Motor de bajo rozamiento

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Video resumen Motor de bajo rozamiento

El motor térmico del automóvil tiene un funcionamiento complejo con gran cantidad de piezas y elementos que friccionan entre sí.

El rozamiento resultante se opone al giro del motor restando parte del par utilizable para mover el automóvil.

También es necesario para el funcionamiento del coche que el motor mueva diferentes complementos, además de aportar confort y seguridad.

Hace años la potencia del motor se indicaba, genéricamente, de dos formas, una con todos los elementos que incorporaba el automóvil y otra con los imprescindibles para el funcionamiento del motor.

El resultado era que con todos los elementos, la potencia (y par) eran sensiblemente menores que sin estos.

Vamos a comentar en este artículo algunas de las tecnologías que más afectan al rendimiento del motor, tanto en sus componentes internos como externos, y los medios para lograr un motor de bajo rozamiento.

Menos resistencia interna del motor

El funcionamiento del motor térmico se basa en transformar la energía de las explosiones o combustiones en movimiento.

De esto se encarga el conjunto pistón – biela – cigüeñal.

En las imágenes que incluimos en este artículo se ve un motor de frente con distribución OHC (árbol de levas en culata o cabeza) y accionamiento de las válvulas mediante balancines.

No se ha representado el sistema de arrastre del árbol de levas desde el cigüeñal para ver con mayor claridad los elementos que se van a explicar.

La animación que sigue nos presenta dos formas de disminuir los rozamientos internos inherentes al funcionamiento del motor:

Rozamientos pistón – cilindro; en realidad están incluidos los segmentos encargados de hacer estancas las dos partes del pistón, la superior y la inferior
Estos rozamientos se producen durante todo el recorrido de sube y baja del pistón por el interior del cilindro
En los cambios de sentido es cuando más rozamiento se producen, especialmente en la carrera de explosión en la que se une la fuerza aplicada por la combustión sobre el pistón, con efectos laterales, y la inercia del cambio de sentido por el peso del pistón
Se reducen los rozamientos e inercias con el pistón más corto y segmentos más estrechos. Se requieren materiales específicos que aseguren la fiabilidad
Rozamientos de la distribución: una zona crítica es el contacto entre las levas y el sistema de accionamiento de las válvulas, balancines en este motor
Reducción de rozamientos de distribución; se logra intercalando entre las levas y los balancines unos rodillos que giran con mínima resistencia y desgaste

Los motores “down size”, más pequeños de tamaño y/o con menos número de cilindros, son un ejemplo de como reducir apreciablemente los rozamientos internos de funcionamiento.

Pero estas soluciones requieren de complementos para no mermar las prestaciones, lo que requeriría más aceleración con aumento del consumo y contaminación.

Los motores “down size” cuentan con algún sistema de apoyo para que su menor cilindrada no afecte a las prestaciones, las opciones más habituales son estas tres; sobrealimentación, desconexión temporal de cilindros y motor eléctrico complementario (híbrido).

Al final de este artículo se facilitan enlaces a temas relacionados con su contenido en el blog, entre estos al “Motor down size”

Bomba de aceite

La lubricación del motor se basa en distribuir el aceite almacenado en el cárter por todas las zonas y elementos que friccionan entre sí y requieren engrase.

La animación siguiente representa de forma simplificada el circuito de engrase:

B_A bomba de aceite; es arrastrada por el motor, en la imagen mediante una cadena y dos piñones. Succiona el aceite del cárter y lo envía al filtro F_A
F_A filtro de aceite; acumula las impurezas que lleve el aceite y le dirige limpio al circuito de engrase C_E
C_E circuito de engrase; distribuye el aceite a presión por la bomba y limpiado en el filtro por el circuito de engrase, en la animación se ve como llega al cigüeñal y sube a la distribución
La bomba de aceite B_A gira proporcionalmente a las RPM del motor, por lo que para evitar que al acelerar haya demasiada presión se incorpora una válvula de exceso de presión E_P, que envía la presión sobrante de nuevo al cárter
El hecho de que la bomba genere presión y se retorne parte al cárter supone un consumo adicional de energía
B_AA bomba de aceite adaptativa; es un sistema que produce la presión necesaria en cada situación de marcha, adaptando el caudal y presión sin necesitar retorno al cárter
Se representa el efecto adaptativo con el control de caudal y presión C_CP, didácticamente al modificar la distancia entre los álabes del la bomba y su cámara se varía la presión y caudal. El control de este sistema puede ser mecánico o electrónico
El resultado es mantener la calidad de engrase del motor con menos resistencia interna de la bomba

Bomba de agua

La refrigeración por líquido es la utilizada desde hace años y en la actualidad en prácticamente todos los automóviles (2015).

La animación propuesta a continuación es la base para explicar cómo se puede reducir la energía que precisa el sistema de refrigeración desde el motor:

La refrigeración por líquido consiste en rodear las zonas calientes del motor con una cámara
Esta cámara contiene líquido de refrigeración; desde la parte superior, la más caliente, se envía el líquido al radiador en el que se enfría por el paso del aire potenciado si es preciso mediante el electroventilador E_V
El líquido a menor temperatura retorna desde el radiador a la cámara de refrigeración del motor y hace la función refrigerante
B_AR bomba de agua de refrigeración; es arrastrada por el motor, en la imagen mediante la correa exterior de accesorios, lo que requiere una parte del par
La velocidad de giro de la bomba es proporcional a las RPM, en función de la relación de los diámetros entre las poleas motor y bomba; en la imagen son iguales
T_R termostato; es una válvula térmica que cierra el paso con el motor frío para reducir el tiempo de calentamiento
También puede cerrar parcialmente cuando el motor no precise toda la refrigeración, descensos prolongados, circular con poca aceleración en llano, con temperaturas bajas, etc
El hecho de que la bomba de agua gire permanentemente supone que cuando no se necesita tanta refrigeración se sigue absorbiendo energía del motor

B_ARD bomba de agua de refrigeración desconectable

La correa de arrastre acciona una polea, pero no directamente la bomba de agua

Rodillo controlado electrónicamente

Conecta o desconecta la bomba de agua de la polea de arrastre

Bomba de agua B_ARD

Actúa si hace falta refrigeración y es solamente cuando consume energía

B_ARE bomba de agua de refrigeración eléctrica

En esta solución no hay arrastre desde el motor del coche
La bomba es accionada por un motor eléctrico y controlada electrónicamente
La bomba de agua está parada en frío y puede girar a las RPM necesarias en subidas prolongadas con calor exterior lo que mejora el rendimiento de la refrigeración, adaptando el consumo de energía con extrema precisión a las necesidades

Compresor de aire acondicionado

Hace ya bastante tiempo que el aire acondicionado es un equipo habitual en los automóviles comercializados en países con temperatura ambiental media elevada.

La seguridad activa que aporta el confort que se logra es un valor añadido.

En invierno o países fríos tiene también gran utilidad por su capacidad de secar el aire reduciendo el empañado de los cristales.

La calefacción del automóvil es fácil de conseguir, pues el motor genera calor y se aprovecha para calentar el aire que entra al habitáculo.

Para obtener frío se requiere un complejo equipo que lo genere y se integre en la entrada de aire al habitáculo, es el aire acondicionado.

Con la animación siguiente se explica una forma de reducir la energía que el sistema de aire acondicionado requiere, pero antes una breve explicación de su funcionamiento; el aire acondicionado se basa en la absorción de calor de un fluido específico al caer bruscamente de presión:

C_D condensador

Recibe el fluido a presión desde el compresor de aire acondicionado C_AA en estado gaseoso y sale hacia la botella deshidratante B_D en estado líquido

B_D botella deshidratante

Recibe el fluido en forma líquida y su función es acumular la humedad e impurezas que pueda contener
Sigue el fluido su recorrido hacia la válvula de expansión V_E

V_E válvula de expansión

Recibe el fluido en estado líquido desde la botella deshidratante B_D y lo expande cayendo bruscamente de presión, pasando a estado gaseoso según llega al evaporador E_V

E_V evaporador

Es un radiador en cuyo interior recibe el fluido pasando a gas y bajando mucho de presión
El aire exterior que pasa alrededor del evaporador E_V antes de entrar al habitáculo se enfría calentando el fluido en el proceso, lo que potencia su paso a estado gaseoso y continua su camino hacia el compresor C_AA

C_AA compresor de aire acondicionado

Recibe el fluido en forma de gas a baja presión, lo comprime y lo envía al condensador
El trabajo del compresor C_AA requiere bastante energía y la obtiene desde el motor mediante el arrastre a través de la correa de accesorios
El compresor CAA cuenta con un embrague electromagnético de acoplamiento a la polea de arrastre y/o un sistema de accionamiento variable
En cualquier caso la actuación del compresor, supeditada al régimen de giro del motor, necesita una apreciable energía

C_AAE compresor de aire acondicionado eléctrico

Se prescinde del arrastre desde el motor y se acciona el compresor mediante un motor eléctrico con control electrónico
Puede girar a las RPM necesarias y se adapta de forma excelente a las demandas de frío con la menor energía consumida durante su funcionamiento

Una ventaja añadida al compresor de aire acondicionado eléctrico C_AAE es que puede ubicarse en la zona más conveniente pues no ha de estar cerca del motor.

Alternador

La batería del automóvil es el almacén de electricidad para la puesta en marcha del motor y utilizar elementos eléctricos cuando está parado.

La función del alternador, accionado por la correa de accesorios desde el motor, es mantener la batería cargada y suministrar electricidad a los elementos eléctricos con el motor en marcha, transformando su giro en generación de electricidad.

Durante este proceso utiliza energía de giro del motor, más cuanta mayor sea la demanda de carga de la batería y consumo de electricidad.

Con la animación siguiente se expone como lograr reducir la energía que utiliza el alternador para sus funciones:

A_L alternador

Carga la batería con el motor en marcha y suministra electricidad necesaria
Para generar carga el alternador A_L necesita una cierta cantidad de electricidad de excitación E_C, se representa desde la salida de carga del alternador a la batería
El alternador trata de mantener la batería cargada al máximo, cuando no es necesario pues se necesita la batería básicamente para el arranque del motor
Además, cuando se requiere aceleración la carga generada por el alternador supone un consumo adicional de energía que proviene del combustible

A_LD alternador desconectable

Consiste en controlar la excitación de carga electrónicamente E_CE, de forma que solamente genere carga al decelerar
Al acelerar se anula la excitación de carga E_CE girando libre el alternador sin absorber energía
Al generar carga el alternador desconectable A_LD en deceleraciones se aprovechan los momentos en que el motor no mueve el automóvil, con ventajas en absorción de energía y el consiguiente consumo de combustible

Este sistema requiere un control electrónico del estado de carga de la batería para asegurar el arranque del motor, más estricto si el automóvil equipa “stop & start”.

Resumen conjunto de sistemas del motor de bajo rozamiento

Esta animación reproduce el resumen conjunto de los sistemas explicados en este artículo para reducir la resistencia al giro del motor:

P_BR pistones de bajo rozamiento; más cortos, de menos peso y con segmentos más estrechos lo que reduce las fricciones entre pistón/segmentos y cilindro
D_R distribución con rodillos; intercalados entre los balancines y las levas reducen apreciablemente el rozamiento
B_AA bomba de aceite adaptativa; adapta el caudal y presión a la demanda con precisión, el control es mecánico o electrónico y consume estrictamente la energía necesaria
B_ARE bomba de agua eléctrica; gira por un motor eléctrico adaptando el caudal de circulación a las necesidades con menos consumo de energía y mejor rendimiento del sistema de refrigeración
C_AAE compresor de aire acondicionado eléctrico; al girar mediante un motor eléctrico independiente del motor del coche, se reduce la energía que requiere con mejor capacidad de adaptarse a las demandas de frío
A_LD alternador desconectable; carga la batería al decelerar cuando el par motor no se utiliza. En aceleración se desconecta siendo la batería la que suministra electricidad

Hay más elementos, sistemas y equipos que son susceptibles de mantener e incluso mejorar su rendimiento con menos consumo de energía, de hecho se están aplicando cada vez más con pequeñas aportaciones en algunos casos, pero la suma total da una importante disminución de consumo y contaminación.