Historia-Técnología / El compresor volumétrico celebra su 100 aniversario

 Targa Florio 1922 / Mercedes 28/95 PS 4,5 litros sobrealimentado conducido por Max Sailer.

Introducido en por la Daimler, el compresor volumétrico comenzó a usarse en automóviles a partir de abril de 1922, hace cien años, y aunque menos utilizado que el turbocompresor, este tipo de sobrealimentación todavía está muy viva.

La sobrealimentación con turbo creció durante los 70 gracias a fabricantes como Renault y Porsche que los popularizaron en competición para más tarde irse democratizando paulatinamente hasta popularizarse cuando llegó el «downsizing» en los motores térmicos actuales. Pero, a la sombra del mencionado turbo, el compresor volumétrico disfruta de una historia igualmente rica y aún más larga, ya que ahora ha llegado a los cien años.

Mientras que el turbocompresor saca energía de los gases de escape, el compresor volumétrico es accionado por el cigüeñal a través de una cadena, correa o eje. La compresión puede tener lugar allí según diferentes principios de funcionamiento (mediante engranajes o tornillos en particular). El objetivo de los dos sistemas es el mismo: forzar el llenado de aire de las cámaras de combustión para quemar más combustible en cada movimiento y así aumentar la potencia.

En cualquier caso, las patentes de estos dispositivos aplicados a motores se presentaron entre finales del siglo XIX y principios del XX. En cuanto al turbo, Louis Renault fue uno de los pioneros ya que lo utilizó a partir de 1908, pero exclusivamente para la aeronáutica. El compresor volumétrico de lóbulos inventado en 1860 por Francis Marion Roots, fue adaptado al automóvil por Daimler a partir de 1921 en el Mercedes 28/95 PS. (que es lo que se celebra actualmente).

El 2 de abril de 1922, el fabricante alemán demostró las bondades al ganar la categoría de autos de producción con una cilindrada superior a 4,5 l durante la Targa Florio con el Mercedes 28/95 PS sobrealimentado conducido por Max Sailer. En la clase sub-1.5L, el Mercedes sobrealimentado 6/40/65 PS de Paul Scheef quedó en tercer lugar. En comparación con las versiones atmosféricas, el compresor permitió casi duplicar la potencia de estos automóviles.

Durante el período de entreguerras, los principales fabricantes siguieron los pasos de Daimler y produjeron autos deportivos o de carreras con motores sobrealimentados. El Fiat 804-405, el Alfa Romeo P2 y el legendario Bugatti Type 35 se distinguieron en particular por sus motores sobrealimentados con compresores volumétricos que emitían un sonido muy característico. Mercedes marcó el final de este período con su SSK equipado con un compresor de tornillo, luego con los 500K y 540K que se derivaron de él.

Bugatti Type 35

Como es impulsado por el cigüeñal, el compresor volumétrico utiliza parte de la potencia del motor. Por lo tanto, es más adecuado para grandes cilindradas. La crisis del petróleo de 1973 contribuyó al desarrollo del turbocompresor, que permitía a pequeñas cilindradas ganar significativamente en potencia y par sin ser demasiado codicioso en consumo si se era de pies livianos.

Turbo-Compresor

En los últimos años, el endurecimiento de las normativas sobre CO2 ha dado un nuevo impulso al turbo que tuvo un gran desarrollo especialmente para mitigar su principal defecto que es la latencia en su respuesta, siendo esta última dependiente de la carga, la velocidad y el tiempo de circulación de los gases. Una vez activado, envía repentinamente su flujo de aire con este famoso efecto de «patada en las nalgas». Así se llegó a los turbos de geometría variable o a utilizar dos turbos de diferente tamaño asociados. 

El compresor volumétrico, por su parte, ofrece un comportamiento mucho más progresivo y cercano al de un mecanismo atmosférico, aumentando el par y la potencia en todo el rango de uso del motor.

En la década de 1970, mientras el turbo se desarrollaba en Europa, el compresor volumétrico mantuvo cierto atractivo en los Estados Unidos, particularmente en ciertos “muscle cars” que se ríen del consumo de combustibles.

Compresor volumétrico

Pero aún hoy en día, algunos fabricantes le son fieles al compresor. Uno de los ejemplos más notables es el V8 de 5,0 l sobrealimentado de Jaguar Land Rover, que vive sus últimos años, está equipado con un compresor Eaton (derivado del sistema Roots). También Lotus ha desarrollado la versión comprimida de un V6 de 3.5 litros de origen Toyota al Emira, que ya impulsaba ciertos Exiges y Evoras, y Toyota tomó la decisión de equipar el Yaris GRMN con un compresor en lugar de un turbo como los otros pequeños GTI contemporáneos.

Después de algunos experimentos en la década de 1980, incluido el Lancia Delta S4 del Grupo B, algunos fabricantes como Volvo o el grupo Volkswagen han ofrecido recientemente motores que combinan un compresor volumétrico dedicado a las bajas revoluciones y un turbocompresor que toma el relevo a mayores vueltas. Esto hace posible tener un motor «lleno» a todas las velocidades. En Audi, algunos modelos V6 TDI actuales utilizan este sistema, excepto que el compresor es de accionamiento eléctrico.

Compresores volumétricos los hay diferentes: El primer tipo de compresor es de tipo Roots. Tiene 2 o 3 lóbulos que, con el movimiento, arrastra el aire y lo comprime. Un ejemplo de este tipo de compresores es el Audi V6 3.0 TFSI.

Compresor volumétrico Roots

El segundo tipo se llama Twin Screw. Son dos tornillos sin fin, que son asimétricos para permitir que se cree una cámara de aire y poder bombearlo. Se usa en el Mercedes SLK 230K.

Compresor volumétrico Twin Screw

El tercer tipo es de tipo Scroll. Son dos espirales, una estática, y otra que se mueve de forma excéntrica, que va apoyándose en las paredes y moviendo una cámara de aire hasta el final del espiral. Este tipo de compresor lo monta por ejemplo, el volkwagen Corrado G60.

Compresor volumétrico Scroll

Pero de todos el compresor de desplazamiento mas popular es el de tipo «Roots», denominado «compresor de lóbulos». En este caso un par de rotores en forma de «ochos» conectados a ruedas dentadas que giran a la misma velocidad pero en sentidos contrarios bombean y comprimen el aire conjuntamente. Este compresor mas que comprimir el aire lo que hace es impulsarlo.

Los rotores se apoyan en unos cojinetes. En vista de que nunca se tocan entre si, no se desgastan. En ocasiones, los lóbulos son helicoidales y, en otras, de corte recto.

A altas revoluciones, mover el compresor le supone al motor una gran perdida de potencia, para reducir este esfuerzo marcas como la japonesa Mazda utiliza un compresor con polea de accionamiento de diámetro variable. Esto se consigue por medio de una polea que es acoplada al compresor por medio de un sistema de electroimán. Por medio de un botón se pone en funcionamiento el compresor a voluntad del conductor. Los compresores de lóbulos tienden a «pulsar» a bajas velocidades, no obstante, los de rotores helicoidales tienden a contrarrestar al máximo dichas pulsaciones. Los rotores pueden tener dos o tres lóbulo.

Una variante al compresor Roots de lóbulos rectos es el compresor Lysholm compuesto por dos piezas helicoidales que giran engranadas. El aire entra entre estas dos piezas que -al girar- disminuyen el volumen donde está alojado ese aire y aumentan su presión. El compresor Lysholm está movido normalmente por el cigüeñal mediante una correa. Mercedes lo utiliza en sus motores de gasolina sobrealimentados.

Compresor Lysholm

El calor acumulado merece una consideración importante en la operación de un compresor en un motor de combustión interna y el Roots posee la peor eficiencia térmica, especialmente para altas relaciones de compresión. Si bien los intercoolers son más conocidos por su uso en los turbocompresores, los sobrealimentadores también pueden beneficiarse de su uso.

Como acotación el diseño de Roots se usó comúnmente en motores Diésel de dos tiempos (popularizados por las divisiones Detroit Diesel y Electro-Motive de General Motors, que requieren alguna forma de alimentación forzada, ya que estos motores no disponen de una carrera de admisión separada.

Compresor Roots en un motor Diésel de 2 tiempos

En un futuro los compresores seguramente tendrán una segunda vida si se popularizan las fuel cell alimentadas por hidrógeno ya que para lograr rendimiento se debe inyectar aire comprimido en las células, en este caso el compresor sería impulsado por un motor eléctrico. Garrett Adavancing Motion ya está trabajando en un turbo eléctrico para fuel cells.

Garrett Adavancing Motion / turbo eléctrico para fuel cells

Héctor Daniel Oudkerk