Combinaciones de sobrealimentación en el motor

Este artículo es un complemento al de “Sobrealimentación del motor” de la sección (http://autastec.com/blog/tecnologias-limpias/sobrealimentacion-del-motor/).

La sobrealimentación del motor en busca de más prestaciones con enfoques deportivos se aplicó casi desde los inicios del automóvil. La idea de aprovechar la energía de los gases de escape para sobrellenar el motor a presión, el turbocompresor, no era viable entonces por la evolución tecnológica en aquellos años iniciales. La solución fue el compresor volumétrico, como una bomba de aire, movido desde el motor y que se utilizó en automóviles muy prestacionales en aquellas fechas.

Con el paso del tiempo y los avances técnicos en todas las áreas, el turbocompresor ha ido tomando protagonismo hasta ser un complemento imprescindible para cumplir las directivas anticontaminación sin merma de prestaciones, tanto en diésel donde ya lo equipan todos los motores, como en gasolina que sigue el mismo camino, aunque algunos utilizan el compresor volumétrico.

Sobrealimentación con compresor volumétrico

Este sistema de sobrealimentación se presentó en el artículo anterior sobre este tema, lo repasamos sobre un motor DOHC de gasolina visto de frente.

    • Se ve el motor en funcionamiento con el filtro de aire en la admisión y el silenciador o sistema anticontaminación en el escape.
    • El compresor volumétrico se coloca en la entrada de admisión después del filtro de aire, en este caso de dos lóbulos contra rotantes.
    • El giro se obtiene mediante una correa desde una polea en el cigüeñal.
    • Los lóbulos comprimen el aire que entra a los cilindros sobrellenandolos a presión, y el control de alimentación de gasolina aporta el combustible para mantener la proporción de mezcla (dosado) de 15 (exactamente 14,57).

 

El compresor volumétrico se utiliza en motores de gasolina de media y alta cilindrada, pero en menor medida que el turbocompresor. Se puede disponer de un sistema de acoplamiento electromagnético de arrastre (embrague) para poder controlar su actuación, y que también puede utilizarse para facilitar la puesta en marcha del motor estando desconectado el compresor volumétrico hasta que el motor está en funcionamiento.

Ya se ha comentado que el compresor volumétrico equipó a motores muy prestacionales poco después de los inicios del automóvil.

Sobrealimentación con turbocompresor

Con la evolución tecnológica en materiales y la colaboración inestimable de la electrónica, el turbocompresor que utiliza la energía de los gases de escape ha pasado de equipar a automóviles deportivos a ser un complemento de todos los motores térmicos, este es el repaso de su presentación en el anterior artículo mencionado.

    • Se representa funcionando un motor de gasolina atmosférico.
    • En la salida de escape y entrada de admisión tras el filtro de aire se colocan dos turbinas, la de admisión se denomina compresor.
    • Ambas turbinas (turbina en escape y compresor en admisión; turbocompresor) están unidas por un eje.
    • Los gases de escape hacen girar a la turbina y esta por el eje al compresor, que succiona aire desde el filtro enviándolo a presión al motor.
    • El turbocompresor gira a muy altas RPM (más de 200.000) y está sometido a las extremas temperaturas de los gases de escape, precisa exquisita lubricación y refrigeración.
    • Se encarga de estas dos funciones el aceite del motor, que llega al eje del turbo a mucha menor temperatura y genera un “colchón” de aceite con unos casquillos flotantes que sustentan el eje, este “colchón” de aceite se forma cuando el lubricante alcanza unos 90º C. En los extremos del eje unos segmentos de estanqueidad evitan posibles fugas de aceite hacia admisión o escape.
    • Si el motor tiene elevado rendimiento se añade otra cámara adicional que rodea al turbo, con líquido del circuito de refrigeración del motor, potenciando el control térmico del turbocompresor.

 

Las exigentes condiciones de trabajo del turbocompresor implican unas particularidades de utilización, que se detallan en el artículo “Uso del automóvil con turbocompresor” en la sección “Actualidad”.

Dos turbocompresores iguales en paralelo

La incorporación del turbocompresor en el motor del automóvil es un elemento más en los diésel desde hace años, y en los de gasolina está en la misma onda. Para que el acoplamiento del turbo en el motor sea equilibrado lo ideal es que no se note su entrada en acción con brusquedad, que aporte un incremento progresivo del par y la potencia. Para lograr esto es mejor que el tamaño del turbo sea pequeño, así sube rápidamente de RPM, pero entonces a altas vueltas no puede aportar el caudal que el motor requiere, sobre todo con cilindradas medias y elevadas, haría falta un turbo más grande. Para poder disponer buena respuesta desde bajo régimen, par progresivo, y potencia desde medias RPM, una solución es montar más de un turbo de pequeño tamaño, en esta animación vemos una aplicación.

    • Es un motor con los cilindros en V visto de frente.
    • Se resaltan los dos turbocompresores del mismo tamaño, uno para cada una de las salidas de escape de las bancadas de cilindros.
    • Cada turbocompresor dispone de su propio circuito de alimentación de aire exterior con dos filtros.
    • Las salidas de sobrepresión de los dos turbos llegan a un mismo intercooler (1) que alimenta a todos los cilindros del motor.

 

Este sistema de dos turbocompresores del mismo tamaño se utiliza tanto en motores de gasolina como diésel.

(1) Al aumentar la presión del aire que entra al motor también lo hace su temperatura, disminuyendo su densidad lo que supone menor volumen. Para evitar este inconveniente se incorpora en el circuito de aire a presión un  radiador, por cuyo interior circula el aire comprimido y por el exterior pasa el aire de la marcha, enfriando el aire a presión, es el intercambiador aire – aire más conocido como intercooler. Se puede utilizar en vez del intercooler un radiador enfriado por el circuito de refrigeración del motor, será entonces un intercambiador aire –  agua.

Dos turbocompresores iguales en paralelo; funcionamiento

Vemos un motor de 8 cilindros en V con dos turbocompresores iguales en paralelo.

    • Cada bancada de cuatro cilindros tiene su sistema de admisión exterior, incluido el filtro de aire.
    • En la salida del escape de cada bancada de cuatro cilindros hay un turbocompresor, ambos igual tamaño y características.
    • El aire a presión que sale de cada uno de los dos turbocompresores se une en un mismo intercooler que lo reparte a los ocho cilindros.
    • Si es un motor de gasolina tiene mariposa de gases, si es diésel no es necesario aunque la puede incorporar para que la parada del motor sea más suave y colaborar con los sistemas anticontaminación.
    • En las salidas de escape, una para cada turbocompresor, están los elementos anticontaminación y silenciadores.
    • Se resaltan los recorridos de los gases de escape y admisión.

 

Este sistema es frecuente en motores con los cilindros en V y cilindradas superiores a la media.

Dos turbocompresores de diferente tamaño en serie

Se representa en esta imagen un motor diésel de seis cilindros en línea con la implantación de dos turbocompresores de diferente tamaño en serie.

    • Filtro de aire e intercooler con sus conexiones.
    • Turbocompresor de menor tamaño y turbocompresor de mayor tamaño.
    • Se representan didácticamente los circuitos de admisión y escape.

 

Este sistema permite que el turbo pequeño aporte llenado desde bajas RPM al tener poca inercia, y al subir de RPM sea el turbo grande el que siga aumentando el llenado con más caudal de aire.

Dos turbocompresores de diferente tamaño en serie; funcionamiento

En esta animación se representa el funcionamiento de la implantación anterior de dos turbos diferentes en un motor diésel de seis cilindros en línea.

    • Se identifican; filtro de aire, turbocompresor grande, turbocompresor pequeño, intercooler 1 e intercooler 2.
    • Mariposa de selección de recorrido de los gases de escape.
    • Válvula de selección de recorrido del circuito de admisión.
    • Elementos del escape, anticontaminación y silenciadores.
    • Funcionamiento a bajas RPM.
      • La mariposa del escape dirige los gases hacia el turbo pequeño que realiza la sobrealimentación del motor. La presión que se produce no llega a vencer el muelle de la válvula de recorrido de admisión, que se mantiene cerrada tal como se ve y el aire comprimido pasa exclusivamente por el intercooler 2. Se obtiene una rápida respuesta del motor por la reducida inercia del turbo pequeño. Se aprecia como los gases de escape que salen del turbo pequeño inciden en el grande por lo que ya está girando.
    • Funcionamiento a altas RPM.
      • La mariposa del escape cambia de posición dirigiendo los gases directamente al turbo grande, que al estar ya girando y recibir los gases de escape con bastante presión de salida incrementa el caudal y presión de admisión, tanto que esta presión abre la válvula de recorrido de admisión haciendo que el aire comprimido a más presión pase por el intercooler 1 además de por el 2, enfriando más el aire que está a mayor presión y por consiguiente también más caliente.

 

Entre bajas y altas RPM hay posiciones intermedias en las que trabajan los dos turbocompresores para lograr una transición progresiva en el llenado del motor.

Compresor volumétrico y turbocompresor

Esta aplicación tiene dos objetivos, aprovechar el rápido tiempo de respuesta del compresor volumétrico para que aporte presión de admisión desde prácticamente ralentí al acelerar ofreciendo buen par motor, y que desde medias RPM sea el turbocompresor que ya gira a bastante velocidad el que tome el relevo para seguir sobrealimentando el motor en busca de potencia elevada. Esta animación didáctica lo explica sobre un motor de cuatro cilindros en línea.

    • Identificación del compresor volumétrico y del turbocompresor, montados en serie.
    • Intercooler.
    • Esquema didáctico del recorrido del aire hasta entrar en los cilindros;
      • Filtro de aire.
      • Compresor volumétrico.
      • Aire a presión y caliente.
      • Turbocompresor
      • Aire a más presión y temperatura.
      • Intercooler; enfría el aire comprimido.
      • El aire a presión y enfriado continua hasta el colector de admisión entrando en los cilindros.

 

Entre la actuación del compresor volumétrico y el turbocompresor hay unas RPM intermedias en las que trabajan conjuntamente los dos. La transición se ha de hacer lo más progresiva posible para no alterar la entrega de par y potencia que ha de ser progresiva en un automóvil de calle. Este sistema se utiliza en motores de gasolina.

Compresor volumétrico y turbocompresor; funcionamiento

Con la siguiente animación se explica el funcionamiento de un motor equipado con compresor volumétrico y turbocompresor, con cuatro cilindros en línea.

    • Filtro de aire, elementos del escape, compresor volumétrico movido por una correa desde el motor y turbocompresor.
    • Válvula de descarga del turbocompresor para limitar la presión de sobrealimentación.
    • Válvula de deceleración, evita que el turbo caiga de RPM al cerrarse la mariposa de gases en deceleraciones.
    • Intercooler.
    • Mariposa del acelerador (con control electrónico).
    • Mariposa de selección de recorrido del circuito de admisión, con control electrónico.
    • Poca aceleración:
      • La mariposa de selección de recorrido de admisión obliga a que el aire pase por el compresor volumétrico que aumenta la presión y llenado del motor.
      • El turbocompresor gira por los gases de escape pero no aumenta la presión de admisión al no ser suficiente caudal.
      • La respuesta del motor es buena desde bajas RPM.
    • Más aceleración:
      • La mariposa de selección de recorrido cierra casi el paso del aire de admisión por el compresor volumétrico, abriendo el que los dirige hacia el turbo.
      • Como ya hay más masa de gases de escape, las RPM del turbo son suficientes para aumentar la presión del aire de admisión continuando el incremento del llenado de los cilindros.
    • A medias RPM están trabajando los dos sistemas de sobrepresión, con más preponderancia del compresor si es entre bajas y medias RPM, y del turbo entre medias y altas RPM. Las transiciones en el funcionamiento del compresor y turbo han de estar muy bien configuradas para evitar tirones o cambios bruscos de respuesta del motor al acelerar o retener.

 

Este sistema se utiliza en motores de gasolina.

Cuatro turbocompresores en paralelo

Como ejemplo de aplicación de combinaciones de sobrealimentación vemos en la animación un motor de gasolina con cuatro turbocompresores iguales en paralelo. Este motor tiene 16 cilindros en W y cada turbo es para cuatro cilindros.

 

Los turbos son de pequeño tamaño y poca inercia, lo que permite que giren rápido desde bajas RPM con buena respuesta al acelerador, al subir de RPM el motor sigue empujando con progresividad al repartirse el trabajo del sobrellenado entre los cuatro turbos.

 

Enlaces de interés relacionados

En el blog tienes estos artículos que puedes buscar en sus respectivas secciones si te interesan sus temas

    • En esta sección “Tecnología limpias”; “Motor ´down size´” (publicado el 27.02.2013), “Sobrealimentación del motor” (publicado el 28.11.2013) y “Ciclo Miller” (publicado el 07.05.2014).
    • En la sección “Historia del automóvil”; “Audi Quattro” video 5 (publicado el 29.04.2015).
    • En la sección “Evolución de órganos y elementos”; “Evolución del número y disposición de los cilindros” (publicado el 28.01.2013).
    • En la sección “Actualidad”; “Ford Focus Ecoboost” vídeos 1 a 3 (publicado el 22.11.2012) y “Uso del automóvil con turbocompresor” (publicado el 24.02.2014).

 

Otros enlaces relacionados

    • Motor con compresor volumétrico y motor con dos turbos

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    • Compresor volumétrico

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