Refrigeración integrada en cascada con el aire de admisión

Aumentar la potencia específica en un motor turbocomprimido de desplazamiento reducido es una forma común de lograr bajos valores de consumo y emisiones sin sacrificar el desempeño. Sin embargo, el proceso de combustión, el motor y sus componentes, además de los periféricos del motor, quedan sujetos a efectos importantes. El esfuerzo tecnológico aumenta en la misma medida que aumentan las cargas térmicas y mecánicas.

Presiones cada vez mayores del aire de admisión y sus crecientes temperaturas asociadas, además de las regulaciones más restrictivas, requieren sistemas de refrigeración más eficientes, que permitan mayores reducciones en la temperatura del aire de admisión. Recientemente, MAHLE desarrolló y presentó la refrigeración integrada en cascada del aire de admisión en el módulo de entrada de aire para motores a gasolina. El sistema enfría el aire de admisión en dos etapas: primero, por medio del circuito refrigerante de alta temperatura del motor y, entonces, por medio del circuito de baja temperatura para la refrigeración indirecta del aire de admisión. Resultados de pruebas en motores demostraron que la refrigeración en cascada del aire de admisión es un «habilitador» para nuevos pasos de downsizing y niveles más altos de turbocompresión. Las desventajas actualmente asociadas con altos niveles de turbocompresión (tales como ignición retardada, enriquecimiento en la curva de carga plena) son eliminadas gracias a la refrigeración integrada del aire de admisión que, más frio, encauza la causa raíz, o sea, las condiciones de combustión, haciendo así innecesarias nuevas medidas en el sentido del flujo. También proporciona mayor libertad para la selección de la tasa de compresión. Esto resulta en ahorro de consumo en las franjas de carga relevantes para el ciclo.

Motivado por los resultados positivos, el paso siguiente fue investigar el potencial de la refrigeración integrada en cascada del aire de admisión en el motor diesel. Pruebas en motores mostraron que la reducción de las temperaturas del aire de admisión también proporciona ventajas fundamentales para motores diesel. Bajo carga parcial, las emisiones fueron reducidas, mientras que, a carga plena, el efecto puede ser usado tanto para reducir el consumo del combustible a una potencia de salida constante o, inversamente, para aumentar el desempeño a una tasa de consumo constante. Por otra parte, la mayor masa de flujo del aire aumenta la velocidad del compresor y, así, mejora la capacidad de respuesta del motor.

Las ventajas identificadas por MAHLE en el banco de pruebas deben ser clasificadas de acuerdo con su factibilidad y con el esfuerzo requerido. Asumiendo una base inicial de refrigeración directa del aire de admisión, la conversión para una solución indirecta, integrada al módulo de entrada del aire, ofrece un enorme potencial debido a la mayor capacidad de refrigeración y a la habilidad de regular la capacidad de refrigeración. Las pérdidas de presión en el trayecto del aire para esta variante también son significativamente reducidas.

La refrigeración en cascada del aire de admisión, también integrado en el módulo de entrada del aire, proporciona aumentos aún mayores en la capacidad de refrigeración, además de completa flexibilidad de control. Este abordaje es necesario si la disipación de calor del circuito de baja temperatura se vuelve insuficiente.

Todas las ventajas obtenidas a partir de mediciones realizadas en pruebas de banco bajo carga total y parcial pueden ser implementadas en el vehículo: los beneficios relacionados a las emisiones en carga parcial pueden ser obtenidos usando una refrigeración indirecta integrada del aire de admisión de etapa simple convencional, al mismo tiempo en que otros beneficios relacionados al consumo bajo carga plena requieren la variante en cascada. Esto fue confirmado por medio de simulaciones computadorizadas realizadas para circuitos de vehículos para todas las variantes. En ambos casos, un prerrequisito es un radiador integral de baja temperatura en el front-end. Para la refrigeración en cascada del aire de admisión, la capacidad del radiador de alta temperatura debe ser verificada. Esta reserva de potencia fue suficiente para el motor probado y compensó la carga mediante la refrigeración en cascada del aire de admisión, aún bajo carga total, sin cambios en el proyecto del radiador. Un aumento adicional en la carga térmica del EGR paralelo en carga total requiere que el radiador de alta temperatura sea ajustado. La gestión de condensados puede ser conducida por medios simples debido a la controlabilidad de ambas variantes.

Debido a los buenos resultados de emisiones en la operación a carga parcial, y también a los ahorros de combustible a carga total, se puede prever el aumento de la franja de mercado del uso de la refrigeración indirecta integrada del aire de admisión tanto en motores a gasolina como diesel. A mediano plazo, la refrigeración en cascada del aire de admisión, con diversos circuitos de refrigeración unidos en serie para obtener nuevas y significativas reducciones en las temperaturas del aire de admisión, también tendrá creciente aplicación en el mercado.