Ventajas e inconvenientes del turbo.
Ventajas:
Obtención de elevadas potencias a partir de cilindradas reducidas.
Reducción del consumo de combustible.
Reducción de peso y volumen del motor en comparación con motores de aspiración atmosférica de similar potencia ya que los cilindros de estos últimos serán de mayores dimensiones.
Ruidos de funcionamiento relativamente menores que en motores de aspiración atmosférica ya que el turbo actúa como silenciador de los gases de escape y del aire o mezcla aire-gasolina.
Inconvenientes:
Potencias reducidas a bajas revoluciones. Cuando se lleva poco pisado el acelerador y por lo tanto un régimen de vueltas bajo, los gases de escape se reducen considerablemente y esto provoca que el turbo apenas trabaje. La respuesta del motor entonces es poco brillante salvo que se utilize una marcha convenientemente corta que aumente el régimen de giro.
El mantenimiento del turbo es más exigente que el de un motor atmosférico.
Los motores turbo requieren un aceite de mayor calidadad y cambios de aceite más frecuentes, ya que éste se encuentra sometido a condiciones de trabajo más duras al tener que lubricar los cojinetes de la turbina y del compresor frecuentemente a muy altas temperaturas.
Los motores turboalimentados requieren mejores materiales y sistemas de lubricación y refrigeración más eficientes.
Sistema Intercooler:
El sistema intercooler consiste en un intercambiador de calor en el que se introduce el aire que sale del turbocompresor para enfriarlo antes de introducirlo en los cilindros del motor.
Al enfriar el aire disminuye la densidad de éste por lo que para el mismo volumen de los cilindros se puede introducir mayor masa de aire y así mejorar el rendimiento del motor.
El turbo del futuro:
Una de las mejoras más necesarias en los motores turboalimentados tiene que ver con su prestación a bajo régimen. Avances en este apartado implican una mejora en la prestación de la turbina, junto a mayores flujos y rendimientos del compresor.
Para conseguir esto una de las últimas técnicas empleadas es la utilización de turbinas de admisión variable. Con esta técnica se mejoran tanto los valores máximos de par y potencia como la respuesta a cualquier régimen.
El peso es otro aspecto a mejorar. En sus últimos modelos, Garrett (fabricante de turbocompresores) ha llegado a reducir el peso en más del 50% (de los 7 Kg del modelo T3 a los 3 Kg del GT12).
En los turbo para motores de gasolina otra necesidad es el aumento de la fiabilidad a alta temperatura. A plena carga se pueden pasar de 1000ºC en la turbina y el material más habitual, denominado inconel, sufre cambios en su estructura a partir de esos grados. En el futuro se usará acero austenítico inoxidable para el envolvente, costoso en la actualidad, pero garantizado por su uso en competición
Arranque:
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que pueda iniciarse el ciclo (momento de una fuerza). Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague o clutch automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal. Otros sistemas de encendido de motores son los motores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal, y los iniciadores explosivos, que utilizan la explosión de un cartucho para mover una turbina acoplada al motor. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.
El sistema de encendido:
La misión principal del sistema de encendido es provocar la explosión en el interior del cilindro en el momento adecuado.
En los motores diesel esta explosión se produce en el momento en que se inyecta el gasoil, gracias a la alta temperatura del aire en el interior del cilindro provocada por la gran presión que se origina al ascender el pistón
En un principio se pensó en utilizar este método en los motores de gasolina, aunque en este caso comprimiendo la mezcla aire-combustible. El resultado fue negativo, ya que el momento en que se producía la explosión era difícil de controlar, e interesa que ésta sea en el instante determinado.
Por esto en los motores de gasolina la explosión se provoca en las bujías en el momento adecuado, dependiendo éste del régimen de giro, pero siempre antes de que el pistón alcance el punto muerto superior.
Componentes
El sistema de encendido produce la chispa necesaria para que se produzca la explosión de la mezcla dentro del cilindro.
El elemento encargado de provocar esta explosión en cada cilindro es la bujía
La corriente que llega a las bujías debe ser de alta tensión, por lo menos de 14000 V, pero teniendo en cuenta posibles pérdidas del sistema deben generarse hasta 30000 V.
El elemento encargado de elevar la tensión que se obtiene de la batería (aproximadamente12 V ) hasta los 30000 V necesarios es la bobina.
El distribuidor es el elemento encargado de transmitir la corriente a cada bujía en el momento adecuado según el orden de encendido.
La batería:
La batería suministra electricidad al sistema de encendido, al motor de arranque, a los faros, a los indicadores de dirección (intermitentes) y al resto del equipo eléctrico del automóvil.
Mientras el motor del automóvil esté en funcionamiento la batería se estará recargando gracias a la corriente que recibe del alternador, que funciona movido por una correa que conecta directamente con el cigüeñal del motor.
La batería actúa como reserva de la energía necesaria para el arranque del motor, y para el funcionamiento de cualquier componente del sistema eléctrico del automóvil cuando el motor de éste no esté en funcionamiento.
La bobina:
La bobina es la encargada de transformar la tensión de la batería, de unos 12 V, en una tensión de unos 30000 V que requieren las bujías para su funcionamiento.
Su funcionamiento se basa en el principio de que cuando una bobina es atravesada por un campo magnético variable aparece en ella una corriente; y cuando una bobina es recorrida por una corriente, aparece un campo magnético que atraviesa su núcleo.
Así, el arrollamiento primario es recorrido por una corriente eléctrica alimentada por la batería que provocará un campo magnético autoinducido. Éste atravesará también el arrollamiento secundario. Cuando la corriente eléctrica que recorre el primario sufra alguna variación de intensidad, el campo magnético también variará, lo que dará lugar a la aparición de una corriente eléctrica inducida que recorrerá el secundario. Ésta corriente es la que llegará a las bujías.
Distribuidor (cabeza del delco) :
Es el encargado de repartir a las bujías la corriente de alta tensión siguiendo un orden preestablecido.
Se compone de dos piezas principales:
a) Una móvil llamada pipa o dedo del distribuidor fijada sobre el eje de giro del delco. Está constituida por una tapa de baquelita encajada sobre el eje del delco que va provista de una toma para recoger la corriente de alta tensión y de una escobilla distribuidora de corriente que no llega a tocar a cada uno de los contactos que conectan con las bujías (a décimas de milímetro).
b) Otra parte fija denominada tapa compuesta por una serie de tomas de corriente en igual número que el de cilindros del motor(o bujías); en el caso de una bujía por cilindro, no así en los sistemas de doble encendido.
Ruptor o platinos:
El ruptor es el elemento encargado de cortar periódicamente la corriente que circula por el primario de la bobina.
Está alejado en el interior del delco y está constituído por dos contactos de platino iridiado o de wolframio, siendo accionado uno de los contactos por una leva, permaneciendo el otro fijo.
Cuando los platinos se separan, la corriente que recorre el arrollamiento primario de la bobina se interrumpe momentáneamente. Esto da lugar a un campo magnético variable atravesando el arrollamiento secundario por lo que se induce en éste una corriente que será la que llega a las bujías. Esta corriente será de baja intensidad pero de alto voltaje.
Avance del encendido:
Uno de los principales problemas de los sistemas de encendido en MEP (motores de encendido provocado) es conseguir que la explosión de la mezcla se produzca en el momento adecuado. Ésta debe producirse en las cercanías del PMS (punto muerto superior) para aprovechar la mayor parte de la energía liberada en la explosión.
Desde que salta el arco voltaico hasta que se completa la combustión transcurre cierto tiempo, por lo que la "chispa" deberá saltar antes de que el pistón llegue a su punto más alto, es decir en el ascenso, de ahí la importancia del avance del encendido.
El avance del encendido depende principalmente de tres factores:
Régimen de giro: Al aumentar el régimen de giro del motor el avance del encendido debe ser mayor.
Grado de carga del motor: Cuando disminuye el grado de carga del motor, disminuye la velocidad de combustión de la mezcla y por lo tanto debe aumentar el avance del encendido.
Dosaje o proporción de aire: Para mezclas especialmente ricas o especialmente pobres el avance del encendido debe aumentar.
En el motor se incorporan distintos sistemas de avance del encendido que actuarán en función de cual sea el motivo por el que se requiera la corrección del avance.
Avance centrífugo:
Funciona básicamente en función del régimen de giro del motor.
Consiste en unas masas (contrapesos) que al girar a la velocidad del eje del delco y gracias a la fuerza centrífuga tienden a separarse del centro de giro. El desplazamiento de los contrapesos hace girar a la leva del ruptor respecto al eje del delco. Esto provoca un adelanto en el momento de dar la chispa a la bujía ya que el ruptor adelanta su apertura.
Avance neumático:
Actúa principalmente en función del grado de carga del motor.
El avance neumático se pone especialmente de manifiesto cuando el grado de carga es bajo, o cuando se produce una solicitación brusca.
Se obtiene gracias al vacío parcial que se produce en el colector de admisión al abrirse un poco la mariposa del acelerador. La depresión actúa sobre un diafragma que a través de una varilla, modifica la posición relativa entre el patín del ruptor y la leva, avanzando así el encendido.
El condensador:
Cuando debido a la separación de los contactos del ruptor se interrumpe el campo magnético que atraviesa la bobina aparece en el bobinado primario una corriente de alta tensión suficientemente elevada como para formar un arco voltaico entre los contactos.
Este arco voltaico daría lugar a calentamiento que dañarían los contactos en poco tiempo. Par evitar esto se coloca el condensador en paralelo con el ruptor. El condensador actúa como un almacén de energía que absorbe el pico de intensidad que se produce al abrirse el ruptor.
La bujía:
En las bujías se producen las chispas eléctricas que inflaman la mezcla de aire y gasolina en los cilindros del motor.
Estas chispas, se producen haciendo saltar, a través de los electrodos de las bujías la corriente de alta tensión que se crea en la bobina.
La bujía está compuesta por:
Un electrodo metálico que atraviesa por el centro un aislamiento de porcelana.
Una pieza metálica, unida a la cubierta, que actúa como electrodo de masa.
Aislante cerámico que aísla por completo el electrodo central, y se encarga de que la corriente de alta tensión circule por este electrodo.
La carcasa o cuerpo metálico que actúa como soporte de todos los elementos de la bujía y como anclaje al bloque motor.
Grado térmico de la bujía
Según la capacidad de las bujías para disipar calor de la zona de encendido de la bujía hacia el sistema de refrigeración podemos distinguir:
BUJÍA CALIENTE:
Tiene la punta del aislante larga por lo que transmite con dificultad el calor hacia la zona de refrigeración.
Estas bujías son adecuadas para motores que trabajen en condiciones de bajas temperaturas y frecuentes paradas. También son adecuadas para motores lentos (poco revolucionados) o poco comprimidos.
BUJÍA FRÍA:
Tienen la punta del aislante corta y por lo tanto mayor facilidad para disipar calor.
Son muy apropiadas para motores muy revolucionados.
El encendido directo: Chispas de alta potencia
En los más modernos motores a nafta para automóviles ya no vemos cables de bujías ni un distribuidor. En estas máquinas el encendido es directo y sus componentes electrónicos están agrupados en un módulo que puede tener la forma de un casete. Con un sistema de ignición de estas características, libre totalmente de mantenimiento y a prueba de fallas, se obtienen muy potentes chispas en las bujías y alta eficiencia de la planta motriz.
Primero se hicieron intentos con tubos incandescentes calentados por la llama de un mechero tipo Bunsen, y después apareció el encendido eléctrico. Las débiles chispas que se producían entre los electrodos de las primitivas bujías apenas si lograban encender la mezcla de aire y nafta en los cilindros.
Los progresos en el desarrollo de los sistemas de encendido fueron laboriosos y lentos hasta que apareció la electrónica del estado sólido. A partir del transistor todo se transformó rápidamente y se fueron sucediendo los encendidos electrónicos, cada vez más avanzados, hasta llegar al encendido directo de nuestros días, considerado como uno de los más importantes logros técnicos de la historia del automóvil junto a los frenos ABS y las suspensiones activas.
El encendido directo a casete inaugura una nueva era de motores altamente eficientes y poco contaminantes. La bobina de encendido esta colocada directamente encima de la bujía y un poco más arriba al circuito electrónico integrado en el casete.
El encendido a casete:
Como un ejemplo de encendido directo de última generación se puede describir básicamente al desarrollado por Saab y que se denomina SDI (Saab Direct Ignition), el que se combina con la inyección de nafta (sistema "Trionic"
y que opera de acuerdo a los siguientes principios: - Es un sistema capacitivo, que asegura un voltaje de encendido de 40.000 voltios, sin pérdidas de corriente.
- Es completamente computadorizado y no tiene distribuidor, partes móviles o cables de alta tensión.
- El sistema está incorporado en un casete metálico.
- Cada bujía dispone de su propia y compacta bobina de encendido de alta potencia.
- Los pulsos de alta tensión son controlados por múltiples sensores.
- Una microcomputadora controla al proceso de encendido, y ajusta los grados de avance de acuerdo a una amplia variedad de condiciones de operación.
- La combustión es controlada continuamente y en forma individual para cada cilindro por medio de un registro de la ionización del gas.
Los sistemas inductivos de encendido tradicionales tienen la desventaja de ser relativamente lentos. Le toma a un sistema de esta naturaleza unos 20 microsegundos para llegar al nivel apropiado de voltaje, lo que es suficiente como para que se produzcan derivaciones de corriente, por ejemplo, a través de bujías sucias. Muchos automovilistas se encuentran con este problema en la forma de fallas al arrancar el motor en tiempo frío, o cuando la humedad ambiente es alta.
Al contrario de lo que sucede con el sistema inductivo, en el capacitivo el voltaje es elevado en dos pasos. Primero, los 12 voltios de la batería se transforman en 400 voltios. Después de un corto período de almacenamiento en un capacitor o condensador, el voltaje es elevado nuevamente, hasta los 40.000 voltios.
En el sistema capacitivo SDI la bobina de encendido requiere menos vueltas que un sistema inductivo, por lo que puede ser más pequeña. En la instalación SDI el voltaje de encendido se obtiene en un microsegundo, es decir que es 20 veces más rápido que los encendidos convencionales.
No encontre una foto demostrativa.. :/
Formas compactas:
Debido al empleo de una bobina por cilindro se elimina el riesgo de pérdidas de corriente por derivación y problemas en las conexiones. La corriente que llega a las bobinas del sistema SDI es de unos 400 voltios, y la segunda etapa de 40.000 voltios no se aplica hasta el momento del encendido. Las bobinas individuales y todos los componentes que operan a una tensión superior a los 12 voltios se ubican en un casete metálico, el que junto con la tapa de cilindros de aluminio provee una efectiva barrera contra las interferencias de radio. Las conexiones de goma en las bobinas, que se aplican en las bujías, permiten un rápido desmontaje o colocación del casete.
Sensores de precisión:
El sistema SDI incorpora sensores de gran precisión que registran el régimen del motor, la carga motriz y otros parámetros. Las señales son procesadas en la microcomputadora digital, y se envían las órdenes a las bobinas de encendido para producir la chispa en el momento exacto. En este sistema el punto de encendido se mantiene inalterable durante toda la vida útil del motor. El casete puede ser tocado con las manos durante el funcionamiento del motor sin riesgos de contacto eléctrico.
Gracias al corto tiempo de carga del sistema de encendido directo Saab SDI, al arrancar el motor se suministra una importante serie de chispas a las bujías (izquierda), en lugar de sólo una. (a la derecha).
La función "multichispa" :
Otra original cualidad del sistema SDI es la "multichispa", que garantiza un arranque seguro de la planta motriz, incluso con las bujías húmedas, desgastadas o sucias. En cada arranque del motor, el sistema SDI se programa automáticamente para suministrar un número de 40.000 chispas -aproximadamente 50 en una fracción de segundo- a la próxima bujía en el orden de encendido.
Esta serie de chispas quema cualquier depósito interno de las bujías. Después que el motor arranque y al llegar a un régimen de 600 rpm, el SDI conmuta al encendido normal, y suministra únicamente una chispa por cilindro y ciclo de operación.
Y si el motor se niega a arrancar de inmediato por alguna razón, el sistema SDI ofrece otra característica adicional: cuando el conductor gira la llave hacia la posición inicial, la instalación de encendido suministra una enorme cantidad de chispas -unas 1.000- en todos los cilindros simultáneamente, después de lo cual el conductor puede tratar de arrancar el motor nuevamente.
Cambiar la fisonomía del encendido:
Con excepción de las bujías, los componentes de los sistemas de encendido más modernos presentan una fisonomía bien distinta a las piezas que hasta ahora nos eran familiares como la bobina, el distribuidor y hasta los cables de alta tensión.
Las bobinas, por ejemplo, siguen existiendo, pero ahora tienen extrañas formas, las que responden a las necesidades de las plantas motrices de última generación. Es así como tenemos que buscar "cajas negras" en el recinto motor donde se esconden los componentes del encendido. Una de ellas, en el encendido directo, está ubicada inmediatamente encima de las bujías, y en su interior, además de las bobinas, encontramos misteriosos "chips" y otros elementos informáticos miniatura, como los sensores y los microprocesadores digitales.
Las clásicas bujías de encendido todavía resisten los violentos embates de sus adversarios en potencia, como los proyectores láser, que pretenden encender la mezcla de aire y combustible con un diminuto pero enérgico impulso luminoso... Todo esto parece de ciencia-ficción, pero la realidad nos dice que nos acercamos a rápidos pasos a una era en que los fabricantes apelarán a cuanto recurso tecnológico tengan a su alcance, para concebir plantas de propulsión cada vez más "limpias" y eficientes.
Los cables de alta tensión están pasando a la historia, lo mismo que el distribuidor y cualquier otro componente que acuse movimiento. Ahora todo es "estático", digital y muy preciso.
Sistema de refrigeración:
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles y de aviones y los motores fuera de borda se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. En los motores navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.
Menos de una cuarta parte de la energía calorífica consumida en el motor es transformada en fuerza útil. El resto del calor debe dispersarse de modo que el motor no se caliente excesivamente, e impida que trabaje adecuadamente, y se produzca una posible corrosión.
Existen dos tipos de refrigeración principalmente:
Refrigeración directa
Refrigeración indirecta
Las partes fundamentales de un sistema de refrigeración usual (indirecta) son las siguientes:
Una envoltura que rodea las partes calientes del motor: cilindros, cámaras de combustión y conductos de escape
Un radiador por el que se refrigera por aire el agua que llega caliente del motor.
Un ventilador que impulsa aire hacia el radiador
Unas tuberías en la parte superior e inferior del radiador, que unen éste al motor para formar un circuito cerrado.
Una bomba que fuerza la circulación del agua a través del sistema de refrigeración .
Un termostato, colocado en la salida del agua del motor, que reduce la circulación del agua de refrigeración hasta que el motor adquiere la temperatura normal de funcionamiento. La misión del termostato es cerrar el paso del agua hacia el radiador.
Un tapón con válvula de sobrepresión, para elevar el punto de ebullición del agua, y evita la formación de bolsas de vapor próximas a las cámaras de combustión. Generalmente mantiene la presión a 0.5Kg/cm2 y el agua no hervirá hasta 112ºC.3
Existen dos tipos principalmente: de fuelle y de cera
Refrigeración directa o a aire:
En el sistema directo circula aire entre las aletas externas provistas en los cilindros y en la culata
Si no existe un sistema forzado de aire no podrá realizarse la refrigeración de todos los cilindros especialmente si éstos se hallan en línea.
Los cilindros de la parte posterior del motor resultarían mal refrigerados por el propio aire que penetra al coche, por ello se emplea un ventilador que establece una corriente de aire sobre los cilindros, regulado por un termostato.
En los cilindros y culatas existen unas aletas que aumentan la superficie de contacto con el aire, las zonas más calientes del motor tendrán mayor número de estas aletas.
Un motor refrigerado por aire es siempre más ruidoso que uno refrigerado por agua (sistema indirecto) porque las cámaras de agua absorben la mayor parte del ruido del motor
Refrigeración indirecta:
En el sistema indirecto circula refrigerante que suele ser agua por unos conductos dispuestos por el interior del motor El radiador disipa el calor del agua caliente que circula por el sistema de refrigeración.
El agua caliente procede de la culata y penetra en la cámara superior del radiador después de atravesar el termostato y fluye hacia abajo, atravesando el haz, en el que pierde el calor. Los tubos llevan aletas acopladas para aumentar la superficie de contacto con el aire. El agua refrigerada pasa a la cámara inferior del radiador y vuelve después al motor a través de la bomba de agua.
En la mayoría de los radiadores hay un espacio libre entre la superficie del agua y la parte superior del radiador para permitir la expansión del agua. El posible vapor escapa a través del rebosadero, aunque en otros modelos sale del radiador y pasa a un depósito de expansión. Al enfriarse el agua vuelve al radiador (circuito de sellado).
Como no hay pérdidas de agua en un buen funcionamiento del sistema, se suele llenar de fábrica con una mezcla adecuada de agua y anticongelante. Por lo general se aconseja el inspeccionar el nivel de esta mezcla periódicamente por si han habido pérdidas que ocasionarían recalentamientos del motor que podrían ser irreparables.
La Bomba de agua:
La bomba constituye la parte fundamental que crea la circulación forzada, suele estar situada en la parte delantera del motor, y accionada por la correa del ventilador. Toma el agua de la parte inferior del radiador y la impulsa al bloque motor, refrigerando primero las camisas, y luego la culata, desde donde a través del termostato vuelve a la cámara superior del radiador
Un pequeño volumen va a parar al sistema de calefacción, y en algunos modelos otra parte va al colector de admisión sin pasar por el termostato.
La bomba con aletas centrifuga el agua contra la carcasa de la bomba, y la canaliza hacia el bloque.
Cuando el termostato cierra el paso del líquido de refrigeración hacia el radiador, el rodete sigue girando, y el agua sólo circula por el motor a través de un conducto en derivación.
Escape:
El escape lo forman todos los elementos que contribuyen a conducir los gases quemados hasta la salida.
La existencia de elementos que dificulten la emisión de los gases de escape penalizará el correcto vaciado de impurezas del cilindro, el llenado de combustible nuevo no será completo y por tanto no se podrá obtener toda la potencia que correspondería teóricamente al caso en el que el vaciado fuese total. Entre estos frenos se encuentran los sistemas silenciosos y los catalizadores, que han debido de instalarse como consecuencia de las nuevas normas de contaminación admitida del medio ambiente
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