Doble Presión

La turboalimentación en dos etapas se considera la tecnología clave para incrementar la potencia en los motores de combustión, ya que el par motor máximo se sitúa en ese caso por encima de un rango de revoluciones extremadamente amplio. Al mismo tiempo posibilita una mayor reducción del consumo y de las emisiones.

Aspirar – Comprimir – Trabajar – Expulsar: el motor de combustión de cuatro tiempos funciona desde hace más de cien años según el mismo principio. Para un mejor grado de eficacia es decisivo el modo en que se puede mejorar el intercambio de gas en el cilindro: cuanto más aire fresco entre en la cámara de combustión en el primer ciclo de trabajo y cuanta más cantidad de gases de escape sean expulsados de la cámara de combustión después del ciclo de trabajo, más eficientemente podrá trabajar el motor.
A fin de incrementar el grado de eficacia de motores de aspiración se ha llevado a cabo una mejora del intercambio de gases mediante el aumento de la sección de los canales de admisión en particular, pero también de la de los de escape. La palabra clave era «Tecnología multiválvula». Sin embargo, por muchas válvulas que permitan entrar aire fresco en la cámara de combustión y por muy grandes que sean los canales de aire de la culata, la diferencia de presión es en teoría de un bar (a nivel del mar), pero en la práctica la presión diferencial es considerablemente inferior. Esto significa que los motores de aspiración topan aquí con sus límites, ya que para continuar optimizando la combustión e incrementando la eficiencia, en la cámara de combustión debe haber más aire del que pueda aspirar el motor solo. Por eso la tendencia apunta hacia el incremento de la sobrealimentación.

EL COMPRESOR: MAS PRESION PARA UNA MAYOR EFICIENCIA DEL MOTOR

Se ha demostrado la eficacia del uso de un compresor para incrementar la entrada de aire en la cámara de combustión. El principio es el siguiente: El aire fresco ya no se aspira mediante el movimiento del pistón, sino que se impele hacia la cámara de combustión con la ayuda de un ventilador. De este modo se pueden generar varios bares de sobrepresión. Cuanto más aire entre en el motor, mayor será su rendimiento.
Hoy en día, la compresión se realiza la mayoría de las veces mediante turbocompresores de gases de escape. La turbina de estos turbocompresores obtiene su energía a partir del calor residual y la presión residual de los gases de escape calientes. El suministro energético resulta casi gratuito: sin el turbocompresor, los gases de escape calientes serían expulsados sin utilizar. Para que el turbocompresor en el lado del compresor pueda establecer la presión adecuada, tanto la rueda del compresor como la turbina deben girar muy rápido: en función del tamaño dentro del sector automovilístico, entre 80000 y mucho más de 300 000 revoluciones por minuto. Cada turbocompresor está diseñado para un número determinado de revoluciones máximas, con lo que un exceso de revoluciones provoca daños irreparables. Ese diseño hace que el turbocompresor gire demasiado despacio con revoluciones de motor bajas (y por tanto velocidades y temperaturas de los gases de escape reducidas) y no pueda aportar al motor el volumen óptimo de aire fresco. Los síntomas son un retraso en el desarrollo de potencia del motor y una lenta aceleración del vehículo: el típico «turbo lag».


Izq: Combinación eficaz: la válvula de conmutación con resorte entre ambos turbocompresores. Der: Apertura fiable: la válvula wastegate protege al turbocompresor grande contra sobrecarga.

LA GEOMETRIA VARIABLE DE LA TURBINA: USO FLEXIBLE

A fin de ampliar la ventana del número de revoluciones en la que el turbocompresor trabaja con eficiencia, hace algún tiempo que se utiliza la geometría variable de la turbina. Estos tipos de turbocompresor cuentan con álabes ajustables en el lado de entrada. Conducen el flujo de gases de escape enfunción de la demanda hacia la rueda de turbina de tal forma que se acelera rápidamente y gira a gran velocidad. De este modo se aumenta el rango de revoluciones del motor en el que el turbocompresor trabaja con eficiencia.
El comportamiento de respuesta espontáneo del turbocompresor representa un desafío especial en el caso de turbocompresores grandes: sus turbinas, ejes y ruedas de compresor presentan la correspondiente masa que primero hay que acelerar. En la práctica existen varios enfoques para generar la sobrealimentación óptima tanto con revoluciones de motor bajas como elevadas.

POTENTE PERO EXIGENTE: EL COMPRESOR DE TORNILLO

Para el rango de revoluciones bajo del motor de combustión existe la posibilidad de usar un compresor de tornillo. El ventilador en forma de tornillo es impulsado directamente por el cigüeñal, por ejemplo a través de una correa dentada. En el caso de revoluciones de motor elevadas se utiliza un turbocompresor de gases de escape. Al mismo tiempo, el compresor de tornillo se separa del accionamiento a fin de proteger el turbo contra un exceso de revoluciones. Por regla general, esta separación se realiza mediante un acoplamiento magnético. La ventaja clara del compresor de tornillo radica en su elevada velocidad de respuesta. Sin embargo, obtiene su energía del cigüeñal, por lo que también le resta potencia al motor.

EFICAZ Y FRUGAL: EL «TURBO TEAM»

Puesto que es necesario minimizar cualquier pérdida de energía a fin de continuar incrementando la eficiencia de los motores, la sobrealimentación en varias etapas está ganando cada vez más importancia. Para ello se combinan entre sí dos turbocompresores de gases de escape de dimensiones diferentes:

• Etapa 1 – etapa de alta presión: cuando las revoluciones de motor son bajas trabaja el turbocompresor pequeño. Su rueda de turbina y de compresor pequeña le dota de una masa reducida, con lo que ofrece un comportamiento de respuesta muy espontáneo.

• Etapa 2 – etapa de baja presión: a partir de un número de revoluciones medio, el flujo de gases de escape es conducido al turbocompresor más grande mediante una válvula «waste gate». Al mismo tiempo se reduce automáticamente la alimentación de gases de escape hacia el turbo pequeño. Si el motor de combustión funciona a máxima potencia y revoluciones, una segunda válvula waste gate se abre y conduce una parte de los gases de escape directamente al sistema de escape para proteger el turbocompresor grande contra un sobreesfuerzo.
Una válvula de conmutación con resorte entre ambos turbocompresores regula adicionalmente el aire de sobrealimentación (aire fresco) para una transición armónica y uniforme del turbocompresor pequeño al grande. El uso de
ambos turbocompresores se ajusta exactamente a cada situación. Gracias a esta interacción inteligente, el motor dispone del volumen óptimo de aire fresco dentro de un amplio rango de revoluciones.

EL DUO DEL EXITO: FUERZA IMPULSORA TAMBIEN PARA CONCEPTOS DE MOTOR FUTUROS

Además de una optimización de la combustión en un amplio rango de revoluciones de motor, la sobrealimentación por etapas abre aún más perspectivas: una presión de sobrealimentación elevada permite desplazar toda la ventana de revoluciones hacia el rango «lento» también con regímenes bajos. Esto a su vez posibilita la realización de revoluciones máximas más bajas. La sobrealimentación en varias etapas también contribuye de manera importante a hacer funcionar el motor de combustión de manera eficiente en todo el rango de revoluciones. La tendencia hacia el downsizing proseguirá a fin de cumplir también las normas de emisiones futuras, aún más estrictas, y continuar reduciendo el consumo de combustible. No obstante, los motores con una cilindrada aún más pequeña solo pueden dotarse de un par motor y una potencia suficientes con la ayuda de la alta sobrealimentación. Para ello, la visión global del sistema como un conjunto es más importante que nunca. Esto es así, por un lado, porque al aumentar la presión y las temperaturas en la cámara de combustión se incrementa constantemente la carga mecánica y térmicade todos los componentes integrados en el motor, especialmente la de los pistones, los cojinetes y las bielas. Por otro, porque unas temperaturas óptimas en el bloque motor y la culata y en el tramo de admisión contribuyen de manera determinante a un elevado grado de eficacia de un motor de combustión.
Como proveedor de sistemas de equipamiento original, MAHLE también desarrolla y fabrica, además de los exigentes componentes para el cigüeñal, sistemas completos para la gestión térmica ajustados a las nuevas exigencias y permite así una interacción óptima de todos los componentes implicados en el accionamiento. Con esta competencia global, MAHLE también impulsará activamente el desarrollo de la tecnología de motores en el futuro: hacia una movilidad que protege los recursos.

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