Turbocompresor electromecánico

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Este artículo nos lo ha inspirado la presentación de un turbocompresor electromecánico en el Mercedes AMG SL43, también existe esta tecnología ofrecida por proveedores de turbocompresores.

El motor térmico funciona por la succión de aire exterior en los cilindros al bajar el pistón, es el tiempo de admisión, el aire se mezcla con el combustible y explota por la chisa en el motor de gasolina al final de compresión cuando el pistón ya baja, o por la combustión del gasóleo al auto inflamarse cuando comienza a contactar con el aire muy caliente al final de compresión.

Cuanto más aire entre al motor más energía producirá, par y potencia.

La idea de sobrealimentar al motor, introducir aire a presión para que entre más volumen, surgió casi a la vez que el motor térmico comenzó a desarrollarse.

De las dos formas genéricas para sobrealimentar un motor, compresor volumétrico (gasolina) y turbocompresor (gasolina y diésel), la sobrealimentación por turbocompresor parece ofrecer mejor rendimiento, pero exige tecnologías que la hicieron esperar, siendo el compresor volumétrico el primero en utilizarse en motores de gasolina.

Con las evoluciones ambos sistemas han llegado a ser más que útiles imprescindibles, prácticamente todos los motores diésel tienen turbocompresor desde hace ya años, y los de gasolina están casi igual.

La sobrealimentación aporta más par y potencia, pero en automóviles de calle es importante que este efecto de respuesta al acelerar sea desde el inicio de la marcha, es decir contar con buena respuesta al acelerador desde bajas RPM, y en principio este detalle es mejor con el compresor volumétrico, sin embrago el turbocompresor cuando ya ha subido algo el motor de RPM aporta valores más altos de par y potencia.

En este enlace podrás ver algunos detalles.

Vamos a hacer una explicación didáctica de lo que había hasta llegar al sistema de sobrealimentación del Mercedes AMG SL43 y después se incluyen enlaces sobre esta tecnología.

Sobrealimentación en el motor de gasolina por compresor volumétrico

En la imagen de la izquierda está el motor de base, con cuatro cilindros en línea, distribución DOHC y se ven los colectores de admisión y escape.

En la imagen de la derecha está el motor con sobrealimentación por compresor volumétrico:

  • El compresor volumétrico CV es una bomba de aire arrastrada por el motor, habitualmente por una correa exterior como se representa
  • Al girar el CV aumenta la presión de aire que envía al colector de admisión, y también lo hace su temperatura reduciendo la densidad y el llenado
  • El aire comprimido se hace pasar por el intercooler donde baja de temperatura antes de entrar a los cilindros
  • El intercooler puede ser un radiador que enfría el aire interior caliente con el de la marcha, intercambiador aire – aire, o utilizar el sistema de refrigeración del motor, intercambiador aire – agua
  • Al entrar al motor más volumen de aire a presión y a temperatura adecuada la explosión es más fuerte, ofreciendo más par y potencia
  • El CV empieza a aportar más llenado prácticamente desde ralentí, buena respuesta al iniciar la marcha, pero el valor máximo de presión por la velocidad de giro máxima admitida por el CV está limitado, y el incremento de potencia, siendo bueno, no será tan alto
  • Además, al necesitar ser arrastrado por el motor el CV “roba” parte del par que aporta
  • Se representa el esquema utilizado de compresor volumétrico en imagen ampliada

Sobrealimentación en el motor de gasolina por compresor volumétrico

Sobrealimentación en el motor de gasolina por turbocompresor

Este sistema de sobrealimentación es útil también para el motor diésel, de hecho al funcionar este motor con exceso de aire le encaja tan bien que ya forma parte como un elemento más desde el inicio del diseño del motor diésel.

Mencionamos la aplicación en el motor de gasolina al ser la que vamos a ver al final con el sistema de sobrealimentación que da título a este artículo.

Vemos el motor base a la izquierda, la otra imagen es la aplicación sobre este motor de sobrealimentación por turbocompresor, y una tercera con este ampliado:

  • El turbocompresor TC consiste en dos turbinas unidas por un eje
  • Una de estas, la turbina, está en la salida de los gases de escape que la hacen girar a más o menos velocidad según la cantidad y presión de salida de estos gases
  • La turbina del escape por el eje arrastra a la otra, compresor, en el colector de admisión
  • El compresor toma aire del filtro y lo envía a presión al colector de admisión pasando por el intercooler para bajar algo su temperatura, provocado por el aumento de presión
  • Con más aire y a presión el llenado de los cilindros es mucho mayor incrementando el par y potencia
  • Para evitar que el TC suba sin control de RPM al haber cada vez mejor llenado y más gases de escape se incorpora la válvula de descarga, puentea parte de los gases de escape hacia la salida del TC sin pasar por la turbina desde cierto valor de presión de sobrealimentación
  • Al haber a bajas RPM pocos gases de escape la velocidad del TC no es suficiente para que el sobrellenado del motor sea apreciable, retrasando algo la respuesta del motor al acelerar
  • Este efecto era muy apreciable en los inicios de la aplicación del TC, pero se ha solucionado bastante con diferentes tecnologías, de las que puedes ver dos en este enlace, una para gasolina y otra para ambos aunque es más eficiente en el motor diésel

El TC puede necesitar algo de ayuda para subir rápidamente de RPM al acelerar desde bajas RPM, pero a alto régimen cuando gira muy rápido puede aportar mucha sobrealimentación, es decir potencia, con ciertos riesgos mecánicos si se mantiene.

En algunos motores se incluye un sistema para que en aceleraciones a fondo y bajo ciertas condiciones se pueda disponer durante un cierto periodo, unos segundos, de más presión de sobrealimentación, par y potencia, controlado electrónicamente es el “overbosst”.

Sobrealimentación en el motor de gasolina por turbocompresor

Turbocompresor y compresor eléctrico

Se va a tratar de combinar las dos mejores aportaciones del CV y TC, el primero mejor llenado a bajas RPM y el segundo más llenado desde medias RPM.

Vamos a ver un sistema que combina un CV y TC, el primero accionado por un motor eléctrico.

Hay otras aplicaciones de las que se incluyen enlaces al final del texto que acompaña a esta diapositiva:

  • Este sistema se puede ver en motores de gasolina o Diesel
  • Tanto el CV eléctrico como el TC reciben aire limpio desde el filtro
  • A bajas RPM es el CV eléctrico el que aporta más llenado, mientras el TC va subiendo de RPM
  • Desde más o menos medias RPM toma el TC el relevo y es el que suministra al motor más llenado a presión
  • El control electrónico determina las secuencias de actuación de esta sobrealimentación combinada
  • El objetivo es que la respuesta al ir acelerando desde el inicios de la marcha sea lo más uniforme posible, y por supuesto enérgica si se acelera a fondo, además de adaptarse a cambios de ritmo sin que se aprecien vacíos en el funcionamiento del motor

Hay diversas posibilidades de combinar sistemas de sobrealimentación para lograr que el comportamiento sea lo más equilibrado posible a la vez que contundente, aportando prestaciones, rendimiento o menor consumo, según el estilo de conducción.

Turbocompresor y compresor eléctrico

Turbocompresor electromecánico en motor de gasolina

Es una idea sumamente coherente y se basa en que el TC pueda girar por el empuje de los gases de escape y también mediante un motor eléctrico integrado, lo vemos:

  • La turbina del TC es accionada por los gases de escape, lo habitual
  • En el eje que une la turbina y el compresor se incorpora un motor eléctrico que es movido por la electricidad aportada por el alternador
  • Podría ser el tradicional del sistema eléctrico del automóvil, pero vamos a incluir el que utiliza el Mercedes AMG SL 43, que es la fuente de este artículo, además este alternador hace más cosas
  • El alternador es reversible, puede generar electricidad al ser arrastrado por el motor, y también actuar como motor eléctrico para iniciar la marcha o ayudar al motor de gasolina al acelerar
  • También es muy eficiente en la función “stop & start”, pues arranca suavemente el motor térmico tras una detención automática por el sistema
  • Este alternador está combinado con una batería de 48V de ion – litio, como la de los coches de propulsión eléctrica, a la que mantiene cargada
  • Al iniciar la marcha hay pocos gases de escape y escasa presión para empujar a la turbina, entonces entra en acción el motor eléctrico incorporado que hace subir de RPM el TC para que aporte buen llenado a presión a los cilindros
  • Al subir el motor de RPM, ya hay más gases de escape y el TC gira a suficiente velocidad para mantener buen llenado de los cilindros y el motor eléctrico deja de actuar
  • Según se acelera o decelera se va alternando la colaboración del motor eléctrico integrado en el TC para mantener en todas las circunstancias buena respuesta al acelerador
  • Todo esto está controlado electrónicamente, incluida la válvula de descarga que limita la presión de sobrealimentación, lo que podría permitir que según las condiciones de circulación se produzcan los efectos puntuales de sobrealimentación temporal adicional que se ha comentado, “overboost”
  • Al ser una aplicación que busca prestaciones, con buena respuesta desde bajas RPM, la temperatura del turbocompresor es alta, lo que requiere mejor refrigeración, también necesaria para el motor eléctrico incorporado, por esto se rodea al turbocompresor con un cámara conteniendo liquido de refrigeración del motor, que mantiene la temperatura en valores adecuados
  • También se busca fiabilidad y los aspectos más delicados del turbocompresor son los puntos de giro del eje, que llega a muy altas RPM, se facilita este giro y su fiabilidad en los apoyos con rodamientos, los puedes ver en una imagen del enlace incluido después al reportaje sobre el Mercedes AMG SL 43
  • Hay diversas formas de sustentación del eje del turbocompresor

Este alternador reversible se puede también denominar según sus funciones alterno – arranque, lo utilizan los automóviles con micro hibridación (“mild hybrid”), con colaboración del alternador como motor eléctrico en el inicio de la marcha, aceleraciones y puede que en muy cortos recorridos a baja velocidad, depende de su capacidad y de la batería a la que carga y le aporta electricidad cuando trabaja como motor eléctrico.

Presentación de sistema de turbocompresor electromecánico en el Mercedes AMG SL 43.

De esta tecnología, turbocompresor electromecánico, tiene productos desarrollados Garret.

Turbocompresor electromecánico en motor de gasolina

Imágenes utilizadas; compresor volumétrico CV, turbocompresor TC, compresor eléctrico más turbocompresor Ce + TC y turbocompresor electromecánico TCeM

Es una diapositiva resumen en las que se ven los motores con las diferentes tecnologías de sobrealimentación expuestas, sin la representación de los gases en los colectores para que se vean más limpias:

Compresor volumétrico CV:

  • Accionado por el motor mediante correa u otro medio
  • Puede incluir un embrague electromagnético para que durante el arranque no sea una sobrecarga para la batería
  • Más aportación a bajas y medias RPM
  • Parte del par y potencia que ofrece lo auto consume al ser arrastrado por el motor

Turbocompresor TC:

  • Utiliza la energía “gratuita” de los gases de escape para mejorar el llenado
  • Para que haya buena respuesta ha de subir algo de RPM el motor, puede haber cierto tiempo de respuesta, a partir de medias RPM su aportación es excelente
  • Su tecnología precisa excelente lubricación y refrigeración, y tiene ciertas particularidades de uso para mejorar su fiabilidad a largo plazo

Compresor eléctrico más turbocompresor Ce + TC:

  • El compresor es accionado por un motor eléctrico aportando llenado a bajas RPM y a partir de medio régimen toma el relevo el TC
  • La colaboración ofrece buena respuesta desde el inicio de forma uniforme y equilibrada

Turbocompresor electromecánico TCeM:

  • Al poder moverse el eje del TC por el empuje de los gases de escape, más eficiente desde ciertas RPM por encima de ralentí, y también por el motor eléctrico, desde el incido de la marcha, ofrece buena respuesta al acelerar desde el comienzo de la marcha y en todas las demás condiciones de utilización

La sobrealimentación en el motor térmico ha permitido aumentar su rendimiento exponencialmente, con relación al consumo de combustible hay alguna diferencia entre gasolina y diésel.

Para que el consumo con motor de gasolina sea bajo ha de colaborar bastante el conductor con su estilo de conducción, es más sensible el motor a aumentar el consumo si se acelera mucho o bruscamente.

En el motor diésel también el estilo de conducción afecta, pero bastante menos que en el de gasolina.

En la lucha contra los motores que emiten CO2 por el escape, con tiempo limitado de comercialización, es apreciablemente mejor el diésel, pero como genera muchos más NOX que el motor de gasolina requiere sofisticados, complejos y costosos sistemas de limpieza de gases, que además son sensibles a determinados usos; los recorridos cortos con el motor por debajo de su temperatura óptima es uno de los más relevantes.

Imágenes utilizadas; compresor volumétrico CV, turbocompresor TC, compresor eléctrico más turbocompresor Ce + TC y turbocompresor electromecánico TCeM

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