Sobrealimentadores y turboalimentadores en la aviación
Para aumentar la potencia de un motor, los fabricantes han desarrollado sistemas de inducción forzada llamados sistemas sobrealimentadores y turboalimentadores.

Ambos comprimen el aire de admisión para aumentar su densidad. La diferencia clave está en la fuente de poder. Un sobrealimentador se basa en una bomba de aire impulsada por el motor o compresor, mientras que un turboalimentador obtiene su energía de la corriente de los gases de escape que pasa a través de una turbina, que a su vez hace girar el compresor. Las aeronaves con estos sistemas tienen un medidor de presión de admisión, que muestra MAP dentro del múltiple de admisión del motor.

En un día estándar a nivel del mar con el motor apagado, el indicador de presión de admisión indica la presión absoluta del aire ambiente de 29.92″ de Hg.

Debido a que la presión atmosférica disminuye aproximadamente 1″ de Hg por cada 1.000 pies de aumento de la altura, el medidor de presión indicará aproximadamente 24,92″ de Hg en un aeropuerto que está a 5.000 pies sobre el nivel del mar con las condiciones de un día estándar.

Cuando un avión normalmente aspirado asciende, eventualmente alcanza una altitud donde la MAP no es suficiente para un ascenso normal. Esa altitud límite es el techo de servicio de la aeronave, y está directamente afectado por la capacidad del motor para producir potencia. Si el aire que entra al motor es presurizado, o impulsado, ya sea por un sobrealimentador o un turboalimentador, el techo de servicio de la aeronave puede ser aumentado. Con estos sistemas, un avión puede volar a mayores altitudes, con la ventaja de mayores velocidades verdaderas y mayor capacidad de circunnavegar el mal tiempo.

Sobrealimentadores
Un sobrealimentador es una bomba de aire impulsada por el motor o compresor que suministra aire comprimido al motor para proporcionar una presión adicional al aire de admisión de modo que el motor puede producir potencia adicional. Aumenta la presión en el colector y fuerza la mezcla de combustible/aire en los cilindros. A mayor presión de admisión, más densa es la mezcla de combustible/aire, y mayor es la potencia que puede producir un motor. Con un motor normalmente aspirado, no es posible tener una presión de admisión superior a la presión atmosférica existente.

Un sobrealimentador es capaz de aumentar la presión de admisión por encima de 30″ de Hg. Por ejemplo, a 8.000 pies un motor típico puede ser capaz de producir 75 por ciento de la potencia que podría producir a nivel del mar (MSL) porque el aire es menos denso a mayor altura. El sobrealimentador comprime el aire a una mayor densidad permitiendo a un motor sobrealimentado producir la misma presión de admisión a mayores altitudes, como podría producir a nivel del mar.

Así, un motor a 8.000 pies MSL podría producir 25″ Hg de presión de admisión donde sin sobrealimentador podría producir sólo 22″ de Hg. Los sobrealimentadores son especialmente valiosos a gran altura (por ejemplo, 18.000 pies), donde la densidad del aire es del 50 por ciento de la de nivel del mar. El uso de un compresor en muchos casos suministrará aire al motor a la misma densidad que lo hizo a nivel del mar.

Con un motor normalmente aspirado, no es posible tener la presión de admisión superior a la presión atmosférica existente. Un compresor es capaz de aumentar la presión de admisión por encima de 30″ de Hg.

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 del combustible y el múltiple de admisión. El sobrealimentador es impulsado por el motor a través de un tren de engranajes a una velocidad, a dos velocidades o a velocidades variables. Además, los sobrealimentadores pueden tener una o más etapas.

Cada etapa proporciona un aumento de la presión y los sobrealimentadores pueden clasificarse como de una sola etapa, de dos etapas, o multi etapas, en función del número de veces que ocurre una compresión.

Una versión inicial de un sobrealimentador de una sola etapa, y de una sola velocidad puede ser denominada como un sobrealimentador de nivel del mar. Un motor equipado con este tipo de compresor se llama un motor de nivel del mar. Con este tipo de sobrealimentador, un impulsor de un solo engranaje se utiliza para aumentar la potencia producida por un motor a todas las altitudes.

El inconveniente con este tipo de compresor es una disminución en la potencia del motor con un aumento de la altitud.

Los compresores de una etapa y una sola velocidad se encuentran en muchos motores radiales de gran potencia y utilizan una toma de aire que se enfrenta hacia adelante para que el sistema de inducción pueda aprovechar al máximo el aire a velocidad. El aire de admisión pasa a través de conductos a un carburador, donde el combustible se mide en proporción al flujo de aire. La carga de combustible/aire luego se conduce al sobrealimentador, o un impulsor soplador, que acelera la mezcla de combustible/aire. Una vez acelerada, la mezcla de combustible/aire pasa a través de un difusor, donde se convierte la velocidad del aire en energía de presión. Después de la compresión, la mezcla combustible/aire 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 sola etapa y dos velocidades. Con este tipo de compresor, un solo impulsor puede ser operado a dos velocidades. La velocidad baja del impulsor se refiere a menudo como ajuste de soplador bajo, mientras que la velocidad del impulsor alta se llama ajuste alto del soplador. En los motores equipados con un sobrealimentador de dos velocidades, una palanca o interruptor en la cabina activa un embrague de accionamiento por aceite que cambia de una velocidad a la otra.

Bajo operaciones normales, el despegue se realiza con el sobrealimentador en la posición baja del soplador. En este modo, el motor funciona como un motor de auto, y la potencia de salida disminuye a medida que la altitud aumenta. Sin embargo, una vez que el avión alcanza una altura especificada, se reduce la potencia, y el control del sobrealimentador se conmuta a la posición alta. El acelerador se establece a la presión de admisión deseada. Un motor equipado con este tipo de sobrealimentador se llama motor de altitud.

Turboalimentadores
El método más eficiente de incrementar la potencia en un motor es mediante el uso de un turboalimentador o turbocompresor. Instalado en un motor, este impulsor utiliza los gases de escape del motor para accionar un compresor de aire para 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 mayor desventaja de un sobrealimentador impulsado por el motor (el uso de gran cantidad de potencia del motor para la cantidad de aumento de potencia producida) se evita con un turboalimentador, porque los turbocompresores son accionados por los gases de escape de un motor. Esto significa un turbocompresor recupera energía de los gases de escape calientes que de otro modo se perderían.

Una segunda ventaja de los turboalimentadores sobre los sobrealimentadores es la capacidad de mantener el control sobre la potencia nominal de un motor desde el nivel del mar hasta la altitud crítica del motor. La altitud crítica es la altitud máxima a la que un motor turboalimentado puede producir su potencia nominal.

Por encima de la altitud crítica, la producción de potencia comienza a disminuir al igual que lo hace un motor normalmente aspirado.

Los turboalimentadores aumentan la presión del aire de entrada del motor, lo que permite que el motor desarrolle la potencia del nivel del mar o mayor aún a mayores altitudes. Un turbocompresor se compone de dos elementos principales: una turbina y un compresor.

La sección del compresor aloja un impulsor que gira a una alta velocidad. Cuando aire de inducción pasa a través de los álabes del impulsor, éste acelera el aire, lo que permite que un gran volumen de aire sea arrastrado al alojamiento del compresor. La acción del impulsor posteriormente produce aire a alta presión y alta densidad, que es suministrado al motor. Para girar el impulsor, se utilizan los gases de escape del motor para accionar una turbina que está montada en el extremo opuesto del eje de accionamiento del impulsor.

Dirigiendo diferentes cantidades de gases de escape sobre la turbina, se puede extraer más energía, haciendo que el impulsor suministre más aire comprimido al motor. La válvula de desagüe, esencialmente una válvula mariposa ajustable instalada en el sistema de escape, se utiliza para variar la masa de los gases de escape que fluyen por la turbina. Cuando está cerrada, la mayoría de los gases de escape del motor se ven forzados a fluir a través de la turbina. Cuando está abierta, a los gases de escape se les permite evitar la turbina haciéndolos fluir directamente a través del escape del motor.

Puesto que la temperatura de un gas se eleva cuando se comprime, el turbocompresor hace aumentar la temperatura del aire de admisión. Para reducir esta temperatura y disminuir el riesgo de detonación, muchos motores turboalimentados utilizan un intercambiador de calor (intercooler). Este intercambiador de calor utiliza el aire exterior para enfriar el aire comprimido caliente antes de entrar en el dispositivo de medición de combustible.

Funcionamiento del sistema
En los motores turboalimentados modernos, la posición de la válvula de desagüe está regulada por un mecanismo de control medidor presión acoplado a un actuador. El aceite del motor dirigido hacia o desde este actuador mueve la posición de la válvula. En estos sistemas, el actuador se posiciona automáticamente para producir la MAP deseada, simplemente cambiando la posición del acelerador.

Otros diseños de sistemas de turbocompresión utilizan un control manual separado para posicionar la válvula de descarga. Con el control manual, el indicador de presión de admisión debe ser monitoreado de cerca para determinar cuándo se ha logrado la MAP deseada.

Los sistemas manuales se encuentran a menudo en los aviones que han sido modificados con sistemas turboalimentadores instalados posterior a la venta. Estos sistemas requieren consideraciones de operación especiales. Por ejemplo, si la válvula queda cerrada luego de descender de gran altura, es posible producir una presión de admisión que supere las limitaciones del motor. Esta condición, de presión excesiva, puede producir detonación severa debido al efecto de empobrecimiento de la mezcla, resultante del aumento de la densidad del aire durante el descenso.

A pesar que un sistema automático de válvula de descarga es menos propenso a experimentar una condición de sobrepresión, todavía puede ocurrir. Si la potencia de despegue se aplica mientras la temperatura del aceite del motor está por debajo de su rango de operación normal, el aceite frío podría no fluir fuera del actuador de la válvula con la suficiente rapidez para evitar una sobrepresión. Para ayudar a prevenir esto, avance el acelerador con cuidado para evitar exceder los límites máximos de presión de admisión.

Un piloto volando un avión con un turboalimentador debe ser consciente de las limitaciones del sistema. Por ejemplo, la turbina y el compresor del turboalimentador pueden operar a velocidades de rotación que exceden las 80.000 rpm a temperaturas extremadamente altas.

Para lograr una alta velocidad de rotación, los cojinetes del sistema deben ser alimentados constantemente con aceite de motor para reducir las fuerzas de fricción y altas temperaturas. Para obtener una lubricación adecuada, la temperatura del aceite debe estar en el rango de operación normal antes de aplicar acelerador al máximo. Además, permita que el turboalimentador se enfríe y la turbina desacelere antes de detener el motor.

De lo contrario, aceite remanente en el alojamiento del cojinete hervirá, formando depósitos de carbón en los cojinetes y el eje. Estos depósitos deterioran rápidamente la eficiencia y la vida de útil del turboalimentador. Para ver limitaciones adicionales consulte el manual de vuelo/POH.

Rendimiento a grandes altitudes
A medida que una aeronave equipada con turboalimentador asciende, la válvula de descarga se cierra gradualmente para mantener la máxima presión de admisión permitida. En algún momento, la válvula de descarga estará totalmente cerrada y los aumentos de altitud harán que la presión de admisión disminuya.

Esta es la altitud crítica, que es establecida por el fabricante de la aeronave o del motor. Al evaluar el desempeño del sistema turboalimentador, tenga en cuenta que si la presión de admisión comienza a disminuir antes de la altitud crítica especificada, el motor y el sistema de sobrealimentación debe ser inspeccionado por un técnico de aviones calificado para verificar el correcto funcionamiento del sistema.

Bibliografía.

U.S. Department of Transportation

Federal Aviation Administration