MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EN AUTOMOCIÓN (PARTE X)

Hola a todos

Después del puente vuelvo con energías renovadas para seguir explicando en que consiste el sistema de admisión en motores de combustión interna, esta vez pormenorizadamente.
Como visteis en el anterior artículo, el sistema de admisión no es más que el conducto por donde introducimos el aire necesario para la combustión en el interior del cilindro. Pero, como ya sabeis, puede haber variaciones dependiendo del tipo de motor o del rendimiento que queremos sacar del mismo.
Vamos a empezar por algunas variaciones específicas del sistema de admisión, bien porque necesitamos obtener mayor rendimiento del motor o bien porque el uso que vamos a hacer del vehículo hace necesario implementar elementos distintos a los genéricos del sistema de admisión. Vamos a ver unos ejemplos:

Aquí observamos una toma de admisión elevada para práctica off-road, ya que evitamos que entre agua o barro al conducto de admisión. También se le suele llamar snorkel de admisión.

Y el esquema del anterior snorkel, donde vemos los anclajes que lleva, y como el aire pasa primero por un tamíz, luego un pre-filtro y luego el filtro de aire propiamente dicho. Esto se hace así debido a que la conducción off-road expone al vehículo a muchos agentes externos que pueden averiar nuestro motor, como el agua o el barro nombrados anteriormente. Esta toma de admisión para vehículos todoterreno puede usarse indistintamente tanto con vehículos de motor Otto como Diésel. Tan sólo hay que variar el recorrido del aire, es decir, modificar el conducto de admisión que venía de serie con el vehículo, y cambiar su recorrido, para así introducir el aire por la boca superior de admisión del snorkel.
Como el objetivo del blog es explicar conceptos básicos de automoción, no entraremos en muchos detalles sobre sistemas de admisión de última generación, ya que en este caso entraremos en complicaciones electrónicas y mecánicas que no vienen a cuento en este blog, al menos de momento. Lo que si os explicaré, y con detalle, es un caso particular de sistema de admisión, me estoy refiriendo a la famosa sobrealimentación en motores de combustión interna.
¿Qué es la sobrealimentación? Bien, sabemos que un motor de combustión necesita una mezcla de aire-combustible en unas proporciones determinadas, pero también sabemos que los motores aspiran el aire a una presión aproximadamente igual a la atmosférica, debido a la capacidad de aspiración limitada que tiene el pistón en su recorrido (o carrera) de admisión, es decir en la bajada desde su P.M.S. hasta su P.M.I. Esto provoca que muchas veces, y a r.p.m. elevadas o muy bajas, el motor no absorva la cantidad de aire que debería, disminuyendo su rendimiento. ¿Cómo podemos solucionarlo? Implementando en el sistema de admisión un elemento que aumente la presión o velocidad del flujo de aire para ayudar al motor a aspirar el aire que realmente necesita. Este elemento es el sobrealimentador, que puede ser un compresor de aire o un turbocompresor. La diferencia fundamental estriba en la forma de comprimir el aire,y primero vamos a ver que es y como funciona un compresor:

En esta fotografía observamos un compresor volumétrico Roots o de lóbulos (rotores), y que es el primero que voy a explicar. Es el sistema de sobrealimentación que mayor tiempo lleva implantado. El dispositivo se conecta al cigüeñal del motor mediante correas de transmisión, cadenas, engranajes u otro dispositivo de transimisión. Veamos un esquema de la instalación:

En el esquema vemos que la instalación del dispositivo se realiza en el conducto de admisión de aire, después del filtro del aire (para evitar dañar los lóbulos del compresor). Este recibe el impulso directamente del giro del cigüeñal mediante un sistema de transmisión, en este caso correa (lo más habitual). Debido a esta forma de impulsarlo, el compresor empieza a, valga la redundancia, comprimir el aire desde el mismo momento en que ponemos en marcha el motor, aunque el rendimiento aumenta a medida que aumentan las r.p.m. 

Aquí otro ejemplo de compresor Roots, en este caso de tres lóbulos o rotores, y señalados en la foto sus elementos principales. La correa de transmisión del motor, transmite el giro a la correa del compresor. Esta última mueve el eje conectado a los engranajes reductores, que reducen la velocidad de giro, ya que la velocidad que lleva la correa del motor es excesiva para el funcionamiento correcto del compresor. 

Estas son las fases de compresión, o de funcionamiento del compresor Roots. En realidad es un sólo compresor, pero es más fácil de entender así como, con el giro de cada rotor conseguimos comprimir el aire. 

Aquí en este gráfico observamos las fases propiamente dichas. Como podeis observar, primero hacemos pasar todo el aire a una cavidad mucho más pequeña gracias a los lóbulos, es decir comprimimos el aire de admisión. Luego se libera hacia el cilindro, y adquiere velocidad por la expansión, la cual provoca que entre más cantidad en la cámara de combustión. Las ventajas de este sistema es que funciona desde el mismo momento de la arrancada, aumento de la potencia y el par ofrecidos por el motor en regímenes bajos y medios, y una entrega de potencia instantanea por parte del motor, sin el temido efecto de retardo que hay en motores turbocomprimidos. Los inconvenientes son varios, pero los más importantes son la complejidad del mecanismo de compresión (correa, poleas, engranajes reductores, etc...) y menor rendimiento del motor a altas revoluciones debido a que la transimisión del movimiento por parte del motor exige un esfuerzo al mismo, que se traduce en una bajada del rendimiento a altos regímenes de giro del motor. Además está el problema del calentamiento del aire comprimido, lo cúal hace que el rendimiento termodinámico del motor se resienta.

El siguiente tipo de compresor es el compresor volumétrico G o compresor centrífugo:

 

Este es un esquema de accionamiento del compresor G, cuyas cámaras tienen la forma de la letra G (de ahí el nombre). Hay una pieza fija o carcasa y otra que se mueve (que no gira) en excéntrica dentro de la carcasa. El movimiento excéntrico viene impulsado por la correa de accionamiento, conectada al cigüeñal. Vamos a ver un esquema del circuito de sobrealimentación con este compresor:

En el esquema volvemos a observar como el aire de entrada al compresor se suministra por dos conductos, uno el principal desde el filtro (con su medidor de masa de aire) y el otro desde la válvula de mariposa by-pass. Al comprimir el aire este se calienta (ya sabemos que uno de los efectos de la compresión es el aumento de temperatura) por lo que hay que enfriarlo un poco en el intercooler (intercambiador de calor). El aire enfriado se dirige a los colectores de admisión, por el conducto principal o por el conducto secundario de control del ralentí dependiendo de la situación requerida. La mariposa by-pass es la que comanda cuanta cantidad de aire comprimido entra en los cilindros, el sobrante sigue el recorrido hasta la entrada (de nuevo) al compresor. 
Voy a detenerme ahora un poco en el intercambiador de calor o intercooler. Bien, este dispositivo no es más que un radiador que enfría el aire de admisión, ¿porque hemos de enfriar este aire? La respuesta es muy sencilla. El aire al calentarse pierde la capacidad de portar oxígeno (de disolverlo) y si el aire entra ya caliente, contendrá menos oxígeno disuelto. Para la combustión siempre es bueno que entre la mayor cantidad de oxígeno posible, por esto lo enfriamos.
Otros esquemas, ahora de funcionamiento de este compresor:

Por último, destacar que las ventajas de este sistema eran la sencillez de funcionamiento y el control de la potencia del motor (era de funcionamiento suave). Pero la gran desventaja de su pobre estanqueidad hizo que cayera en deshuso en los años 90. La marca VW era la que mas abogaba por su uso, pero tambien los sustituyó por los compresores Roots.

Y por último, el compresor volumétrico Comprex:

Dos fotografías del conjunto del compresor (la primera) y el rótor propiamente dicho. Aunque hay que decir que este tipo de compresor no trabaja por medio de un elemento físico que comprime el aire, sino que usa el principio de las ondas de presión. Veamos un ejemplo:

Como podreis observar, este tipo de compresor usa lo mejor del compresor volumétrico y lo mejor del turbo. El compresor Comprex es accionado por la correa de transimisión conectada al cigüeñal, pero a su vez usa los gases de escape para comprimir el aire de ntrada. Mientras el rótor gira, los gases de escape del motor producen unas ondas de presión, las cuales al girar el rótor producen unos vacios que hacen que el aire de admisión gane mucha velocidad, aumentando su presión. La gran ventaja de este tipo de compresor es que en motores Diésel funciona muy bien, evitando el famoso lag o retardo en la entrega de potencia. Pero posee muchos inconvenientes, entre ellos su tamaño (demasiado grande y pesado), hace perder potencia al motor a altas revoluciones y los gases de escape calientan el aire de admisión por lo que disminuye el rendimiento.

Por hoy ya hemos terminado, el siguiente artículo versará sobre el otro tipo de sobrealimentador, el turbocompresor.

A continuación, la bibliografía consultada:

- http://www.bmwautoclub.org.ar/foro/viewtopic.php?f=6&t=20973
- http://www.taringa.net/posts/info/1139356/Sobrealimentacion-en-motores.html
- http://autofana.blogspot.com.es/2007/03/sobrealimentacin.html
- http://www.aficionadosalamecanica.com/turbo-compresores.htm
- http://www.promyges.com/index.php/productos/showproducts/id_familia/19/id_modelo/104/symfony/fn51gvq3i0horc7fa9nhpmule2
- http://www.leibat.net/admisin-aire-elevada-safari-snorkel-desde-2006-p-15212.html