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Refrigeración de aire sobrealimentado

Aquí encontrará información muy útil, así como prácticas recomendaciones relacionadas con la refrigeración de aire sobrealimentado en los vehículos.

Los turbocompresores de aire de escape llevan más aire de combustión a los cilindros. Sin embargo, el aire se calienta en la compresión y ello tiene sus inconvenientes. Por ello, los motores turboalimentados van equipados hoy en día con una refrigeración de aire sobrealimentado. En esta página descubrirá el funcionamiento de este sistema y con qué trucos técnicos cuentan los ingenieros de desarrollo para hacer frente a las exigencias actuales y futuras en el ámbito de la refrigeración de aire sobrealimentado. Además, también encontrará consejos prácticos para sustituir un intercooler.

Importantes instrucciones de seguridad
La siguiente información técnica y los consejos prácticos aquí descritos han sido elaborados por HELLA con el fin de ayudar de forma práctica a los Talleres en su trabajo diario. La información facilitada en esta página web está pensada solamente para personal debidamente cualificado y con formación específica.

 

REFRIGERACIÓN DE AIRE SOBREALIMENTADO: FUNDAMENTOS

Para aumentar el rendimiento del motor y reducir su tamaño, la tendencia actual en los turismos es utilizar cada vez más motores turboalimentados en los que, hoy en día, la turboalimentación se realiza principalmente con aire sobrealimentado refrigerado. Gracias al hecho de que así se alcanza una mayor densidad del aire sobrealimentado, se incrementa también la potencia y el grado de eficacia del motor. Pero no sólo aumenta el número de motores turboalimentados, sino que también aumenta la necesidad de una mayor potencia de refrigeración del aire sobrealimentado debido a las crecientes exigencias relativas a la disminución del consumo y de las emisiones. Estas exigencias pueden cumplirse refrigerando el aire sobrealimentado con refrigerantes en lugar de con aire. 

 

Debido a los altos costes de este sistema, esta tecnología estaba reservada hasta ahora sólo a turismos de alta gama. Los nuevos desarrollos permiten también una nueva regulación de la refrigeración del aire sobrealimentado. Ello permite reducir tanto las emisiones de NOx como las de HC, así como también aumentar la efectividad en la depuración de los gases de escape. 

 

Además de aumentar la potencia de refrigeración se ha añadido una nueva tarea a la refrigeración del aire sobrealimentado: La regulación térmica de aire del motor mediante una regulación del aire sobrealimentado. 

 

Esta regulación térmica se está volviendo imprescindible debido a las crecientes exigencias relativas al tratamiento posterior de los gases de escape. En todo esto desempeña un papel primordial la temperatura del aire sobrealimentado. De este modo, la refrigeración del aire sobrealimentado mediante el líquido refrigerante ofrece unas ventajas decisivas también para los vehículos industriales.

 

Tipos:
Aire refrigerado y refrigerante refrigerado, así como directa e indirecta.

 

Tarea:
Aumento de la potencia del motor por sobrealimentación aumentando la compresión del aire sobrealimentado (más aire de combustión, mayor cantidad de oxígeno).

 

Características:

  • Mayor potencia dinámica de refrigeración
  • Mejora el grado de eficacia del motor gracias al incremento de la densidad del aire sobrealimentado
  • Se reduce la temperatura de combustión, por lo tanto mejoran los valores de los gases de escape
  • Menor óxido nítrico de -40°C a 160°C
  • Presión de prueba = 20 bar con una presión de rotura de 50 bar

TURBOCOMPRESOR DE GASES DE ESCAPE: FUNDAMENTOS

La potencia de un motor de combustión depende de la cantidad de combustible quemada. 1 kg de combustible necesita 14,7 kg de aire para una combustión completa en motores Otto. Esto es lo que se llama la proporción estequiométrica. Así, un medio efectivo para incrementar el rendimiento es la turboalimentación de los motores de combustión interna.

Turboalimentación de gases de escape
VÍDEO RELACIONADO

Sustitución del intercooler tras haber sufrido daños el turbocompresor

Sustitución del intercooler tras haber sufrido daños el turbocompresor

 

00:57 min

REFRIGERACIÓN DIRECTA E INDIRECTA DEL AIRE SOBREALIMENTADO: FUNCIÓN

En los turismos, la necesidad de una mayor potencia de refrigeración choca con las crecientes limitaciones del espacio disponible en la zona delantera del vehículo. Hoy predominan los intercoolers compactos. Para solucionar el problema de la escasa profundidad de montaje, cada vez más intercoolers compactos se fabrican con una estructura más plana, montados por delante del radiador del refrigerante, algo que ya es estándar en los vehículos industriales. El uso de este nuevo tipo de intercooler va en aumento. De todos modos, esto no puede llevarse a cabo en todos los vehículos, ya que es posible que el espacio de montaje necesario ya esté ocupado o se haya dedicado a otros fines, como p. ej. proteger a los peatones. Con dos nuevos sistemas puede solucionarse el conflicto entre espacio de montaje y necesidad de potencia: La pre-refrigeración del aire sobrealimentado y la refrigeración indirecta del aire sobrealimentado.

Refrigeración directa del aire sobrealimentado

Usando el nuevo pre-intercooler que se alimenta con refrigerante procedente del circuito del motor, una parte del calor residual del aire sobrealimentado es transferido desde el intercooler hasta el radiador del refrigerante. De este modo, este calor residual adicional del aire sobrealimentado, surgido como consecuencia del aumento de la potencia, es disipado por el pre-intercooler y así puede mantenerse el concepto de un intercooler en forma de bloque. El pre-refrigerador del aire sobrealimentado, también llamado refrigerador compacto, se ubica entre el turboalimentador y el refrigerador de aire/de aire sobrealimentado. Con la pre-refrigeración del aire sobrealimentado se incrementa notablemente la potencia de un concepto que ya existía. El volumen de montaje necesario para un radiador de aire sobrealimentado/de refrigerante es un 40 - 60 % menor que el de un radiador de aire/de aire sobrealimentado.

La segunda posibilidad de solucionar el conflicto entre espacio de montaje y necesidad de potencia consiste en utilizar la refrigeración indirecta del aire sobrealimentado.

Refrigeración indirecta del aire sobrealimentado

En los turismos, este sistema de refrigeración consiste en un circuito completo de líquido refrigerante, independiente del circuito refrigerante del motor. Unidos a este circuito hay un radiador de refrigerante de baja temperatura y un radiador de refrigerante/de aire sobrealimentado. El calor residual del aire sobrealimentado se transmite en primer lugar al líquido refrigerante, y luego se conduce por el radiador de refrigerante de baja temperatura hasta el aire exterior. Este radiador se ubica en el módulo frontal del vehículo, donde en los modelos convencionales de refrigeración de aire sobrealimentado o de aire se encuentra el radiador de aire sobrealimentado/de aire.

Como el radiador de baja temperatura requiere bastante menos sitio que un refrigerador de aire sobrealimentado/de aire, queda espacio libre en la zona frontal. Además, desaparecen las voluminosas tuberías de aire sobrealimentado desde el módulo frontal del vehículo hasta el motor. En conjunto, el embalaje en el módulo frontal se simplifica notablemente, lo que también mejora el flujo de aire refrigerante en la zona del motor.

 

En comparación con la refrigeración previa (directa) del aire sobrealimentado, en la refrigeración indirecta del aire de admisión se dan los siguientes efectos positivos:

  • La caída de la presión del aire sobrealimentado se reduce sensiblemente
  • Dinámica del motor mejorada por un menor volumen de aire sobrealimentado
  • Mayor potencia dinámica de refrigeración
  • Mejora el grado de eficacia del motor gracias al incremento de la densidad del aire sobrealimentado

REGULACIÓN TÉRMICA DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN EL MOTOR

Tras un arranque en frío y también en caso de temperaturas exteriores extremadamente frías, tiene sentido interrumpir la refrigeración del aire sobrealimentado durante la marcha. Después, el motor y catalizador alcanzarán más rápidamente su óptima temperatura de servicio y así se formarán menos “emisiones por arranque en frío”, en particular de hidrocarburos (HC). En un radiador de aire sobrealimentado/de aire, esto sólo es posible con gran trabajo y con un bypass junto al aire sobrealimentado. Sin embargo, en la refrigeración indirecta del aire sobrealimentado no sólo se puede interrumpir la refrigeración del aire sobrealimentado, sino también regular su temperatura mediante una sencilla regulación del caudal del refrigerante. Uniendo el circuito del refrigerante para enfriar el aire sobrealimentado con el circuito de refrigeración del motor y con una regulación inteligente de los caudales del líquido refrigerante, se puede ampliar la refrigeración indirecta del aire sobrealimentado pasando a ser una regulación térmica del aire sobrealimentado. Entonces, a través del radiador de aire sobrealimentado podrá circular refrigerante caliente procedente del circuito del motor, o bien refrigerante frío procedente del circuito de baja temperatura.

 

La regulación de la temperatura del aire sobrealimentado es importante para el tratamiento posterior de los gases de escape mediante filtros de partículas y catalizadores. Ambos requieren una mínima temperatura de gases de escape para un servicio óptimo. En el catalizador, esta temperatura mínima es igual que su “temperatura de arranque”; en el filtro de partículas es igual que la temperatura de regeneración que se necesita para la combustión del hollín allí depositado. En el servicio de carga parcial del vehículo (tráfico en la ciudad, stop-and-go), no se alcanzan siempre estas temperaturas de gases de escape. También en esos casos se pueden reducir las emisiones interrumpiendo la refrigeración o incluso calentando el aire de admisión, ya que así se eleva en cualquier caso la temperatura de los gases de escape. Ambas opciones se pueden lograr con gran facilidad por refrigeración indirecta del aire sobrealimentado.

SUSTITUCIÓN DEL INTERCOOLER: VÍDEO

Sustitución del intercooler

Sustitución del intercooler incluyendo las tareas de montaje y desmontaje.

 

01:27 min

UN MODERNO DISEÑO PARA LAS NECESIDADES MÁS EXIGENTES: CONOCIMIENTOS PRÁCTICOS

Comparativa de rendimiento de los nuevos conceptos

La ventaja en el rendimiento que se desea lograr con los nuevos conceptos de pre-refrigeración de aire sobrealimentado y de refrigeración indirecta de aire sobrealimentado se hace patente cuando se comparan con los intercoolers habituales hoy en día, mucho más compactos, o con los intercoolers planos de alto rendimiento:

  • La refrigeración de aire sobrealimentado mejora notablemente;
  • además, en la refrigeración indirecta de aire sobrealimentado se reduce de manera significativa la caída de presión del aire sobrealimentado.

Intercoolers pensados para una alta resistencia

Las crecientes necesidades en cuanto a presión y temperatura que se exige a los intercoolers demandan tanto un nuevo diseño como nuevos materiales para la base de los radiadores y las cajas de aire. En los turismos, el aire sobrealimentado entra actualmente en el radiador a una temperatura de hasta 150 °C y con una presión de 2,2 bar. En el futuro, la temperatura subirá hasta los 200 °C y la presión hasta 3 bar. Para poder hacer frente a estas necesidades, las cajas de aire se fabrican con plásticos resistentes al calor. La otra opción es que los intercoolers, incluyendo las cajas de aire, se fabriquen 100% de aluminio.

 

Los vehículos industriales deberán soportar incluso cargas superiores. Frente a los 200°C y 3 bar mencionados se espera que, para ajustarse a la Norma EURO 5 sobre valores máximos en las emisiones, se alcancen los 260°C y 4 bar respectivamente. Al modificar la fabricación de los intercoolers, el nivel de tensión que se crea provocado por la carga de la presión se reducirá con el fin de poder soportar estar cargas tan elevadas sin mayor problema. La forma compacta de los radiadores de aire sobrealimentado/de refrigerante también representa otra posibilidad si se pretende aumentar su resistencia.