¿Cómo funcionan los turbocompresores y sobrealimentadores en los motores de pistón?

Mar 09, 2024

Muchos han oído los términos; hoy los desglosamos.

Los motores producen energía quemando aire y combustible. El aire y el combustible juntos se conocen como mezcla, a veces llamada carga. En un motor de pistón, la potencia de salida del motor depende de la cantidad o peso de la carga que pueden aceptar los cilindros del motor.

El peso de la mezcla que los pistones pueden aspirar hacia los cilindros depende en gran medida de su temperatura y presión. A medida que un avión asciende, la densidad del aire reducida da como resultado una presión de aire reducida y, en última instancia, entrará menos oxígeno en los cilindros. Por esta razón, un motor normalmente aspirado pierde potencia al aumentar la altitud.

Para aumentar la potencia de un motor de pistón, puede ser turboalimentado o sobrealimentado.

Un turbocompresor comprende una turbina y un conjunto compresor. La turbina y el compresor están montados en el mismo eje; así, cuando la turbina gira, también lo hace el compresor.

El compresor de un turbocompresor está conectado directamente al sistema de admisión de los cilindros, mientras que la turbina está conectada al sistema de escape. El compresor también está expuesto a la entrada de aire del motor.

Los turbocompresores pueden aumentar la potencia del motor para el despegue y permitir que los aviones asciendan a mayores altitudes. Un motor de aspiración normal sólo puede producir una presión al nivel del mar de 29,92 pulgadas de Mercurio. A medida que asciende, la presión disminuye debido a la reducción de la densidad del aire. Con un turbocompresor, un motor puede generar mucha más potencia. Por ejemplo, uno de los motores de pistón más potentes jamás construidos, el Pratt & Whitney R-4360, que está sobrealimentado, puede producir una presión en el colector de 60 pulgadas de Mercurio al despegar, poco más del doble de la presión atmosférica normal.

Ya sea que un motor tenga turbocompresor o no, seguirá perdiendo potencia a medida que el avión asciende. Sin embargo, con un motor turboalimentado o sobrealimentado, el motor pierde potencia a un ritmo mucho menor. Esto facilita mayores altitudes y alcanzar mayores velocidades.

Cuando un turbocompresor gira, el aire fluye hacia el compresor, aumentando la presión del aire. Los compresores utilizados en los turbocompresores son en su mayoría centrífugos y están formados por dos partes principales: un impulsor y un difusor. Cuando el aire golpea el impulsor, se acelera y es expulsado hacia afuera del impulsor. Desde el impulsor, el aire, que ahora ha adquirido una importante energía cinética, pasa al difusor. El difusor consta de paletas que forman pasajes divergentes. Cuando el flujo de aire pasa a través de estos conductos, el área aumentada disminuye la velocidad del aire, aumentando su presión. Es una simple conversión de energía cinética (velocidad) en energía potencial (presión).

El conjunto de turbina de un turbocompresor es lo que hace funcionar el compresor. Para ello, los gases de escape del motor se dirigen a la turbina y la hacen girar. La cantidad de gases de escape que se permite que fluyan hacia la turbina se controla mediante algo llamado válvula de descarga.

Esta es la parte más esencial de un turbocompresor, ya que controla su velocidad o rotación. La válvula de descarga es esencialmente un mecanismo de válvula que controla la cantidad de escape que fluye hacia la turbina del turbocompresor. Cuando la válvula de descarga está completamente cerrada, casi todos los gases de escape del motor se dirigen a la turbina. Esto aumenta la velocidad de rotación de la turbina y la del turbocompresor.

La válvula de descarga debe controlarse adecuadamente para evitar unasobreimpulso situación. El exceso de potencia es una condición en la que el motor experimenta demasiada presión, lo que provoca daños graves. Hay dos métodos mediante los cuales se puede controlar la válvula de descarga. Una es darle el control de la válvula de descarga al piloto y la otra (que es el método más preferible) es tener un mecanismo automático para controlarla.

El controlador de presión absoluta (APC) controla la válvula de descarga automáticamente para evitar un aumento excesivo. El APC contiene una cápsula aneroide que puede detectar la presión en la salida del compresor del turbocompresor. Utiliza la presión del aceite de la lubricación del motor para controlar el actuador de la válvula de descarga, que cuenta con un mecanismo de resorte. Cuando se detecta demasiada presión en la salida del compresor, el APC drena el aceite del actuador de la válvula de descarga, lo que hace que el mecanismo de resorte abra la válvula de descarga, permitiendo que algunos de los gases de escape escapen a la atmósfera. Cuando el motor necesita potencia, el aceite se envía al actuador de la válvula de descarga cuando lo ordena el APC, cerrándolo y redirigiendo el escape hacia la turbina.

Por ejemplo, durante el despegue, cuando el piloto acelera a fondo, el motor funciona a su máxima capacidad, produciendo muchos gases de escape, lo que puede provocar un sobrealimentación. El APC detecta el aumento de presión que hace que se abra la válvula de descarga. Después del despegue, a medida que el avión asciende, la presión de salida del compresor disminuye. Esta reducción de presión es nuevamente detectada por el APC, que ordena a la válvula de descarga que comience a cerrarse para aumentar la velocidad de rotación del turbocompresor.

En algún momento de la subida, la compuerta de descarga se cerrará por completo y el turbocompresor alcanzará su velocidad máxima. La altitud a la que esto sucede se llamaAltitud crítica.A partir de esta altitud, la pérdida de potencia del motor en subida es cada vez mayor, alcanzando valores similares a los de un motor atmosférico.

Un turbocompresor y un sobrealimentador logran el mismo objetivo de dos maneras diferentes. Un turbocompresor es en su mayor parte una entidad separada del motor. A veces, un turbocompresor también se denomina sobrealimentador de accionamiento externo.

Un sobrealimentador es accionado internamente y es parte del motor. A diferencia de un turbocompresor, un sobrealimentador no tiene turbina. Sólo tiene un compresor accionado por el cigüeñal del motor. Debido a que el propio motor hace girar un sobrealimentador, solo se encuentran en motores muy potentes. Si se utiliza un motor menos potente, es posible que no pueda soportar la carga de un sobrealimentador.

Como un sobrealimentador también aumenta la presión del aire, al igual que un turbocompresor, se debe controlar la velocidad para evitar una presión excesiva en el motor. En un sistema sobrealimentador, la velocidad del mismo está gobernada por la palanca de potencia del motor y las RPM o palanca de control de la hélice.

La palanca de potencia determina la cantidad de aire que se dirige al compresor del sobrealimentador. A medida que la palanca de potencia se mueve hacia adelante, se envía más aire al compresor, lo que aumenta la presión del aire entregado al motor. Por esta razón, la palanca de potencia o el acelerador de un motor sobrealimentado a veces se denomina palanca de control de impulso.

Una palanca de RPM controla el ángulo de la pala de la hélice. Mover la palanca hacia adelante hace que las hojas sean más finas o planas, aumentando la velocidad o las RPM. Y mover la palanca hacia atrás hace que las palas se vuelvan más gruesas, lo que disminuye las RPM. Esta función puede afectar significativamente la velocidad de rotación de un sobrealimentador.

La combinación de la palanca de potencia y la palanca de RPM determina el rendimiento del sobrealimentador.

El control automático de impulso (ABC) es un sistema en un motor sobrealimentado que controla automáticamente la válvula del acelerador para mantener una presión de impulso constante.

La alta densidad en el suelo y en altitudes bajas puede provocar que el sobrealimentador produzca una presión excesiva, lo que puede dañar el motor a largo plazo. En este caso, la válvula del acelerador no puede abrirse completamente para limitar la cantidad de aire que ingresa al sobrealimentador y, por lo tanto, al motor.

A grandes altitudes, la presión se pierde debido a la reducción de la densidad del aire, detectada por el ABC, que abre la válvula de mariposa.

Cuando el motor está al ralentí en el suelo, la válvula de mariposa se abre parcialmente para que no haya riesgo de sobrepresión. Recuerde que a medida que gira el motor, también lo hace el sobrealimentador. En el suelo, con presiones más altas, combinadas con el aumento de presión del sobrealimentador, se puede desarrollar una sobrepresión dentro del motor.

A medida que el avión asciende, la válvula de mariposa se abre cada vez más para compensar la pérdida de presión hasta que se alcanza una altitud en la que la válvula de mariposa está completamente hacia adelante. Esta altitud se conoce comoAltitud de aceleración máxima (FTH).

Cuando a una aeronave se le permite ascender en suRPM nominalesyimpulso nominal, su FTH se conoce como suAltitud nominal, peroLos pilotos pueden aumentar o disminuir la altitud FTH.

Si la intención es aumentar la altitud FTH, la aeronave puede volar aRPM nominalescon unImpulso inferior al nominal.En esta condición, a medida que las RPM o la velocidad del motor se mantienen en su valor nominal, el controlador de impulso abre lentamente la válvula del acelerador durante el ascenso, aumentando la altitud FTH.

Si la intención es disminuir la altitud FTH, la aeronave puede volar aimpulso nominalconRPM inferiores a las nominales . Dado que las RPM o la velocidad del motor son menores que su valor nominal, el controlador de impulso abre rápidamente la válvula del acelerador durante el ascenso, aumentando la altitud FTH.

Periodista - Anas, piloto de Airbus A320, tiene más de 4.000 horas de experiencia de vuelo. Está entusiasmado de aportar su experiencia operativa y de seguridad a Simple Flying como miembro del equipo de redacción. Con sede en Maldivas.