3.1 Supercargador
El propósito de acoplar un supercargador a un motor es incrementar la densidad del flujo de trabajo, ya sea aire o mezcla aire-combustible, antes de introducirse en los cilindros. A comparación del método convencional o aspiración natural hace que exista una mayor cantidad de oxígeno disponible para la combustión. Consecuentemente, cada cilindro tendrá una mayor cantidad de aire y mezcla de combustible por ciclo, la cual puede ser detonada de forma eficiente durante la etapa de combustión para incrementar la potencia que entrega el motor de forma aún mayor de lo que es posible mediante otros métodos [3].
3.1.1 Fundamentos
La presión con la que el supercargador conduce al flujo de trabajo hacia los cilindros, crece cuando el motor gira a mayor velocidad. Esto ayuda a compensar la reducción de tiempo de apertura durante la etapa de admisión ya que administra la cantidad necesaria de mezcla para llenar el interior del cilindro [3]. Es así como la potencia se incrementa continuamente en proporción con la velocidad del motor, particularmente en el rango de velocidades altas. Por el contrario este efecto es difícil que se presente en los motores con aspiración natural, especialmente en los límites superiores de velocidad, puesto que los lapsos de admisión se vuelven más cortos conforme la velocidad aumenta, haciendo más difícil la entrega de carga necesaria al interior del cilindro [3].
Un supercargador correctamente seleccionado incrementará la presión media efectiva del motor a un nivel superior sin crear presiones excesivas al interior del cilindro. Vehículos diesel con aplicaciones de carga pesada son frecuentemente turbocargados con el objetivo de incrementar la presión media efectiva, el torque y la potencia; así mismo reducir la velocidad máxima del motor. Algunos otros beneficios que se obtienen al aumentar la presión media efectiva de un motor y reducir la velocidad límite del motor, son la reducción en las pérdidas mecánicas y la disminución en el nivel de ruido, así como un ahorro de consumo de combustible al igual que se eleva la expectativa de vida del motor.
Como se muestra en la FIg.17, el incremento en la presión media efectiva en el motor se ve en parte disminuido por el hecho de que el motor tiene que transferir cierta potencia para que el supercargador opere.
3.1.2 Ciclo de Operación de un Supercargador
Cuando se presuriza el sistema que entrega la carga, el ciclo superior (1, 2,3 y 4) que se muestra en la Fig. 18, representa la medida del trabajo que se realiza al mover el pistón en cada recorrido con el fin de que el cigüeñal gire. Por el contrario, el ciclo inferior (0, 1,5 y 6) que se encuentra por encima del nivel de presión atmosférica, representa el trabajo que requiere el bombear la carga fresca al interior del cilindro. Las cuatro etapas de un motor supercargado se representan de la forma siguiente: admisión (0-1), compresión (1-2), potencia (2-3-4), escape (4-5-6).
3.2 Aspiración natural
De acuerdo con la Fig.19, el área encerrada por el ciclo superior (2,3,4,5 y 6) es proporcional al trabajo útil realizado por el proceso de combustión que se lleva a cabo en cada pistón, mientras que el área encerrada en el ciclo inferior (0,1,2 y 7), que se encuentra por debajo de la línea que señala a la presión atmosférica, es una medida del trabajo que se realiza para introducir carga fresca al interior del cilindro [3]. Las cuatro etapas de un motor de aspiración natural se representan de la forma siguiente: admisión (0-1), compresión (1 -3), potencia (3-4-5), escape (5-6-7).
3.3 Turbocargador
Un motor sencillo a gasolina aprovecha hasta el 30% de la energía contenida en la gasolina para producir un trabajo útil bajo condiciones óptimas, el otro 70% de energía se pierde en factores como:
7% calor por fricción de componentes mecánicos.
9% calor aportado al entorno.
16% calor transmitido a través del sistema de enfriamiento.
38% calor en los gases expulsados por el escape.
Es así como, la mayoría de la energía se transmite al ambiente debido a factores de diseño, por los gases que salen del sistema de escape.
Un turbocargador aprovecha una porción de la energía de los gases de combustión hacia su paso al puerto de escape, cuando son expulsados del interior del cilindro al abrirse las válvulas de salida hacia el final de la carrera de potencia del pistón o aproximadamente 50° antes del PMI [3], para impulsar una turbina que a la vez hace girar un compresor centrífugo.
El turbocargador es capaz de extraer hasta un tercio de la energía de desecho que sale de los cilindros del motor para generar una potencia o trabajo de flecha en el acople de la turbina y el compresor. No obstante, dicho sistema produce un efecto negativo al incrementar la contra presión del múltiple, haciendo que la expulsión de los gases sea más difícil para cada carga de combustible que es detonada en el cilindro. Por lo tanto, se dificultará el proceso de expulsión de los gases contenidos en los cilindros durante la etapa de escape.
La energía ideal que puede ser aprovechada por el turbocargador es aquella que proviene de la descompresión cuando la válvula de escape se abre y el gas se expande hasta igualar la presión atmosférica, ver Fig.20. Esta energía de la descompresión está representada por el área del ciclo 4, 5 y 6; mientras que la energía de presurización utilizada para llenar el cilindro se representa por el área del rectángulo 0, 1, 6 y 7.
Los motores con turbocargador producen eficiencias volumétricas mayores en comparación con los que emplean sistemas de inducción natural. Así mismo, las presiones pico o máximas dentro de los cilindros son mayores, la carga mecánica se incrementa en los componentes del los motor y se puede generar una detonación anticipada del combustible. Es por eso que normalmente los motores turbocargados son reducidos en su relación de compresión en una o dos unidades [3].
3.3.1 Compensación de altitud
La potencia que genera un motor es generalmente medida a nivel del mar, ya que el aire atmosférico tiene una mayor densidad. De este modo, conforme nos alejamos del nivel sobre el mar el aire contiene una menor concentración de oxígeno y es menos denso [13]. El efecto que tiene dicho fenómeno sobre la eficiencia volumétrica de un motor CI, es una reducción en la captación de aire en el interior del cilindro, y como consecuencia se disminuye la potencia del motor, por el hecho de que la potencia está directamente relacionada con la masa de la carga de trabajo que se detona cada ciclo.
Un motor cuyo sistema de inducción sea del tipo natural tendrá una reducción del 13% de su potencia si se opera a 1000 m por encima del nivel del mar. Si los cilindros reciben la carga a través de un supercargador acoplado, le permitirá al motor desarrollar una potencia equivalente o superior a la que se puede obtener a nivel del mar [3].
Cuando un motor emplea un turbocargador para inducir aire, también pierde potencia en función de la altitud, pero dicha pérdida será considerablemente menor comparada con un sistema de aspiración natural. La razón por la cual los turbocargadores pueden compensar mediante el aumento de presión es por el incremento directamente proporcional de la velocidad de la turbina con cualquier incremento en la diferencia de presión entre los gases de escape que entran en la turbina y la presión a la salida que es equivalente a la presión del ambiente. Por lo tanto, al aumentar la altitud el aire es menos denso y la presión se reduce, pero la presión en el múltiple de escape, la cual afecta en el rotor de la turbina, permanece sustancialmente idéntica. El resultado final es que la diferencia de presiones aumenta, provocando un aumento de velocidad en la turbina y éste a su vez un incremento de presión en el compresor [3].
3.4 Conclusiones
Los factores del entorno, tales como presión atmosférica, temperatura y humedad; afectan el desempeño de los vehículos. Por otra parte, existe la forma de compensar la reducción de potencia entregada por el motor, mediante el uso de sistemas que operan para aumentar la presión con la que entra el aire a los cilindros. Ambas soluciones, ya sea un supercargador o un turbocargador, al ser adaptados a un motor debe considerarse aspectos que de otra forma pueden afectar de forma negativa el funcionamiento del mismo, por ejemplo: las presiones pico generadas por un sistema de alimentación forzada, generar esfuerzos en los componentes mecánicos capaces de llevar a la ruptura o provocar altas temperaturas que deformen los materiales.