1.15.2. Sobrealimentación

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Video resumen 1.15.2. Sobrealimentación

El llenado a presión de los cilindros aumenta el par y la potencia, y se ha comentado en el módulo anterior que hay dos formas genéricas para lograrlo; el compresor volumétrico y el turbocompresor.

Curvas de par y potencia; “tiempo de respuesta”

Las RPM de giro del turbocompresor dependen de la energía de los gases de escape, caudal y velocidad, que inciden sobre la turbina.

Recordamos del módulo anterior que a ralentí del motor el turbocompresor gira a unas 6.000 RPM, comienza a sobrealimentar los cilindros a +/– 60.000 RPM y la válvula de descarga limita la sobrepresión cuando gira a más de 200.000 RPM (unas 100.000 en los inicios)⁽¹⁾.

Para contar con los efectos de la sobrealimentación el turbocompresor ha de girar más o menos a 60.000 RPM, y acelerando desde bajo régimen del motor la inercia del turbo implica cierta demora.

Estos comentarios se representan en la siguiente animación, sobre un automóvil con motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión (tracción trasera):

Admisión de aire desde el filtro a la entrada del turbocompresor
Circuito de sobrepresión; desde el turbocompresor al colector de admisión pasando por el “intercooler”
Se representa la aportación de combustible adaptada al caudal adicional de aire
Salida de los gases de escape hacia el turbocompresor continuando después hacia el exterior a través de los silenciadores y sistemas anticontaminación (no representados)
La válvula de descarga está cerrada
Aparece el diagrama para las curvas de par y potencia, con las correspondientes al motor atmosférico como referencia
Al acelerar desde bajas RPM… el turbocompresor va ganando velocidad…aumentando el llenado ¿progresivamente?
Al llegar a las RPM de sobrealimentación (+/– 60.000)… aumenta el par y seguidamente con más presión se obtiene su valor máximo
La curva de potencia tiene una forma similar
El par no aumenta hasta medias RPM, cuando es efectiva la sobrealimentación, hasta entonces el turbo ha ido ganando velocidad pero sin sobrellenar el motor…
… hay un tiempo de respuesta (T”) al acelerador desde fase atmosférica (bajas RPM) a sobrealimentada (medias RPM)
Al final se representa la actuación de la válvula de descarga limitando las RPM del turbocompresor, es decir la presión de sobrealimentación

El tiempo de respuesta desde bajas RPM al acelerar ha sido un freno para la aplicación del turbocompresor en automóviles de turismo, al tener un comportamiento no uniforme y brusco en la entrega de par y potencia.

Por esta razón sus primeras implantaciones, una vez superadas la tecnológicas por sus exigentes condiciones de funcionamiento, se realizaron en automóviles con fines prestacionales, ver la explicación⁽¹⁾.

Se puede lograr que el turbocompresor llegue antes a las RPM de sobrealimentación reduciendo su inercia, o lo que es lo mismo disminuyendo su tamaño, pero entonces habría de girar a muy altas RPM para mantener suficiente caudal de aire a alto régimen del motor, con más exigencias mecánicas y térmicas derivadas.

En los siguientes módulos se conocerán las evoluciones para reducir el tiempo de respuesta del turbocompresor con elevados valores de par y potencia, se presentan algunas de estas soluciones al final de este módulo en la sección resumen y repaso.

En el motor multiválvulas del módulo 1.14 se representaron sus curvas de par y potencia, resultando conceptualmente similares a la que hemos visto con turbocompresor, con la particularidad de que si bien las formas son similares, menos respuesta hasta medias RPM, con turbocompresor la sobrealimentación aporta valores de par y potencia sensiblemente superiores.

Como se comentaba en el anterior módulo de sobrealimentación, las explicaciones son genéricas para gasolina y diésel y se irán matizando en los siguientes módulos de los diferentes temas relacionados.

⁽¹⁾ En los inicios de la aplicación del turbocompresor en el automóvil, la tecnología no permitía que su velocidad superase 100.000/120.000 RPM para mantener su fiabilidad mecánica, por lo que el tamaño del turbocompresor era grande para obtener valores de sobrealimentación efectivos y apreciables.

Este tamaño aumentaba la inercia del turbocompresor, que desde bajas RPM tardaba en alcanzar el régimen de sobrealimentación, con tiempos de respuesta demasiado largos para un automóvil de turismo.

Con la evolución de los materiales y sistemas de sustentación y apoyo del eje del turbocompresor, se ha ido incrementando la velocidad a que puede girar permitiendo buen caudal de sobrealimentación a altas RPM y poca inercia al acelerar desde bajas RPM, mejorando sensiblemente el tiempo de respuesta.

Modificaciones mecánicas en el automóvil sobrealimentado

La sobrealimentación, sobrellenado a presión de los cilindros, implica esfuerzos mecánicos y térmicos adicionales a diferentes elementos del motor, pero también el mayor par y potencia disponibles afectan a otros órganos del automóvil.

Se explica con la imagen de un automóvil con carrocería familiar que tiene motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión (tracción trasera).

Al incorporar la sobrealimentación en un motor, en este caso mediante turbocompresor
Se aumenta el par y la potencia
Hay que reforzar los elementos del motor afectados, se identifican después
Adaptar la lubricación; más caudal de aceite y controles de su temperatura para proteger a los elementos sometidos a mayores cargas mecánicas y térmicas, el aceite lubrica y refrigera
Adaptar la refrigeración; radiador, componentes y circuito sobredimensionado por las mayores exigencias térmicas
Ajustar la alimentación de combustible en función del sobrellenado de los cilindros
Además de estas modificaciones en el motor hay que adaptar⁽¹⁾:
- El embrague (caja de cambios manual) o convertidor de par (caja automática); por estos elementos pasa el par desde el motor a la caja de cambios
- Caja de cambios más robusta y adaptada a las nuevas prestaciones; recibe el par motor desde el embrague o convertidor y lo adapta a las necesidades de circulación con las diferentes relaciones, por lo que ha de soportar esfuerzos adicionales
  - También determina la velocidad del automóvil (km/h) en función de las RPM del motor en cada relación de caja de cambios, por lo que habrá de permitir circular a la misma velocidad a menos RPM para sacar rendimiento del mayor par motor disponible⁽²⁾
  - Esta es la modificación que permite reducir consumo y contaminación del motor con turbocompresor, pero para que se obtengan todas sus ventajas ha de reducirse el tiempo de respuesta al acelerador
- Suspensión más “dura” para controlar las oscilaciones que pueden ser mayores por las mejores prestaciones
- Frenos sobredimensionados; para soportar las mayores prestaciones de aceleración y velocidad que requieren más esfuerzo para reducir la velocidad y parar el automóvil
- Ruedas; neumáticos y llantas para contar con adherencia adicional y su adaptación a las mayores exigencias en dimensiones, estructura y componentes

En función de la presión de sobrealimentación los valores de par y potencia resultantes serán proporcionales, y según estos así habrá que modificar el motor y demás componentes del automóvil para que la sobrealimentación quede integrada; se mantenga la seguridad activa o primaria y sin efectos de desgastes adicionales.

Ya se comentó en el módulo anterior que con presiones de sobrealimentación reducidas no es necesario el “intercooler”.

⁽¹⁾ Estas modificaciones en otros órganos por los incrementos de par y potencia son similares a las que se hacen en automóviles con esos valores obtenidos por más cilindrada, pues las prestaciones están en la misma línea. En estos casos el motor no requiere modificaciones específicas al funcionar con presión atmosférica, sin sobrealimentación.

⁽²⁾ La relación entre las RPM del motor y km/h del automóvil, desarrollos de transmisión.

Detalle de modificaciones del automóvil con turbocompresor en el motor

Terminada la información de las modificaciones que se han de hacer en un automóvil sobrealimentado, se llega al órgano más directamente afectado, el motor.

La sobrealimentación somete a esfuerzos mecánicos y térmicos adicionales importantes a los elementos del motor situados en el entorno donde se produce la combustión de la mezcla, afectando a los que han de transmitir la gran energía generada para transformarla en el par motor:

Sobre un motor de cuatro cilindros en línea y distribución OHC funcionando se incorpora un turbocompresor
El cigüeñal se ha de sobredimensionar y reforzar, es el encargado de generar el par motor con su rotación
Cilindros; en su interior se producen las combustiones con mayores presiones y temperaturas que han de soportar
Pistones; reciben la energía de la combustión con bastantes más exigencias mecánicas y térmicas
Bielas; transmiten la mayor fuerza de las combustiones y están sometidas a fuertes cargas mecánicas y también térmicas, estas sobre todo en las articulaciones con los pistones
Válvulas; al estar en las cámaras de combustión están sometidas a fuertes presiones y temperaturas lo que requiere adaptar sus materiales, especialmente las de escape
Culata, especialmente la zona inferior donde están las cámaras de combustión al estar sometida a fuertes exigencias mecánicas y térmicas, lo que requiere su adecuación en materiales y diseño, así como de la junta de culata
La lubricación ha de satisfacer condiciones de trabajo bastante más exigentes, entre estas poder generar el “colchón” de aceite en el eje del turbo lo antes posible tras arrancar el motor en frío, lubricar y refrigerar adecuadamente los componentes internos del turbocompresor, y atender a las mayores necesidades mecánicas y térmicas de los elementos del motor
El sistema de refrigeración ha de estar adaptado para poder mantener la temperatura de los elementos afectados por el calor generado por la sobrealimentación; mayor cantidad de líquido de refrigeración, radiador más grande y bomba de agua con mayor caudal de circulación como principales modificaciones

Se aprecia que las aportaciones prestacionales del motor sobrealimentado con turbocompresor tienen unas connotaciones que se han de resolver, pero el resultado final es muy favorable al equilibrio prestaciones – consumo – contaminación comparado con un motor equivalente de más cilindrada.

Particularidades de utilización con turbocompresor

El automóvil se diseña para soportar temperaturas ambientales bajas que afectan muy especialmente al motor; durante el arranque en frío, calentamiento y también en uso exigente lo que incrementa sensiblemente las temperaturas internas de funcionamiento.

Durante el arranque en frío y periodo de calentamiento el aceite es trascendental, con el motor caliente es el sistema de refrigeración el protagonista, pero con la colaboración imprescindible del aceite para mantener el equilibrio térmico del motor.

En el módulo anterior se comentó que la sobrealimentación es una “droga legal” suministrada al motor, al utilizar el sistema de sobrealimentación por turbocompresor se añaden unas particularidades de utilización que es conveniente tener en cuenta para que no se vea afectada la fiabilidad del motor y turbocompresor, son principalmente estas tres.

Calentamiento del motor

Durante el arranque en frío y periodo de calentamiento es cuando hay más desgastes en el motor, esto en cualquier automóvil, al tener turbocompresor este es bastante más sensible a estas condiciones de marcha.

El siguiente método de conducción durante el calentamiento del motor es aplicable a cualquier automóvil, más necesario con turbocompresor.

Con el motor frío…

No superar medias RPM ni acelerar bruscamente, conducir con suavidad
- Así se evita que haya sobreesfuerzos que provoquen contactos internos entre el eje del turbocompresor, los casquillos flotantes y carcasa, pues con bajas temperaturas no se genera el “colchón” de aceite de protección lo suficientemente eficaz
Al alcanzar la temperatura normal de funcionamiento ya están los elementos preparados y protegidos para utilización normal como quiera el conductor
Si con el motor en fase de calentamiento se acelera en exceso o se mantiene el motor a más de medias RPM, se producen contactos entre el eje y los casquillos flotantes y estos con la carcasa del turbocompresor a través de una pequeña película de aceite, que llega a desaparecer por rozamiento si se mantiene el esfuerzo
Si se repite con frecuencia esta situación, los segmentos de estanqueidad en los extremos se desgastan por los excesivos movimientos concéntricos no controlados del eje reduciendo su hermeticidad, lo que implica que se fugue aceite hacia la salida de escape y el colector de admisión
Cuando sucede esto se suelen oír silbidos discontinuos al acelerar, debidos al roce de los álabes del turbocompresor con el interior de la carcasa, está llegando al fin de su vida útil

Parada del motor

Con el motor ya caliente se circula según el estilo de conducción de cada persona.

Al llegar al destino se va a parar el motor, esta es una forma de hacerlo.

Antes de parar el motor…

Esperar a ralentí unos 30 segundos para que el turbocompresor caiga a su menor régimen de giro y se mantenga operativo el circuito de engrase
Recordamos que con el motor a ralentí el turbocompresor gira a unas 6.000 RPM, por lo que cualquier maniobra de aparcamiento que haya precisado algo de aceleración supone que el turbocompresor suba de RPM
Si se para súbitamente el motor tras una ligera aceleración de aparcamiento, se corta el suministro de aceite con el turbocompresor girando por encima de su régimen mínimo, lo que implica que durante unos segundos gira sin lubricación ni protección del “colchón” de aceite
Si se hace habitualmente se producirán efectos similares a lo explicado en el texto en negrilla y cursiva del método de calentamiento del motor

Parada del motor tras recorrido en carretera

Circulando en carretera el turbocompresor funciona a temperaturas elevadas pero controladas por los sistemas de lubricación y refrigeración.

Al parar el motor en estas condiciones es conveniente tener en cuenta este método.

Parada del motor tras recorrido en carretera…

El turbocompresor está muy caliente y se refrigera por la circulación del aceite que se enfría en el cárter del motor
Durante unos minutos tras parar el motor en estas condiciones la temperatura del turbocompresor, también del motor, aumenta sensiblemente al haber cesado la lubricación y refrigeración
Por esta razón es adecuado esperar entre dos y tres minutos antes de parar el motor, para enfriar el turbocompresor con el aceite del cárter
También se puede hacer de otra forma, circular a no más de medio régimen con aceleración suave durante unos 4 kilómetros, así se reducen los esfuerzos térmicos del motor y turbocompresor que se continúan refrigerando, y al parar el motor se esperan los 30 segundos para que las RPM del turbo sean las mínimas
Si no se aplica una de estas dos formas de parar el motor tras recorridos extraurbanos de forma habitual, se pueden producir picos térmicos elevados tras la parada del motor que incrementan bastante la temperatura del aceite en el interior del turbocompresor, llegando a carbonizarse, bloqueando el movimiento de los casquillos flotantes y dificultando la circulación del aceite, con graves riesgos para la integridad del turbocompresor
Si se hace con frecuencia se llegará a lo explicado en el texto en negrilla y cursiva del método de calentamiento del motor

Estas particularidades de uso del motor con turbocompresor permiten disponer de todas sus ventajas sin que las exigencias mecánicas y térmicas tengan efectos negativos en la duración del motor y turbocompresor.

Como información adicional un comentario, si se utiliza el motor en caliente a más de medias RPM a velocidad mantenida, el turbocompresor está protegido pero la energía de las combustiones supone un esfuerzo importante y continuo para los pistones, bielas y cigüeñal lo que puede afectar a desgastes del motor.

Para reducir estos efectos se aumenta número de relaciones de caja de cambios, lo que permite que el régimen de giro del motor sea menor a las misma velocidad del automóvil disminuyendo las exigencias mecánicas y térmicas.

Resumen de este módulo

Se proponen estas tres animaciones como refuerzo de los conceptos explicados, añadiendo anticipaciones que se desarrollan en módulos siguientes.

Par, potencia, tiempo de respuesta y presentación de soluciones

Se van a presentar algunas de las soluciones para evitar o reducir el tiempo de respuesta del motor con sobrealimentación por turbocompresor, que se explican en siguientes módulos de sobrealimentación:

Se ven las curvas de par y potencia resaltando la forma con menos empuje al acelerar hasta medias RPM, es el tiempo de respuesta
- Estas curvas de par y potencia corresponden a turbocompresores de gran tamaño con corte de sobrealimentación en el entorno de las 100.000 RPM
¿Cómo se puede reducir y si es posible evitar el tiempo de respuesta?, la idea es que al acelerar se note el empuje rápidamente como si se tratase de un motor de mayor cilindrada
Turbocompresor de menor tamaño; ya se ha comentado que si se reduce el tamaño del turbocompresor lo hace su inercia pudiendo subir rápidamente de RPM
- Para que no se aprecie pérdida de caudal de sobrealimentación a más RPM de motor es necesario que el turbocompresor gire bastante más rápido, llegando a superar las 200.000
- Se logra mejorando los materiales de construcción de los componentes rotatorios y con sistemas de sustentación del eje por casquillos flotantes, en un “colchón” de aceite que evita rozamientos que a esas RPM provocarían grandes desgastes
- Para lograr estos objetivos ha sido necesario adaptar el aceite
Turbocompresor de geometría variable; consiste la idea en aumentar la velocidad de entrada de los gases de escape en la turbina a bajas RPM
- Una forma de hacerlo es la representada, mediante un conjunto de álabes rotatorios alrededor de la turbina, que están muy próximos a bajas RPM, se estrecha el paso de los gases de escape lo que incrementa su velocidad aumentado las RPM del turbocompresor
- Al acelerar y subir el motor de régimen los gases de escape salen ya a más velocidad, los álabes rotatorios se van separando no afectando al paso de los gases de escape que ya tienen velocidad suficiente
Turbocompresor de doble entrada de gases de escape (doble caracola o “twin schroll”); la resonancia en los colectores induce ondas de presión al cerrar y abrir las válvulas, en el escape esto implica efectos de vaivén, resonancia, de los gases que no aportan un empuje continuo sobre la turbina, se evitan estos efectos haciendo que la entrada de los gases de escape a la turbina sea doble, una para cada grupo de cilindros en desfase de escape, así los movimientos de vaivén de los gases de escape en una de las entradas no afectan al giro del turbocompresor al seguir recibiendo gases por el otro conducto
Más de un turbocompresor en el motor; para lograr más potencia en un motor se necesita que el turbocompresor tenga un buen tamaño aunque gire a altas RPM, lo que implica más tiempo de respuesta
- También en motores con más cilindrada se necesitan turbocompresores grandes, con los mismos efectos en el tiempo de respuesta
- Para conseguir buena respuesta al acelerador desde bajo régimen se puede contar con dos turbocompresores, como en la imagen, uno pequeño para bajas/medias RPM del motor y otro de más tamaño para medias/altas RPM
- En motores de más cilindrada se suelen utilizar dos turbocompresores de tamaño medio, uno para cada mitad de los cilindros

Hay más opciones para reducir el tiempo de respuesta y contar con bastante potencia, se explican en los siguientes módulos de sobrealimentación.

Modificaciones en el motor sobrealimentado

El apreciable incremento del par y potencia en el automóvil sobrealimentado implica adaptar los órganos y elementos relacionados con la dinámica del automóvil; embrague, caja de cambios, transmisión, suspensión, frenos y ruedas son los más afectados.

Pero es el motor, responsable del incremento de prestaciones, el que ha de recibir atenciones especiales, estas son las más importantes:

Reforzar los cilindros, pistones, bielas, cigüeñal, culata y válvulas
Adaptar el sistema de lubricación en caudal y capacidad de refrigeración
Sobredimensionar el sistema de refrigeración
En aplicaciones con elevados valores de par y potencia se añade la refrigeración por “agua” del turbocompresor, consiste en integrarle en el circuito de refrigeración del motor

Las aportaciones de la sobrealimentación para poder superar directivas anticontaminación cada vez más severas, está haciendo que se considere al turbocompresor como un elemento más en el diseño del motor, por lo que su integración es más completa en todos los aspectos relacionados con la respuesta al acelerador y fiabilidad, entre otros más.

El motor de la imagen de esta animación tiene cuatro válvulas por cilindro, y es una solución utilizada de forma habitual actualmente con sobrealimentación, pues el llenado a presión mejora el aprovechamiento de la mayor sección de paso de los colectores.

Particularidades de utilización del automóvil con turbocompresor

Las modificaciones en el motor sobrealimentado tienen relación con la utilización, sobre todo si es mediante turbocompresor.

Estas son las tres que más afectan:

Calentamiento del motor; conducir en esta fase a medias RPM sin aceleraciones bruscas hasta llegar a la temperatura normal de funcionamiento
- Así se evitan esfuerzos adicionales hasta que se forma el “colchón” de aceite de sustentación del eje del turbocompresor
Parada del motor, mantenerle a ralentí unos 30 segundos para asegurar que al cortar el contacto el turbo gira a sus RPM mínimas y se ha mantenido el engrase hasta este momento
Parada del motor tras recorrido en carretera; esperar a ralentí entre uno y dos minutos para refrigerar el aceite en el interior del turbocompresor, evitando que el aumento de temperatura tras su detención sea excesivo y pueda carbonizar el aceite
- Se puede hacer de esta otra forma, circular antes de la parada unos 4 a 5 km a medio régimen sin aceleraciones bruscas y esperar los 30 segundos antes de detener el motor

Los elementos más afectados si no se tienen en cuenta estas particularidades de uso son los casquillos flotantes, segmentos de estanqueidad y el mismo aceite por exceso de temperatura.

Estos métodos de uso del automóvil con turbocompresor están incluidos en los manuales de utilización y mantenimiento de los automóviles.