Funcionamiento de los Supercargadores y Turbosupercargadores en el motor de un avión

Para aumentar la potencia de un motor, los fabricantes han desarrollado sistemas de inducción forzada llamados sistemas de sobrealimentación y turboalimentación. Ambos comprimen el aire de admisión para aumentar su densidad. 

La diferencia clave radica en el suministro de energía. Un sobrealimentador depende de una bomba de aire o compresor accionado por el motor, mientras que un turbocompresor obtiene su energía de la corriente de escape que pasa por una turbina, que a su vez hace girar el compresor. Las aeronaves con estos sistemas tienen un manómetro de presión del colector, que muestra el MAP dentro del colector de admisión del motor.

En un día estándar a nivel del mar con el motor apagado, el manómetro del colector indica la presión atmosférica absoluta del ambiente de 29,92 "Hg. Dado que la presión atmosférica disminuye aproximadamente 1 "Hg por cada 1.000 pies de aumento de altitud, el manómetro del colector indica aproximadamente 24,92 "Hg en un aeropuerto que está a 5.000 pies sobre el nivel del mar con condiciones diurnas estándar.

A medida que una aeronave de aspiración normal asciende, acaba alcanzando una altitud en la que el MAP es insuficiente para un ascenso normal. Este límite de altitud se conoce como el techo de servicio de la aeronave, y se ve directamente afectado por la capacidad del motor para producir potencia. 

 Si el aire de inducción que entra en el motor está presurizado, o potenciado, por un sobrealimentador o un turbocompresor, el techo de servicio del avión puede aumentar. Con estos sistemas, una aeronave puede volar a mayor altura con la ventaja de una mayor velocidad real del aire y una mayor capacidad para circunnavegar las condiciones meteorológicas adversas.

Funcionamiento de los Supercargadores en el avión (Superchargers)

Un supercargador es una bomba de aire o un compresor accionado por el motor que suministra aire comprimido al motor para proporcionar una presión adicional al aire de inducción, de modo que el motor pueda producir más potencia. Aumenta la presión del colector y fuerza la mezcla de combustible y aire en los cilindros. Una mayor presión del colector aumenta la densidad de la mezcla de combustible y aire y aumenta la potencia que puede producir un motor. Con un motor de aspiración normal, no es posible tener una presión del colector superior a la presión atmosférica existente. Un supercargador es capaz de aumentar la presión del colector por encima de 30 "Hg.

Por ejemplo, a 8.000 pies, un motor típico puede ser capaz de producir el 75% de la potencia que podría producir a nivel medio del mar (MSL) porque el aire es menos denso a mayor altitud. El sobrealimentador comprime el aire a una mayor densidad, lo que permite que un motor sobrealimentado produzca la misma presión en el colector a mayor altitud que la que podría producir a nivel del mar. Así, un motor a 8.000 pies MSL podría seguir produciendo 25 "Hg de presión en el colector mientras que, sin un supercargador, sólo podría producir 22 "Hg. 

Los Supercargadores son especialmente valiosos en altitudes elevadas (como 18.000 pies) donde la densidad del aire es el 50% de la del nivel del mar. El uso de un supercargador en muchos casos suministrará aire al motor con la misma densidad que a nivel del mar. 

Los componentes de un sistema de inducción sobrealimentado son similares a los de un sistema normalmente aspirado, con la adición de un sobrealimentador entre el dispositivo de medición de combustible y el colector de admisión. Un sobrealimentador es accionado por el motor a través de un tren de engranajes a una velocidad, dos velocidades o velocidades variables. Además, los Supercargadores pueden tener una o más etapas. Cada etapa también proporciona un aumento de la presión y los supercargadores pueden clasificarse como de una etapa, de dos etapas o de varias etapas, en función del número de veces que se produce la compresión.

Una primera versión de un supercargador de una sola etapa y una sola velocidad puede denominarse supercargador a nivel del mar. Un motor equipado con este tipo de sobrealimentación se denomina motor a nivel del mar. Con este tipo de sobrealimentación, se utiliza un único impulsor accionado por engranajes para aumentar la potencia producida por un motor en todas las altitudes. El inconveniente de este tipo de sobrealimentación es que la potencia del motor disminuye al aumentar la altitud.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Los Supercargadores de una sola etapa y una sola velocidad se encuentran en muchos motores radiales de alta potencia y utilizan una toma de aire orientada hacia delante para que el sistema de inducción pueda aprovechar al máximo el aire de ariete. El aire de admisión pasa a través de conductos a un carburador, donde el combustible se dosifica en proporción al flujo de aire. 

A continuación, la carga de combustible-aire es conducida al sobrealimentador, o impulsor del soplador, que acelera la mezcla de combustible-aire hacia el exterior. Una vez acelerada, la mezcla de combustible y aire pasa a través de un difusor, donde la velocidad del aire se cambia por energía de presión. Tras la compresión, la mezcla de combustible y aire resultante a alta presión se dirige a los cilindros.

Algunos de los grandes motores radiales desarrollados durante la Segunda Guerra Mundial tienen un sobrealimentador de una etapa y dos velocidades. Con este tipo de sobrealimentación, un solo impulsor puede funcionar a dos velocidades. La velocidad baja del impulsor suele denominarse ajuste de soplado bajo, mientras que la velocidad alta del impulsor se denomina ajuste de soplado alto. En los motores equipados con un supercargador de dos velocidades, una palanca o interruptor en la cabina de vuelo activa un embrague accionado por aceite que cambia de una velocidad a la otra.

En condiciones normales, el despegue se realiza con el supercargador en la posición de baja potencia. En este modo, el motor funciona como un motor impulsado en tierra, y la potencia de salida disminuye a medida que la aeronave gana altitud. Sin embargo, una vez que la aeronave alcanza una altitud determinada, se produce una reducción de potencia y el control del sobrealimentador pasa a la posición de soplador alto. A continuación, el acelerador se reajusta a la presión de colector deseada. Un motor equipado con este tipo de sobrealimentación se denomina motor de altitud.

Funcionamiento de los Turbosupercargadores (Turbosuperchargers)

El método más eficaz para aumentar la potencia de un motor es el uso de un turbosupercargador o turbocompresor. 

Instalado en un motor, este reforzador utiliza los gases de escape del motor para accionar un compresor de aire y aumentar la presión del aire que entra en el motor a través del carburador o del sistema de inyección de combustible para aumentar la potencia a mayor altura.

La principal desventaja del supercargador accionado por engranajes -el uso de una gran cantidad de la potencia del motor para la cantidad de aumento de potencia producida- se evita con un turbocompresor porque los turbocompresores se alimentan de los gases de escape del motor. Esto significa que un turbocompresor recupera la energía de los gases de escape calientes que de otro modo se perdería.

Una segunda ventaja de los turbocompresores sobre los supercargadores es la capacidad de mantener el control sobre la potencia nominal del motor desde el nivel del mar hasta la altitud crítica del motor. La altitud crítica es la máxima altitud a la que un motor turboalimentado puede producir su potencia nominal. Por encima de la altitud crítica, la potencia comienza a disminuir como lo hace un motor de aspiración normal. 

Los turbocompresores aumentan la presión del aire de inducción del motor, lo que permite que éste desarrolle una mayor potencia a nivel del mar o a mayor altura. Un turbocompresor se compone de dos elementos principales: un compresor y una turbina. La sección del compresor alberga un impulsor que gira a gran velocidad. A medida que el aire de inducción es arrastrado a través de las palas del impulsor, éste acelera el aire, permitiendo que un gran volumen de aire sea arrastrado al interior del alojamiento del compresor. La acción del impulsor produce posteriormente un aire de alta presión y alta densidad que se suministra al motor.

Para hacer girar el impulsor, los gases de escape del motor se utilizan para accionar una rueda de turbina que está montada en el extremo opuesto del eje de transmisión del impulsor. Al dirigir diferentes cantidades de gases de escape para que fluyan sobre la turbina, se puede extraer más energía, haciendo que el impulsor suministre más aire comprimido al motor. 

La compuerta de residuos, esencialmente una válvula de mariposa ajustable instalada en el sistema de escape, se utiliza para variar la masa de gases de escape que fluye hacia la turbina. Cuando está cerrada, la mayoría de los gases de escape del motor son forzados a fluir a través de la turbina. Cuando está abierta, los gases de escape pueden eludir la turbina fluyendo directamente a través del tubo de escape del motor.

Dado que la temperatura de un gas aumenta cuando se comprime, la turboalimentación hace que aumente la temperatura del aire de inducción. Para reducir esta temperatura y disminuir el riesgo de detonación, muchos motores turboalimentados utilizan un intercooler. Este pequeño intercambiador de calor utiliza el aire exterior para enfriar el aire comprimido caliente antes de que entre en el dispositivo de medición de combustible.

Funcionamiento del sistema 

En la mayoría de los motores modernos con turbocompresor, la posición de la compuerta de residuos se rige por un mecanismo de control sensible a la presión acoplado a un actuador. El aceite del motor dirigido hacia este actuador o fuera de él mueve la posición de la compuerta de residuos. En estos sistemas, el actuador se posiciona automáticamente para producir el MAP deseado simplemente cambiando la posición del control del acelerador.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Turbocharger (Turbocargador)

El Turbocargador incorpora una turbina que es accionada por los gases de escape y un compresor que presuriza el aire entrante.

Throttle body (Cuerpo de la mariposa/acelerador)

Esto regula el flujo de aire hacia el motor.

Intake manifold (Colector de admisión)

El aire presurizado del turbocompresor se suministra a los cilindros.

Waste gas (Gases residuales)

Esto controla la cantidad de escape a través de la turbina. La posición de la compuerta de residuos posición es accionada por la presión del aceite del motor.

Air intake (Toma de aire/Entrada de aire)

El aire de admisión es conducido al turbocompresor donde es se comprime.

Exhaust manifold (Colector de escape)

Los gases de escape se conducen a través del colector de escape y se utiliza para hacer girar la turbina que acciona el el compresor.

Otros diseños de sistemas de turboalimentación utilizan un control manual separado para posicionar la compuerta de residuos. Con el control manual, el manómetro del colector debe ser monitoreado de cerca para determinar cuándo se ha alcanzado el MAP deseado. Los sistemas manuales se encuentran a menudo en aeronaves que han sido modificadas con sistemas de turbocompresión del mercado de accesorios. Estos sistemas requieren consideraciones especiales de funcionamiento. 

Por ejemplo, si la compuerta de residuos se deja cerrada después de descender de una gran altitud, es posible que se produzca una presión en el colector que exceda las limitaciones del motor. Esta condición, denominada sobrealimentación, puede producir una detonación grave debido al efecto de inclinación resultante del aumento de la densidad del aire durante el descenso.

Aunque es menos probable que un sistema automático de compuerta de desecho experimente una condición de sobrealimentación, aún puede ocurrir. Si se aplica la potencia de despegue mientras la temperatura del aceite del motor está por debajo de su rango de funcionamiento normal, el aceite frío puede no fluir fuera del actuador de la compuerta de residuos lo suficientemente rápido como para evitar un sobreimpulso. Para ayudar a evitar el sobreimpulso, avance el acelerador con precaución para evitar que se superen los límites de la presión máxima del colector.

Un piloto que vuele una aeronave con turbocompresor debe ser consciente de las limitaciones del sistema. Por ejemplo, la turbina y el impulsor de un turbocompresor pueden funcionar a velocidades de rotación superiores a 80.000 rpm y a temperaturas extremadamente altas. Para lograr una alta velocidad de rotación, los cojinetes del sistema deben recibir constantemente aceite de motor para reducir las fuerzas de fricción y la alta temperatura. Para obtener una lubricación adecuada, la temperatura del aceite debe estar en el rango de funcionamiento normal antes de aplicar los ajustes de aceleración elevados.

Además, deje que el turbocompresor se enfríe y que la turbina reduzca su velocidad antes de apagar el motor. De lo contrario, el aceite que queda en el alojamiento de los cojinetes hervirá, haciendo que se formen depósitos de carbón duro en los cojinetes y el eje. Estos depósitos deterioran rápidamente la eficacia y la vida útil del turbocompresor. Para más limitaciones, consulte el AFM/POH.

Rendimiento del avión a gran altura (High Altitude Performance)

A medida que una aeronave equipada con un sistema de turbocompresor asciende, la compuerta de residuos se cierra gradualmente para mantener la presión máxima permitida en el colector. En algún momento, la compuerta de residuos se cierra por completo y los nuevos aumentos de altitud hacen que la presión del colector disminuya. Esta es la altitud crítica, establecida por el fabricante del avión o del motor. Al evaluar el rendimiento del sistema de turbocompresión, tenga en cuenta que si la presión del colector comienza a disminuir antes de la altitud crítica especificada, el motor y el sistema de turbocompresión deben ser inspeccionados por un técnico de mantenimiento de aviación (AMT) calificado para verificar que el sistema funciona correctamente.

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Verificar y confirmar la información con personal aeronáutico certificado y documentación certificada.

Fuente: La información (texto e imágenes) utilizado para este artículo está basado en el manual de la FAA (Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge - FAA-H-8083-25B) y manuales de instrucción de centros académicos aeronáuticos.