Un motor de gasolina libera energía quemando combustible, y el combustible necesita oxígeno para arder. En un motor normal, el pistón aspira aire a una presión cercana a la atmosférica, así que la cantidad de aire por carrera está limitada por el tamaño del cilindro. Un turbocompresor o un sobrealimentador es un compresor que empuja el aire a mayor presión, de modo que el mismo cilindro contiene más. Las cifras de abajo son física de libro de texto, no datos de banco de potencia de ningún coche real.
Más aire, más combustible, más potencia
La mezcla que necesita un motor de gasolina viene fijada por la química: unos 14.7 kg de aire por cada 1 kg de gasolina para una combustión completa (la relación estequiométrica). Fijada esa relación, el combustible que puedes quemar es proporcional a la masa de aire que cabe en el cilindro. La potencia es aproximadamente proporcional al combustible quemado, así que duplicar la masa de aire permite quemar unas el doble de combustible. En la práctica la ganancia es algo menor, pero la masa de aire es lo que decide.
La masa de aire es densidad por volumen. El volumen del cilindro es fijo, así que la única forma de subir la masa es subir la densidad. Eso es todo lo que hace la sobrealimentación forzada.
La presión de sobrealimentación es manométrica
Un manómetro de sobrealimentación mide la presión por encima del aire que lo rodea, llamada presión manométrica. El motor se preocupa por la presión absoluta, que es la lectura del manómetro más la presión atmosférica. Al nivel del mar, la presión atmosférica estándar es de 1.013 bar (unos 14.7 psi). Así que con 1 bar de sobrealimentación:
presión absoluta = 1.013 + 1 = 2.013 bar
La relación es 2.013 ÷ 1.013 = 1.987, así que 1 bar de sobrealimentación casi exactamente duplica la presión. Medio bar da 1.513 ÷ 1.013 = 1.49 veces, y 1.5 bar da 2.513 ÷ 1.013 = 2.48 veces.
La densidad y por qué el calor la estropea
Para el aire tratado como gas ideal, P = ρ × R × T, así que la densidad es ρ = P ÷ (R × T), con T en kelvin y R = 287 J/(kg·K) para el aire. A 20 °C (293.15 K) y 1.013 bar, la densidad es 101,300 ÷ (287.05 × 293.15) = 1.204 kg/m³, o 1.204 g por litro.
Solo la presión lo duplicaría. Pero comprimir un gas lo calienta. Para un compresor ideal sin pérdidas de calor, la temperatura de salida es T₂ = T₁ × (P₂ ÷ P₁)^0.2857, donde 0.2857 es (γ − 1) ÷ γ para el aire con γ = 1.4. Usando la relación de presiones de 1.987:
- 1.987^0.2857 = 1.217
- T₂ = 293.15 × 1.217 = 356.7 K, que equivale a 83.5 °C
Ese es el mejor caso. Los compresores reales funcionan más calientes. El aire caliente es menos denso. Ahora la densidad es de 2.013 bar a 356.7 K, es decir, 1.987 × (293.15 ÷ 356.7) = 1.633 veces la original, no 1.987 veces. El calor se ha llevado el 18% de la densidad por la que habías pagado.
Un intercooler es un radiador para el aire comprimido. Supongamos que enfría la carga de aire a 40 °C (313.15 K). La densidad es entonces 1.987 × (293.15 ÷ 313.15) = 1.860 veces la original, lo que es un 14% más que los 1.633 sin enfriar (1.860 ÷ 1.633 = 1.139).
Por litro de cilindro, eso son 1.204 g de aire sin sobrealimentar y 1.204 × 1.860 = 2.24 g con intercooler. A 14.7 a 1, el combustible que va con ello es 0.082 g frente a 0.152 g. Son cifras ideales, con un cilindro que se llena por completo.
Turbocompresor: movido por el escape
Un turbocompresor pone una turbina en la corriente de escape. El gas caliente la hace girar, y un eje la une al compresor del lado de admisión. No hay conexión mecánica con el cigüeñal.
El inconveniente es que responde al caudal de escape. A pocas revoluciones y con el acelerador suave hay poco gas para hacer girar la turbina, así que se genera poca sobrealimentación. La velocidad del motor a la que llega una sobrealimentación útil es el umbral de sobrealimentación. Tras una apertura brusca del acelerador, la turbina y el compresor tienen que acelerar, y el flujo de gas tiene que crecer, antes de que suba la presión. Ese retardo es el turbo lag. Una wastegate deja que el escape pase de largo la turbina una vez alcanzada la presión objetivo, lo que impide que la sobrealimentación siga subiendo cuando aumenta el caudal de escape.
Sobrealimentador: movido por una correa
Un sobrealimentador lo mueve el cigüeñal, normalmente mediante una correa. Su velocidad sigue a la del motor, así que la sobrealimentación está disponible casi desde el ralentí y responde en cuanto se abre el acelerador.
El precio es la pérdida parásita: el compresor toma su potencia del cigüeñal. El trabajo mínimo para comprimir aire es cp × T₁ × (relación^0.2857 − 1) por kilogramo, con cp = 1,005 J/(kg·K). Eso da 1,005 × 293.15 × 0.2168 = 63.9 kJ/kg. Para un caudal de aire supuesto de 0.1 kg/s, son 6.4 kW, u 8.6 hp, como mínimo; un compresor real necesita más. Un turbo necesita el mismo trabajo de compresión, pero lo toma del escape, a costa de cierta contrapresión.
Ambos hacen el mismo trabajo: subir la presión absoluta del aire de admisión. El turbo obtiene su energía del escape y llega con las revoluciones. El sobrealimentador la toma del cigüeñal y llega de inmediato. Enfriar la carga después es lo que mantiene la densidad por la que pagaste.
Qué buscar en un gráfico de banco de potencia
Un motor sobrealimentado con compresor suele mostrar un par fuerte a bajas revoluciones, mientras que el par de un motor turbo sube a medida que se genera sobrealimentación. La fórmula de la entrada sobre la gráfica del banco, hp = par × rpm ÷ 5,252, sigue siendo válida. Las relaciones de transmisión deciden entonces cuánto aprovechas la curva; mira artículo sobre relaciones de marcha.
En el juego
Pink Slip Kings incluye la sobrealimentación entre los ajustes que puedes modificar en su puesta a punto, y un banco de potencia para comparar caballos y par. Su ficha no describe turbocompresores, sobrealimentadores ni intercoolers, así que la física de aquí es contexto del mundo real, no una descripción de cómo el juego los modela. El juego está en pruebas cerradas.
Pink Slip Kings: Drag Racing es un juego de carreras de aceleración en 3D con control manual de arranque y cambios, puesta a punto detallada de las relaciones de transmisión, relación final, sobrealimentación y revoluciones de salida, un banco de potencia, telemetría y hojas de tiempos de carrera. Funciona sin conexión, sin anuncios ni compras dentro de la app, y su dinero y sus coches del juego no se pueden comprar ni cambiar por dinero real. El juego está actualmente en pruebas cerradas.