb Daimler" .
6. Georgano, GN (1982). La nueva enciclopedia de automóviles de 1885 hasta el presente (ed.3. Ed.). Nueva York: Dutton. pag. 415 . ISBN 0-525-93254-2.
7. "TECNOLOGÍA - Whipple Superchargers" . whipplesuperchargers.com . Consultado el 23 de octubre de 2015 .
8. Kenne Bell de doble tornillo frente a sobrealimentación centrífuga
9. "1923 Mercedes 25/6/40 hq" . mercedes-benz-classic.com/content . Consultado el 21 de enero de 2009 .
10. "Gottlieb Daimler, Wilhelm Maybach y el" reloj del abuelo " " . benzinsider.com/2008 . Consultado el 21 de enero de 2009 .
11. "Miller 122 de 1923 sobrealimentado" . sportscarmarket.com . Consultado el 21 de enero de 2009 .
12. "Historia de los coches Sunbeam" . rootes-chrysler.co.uk . Consultado el 21 de enero de 2009 .
13. "Automóviles Delage, Courbevoie-sur-Seine" . kolumbus.fi/leif.snellman . Consultado el 21 de enero de 2009 .
14. "Inducción de aire de rendimiento D&W - Productos de rendimiento para aumentar el rendimiento del vehículo" . Dwperformance.com . Consultado el 4 de marzo de 2014 .
15. Smallwood, 1995, p.133.
16. Northrop 1955, p.111
17. http://www.enginehistory.org/members/articles/ACEnginePerfAnalysisR-R.pdf prefacio
18. "Sir Stanley Hooker - sitio de aprendizaje de historia" .
19. Payton-Smith, 1971, págs. 259-260.
20. Mankau y Petrick 2001, págs. 24-29.
21. Griehl 1999, p. 8.
22. Precio, 1982. p. 170.
23. Berger y Street, 1994. p. 199.
24. Mermet 1999, págs. 14-17.
25. Mermet 1999, p. 48.

Referencias

• Blanco, Graham. Motores de pistón de aviones aliados de la Segunda Guerra Mundial: Historia y desarrollo de los motores de pistón de aviones de primera línea producidos por Gran Bretaña y los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial . Warrendale, Penn: Sociedad de Ingenieros Automotrices, Inc .; Shrewsbury, Inglaterra: Airlife Publishing Ltd .; 1995. ISBN 1-56091-655-9 , ISBN 1-85310-734-4 .  

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Supercargadores .

• Cómo funcionan los supercargadores por Bill Harris en HowStuffWorks.com.
• Vintage Superchargers (a través de archive.org)
• Aprovechó un tornado y desarrolló un sobrealimentador de avión moderno , un gran artículo de Popular Science , junio de 1941.
• La historia de los compresores de tornillo de Whipple Superchargers.
• "Desarrollo del sobrealimentador de aeronaves", un artículo de vuelo de 1943