• Última modificación de la entrada:07/06/2021
  • Tiempo de lectura:19 minutos de lectura

En la introducción del módulo anterior (1.14.1) se explica que cuanto mayor fuese la masa de aire que entra a los cilindros en admisión se obtendría más par y potencia, es lo que se busca con el motor multiválvulas, con la particularidad de que sus aportaciones son apreciables desde medio régimen del motor, lo que no resulta adecuado en un automóvil de turismo por la falta de respuesta al acelerador hasta llegar a medias RPM.

Al final de ese módulo se proponen los temas que solucionan esta falta de respuesta a bajas RPM(1), entre los que se incluye la sobrealimentación del motor, que ofrece aumentos significativos del par y potencia, pero que no siempre mejoran la respuesta desde bajo régimen como se explica en el módulo 1.15.2 ofreciendo ya algunas soluciones, y las siguientes en el módulo 2.15.1.

(1) Módulo 2.14.1

Concepto de sobrealimentación

En un motor atmosférico el llenado de los cilindros se obtiene por la succión de los pistones al descender en el tiempo de admisión, se ve la animación sobre un motor de cuatro cilindros en línea:

  • El aire aspirado por los pistones pasa al motor por el colector de admisión.
  • Desde el colector, por las válvulas de admisión, entra a los cilindros succionado por el descenso de los pistones, la cantidad de masa de admisión que ha entrado es el llenado de los cilindros.
  • Esta es la explicación didáctica de la sobrealimentación del motor:
    • Si en la entrada de admisión del colector se coloca una jeringuilla llena de aire…
    • … y se empuja el émbolo, entra a los cilindros en admisión aire a presión
    • … es como aumentar el tamaño de los cilindros, es decir del motor
    • Es la sobrealimentación; sobrellenar el motor durante el tiempo de admisión
    • Para que las combustiones generen más energía, par, es necesario adaptar la aportación de combustible al aire adicional que entra a presión a los cilindros

  • La sobrealimentación es como poder adaptar la cilindrada del motor a las necesidades, en función de la actuación sobre el acelerador
  • Las explicaciones de la sobrealimentación en este módulo son genéricas para los motores de gasolina y diésel, en siguientes módulos se verán las particularidades para cada tipo de motor sobrealimentado (módulos 2.12.1, 2.13.1 y 2.15.1)
  • Como anticipo un comentario; al no ser necesaria la mariposa de gases en el motor diésel es más factible lograr el sobrellenado desde bajas RPM que en el de gasolina, pues las aperturas parciales de la mariposa dificultan el paso del aire

La sobrealimentación del motor es como una “droga legal”, y en consecuencia hay que tener en cuenta en el diseño los esfuerzos adicionales que exige a los componentes del motor y también a otros órganos afectados por tener más par y potencia, así como las particularidades de utilización del automóvil con motor sobrealimentado (módulo 1.15.2).

Los dos sistemas genéricos

Este módulo trata de uno de los dos sistemas de sobrealimentación del motor, el turbocompresor, pero se presentan los dos como anticipo de los siguientes módulos, lo vemos sobre un motor DOHC de frente en el tiempo de admisión:

  • Circula aire por el colector de admisión entrando al cilindro aspirada por el pistón
  • La masa de admisión está ya en el interior del cilindro
  • ¿Es posible aumentar más el llenado del cilindro que el generado por la succión del pistón al descender en admisión?, si y hay dos formas genéricas de hacerlo que se presentan sobre las imágenes de un motor de cuatro cilindros en línea visto en planta:
  • Compresor volumétrico:
    • Es una bomba de aire arrastrada por el motor al girar (mediante una correa en la imagen), toma aire del exterior a través del filtro y lo introduce a presión a los cilindros
    • Se ve el funcionamiento; arrastre del compresor volumétrico, entrada de aire a presión en los cilindros y se observa que son independientes los circuitos de admisión y escape
    • Se ha de adaptar el caudal de combustible al aire adicional que entra al motor
  • Turbocompresor:
    • Se coloca una turbina en la salida de los gases de escape que está unida por un eje a otra en la entrada de admisión, que se denomina compresor y el conjunto es el turbocompresor
    • Se representa el funcionamiento; al girar la turbina por el empuje de los gases de escape también lo hace el compresor, que succiona aire desde el filtro y lo envía al colector de admisión, a presión cuando la velocidad del conjunto turbo + compresor es suficiente, sobrellenado los cilindros del motor
    • En el turbocompresor se aprovecha la energía de los gases de escape para sobrealimentar el motor
    • Al haber más aire el sistema de aportación de combustible ha de adaptar el caudal

La idea de sobrealimentar el motor estaba en la mente de los diseñadores desde casi los inicios de la utilización del motor de explosión en el automóvil, pero las exigencias mecánicas y térmicas no hacían factible la implantación del turbocompresor en aquellos tiempos aprovechando la energía de los gases de escape, esta es la razón de utilizar entonces el compresor volumétrico.

El turbocompresor

El sistema de sobrealimentación más utilizado actualmente es el turbocompresor, ya en todos los motores diésel, aunque cronológicamente como se ha adelantado se ha aplicado antes el compresor volumétrico (en motores de gasolina y generalmente prestacionales) por sus menores exigencias mecánicas y térmicas.

Mientras que en el compresor volumétrico hace falta utilizar energía del motor para su arrastre, en el turbocompresor se aprovecha la energía de los gases de escape, sin requerir del motor arrastre para su funcionamiento que consuma energía motriz.

Energía de los gases de escape

Los gases de escape salen del motor con mucha energía, de hecho si se coloca uno o más silenciadores es para reducir su velocidad y ruido, por lo que sí se puede utilizar esta energía, se aprovecha y se obtiene un rendimiento adicional puesto que no tiene en principio utilidad (1).

Se representa la idea del aprovechamiento de la energía de los gases de escape para mover el turbocompresor en esta animación, es un automóvil con motor delantero longitudinal de cuatro cilindros en línea y propulsión (tracción trasera):

  • Salen los gases de escape con mucha energía que se reduce en el silenciador
  • Se coloca un molinillo o turbina al final del escape y se observa cómo se mueve por la velocidad de paso de los gases de escape, pero en esta zona la energía de estos gases es menor por la distancia del motor y la actuación del silenciador, necesaria para reducir el nivel sonoro del motor
  • Se traslada la turbina para ubicarla lo más cerca posible de la salida de los gases de escape en el colector, en esta posición gira bastante más rápido al recibir toda la energía de salida de los gases de escape
  • Para aprovechar este rápido giro de la turbina se la une mediante un eje con otra que se coloca en la entrada de admisión del motor, es el compresor
  • El compresor (turbina en admisión) toma aire del exterior (pasando por el filtro no representado) y lo empuja hacia el colector de admisión a presión, más cuanto mayor sea la velocidad de giro de la turbina
  • El turbocompresor está conformado por la turbina, el compresor, el eje que les une y la carcasa exterior que contiene el conjunto
  • Se representa la aportación de combustible proporcional al aire a presión que entra a los cilindros

La velocidad de salida de los gases de escape determina la de giro del turbocompresor, a partir de una determinada velocidad se supera la presión atmosférica en el colector de admisión iniciándose la sobrealimentación, hasta ese momento no hay más llenado del motor.

En el módulo 1.15.2 se explican los efectos en el par y la potencia de las fases atmosférica y sobrealimentada reflejados en las curvas obtenidas en el motor con turbocompresor, y en el módulo 2.15.1 las soluciones para lograr la mejor respuesta desde bajas RPM.

(1) Otro aprovechamiento del escape consiste en transformar su calor en energía de algún tipo (mecánica, eléctrica,…), es la cogeneración térmica.

Complementos del turbocompresor

La siguiente explicación permite deducir los complementos necesarios para la implantación del turbocompresor en el motor; con el motor a ralentí el turbocompresor gira a unas 6.000 RPM, al acelerar y aumentar la cantidad de gases de escape se incrementa su velocidad, y es más o menos entre 50.000 y 60.000 RPM cuando se logra superar la presión atmosférica en el colector de admisión iniciándose la sobrealimentación.

Al continuar acelerando hay más gases de escape y más RPM del turbocompresor, que seguiría aumentando hasta provocar su rotura, afectando al motor por exceso de presión de sobrealimentación.

Para adaptar el turbocompresor al motor son necesarios los complementos que se presentan con las dos siguientes animaciones.

Válvula de descarga

Al acelerar el motor aumentan los gases de escape y la presión de sobrealimentación, que hay que limitar para proteger al turbocompresor y al motor, es el control de sobrepresión desarrollado por la válvula de descarga, esta es su descripción:

  • Entre la entrada de gases de escape al turbocompresor y la salida desde este a la línea de escape hay un conducto que puentea la turbina
  • Este conducto está controlado por una válvula accionada por la presión de sobrealimentación, en este caso el conducto viene desde el colector de admisión
  • Esta válvula tiene un muelle con un determinado tarado que la mantiene en principio cerrada, todos los gases de escape inciden sobre la turbina
  • Cuando la presión de sobrealimentación aumenta hasta superar el tarado del muelle, se abre la válvula permitiendo que parte de gases de escape no incidan sobre la turbina limitando su velocidad de giro y en consecuencia la presión de sobrealimentación, es la válvula de descara (“wastegate”)
  • Las RPM a las que gira el turbocompresor cuando se limita la presión de sobrealimentación son sumamente elevadas, llegando actualmente a superar ampliamente las 200.000 RPM
  • No se debe alterar el tarado de la válvula de descarga

Intercambiador aire – aire “intercooler”

Al aumentar la presión del aire de sobrealimentación generada por el turbocompresor también lo hace la temperatura, bajando la densidad del aire, es decir disminuye el volumen que entra al motor lo que reduce el llenado.

Para evitar esta merma de rendimiento se coloca entre la salida de presión del turbocompresor y la entrada al colector de admisión un radiador, por el interior circula el aire a presión y por el exterior aire de la marcha a bastante menor temperatura, el intercambio térmico reduce la temperatura de la masa de admisión a presión.

Este radiador es el intercambiador aire – aire, más conocido como “intercooler”.

Hay otra forma de enfriar el “intercooler”, consiste en que el intercambio térmico se haga por líquido de refrigeración del motor, entonces el “intercooler” se compone de dos circuitos internos, uno con aire comprimido y otro con líquido de refrigeración.

En motores con valores reducidos de sobrealimentación, bajo tarado de la válvula de descarga, el incremento de temperatura del aire a presión no es muy importante pudiéndose prescindir del “intercooler”.

Lubricación y refrigeración

La vertiginosa velocidad de rotación del eje del turbocompresor implica que se pueden producir fuertes desgastes en los apoyos sobre los que gira en el interior de la carcasa, por lo que hay que diseñar un sistema de lubricación y protección que sea eficaz.

Al estar el turbo en contacto con los gases de escape ha de soportar temperaturas muy elevadas que entrañan riesgos para sus componentes.

Ambos aspectos se solucionan con el aceite del motor y unos componentes específicos en el interior del turbocompresor, estos componentes se explican después, de momento se expone como se lubrica y refrigera el turbocompresor:

  • Aparece la bomba de aceite, el filtro y a continuación el aceite en el cárter
  • La bomba succiona el aceite desde el cárter refrigerado por el aire de la marcha, lo envía al filtro para su limpieza y continua por el circuito de engrase hasta los elementos del motor que requieren lubricación, colaborando también en su refrigeración
  • Desde un punto del circuito de engrase se toma aceite por un conducto específico que llega al turbocompresor, realizando las funciones de engrase y refrigeración
  • El aceite que ha desarrollado sus funciones en el turbocompresor, lubricación y refrigeración, sale de este por otro conducto para llegar al cárter del motor y enfriarse
  • La animación reproduce el funcionamiento de los elementos que se han explicado; la válvula de descarga abre y cierra controlando la presión de sobrealimentación, el “intercooler” enfría el aire a presión y el circuito de engrase lubrica y refrigera el eje el turbocompresor
  • Se aprecia la aportación de combustible en función del aire de sobrealimentación

Se van a repasar las explicaciones de los complementos del turbocompresor con esta animación de su implantación en un automóvil:

  • Turbocompresor en el escape; aprovecha la energía de los gases de escape
  • Filtro de aire y entrada al turbocompresor
  • “Intercooler”; enfría el aire comprimido en el turbocompresor antes de entrar en los cilindros
  • Válvula de descarga; controla la presión de sobrealimentación puenteando el paso de parte de los gases de escape por la turbina
  • Circuito de sobrealimentación; desde la salida de presión del turbocompresor a la entrada del “intercooler” y desde la salida de este hasta la entrada del colector de admisión
  • Conducto desde el colector de admisión a la válvula de descarga
  • Circuito de aceite; desde el motor al turbocompresor y desde este al cárter, lubrica el eje del turbo y refrigera sus componentes sometidos a la temperatura de los gases de escape
  • Se pone el motor en marcha y se representa el funcionamiento de los componentes explicados, se incluye el detalle en vista frontal de la turbina y el compresor girando
  • También se incluye el suministro de combustible al motor adaptado a la sobrealimentación
  • Este es el resumen del funcionamiento:
    • Los gases de escape mueven la turbina y esta al compresor
    • El compresor succiona aire a través del filtro y lo envía a presión al colector de admisión pasando por el “intercooler” para reducir su temperatura
    • Al llegar al valor máximo de sobrealimentación abre la válvula de descarga
    • El turbo está lubricado y refrigerado por el aceite del circuito de engrase del motor
    • Se aporta la gasolina o gasóleo proporcional al caudal adicional del aire de admisión

El turbocompresor funciona en condiciones mecánicas y térmicas muy exigentes siendo útil tener en cuenta ciertas particularidades de utilización (módulo 1.15.2).

En la siguiente animación se explica el funcionamiento interno del turbocompresor que permite intuir algunas de estas particularidades de uso.

Válvula de descarga. Lubricación y refrigeración (detalles)

Con la evolución en todos los aspectos, entre estos la de los materiales, el turbocompresor es actualmente el complemento trascendental para obtener, en un motor que cumpla las directivas anticontaminación, buena respuesta al acelerador.

La siguiente animación explica las tecnologías para adaptar el turbocompresor a las severas condiciones de funcionamiento:

  • La turbina recibe el empuje de los gases de escape a muy elevada temperatura
  • … transmite mediante el eje el movimiento al compresor que aspira aire desde el filtro y lo envía a presión al motor
  • El aceite llega al turbocompresor y sale de nuevo hacia el cárter:
    • El eje del turbocompresor está sustentado por uno o dos casquillos flotantes en baño de aceite (dos en la imagen), de forma que no hay contacto metal – metal, actúan generando un “colchón” de aceite
    • En los extremos del eje del turbo están los segmentos de estanqueidad, que impiden que pase aceite hacia la turbina (escape) o compresor (admisión). Estos son los elementos que más desgaste suelen tener
    • La válvula de descarga permite el paso de parte de los gases de escape sin que incidan sobre la turbina para mantener el valor de presión de sobrealimentación

Aprovechando las explicaciones sobre esta animación se añaden tres comentarios, que permiten intuir otras tantas particularidades de utilización del automóvil que equipa motor con turbocompresor, se explican con detalle en el módulo 1.15.2:

  • Para que se forme el “colchón” de aceite con efectos eficaces de sustentación entre el eje – casquillos flotantes – carcasa, el aceite ha de estar a cierta temperatura, más o menos 70º, por lo que con el motor frío puede haber contactos metal – metal entre estos elementos si gira el turbo demasiado rápido
  • Con el fin de lograr que el aceite pueda formar a menor temperatura el “colchón” de protección se han adaptado las características del aceite, y también por las mayores demandas de refrigeración en uso exigente (se explican las características del aceite en el módulo 2.9.2)
  • El turbo gira muy rápido incluso con el motor a ralentí lo que determina ciertas particularidades al parar el motor
  • Circulando con el motor en condiciones térmicas exigentes; altas RPM mantenidas, mucha aceleración, alta temperatura ambiental o en carretera a más de medias RPM el turbocompresor trabaja a muy alta temperatura, lo que implica que el aceite en su interior esté muy caliente y al parar el motor aumente más la temperatura durante un tiempo, lo que puede generar problemas en el mismo aceite y afectar a los componentes del turbocompresor

Las particularidades de utilización, que se detallan en el módulo 1.15.2 son; como conducir hasta que el motor alcanza la temperatura óptima de funcionamiento, el método de parada del motor y actuaciones antes de parar el motor tras uso exigente.

Resumen de este módulo

Con estas dos animaciones:

  • Esta es la sobrealimentación del motor térmico
  • Partiendo de un motor determinado, de cuatro cilindros en línea en la imagen, con su par y potencia, se sobrellenan de aire a presión los cilindros, es la sobrealimentación. Se obtiene más par y potencia, es como disponer de un motor de más cilindrada al acelerar
  • Hay dos formas genéricas de sobrealimentar el motor:
    • Compresor volumétrico; es una bomba de aire arrastrada por el motor que introduce aire a presión en los cilindros durante la admisión. Sus efectos son apreciables desde el inicio de la aceleración
    • Turbocompresor; consta de dos turbinas, una en escape y otra en admisión (esta es el compresor) y están unidas por un eje. La energía de los gases de escape mueve la turbina y el compresor aumenta la presión del aire que llega al colector de admisión. Los efectos de la sobrealimentación se aprecian a partir de cierta velocidad de giro del turbocompresor

Esquema de la implantación del turbocompresor en un automóvil

  • En esta imagen el motor de cuatro cilindros en línea es delantero longitudinal y son motrices las ruedas traseras
  • El turbocompresor…
  • .. línea de escape con dos silenciadores (representando también los sistemas anticontaminación)…
  • … filtro de aire con la entrada al turbocompresor…
  • … circuito de salida de aire a presión desde el turbocompresor al motor pasando por el “intercooler”…
  • … válvula de descarga…
  • .. circuito de aceite de lubricación y refrigeración del turbocompresor
  • Detalles de los elementos de sobrealimentación:
    • Turbocompresor; la energía de los gases de escape mueve la turbina y esta al compresor induciendo el llenado a presión de aire del motor
    • Válvula de descarga; cuando se alcanza la presión de sobrealimentación predeterminada abre haciendo que parte de los gases de escape puenteen la turbina, limitando la presión y RPM del turbocompresor
    • “Intercooler”; situado en el circuito entre el turbocompresor y el colector de admisión, enfría el aire a presión para no perder llenado del motor
    • Lubricación y refrigeración; mantiene el eje del turbocompresor flotante en un “colchón” de aceite y reduce la temperatura de trabajo del turbocompresor

La sobrealimentación del motor en los inicios tenía como objetivo aumentar la potencia en motores prestacionales.

Con el paso del tiempo y las directivas anticontaminación más severas, sumado a la evolución tecnológica, la sobrealimentación es la ayuda casi imprescindible para mantener las prestaciones del motor con sistemas anticontaminación, no solamente para aumentos de potencia sino de sensibles incrementos del par motor incluso desde bajas RPM.

Esta solución permite reducir el tamaño del motor, menos cilindrada o menos cilindros, disponiendo de la misma potencia que el motor atmosférico e incluso más par motor.

La utilización de motores más pequeños sin merma de prestaciones es la tecnología “down size”.

Artículos relacionados

Otros enlaces

Vídeos de interés

Esta entrada tiene un comentario

  1. Jorge Angel Lopez Sánchez

    Buena nota.

Deja una respuesta