Sub enfriamiento del aire de admisión – enfriamiento del aire de admisión basado en gas refrigerante para una mejor dinámica de conducción

MAHLE presentó la refrigeración indirecta del aire de admisión, y también la refrigeración indirecta en cascada, dos métodos para enfriar el aire de admisión de forma tan eficaz como posible. La temperatura que se puede alcanzar por medio de estas está físicamente limitada, permaneciendo por encima de la temperatura ambiente. Por primera vez Interconectando los circuitos de refrigerante líquido y gas refrigerante al sistema de refrigeración del aire de admisión, MAHLE rompe esa barrera y ahora logra una mejora sustancial en la dinámica del vehículo sin afectar el confort de los pasajeros y sin aumentar el consumo de combustible.

El aire de admisión caliente debido a la compresión tiene diversas desventajas para la combustión: mayor susceptibilidad a la detonación, mayor formación de óxido de nitrógeno y, de forma general, una mayor carga térmica sobre los componentes del motor. La densidad del aire también cae a medida que la temperatura aumenta, reduciendo así la cantidad máxima de oxígeno admitida en la cámara de combustión. Duplicar la presión de alimentación a partir de un punto inicial de 1 bar y 25 oC lleva a un aumento en la densidad del aire de apenas 50%. Enfriar el aire de admisión a favor de la corriente cerca de 15 K encima de la temperatura ambiente aumenta la densidad en otros 40%. Sub enfriar el aire de admisión, por ejemplo, para 15 K debajo de la temperatura ambiente, podría aumentar la densidad del aire de admisión en otros 21%, lo que podría corresponder a un aumento de 200 mbar en la presión de alimentación.

Generalmente, el circuito de aire acondicionado de un vehículo está proyectado para el enfriamiento rápido cuando las temperaturas externas son altas. A continuación, él desacelera y opera con un consumo de potencia reducido. Correspondientemente, después del enfriamiento inicial, hay un exceso de capacidad, normalmente de hasta 4 kW. Como se sabe, la potencia de salida del compresor se reduce en respuesta a súbitos cambios del nivel en la carga a fin de minimizar las pérdidas en el tren de fuerza. Gracias a la elevada inercia térmica del circuito de gas refrigerante, el conductor apenas se da cuenta del cambio.

En vez de eso, tal capacidad en exceso puede ser transferida al sistema de sub enfriamiento del aire de admisión. Para esto, el nuevo conducto de admisión iCAS (integrated Charge Air Subcooling, o sub-enfriamiento integrado del aire de admisión) de MAHLE se conecta en paralelo con el evaporador del aire acondicionado por medio de un enfriador (intercambiador de calor gas/líquido refrigerante) con una válvula de expansión. El enfriador alimenta el intercambiador de calor integrado – el sub enfriador del aire de admisión – con líquido refrigerante «sub enfriado». Una válvula de bypass permite intercambiador entre la función de sub enfriamiento y la refrigeración directa regular del aire de admisión.

El sistema iCAS de MAHLE ha sido probado en banco con un motor turbocomprimido de 3 cilindros 1.0 L a gasolina, operando a régimen constante, con una temperatura del aire de admisión de 10 oC. Las medidas indican una mejora en el torque entre 16 y 19% en la extremidad inferior (entre 1.100 y 1.300 rpm), en comparación con una temperatura del aire de admisión de 40 oC. La presión de alimentación puede, así, ser reducida en 200 mbar y el ángulo de ignición optimizado para eficiencia, avanzando 3o a 4o CA.

Cuando se evalúa el consumo de combustible, sin embargo, el consumo adicional de potencia debido al compresor del aire acondicionado debe también ser considerado. Las condiciones climáticas, en particular, afectarán el beneficio real con relación a la capacidad de respuesta y a la economía de combustible. Las medidas muestran que, a una temperatura ambiente de 25 oC y humedad relativa del 50%, el consumo de potencia del compresor del aire acondicionado debido al iCAS es cerca de 0,85 kW (sub enfriamiento de 30 K) y, así, menor que un cuarto de la potencia gana gracias al sistema iCAS (a 1.300 rpm).

Con un diseño optimizado y una «estrategia de carga» adecuada, la relación puede ser mejorada aún más: Al mismo tiempo en que el iCAS es regenerativamente acondicionado durante las etapas de frenado, el consumo de potencia del compresor del aire acondicionado puede ser desacoplado del iCAS en el momento cierto. La mejora de desempeño a 1.300 rpm gracias al iCAS puede, entonces, ampliarse por encima de 22%.

El iCAS MAHLE se instaló en un vehículo compacto de demostración a fin de verificar la mejora en la dinámica y de probar la estrategia de carga basada, por ejemplo, en una estrategia de recuperación de energía del frenado. En una primera prueba realizada a temperatura ambiente de 30 oC (800 W/m2 de carga solar) y humedad del aire en 50%, se simuló una aceleración de 30 km/h a 50 km/h en cuarta marcha en un túnel de viento climático. Con el iCAS cargado y el compresor desacoplado, el vehículo alcanza la velocidad final 0,7 segundos más rápido que con la variante sin el iCAS. Al mismo tiempo, la presión de alimentación requerida es alcanzada significativamente más rápidamente.

Específicamente para demostrar el potencial de recuperación de la energía de frenado por medio del compresor del aire acondicionado y, así, provee energía al iCAS, un perfil de conducción hipotético fue simulado en el túnel de viento climático. El vehículo aceleró de una velocidad constante de 30 km/h a 130 km/h. Después de operar estabilizado en esta velocidad, el vehículo frenó nuevamente a 30 km/h. Los resultados de esta prueba muestran que la energía recuperada por medio del compresor completamente acoplado del aire acondicionado durante la desaceleración de frenado moderada de -2m/s2 puede compensar la energía consumida por el sistema iCAS durante la etapa de aceleración. En aceleraciones más intensas o en desaceleraciones más cortas e intensas, debido a frenado, por ejemplo, esta energía puede ser apenas parcialmente compensada. Sin embargo, la prueba demuestra que es posible y benéfico acondicionar el iCAS por medio de energía recuperada de frenado, incluso en un ciclo NEDC o WLPT.

Uno de los requisitos fundamentales para la aceptación del iCAS es que el confort de los pasajeros no sea perceptiblemente afectado por el sistema. En este sentido, los controles para ambos sistemas – aire acondicionado y enfriamiento del aire de admisión – deben ser estrechamente coordinados.

Cuando, no obstante, se requiere un enfriamiento máximo, para altas temperaturas ambiente e interna, el evaporador interno tiene prioridad sobre el iCAS. Solo cuando la temperatura requerida de descarga del sistema HVAC fue alcanzada es que el enfriador del iCAS puede ser rápidamente acoplado para evitar cualquier influencia negativa en la temperatura del evaporador. Subsiguientemente, el enfriador es repetidamente acoplado, dependiendo de la temperatura de descarga. Esto mantiene la variación de la temperatura del evaporador en la franja de ±3oC, siendo imperceptible para el conductor, al mismo tiempo en que también carga completamente el sistema iCAS dentro de 2 a 4 minutos durante la etapa de enfriamiento. Hasta ahí, ambos circuitos alcanzaron sus respectivas temperaturas objetivo. El compresor del aire acondicionado puede ahora ser desacelerado a fin de mantener la temperatura interna.

En esta condición controlada de operación, MAHLE usa la inercia térmica del circuito de gas refrigerante a fin de armonizar los diferentes requisitos del iCAS y del aire acondicionado: por un lado, el enfriamiento constante del interior del vehículo; por otro, el consumo de potencia del sistema de refrigeraciones iCAS, que depende de la potencia de accionamiento presentemente requerida. Gracias a la inercia térmica, el compresor del aire acondicionado puede ser desacoplado del circuito del gas refrigerante por cerca de 15 a 20 segundos sin cambio perceptible en el aire acondicionado del interior del vehículo. Normalmente, este periodo es suficiente para cargar el iCAS en un clima típico de Europa Central.

Interconectando los anteriormente independientes sistemas de aire acondicionado y refrigeración del motor, MAHLE consiguió mejorar aún más el desempeño de motores a gasolina turbocomprimidos. La conducción a bajas velocidades, en particular, también conocida como torque en la extremidad inferior, puede ser muy mejorada. La eficiencia del combustible es aumentada utilizando la energía excedente del sistema del aire acondicionado. A pesar del aumento de potencia, el sistema iCAS no lleva al aumento del consumo de combustible, especialmente gracias al potencial para pre acondicionamiento recuperativo durante las etapas de frenado. Y el confort derivado del aire acondicionado en el interior del vehículo no es perceptiblemente afectado.

  • Los sistemas de control climático y refrigeración del motor son interconectados para mejorar aún más el desempeño de los motores a gasolina turbocomprimidos sin comprometer el confort de los pasajeros.
  • El torque en el extremo inferior de velocidad, en particular, está muy mejorado, así como también la eficiencia del combustible.
  • El pre acondicionamiento recuperativo durante las etapas de frenado aumenta especialmente el desempeño del sistema.