Sobrealimentación eléctrica complementaria

Actualmente la sobrealimentación es una opción ideal para los motores térmicos, compensa la merma de respuesta al acelerador al cumplir directivas anticontaminantes más estrictas, de hecho desde hace años el turbocompresor es un elemento más del motor diésel.

En el motor de gasolina se siguen los mismos pasos utilizando el turbocompresor, y el algunos casos el compresor volumétrico.

El turbocompresor es un sistema de sobrealimentación muy eficiente al utilizar la energía de los gases de escape que no se aprovechaba, pero en principio tarda un cierto tiempo en aportar la sobrealimentación al acelerar, por lo que para su implantación en automóviles de turismo ha habido que esperar a que la tecnología tuviese soluciones para mejorar la respuesta desde bajas RPM.

El objetivo de este artículo es comentar una nueva solución técnica presentada por Audi en su modelo SQ7 TDI, el compresor eléctrico complementario. Es una idea de hace años, y ya se explica en nuestro libro “Tecnología del automóvil” pues cuando se publicó en 2010 parecía una solución inminente, pero es ahora cuando se aplica en un automóvil.

Para situar mejor esta novedad técnica se comentan antes otras soluciones para reducir el tiempo de respuesta en un motor térmico sobrealimentado. Al final se incluyen enlaces a otros artículos del blog relacionados  y también a otras páginas para ampliar la información a los interesados.

Compresor volumétrico y turbocompresor, tiempo de respuesta

Son los dos sistemas utilizados para sobrealimentar un motor y tienen estas particularidades.

1a. Compresor volumétrico; es una bomba de aire movida por el motor, imagen superior. En la imagen inferior se representan las curvas de par y potencia comparadas con el mismo motor atmosférico (sin sobrealimentación), se aprecia como hay bastante incremento de par y potencia con buena respuesta desde bajas RPM. Pero al ser arrastrado por el motor el compresor volumétrico, parte del par que aporta lo utiliza para su propio movimiento y realizar su trabajo, lo que resta algo de eficiencia.

1b. Turbocompresor; la energía de los gases de escape hace girar la turbina y esta al compresor al que está unido por un eje, el compresor está en admisión comprimiendo al aire que envía hacia el motor. El conjunto turbina y compresor es el turbocompresor. Al ser los gases de escape la energía que da movimiento al turbocompresor, hasta que no hay suficiente caudal por RPM del motor no se alcanza la velocidad que genera sobrealimentación, lo que implica cierto tiempo de respuesta al acelerar desde bajas RPM, se refleja en la imagen inferior al ver sus curvas de par y potencia. Los valores máximos son mejores que en el motor atmosférico pero llegan más tarde.

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Menos tiempo de respuesta del turbocompresor

Para obtener buen rendimiento del turbocompresor es preciso reducir el tiempo de respuesta al acelerar desde bajas RPM, hay varias opciones que se explican con las imágenes de los grupos 2 y 3.

2a. Turbocompresor más pequeño TC; al disminuir su inercia por el menor tamaño sube más rápidamente de velocidad al acelerar, pero para lograr suficiente caudal de sobrealimentación a partir de medio régimen del motor ha de girar el turbocompresor a muchas RPM, por lo que si la cilindrada es superior a la media y se busca potencia además de par no es la solución definitiva. FA es el filtro de aire e IC el intercooler, para enfriar el aire comprimido antes de entrar en los cilindros.

2b. Más de un turbocompresor; si se cuenta con dos turbos, uno pequeño TC1 con poca inercia para que entre en acción rápidamente al acelerar desde bajas RPM, y otro más grande TC2 que toma el relevo desde medias RPM, se logra que la respuesta sea adecuada desde bajo régimen manteniéndose hasta la potencia máxima, es lo que se representa en la imagen con estos complementos; dos intercooler IC1 e IC2, válvula de selección de paso en escape hacia uno u otro turbo VPETC1/2 y válvula de selección de paso en admisión por dos circuitos de sobrealimentación VPA TC1/2. Otra opción es utilizar dos turbos pequeños conectados cada uno al escape de cada grupo de cilindros.

2c. Compresor volumétrico y turbocompresor; al utilizar los dos sistemas de sobrealimentación en el mismo motor se suman sus ventajas,  buena respuesta a bajas RPM con el compresor volumétrico CV y más caudal de sobrealimentación desde medias RPM con el turbocompresor TC. Esta solución tiene la particularidad de que se han de diseñar muy bien las secuencias de actuación para que sea lineal la respuesta del motor y en deceleraciones y aceleraciones. Se ven en la imagen estos elementos; válvula de paso hacia el compresor volumétrico o turbocompresor VPCV/TC y la mariposa de gases del acelerador.

2d. Curvas de par y potencia; se representan las curvas de par y potencia con estos sistemas de sobrealimentación (2a, 2b y 2c) que reducen el tiempo de respuesta, comparadas con las de un motor con turbocompresor tradicional. Con las siguientes imágenes se ven dos posibilidades más para lograr estas curvas de par y potencia.

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3a. Turbocompresor de doble entrada TDE; se utiliza este sistema en motores de gasolina. El objetivo es evitar que el rebote de los gases de escape en los colectores, resonancia, altere la uniformidad del empuje sobre la turbina. Se logra separando las salidas de escape por grupos de cilindros, en la imagen se juntan las salidas de los cilindros 1 – 4 y 2 – 3 para incidir por dos conductos independiente sobre la entrada de la turbina. Este sistema se conoce como de doble caracola (“twin schroll”).

3b. Turbocompresor de geometría variable TGV; se utiliza más en motores diésel al no necesitar mariposa de gases. Se basa en adaptar la sección de paso de los gases de escape hacia la turbina, pequeña a bajas RPM para ir aumentando al acelerar. Como en el motor sin mariposa entran muchos gases también salen en cantidad aunque con poca velocidad a bajas RPM. En la imagen se ve el sistema de turbocompresor de geometría variable con álabes rotantes, reducen el paso de los gases de escape a bajas RPM aumentando su velocidad al incidir sobre la turbina. Al ir subiendo de régimen los álabes se van separando pues ya tienen los gases de escape presión de salida suficiente para el empuje de la turbina.

3c. Curvas de par y potencia; son las de la imagen 2d.

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Compresor eléctrico complementario

Con las informaciones facilitadas por Audi hemos elaborado esta imagen y explicaciones didácticas de esta tecnología. Es un motor diésel de 8 cilindros en V con estos elementos.

  • A1; admisión del turbo pequeño 1 desde el filtro de aire.
  • E1; salida de escape del turbo 1 a la entrada E2 del turbo grande 2.
  • A2; admisión del turbo grande 2 desde el filtro de aire.
  • VED; control selectivo de actuación de las válvulas de escape, una de cada cilindro llega a los dos turbos y la otra solamente al grande 2, esta última válvula es desconectable por sistema de distribución (Audi Valvelift).
  • Escape hacia el turbo 1 en naranja.
  • Escape hacia el turbo 2 en rojo.
  • Admisión y los dos intercooler en amarillo.
  • CE; compresor eléctrico complementario y batería de ión – litio para su funcionamiento a 48 voltios (B48V).

Al acelerar desde ralentí el compresor eléctrico entra en acción inmediatamente girando hasta 70.000 RPM (7 Kw/5 CV) lo que permite que la sobrealimentación sea efectiva desde que se comienza a acelerar (par máximo a 1.000 RPM), seguidamente entra en acción el turbo pequeño 1 y después el grande 2.

Si es necesario, en determinados momentos de funcionamiento colabora el compresor eléctrico como apoyo. Hay un convertidor para adaptar los dos valores de tensión, 12 voltios para la batería de servicio y 48 para el compresor eléctrico.

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Imágenes adicionales

Dos de Audi (5b y 5c) y un montaje nuestro con la base del Audi SQ7TDI con el sistema didáctico de sobrealimentación (5a).

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Estos son artículos del blog relacionados;

  • en la sección “Tecnologías limpias”; “Motor `down size´” (27.02.2013), “”Resonancia en los colectores” (25.09.2013) y “Combinaciones de sobrealimentación en un motor” (2.03.2016).
  • En esta sección de “Actualidad”; “Uso del automóvil con turbocompresor” (24.02.2014) y “Cogeneración térmica” (25.02.2015).
  • En el “Curso de tecnología básica”; “1.15.1 y 1.15.2. Sobrealimentación (11.05.2016 y 8.06.2016)”

Otros enlaces de interés; http://www.auto-innovations.com/index.html, http://www.km77.com/01/audi/q7/sq7/2016/informacion-fotos-precio-324489-p.html , http://www.diariomotor.com/2016/03/04/como-funcionan-los-21-turbos-del-audi-sq7-tdi/

 

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