INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DEL AUTOMÓVIL – Módulo 7

En esta lección se van a explicar:

    • Sobrealimentación
    • Llenado del motor con aire a presión
    • Energía de los gases de escape, el turbocompresor
    • Componentes y funcionamiento del turbocompresor
    • Lubricación y refrigeración del turbocompresor
    • Particularidades de uso del motor con turbocompresor
    • Aplicaciones del turbocompresor en motor de gasolina y diésel

Concepto de sobrealimentación

Concepto de llenado del motor con aire a presión; sobrealimentación

    • Se representa el motor de un automóvil
    • Identificando la entrada de aire de admisión y la aportación de combustible
    • Si se llena el motor con aire a presión, como se ve conceptualmente… y se aporta el combustible adicional correspondiente
    • Es como si se aumentase el tamaño del motor en relación con sus mejores prestaciones
    • Aire a presión es la sobrealimentación del motor
    • La sobrealimentación es como tener un motor de mayor tamaño y prestaciones al acelerar

Sobrealimentación por turbocompresor; energía de los gases de escape

El objetivo es introducir en el cilindro aire a presión en el tiempo de admisión, así se hace. Se ve el motor de cuatro cilindros en línea desde arriba, en planta:

    • Se incorpora entre admisión y escape el turbocompresor; es una turbina (similar a las aspas de un ventilador) en la salida de los gases de escape y unida a otra en la entrada de admisión después del filtro de aire, esta segunda turbina se denomina compresor y el conjunto es el turbocompresor
    • Con el motor en marcha, la energía de los gases de escape hace girar la turbina que por el eje de conexión arrastra al compresor, éste aspira aire a través del filtro y lo envía al motor a presión, de forma proporcional a la velocidad de giro del turbocompresor. Así se logra sobrealimentar el motor con el turbocompresor
    • Al aumentar la presión del aire en el colector de admisión también lo hace su temperatura, reduciendo en parte el efecto de sobrellenado de aire por presión. Se evita este calentamiento intercalando en el  recorrido de admisión entre el turbocompresor y el motor un radiador, por su interior pasa el aire a presión y por el exterior el aire de la marcha enfriándolo, este radiador es el intercooler

El turbocompresor

    • Se identifica en el motor el colector de admisión y el de escape
    • El motor se pone en funcionamiento; entrando el aire de admisión y saliendo los gases de escape
    • Se incorpora el turbocompresor; turbina en el escape y compresor en admisión unidos por el eje con el filtro de aire
    • Se resaltan en vista frontal la turbina y el compresor, identificándolos así como el eje que los une
    • La energía de los gases de escape hace girar la turbina que mediante el eje arrastra al compresor, este succiona aire a través del filtro y lo envía a presión al motor
    • Al aumentar la presión del aire se calienta reduciendo su densidad, menos cantidad de aire al estar más dilatado, lo que reduce los efectos de la sobrealimentación, se evita añadiendo el intercooler en el circuito entre la salida de presión y entrada al motor

Componentes y funcionamiento del turbocompresor

Este motor de cuatro cilindros en línea tiene turbocompresor y está en marcha.

La válvula de descarga

    • Los gases de escape inciden sobre los álabes de la turbina haciéndola girar
    • Por el eje se transmite el movimiento al compresor que succiona aire desde el filtro, aumenta su presión y lo envía a la admisión del motor
    • Según aumentan las RPM del motor salen más gases de escape y a mayor presión, aumentando la velocidad de la turbina y el compresor
    • Al girar más rápido, el turbocompresor aumenta la presión de sobrealimentación, que implica más energía en los gases de escape… llegaría a subir tanto la presión que reventaría alguna conexión o se dañaría el motor…
    • … para que no suceda esto, se añade en el escape la válvula de descarga; es un circuito que rodea la turbina y su paso está controlado por una válvula sometida a la presión de sobrealimentación; está presión la recibe por un conducto desde el colector de admisión. Cuando la presión de sobrealimentación supera el valor determinado por el fabricante (el de un muelle que mantiene la válvula cerrada), la válvula abre permitiendo el paso de parte de gases de escape hacia la salida del turbo sin llegar a la turbina

El intercooler

    • Para reducir la temperatura del aire de admisión después del turbocompresor, está el intercooler

Lubricación y refrigeración

El turbocompresor gira a muchas RPM, más de 200.000, lo que requiere una exquisita lubricación. Al estar en contacto con los gases de escape ha de soportar temperaturas sumamente elevadas necesitando también refrigeración, así se hace:

    • Bomba de aceite, filtro de aceite y aceite en el cárter
    • La bomba succiona aceite del cárter, aumenta la presión y lo envía al filtro que le limpia y se reparte por el circuito de engrase en el interior del motor.
    • Desde alguna parte del circuito de engrase se toma aceite por un conducto específico hasta el turbocompresor, este aceite lubrica el interior del turbocompresor a la vez que le refrigera y después retorna al cárter por otro conducto

Resumen

    • Aprovechamiento de la energía de los gases de escape para sobrealimentar el motor; turbocompresor
    • Elementos y funcionamiento del turbocompresor y refrigeración del aire de sobrealimentación
    • Lubricación, refrigeración y control de la presión de sobrealimentación con turbocompresor
    • Control de la presión de sobrealimentación; válvula de descarga

Aplicación del turbocompresor en el automóvil

Componentes y funcionamiento del turbocompresor en el automóvil

Sobre un automóvil con motor delantero longitudinal de cuatro cilindros en línea y propulsión (tracción trasera):

    • El turbocompresor
    • Filtro de aire en la admisión del turbocompresor
    • Intercooler
    • Válvula de descarga; para limitar la presión de sobrealimentación
    • Circuito de admisión desde el turbocompresor al intercooler, desde este al colector de admisión del motor y una derivación a la válvula de descarga
    • Desde el circuito de lubricación del motor hay una derivación para lubricar y enfriar el turbocompresor y con el retorno después al cárter
    • Se representa el funcionamiento del motor con turbocompresor:
      • La energía de los gases de escape hacen girar la turbina, y esta por el eje de conexión al compresor
      • El compresor succiona aire desde el filtro y lo envía a presión al intercooler, donde se enfría y sigue a presión y menor temperatura hasta la admisión del motor
      • Al llegar al valor máximo predeterminado de sobrealimentación abre la válvula de descarga, permitiendo que parte de los gases de escape puenteen la turbina sin incidir sobre ésta, limitando la velocidad de giro que es proporcional al valor de sobrealimentación

Componentes internos y funcionamiento del turbocompresor

    • Carcasa exterior del turbocompresor
    • En su interior están la turbina y el compresor
    • Unidos por el eje
    • Dos segmentos de estanqueidad, uno en cada extremo del eje, evita que pase aceite desde el interior del turbocompresor a la admisión o escape
    • El eje está sustentado por unos casquillos flotantes, tienen cierta holgura con la carcasa y el eje dejando holgura
    • La válvula de descarga controla un conducto que puentea el paso por la turbina
    • Los gases de escape inciden sobre la turbina que transmite el giro por el eje al compresor, generando la sobrealimentación del motor
    • Cuando la presión de sobrealimentación llega al valor determinado, se abre la válvula de descarga haciendo que parte de los gases de escape no pasen por la turbina, limitando la presión
    • Llega el aceite del circuito de lubricación del motor llenado el interior del turbocompresor, engrasa y enfría a sus componentes y retorna de nuevo al cárter. Este aceite rellena la holgura entre los casquillos flotantes y el eje, quedando este sustentado sin que haya roce metal – metal
    • Para lograr este funcionamiento y se mantenga el eje flotante ha de alcanzar el aceite determinada temperatura, que depende del su grado SAE inicial acompañado de la W. Por esta razón los motores con turbocompresor utilizan aceites con grado SAE bajo, ya que al ser más fluido al arrancar el motor se genera antes la película de aceite que sustenta el eje del turbocompresor sobre los casquillos flotantes sin fricción metálica

Particularidades de uso del motor con turbocompresor

    • Arranque en frío y calentamiento del motor:
      • Emprender la marcha tras unos 30 segundos para que llegue el aceite al turbocompresor, el motor tarda más en calentarse si no trabaja
      • Conducir con suavidad, sin aceleraciones bruscas ni superar las medias RPM hasta que el motor alcanza la temperatura normal
    • Parada en caliente del motor:
      • Tras un corto recorrido o en uso urbano, esperar unos 30 segundos antes de parar el motor para que el turbocompresor caiga a su mínimo régimen de giro manteniéndose la lubricación, y parar el motor
      • Circulando en carretera es mejor esperar entre dos y tres minutos antes de parar el motor o circular unos cinco kilómetros sin superar las RPM medias. En ambos casos se busca enfriar el aceite dentro del turbocompresor antes de parar el motor
    • En conducción normal es aconsejable no  acelerar bruscamente desde bajas RPM del motor en marchas largas (6ª, 5ª Y 4ª), es preferible reducir de relación de caja de cambios, así se protegen diferentes elementos de trasmisión, entre estos el embrague

Resumen

    • Integración del turbocompresor en el automóvil con sus complementos
    • Estructura interna del turbocompresor y funcionamiento, detalles de su lubricación, refrigeración y control de la presión
    • Particularidades de uso del automóvil con motor sobrealimentado por turbocompresor

Aplicaciones del turbocompresor en motor de gasolina y diésel

Turbocompresor en automóvil con motor de gasolina

Se recupera el automóvil con motor de gasolina que se utilizó para explicar la inyección, encendido electrónicos y los sistemas anticontaminación:

    • Con el motor en marcha se aprecia el funcionamiento  de la inyección, el encendido y acelerador controlados electrónicamente por el calculador
    • El catalizador neutraliza los gases contaminantes con la colaboración de la sonda lambda de entrada
    • Se incorpora el turbocompresor entre admisión y escape con la válvula de descarga
    • El intercooler en el circuito de sobrealimentación enfría el aire a presión antes de entrar al motor

Turbocompresor en automóvil con motor diésel

Este es el automóvil con motor diésel con el que se explicó la inyección diésel “common rail” y los sistemas anticontaminación:

    • Con el motor en marcha se aprecia el funcionamiento  de la inyección y acelerador controlados electrónicamente por el calculador
    • El catalizador de dos vías neutraliza los CO y HC, la EGR reduce la generación de NOx, el FAP elimina las micropartículas y el catalizador SCR el exceso de NOx (si el automóvil lo equipa como en este caso)
    • El turbocompresor se añade entre admisión y escape y se incluye la válvula de descarga
    • Para enfriar el aire de sobrealimentación se le hace pasar por el intercooler enfriándose antes de entrar al motor

Resumen

    • Integración del turbocompresor en motores de gasolina y diésel en funcionamiento, con los correspondientes sistemas anticontaminación

 

Repaso de este módulo

Localizar el turbocompresor e identificar sus elementos

    • Turbina TB; es accionada por los gases de escape
    • Compresor CP; movida por el compresor succiona aire a través del filtro y lo envía a presión a la admisión del motor
    • Pantalla térmica PT; reduce la transmisión de calor desde la turbina al compresor, es un aislante térmico
    • Casquillos flotantes CF; mantienen en suspensión el eje por un colchón de aceite, con el motor a temperatura normal de funcionamiento, reduciendo el contacto metal – metal y en consecuencia los desgastes
    • Eje EJ; une la turbina y el compresor
    • Segmentos de estanqueidad SG; evitan que pase aceite por los extremos del eje hacia escape o admisión
    • Válvula de descarga VD; limita la presión de sobrealimentación derivando parte de gases al exterior sin incidir sobre la turbina

Identificación de elementos de sobrealimentación por turbocompresor

    • 1. Turbocompresor TC
    • 2. Entrada de gases de escape al TC
    • 3. Salida de gases de escape del TC al exterior pasando por los elementos anticontaminación y silenciadores
    • 4. Filtro de aire
    • 5. Entrada de aire al TC desde el filtro
    • 6. Salida de aire a presión y caliente del TC hacia el intercooler
    • 7. Intercooler; enfría el aire caliente a presión
    • 8. Salida del aire del intercooler hacia la admisión del motor, a presión y menor temperatura

Identificación de elementos de sobrealimentación por turbocompresor

Estos son los que se ven en la imagen, comentados de arriba abajo e izquierda a derecha:

    • 1. Entrada de aceite al turbocompresor; para lubricación y refrigeración
    • 2. Eje del turbocompresor; une el compresor y la turbina
    • 3. Entrada de aire al turbocompresor, por el conducto de conexión con el filtro de aire
    • 4. Del filtro de aire; es de donde viene este acoplamiento
    • 5. Aire a presión enfriado al motor; es la salida del intercooler a la admisión del motor
    • 6. Segmentos de estanqueidad;   están en los extremos del eje para evitar que pase aceite hacia admisión o escape
    • 7. Gases de escape del motor; es el colector de escape que incide sobre la turbina
    • 8. Salida de gases de escape; del turbocompresor tras haber hecho girar la turbina
    • 9. Turbina; gira por la energía de los gases de escape
    • 10. Casquillos flotantes; por su exterior e interior se genera un colchón de aceite entre el eje y la carcasa para reducir rozamientos y fricciones. Se ven también en la imagen en detalle del turbocompresor
    • 11. Válvula de descarga; limita la presión de sobrealimentación
    • 12. Compresor; gira por el arrastre del eje desde la turbina aumentando la presión del aire de admisión
    • 13. Aire a presión caliente; al aumentar el compresor la presión del aire se calienta, enfriándose a continuación…
    • 14. …en el Intercooler

Identificación de elementos de sobrealimentación por turbocompresor en un motor con los cilindros en V

    • 1. Turbocompresor de la bancada izquierda de cilindros
    • 2. Turbocompresor de la bancada derecha de cilindros
    • 3. Filtro de aire del turbo 1
    • 4. Filtro de aire del turbo 2
    • 5. Entrada de escape desde la bancada izquierda del motor al turbo 1
    • 6. Entrada de escape desde la bancada derecha del motor al turbo 2
    • 7. Intercooler; enfría el aire caliente a presión de los dos turbocompresores
    • 8. Colector de admisión desde el intercooler a las dos bancadas de cilindros

Relación entre el aceite del motor, la sobrealimentación por turbocompresor y si es gasolina o diésel

Coche de gasolina (imagen superior):

    • El grado SAE más adecuado para que se forme el colchón de aceite que sustenta el eje del turbo es el más bajo junto a la W, en este caso entre 15W 40 y 5W 30, este último es mejor
    • La calidad ACEA indica con A que es para gasolina, y el siguiente número, 5 en este caso, la evolución del motor y sus sistemas de inyección y anticontaminación. Si este motor de gasolina no tuviese turbo podría ser adecuado

Coche diésel (imagen inferior):

    • El grado SAE más adecuado para que se forme el colchón de aceite que sustenta el eje del turbo es el más bajo junto a la W, en este caso entre 15W 40 y 5W 30, este último es mejor
    • ACEA B informa que el aceite es para motor diésel, el número siguiente 5 las particularidades de inyección y anticontaminación. La C resalta que es el aceite adecuado para filtro antipartículas, y el número siguiente 4 la evolución

Aceite SAE 15W 40 y ACEA A5 / B4; ya se ha comentado que al ser menos fluido en frío no es el mejor para el turbocompresor. ACEA A5 es adecuado para gasolina, pero el grado SAE le desestima para turbo. B4 es para diésel con evolución media (hay que consultar la indicación del fabricante), pero al no ser C no es válido para filtro antipartículas

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