Alterno-arranque

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Video resumen Alterno-arranque

En el circuito eléctrico del automóvil los tres principales componentes son; la batería como almacén o acumulador de electricidad, el motor de arranque que es un motor eléctrico para poner en marcha el motor térmico del automóvil (gasolina, diésel o gas) con la electricidad de la batería, y el alternador, que arrastrado por el motor térmico en marcha genera electricidad para recargar la batería y suministrar la que necesite el automóvil.

Antes del alternador se utilizaba la dínamo, con la ventaja de que producía corriente continua, que es con la que funciona el circuito eléctrico del automóvil.

El alternador genera corriente alterna y se ha de transformar en continua.

La dínamo comienza a cargar a la batería a RPM superiores a las de ralentí, por lo que no resulta eficiente para automóviles en los que se necesita mucha electricidad para su funcionamiento y circulan con frecuencia en tráfico medio y lento o congestionado.

El alternador genera electricidad desde ralentí.

La evolución del automóvil precisa más electricidad que ha de generar el alternador, pero la energía para su movimiento la produce el motor, es decir implica consumo de combustible.

A más electricidad generada por el alternador más consumo.

Además, la necesidad de reducir la emisión de gases contaminantes, hasta llegar a eliminarlos, hace que se recurra a la propulsión eléctrica con baterías y motor eléctrico, pero este sistema tiene particularidades de utilización que de momento no son adecuadas para todos los usos, por eso se combina con el motor térmico, tecnología híbrida, y en un futuro más o menos próximo la electricidad se generará mediante la pila de combustible de hidrógeno.

Hay automóviles con este sistema de propulsión en el mercado, que de momento no recibe demasiada atención por los estamentos que podrían agilizar su desarrollo y difusión.

En este artículo vamos a ver como se logra reducir el consumo de combustible con el alternador inteligente, la combinación del motor de arranque y alternador en un único elemento; alterno-arranque, y la evolución de esta tecnología.

En el blog hemos tratado temas relacionados con el de este artículo en otros, al final se indican para ampliar la información a los interesados.

Funciones de la batería, motor de arranque y alternador

Se ve un automóvil de frente con motor longitudinal delantero.

Estos son los principales componentes del circuito eléctrico del coche:

Batería; se la ve en su ubicación y en detalle. Tiene dos bornes de conexión, positivo (+) y negativo (–)
Motor de arranque; es un motor eléctrico que puede mover un piñón
Alternador; es un generador de electricidad arrastrado por el motor mediante una correa exterior o de servicio o de accesorios
La batería es un almacén de electricidad: suministra la que necesite el automóvil con el motor térmico parado, y aporta electricidad al motor de arranque durante la puesta en marcha del motor térmico del automóvil. Es la batería de servicio
Se ve el interior del motor, pistones, bielas y volante motor o de inercia, que es un disco macizo de bastante peso para uniformizar y equilibrar el giro del cigüeñal acumulando la inercia de las explosiones o combustiones de los cilindros. En su circunferencia exterior hay un dentado para la actuación del motor de arranque
Motor de arranque; es un motor eléctrico que utiliza la electricidad de la batería para poner en marcha el motor térmico del automóvil, al girar el motor de arranque lo hace su piñón que es empujado y engrana con el dentado exterior del volante motor moviendo el motor térmico que se pone en funcionamiento
Con el motor térmico en marcha gira el alternador al ser arrastrado por la correa, este movimiento hace que el alternador genere electricidad para suministrar la que necesite el automóvil y recargar la batería hasta su máximo, pues ha perdido carga durante el arranque
La electricidad producida por el alternador ofrece cierta resistencia al giro del motor, proporcional a la electricidad generada, lo que supone consumo de combustible

Cuando el motor del automóvil se pone en marcha, el volante motor hacer girar más rápido al piñón del motor de arranque, que mediante un eje helicoidal es empujado hacia atrás separándose del volante motor.

Tras arrancar el motor térmico del automóvil el alternador comienza a generar electricidad y trata de recargar al máximo la batería lo antes posible.

Cuanta más demanda de electricidad se produzca con el motor térmico en marcha más resistencia al giro ofrece el alternador, que se ha de superar acelerando más lo que implica incrementar el consumo de combustible.

La batería, y los demás componentes del circuito eléctrico tienen dos bornes; positivo (+) y negativo (–).

Uno de los bornes de la batería está conectado con los demás componentes eléctricos, positivo es lo más frecuente y es como se va a representar, y el borne negativo, tanto de la batería como de los demás elementos del circuito eléctrico están conectados a la carrocería metálica del coche, conductora de la electricidad, es la “masa” y no se representa en las explicaciones.

¿Es necesario que el alternador cargue al máximo la batería?

El automóvil de la imagen superior izquierda es un targa de dos plazas; la parte alta del techo es una pieza se desmonta guardándose en el maletero:

Motor central transversal con cuatro cilindros en línea
Volante motor; en su periferia está el dentado para que engrane el piñón de mando del motor de arranque
Embrague, caja de cambios con el diferencial integrado, palieres o transmisiones hasta las ruedas traseras que son motrices (propulsión)
Batería de servicio; se la representa con sus bornes positivo (+) y negativo (–) y su carga de electricidad
Motor de arranque; es un motor eléctrico que cuando actúa empuja y hace girar a un pequeño piñón de mando que pone en marcha el motor del automóvil al engranar con el dentado exterior del volante motor
Alternador; está unido en giro al motor del automóvil por una correa de arrastre. Al funcionar el motor y girar el alternador genera electricidad
Conexiones eléctricas entre la batería, motor de arranque y alternador. Los bornes +, pues los – están conectados a la carrocería, “masa”
Se arranca motor del automóvil mediante el motor de arranque, consumiendo algo de electricidad de la batería
Con el motor en marcha el alternador carga la batería hasta el máximo si el tiempo de funcionamiento es suficiente, consumiendo combustible en el proceso. Si el recorrido ha sido corto no se ha cargado al máximo la batería, en el siguiente ciclo de funcionamiento el alternador lo volverá a intentar hasta que el recorrido sea suficientemente largo para lograrlo, a la vez que el alternador carga la batería suministra electricidad para el funcionamiento del automóvil. La electricidad generada por el alternador se obtiene del giro del motor, produciendo un consumo de combustible proporcional a la electricidad demandada
La batería se utiliza para la puesta en marcha del motor del automóvil y aportar electricidad con el motor parado si se demanda
En uso medio no es necesario que la batería esté siempre cargada al máximo, lo que supone consumo de combustible ¿se puede solucionar?

Alternador inteligente

Se explica con el automóvil de la imagen inferior derecha, es un cabriolet de dos plazas que tiene motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión (tracción trasera).

Se ve el embrague, caja de cambios, árbol de transmisión, diferencial y palieres hasta las ruedas traseras.

Consiste el alternador inteligente en detectar la carga media necesaria de la batería y tomarla como valor base de carga suficiente, así funciona:

Se ve el volante motor entre este y la caja de cambios
Batería de servicio cargada de electricidad
Motor de arranque al lado de volante motor
Alternador y correa de arrastre desde el motor
Conexiones eléctricas entre la batería, motor de arranque y alternador
Arranca el motor del automóvil mediante el motor de arranque consumiendo electricidad de la batería en el proceso
Con el motor en marcha el alternador carga la batería solamente al decelerar, cuando no implica consumo de combustible
Al acelerar el alternador no carga reduciendo el consumo de combustible
La batería tiene un control de carga media de utilización “i”; si la carga es inferior a la media de uso el alternador, carga la batería también en aceleraciones hasta superarla

Las poleas de motor y alternador giran simultáneamente al estar unidas por la correa de arrastre.

La cantidad de electricidad generada por el alternador depende del valor de la señal eléctrica de excitación que recibe, si está señal se anula la polea gira libre y el alternador no produce electricidad, es lo que sucede al acelerar.

El artículo que explica el funcionamiento del “Alternador inteligente” en el blog se indica al final.

Stop & start

El automóvil de la imagen es un coupé de dos plazas con motor transversal central, propulsión (tracción trasera) y caja de cambios manual; se ven los pedales de acelerador, freno y embrague:

Están representados el volante motor, motor de arranque, alternador, batería de servicio, cableados de conexión, velocímetro y cuenta RPM
Está el motor en funcionamiento y el coche en movimiento
Al frenar, pasar a punto muerto y decelerar el conductor detiene el automóvil por necesidades del tráfico, semáforo rojo, congestión, …
Tras unos instantes de estar el automóvil detenido, 0 km/h, se para automáticamente el motor sin que intervenga el conductor. Es la función STOP del stop & start. Con el motor parado no hay consumo de combustible
Al iniciar de nuevo la marcha; pisar y soltar pedal de embrague, insertar 1ª relación, soltar pedal de freno y acelerar, se pone en marcha automáticamente el motor sin intervención del conductor. Es la función START del stop & start
Detalle ampliado del volante motor con el dentado exterior y el motor de arranque con su piñón; solamente actúa el stop & start con el automóvil totalmente parado, pues el motor ha de estar detenido para engranar el piñón del motor de arranque con el dentado del volante motor para arrancar de nuevo

Este sistema de stop & start en condiciones de tráfico denso tiene sus limitaciones, pues si las paradas y avances son de muy corta duración se para y arranca el motor demasiadas veces, lo que exige mucho a la batería, alternador y motor de arranque.

Cuando el sistema detecta esta situación deja de intervenir para recuperar la carga suficiente de reserva en la batería.

El conductor puede desconectar el stop & start mediante algún botón o configuración.

Se indica al final el artículo que explica el “Stop & start” y otro con detalles interesantes sobre el tema, “El stop & start y el engrase del motor”.

Alterno-arranque externo

Se explica sobre un automóvil con motor transversal delantero de cuatro cilindros en línea y tracción (delantera):

La caja de cambios es automática, automatizada o de variación continua (CVT), dos pedales solamente, acelerador y freno. Al final se indica el artículo del blog que trata sobre este tema “Los cuatro + 1 tipos de caja de cambios”
Volante motor
Batería de servicio cargada de electricidad
Motor de arranque convencional
Alterno-arranque y correa de arrastre desde el motor, de seguridad para que no haya deslizamiento entre las dos poleas (motor y alterno-arranque), se representa por una correa dentada y poleas dentadas. El alterno-arranque puede hacer las funciones de motor de arranque y alternador, ahora lo vemos con dos sistemas

Alterno-arranque 1

La puesta en marcha realizada por el conductor se hace mediante el motor de arranque convencional, engranando su piñón con el dentado del volante motor
Con el motor en marcha la función alternador inteligente del alterno-arranque carga la batería de servicio, en deceleraciones si la carga es superior a la media de seguridad
Al detener el automóvil el STOP del stop & start para el motor y al acelerar de nuevo el START del stop & start arranca el motor, y lo hace mediante la función motor de arranque del alterno-arranque, no interviene el motor de arranque convencional
Con este sistema se puede parar el motor antes de que se detenga el automóvil en deceleraciones, pues es factible arrancar de nuevo si se acelera antes de la parada del automóvil al no haber que engranar dentados

Alterno-arranque 2 con función de asistencia híbrida

Se prescinde del motor de arranque convencional
La función motor de arranque del alterno-arranque pone siempre en marcha el motor del automóvil
Se incorpora otra batería, esta de propulsión (capaz de mover el automóvil), de tecnología diferente y mayor capacidad eléctrica que la de servicio. Asiste la propulsión eléctrica al motor térmico del automóvil al iniciar la marcha y en aceleraciones accionando el motor eléctrico (motor de arranque) del alterno-arranque. Este funcionamiento de colaboración entre dos sistemas de propulsión del automóvil, en este caso térmica y eléctrica, se denomina híbrido

Con este sistema de funcionamiento asistido se reduce el consumo de combustible y contaminación en las situaciones de menor rendimiento del motor térmico; inicio del movimiento del automóvil y aceleraciones.

Para hacer esta función el motor eléctrico del alterno arranque es bastante potente.

La carga de la batería de propulsión la realiza la función alternador del alterno-arranque durante las deceleraciones, y también carga a la batería de servicio.

La electricidad de servicio del automóvil tiene habitualmente características distintas a la de propulsión, como idea, la de servicio tiene 12 voltios y la de propulsión puede llegar a 48 voltios según la asistencia prevista con la que vaya a apoyar al motor térmico.

Si es de 48 voltios o más el cableado de conexión es de color naranja y no debe ser manipulado sin contar con la acreditación pertinente.

Alterno-arranque interno

Automóvil con motor delantero transversal de cuatro cilindros en línea y tracción (delantera).

La caja de cambios es automática, automatizada o de variación continua (CVT) sin pedal de embrague, es habitual con este sistema de alterno-arranque:

El alterno-arranque está en el interior de la caja de cambios, se ve un detalle ampliado. Su mayor tamaño que en el sistema de alterno-arranque externo permite disponer de más capacidad, para generar electricidad y actuar como motor eléctrico, tanto de arranque como para desplazar al automóvil
Batería de servicio y su conexión con el alterno-arranque
Batería de propulsión y su cableado de conexión con el alterno-arranque, es de color naranja al funcionar con 48 voltios, habitualmente más
Al acelerar e iniciar la marcha el motor eléctrico del alterno-arranque mueve al automóvil, el motor térmico está parado
Desde cierta velocidad, según la orografía, y si se acelera más se pone en marcha el motor térmico y es el que mueve el automóvil
En aceleraciones o subidas la propulsión eléctrica asiste a la térmica según la carga de la batería de propulsión
El alterno-arranque y la batería de propulsión cargan la batería de servicio
La carga de la batería de propulsión se hace preferentemente en retenciones, y según la tecnología utilizada puede ser también cargada por el motor térmico al mover el alternador del alterno arranque, entonces el consumo de combustible aumenta
El sistema stop & start está incluido, pues en muchas situaciones el motor térmico está parado y arrancará cuando sea necesario. La forma de conducir influye mucho en la combinación de colaboración entre la propulsión térmica y eléctrica
La posibilidad de que se pueda desplazar el automóvil de forma térmica o eléctrica, como en este coche, es la tecnología híbrida, que en este caso es paralelo al poderse mover el coche por uno de los dos sistemas de propulsión o ambos conjuntamente

La aplicación del alterno-arranque en la caja de cambios o transmisión se podría hacer en automóviles sin que sean necesariamente híbridos, pero las aportaciones añadidas de poder desplazar el vehículo con una batería de propulsión reduciendo consumo y contaminación hace que la tecnología híbrida sea prácticamente la que utiliza este sistema de alterno-arranque.