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Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 1 Universidad Politécnica de Valencia
Tema 3. Sobrealimentación
Objetivos Mostrar qué efectos tiene la sobrealimentación Describir los principales sistemas existentes Sensibilizarse de cuál es la problemática de
acoplamiento del turbo al motor
Contenido Justificación Definición e ideas básicas de implementación Consecuencias sobre funcionamiento del motor Sistemas de sobrealimentación Tendencias actuales
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 2 Universidad Politécnica de Valencia
Tema 3. Sobrealimentación
Índice Justificación Definición e ideas básicas de implementación Consecuencias
Tensiones mecánicas y térmicas Otras consecuencias
Sistemas de sobrealimentación Sobrealimentación mecánica Turbosobrealimentación
Modos Problema de acoplamiento turbogrupo–motor
Tendencias actuales
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 3 Universidad Politécnica de Valencia
Justificación
Potencia efectiva de un motor
¿Cómo aumentar la potencia? Incrementar cm, v, i ,m, F y Hc Limitados
Incrementar a a de admisiónde admisión
ecf HmNe ecvTa HFVniNe
micvmap
HFciAz
Ne 2
1
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 4 Universidad Politécnica de Valencia
Definición e ideas básicas
Sobrealimentar Incrementar la a a de admisiónde admisión
¿Cómo? Incrementar ppaa
Reducir TTaa
a
aa TR
p
Atmosf. Sobreal. Sobreal.Enfriador
P. admisión (bar) 1 2 1.95
T. admisión (ºC/K) 20/293 120/393 60/333
admisión (kg/m3) 1.2 1.8 2.1
mf (mg/cc) 30 45 52.5
pmi (bar) 10 15 17.5
MEC DI. 4 cilindros. 2 litros. En par máximo.
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 5 Universidad Politécnica de Valencia
Consecuencias
Tensiones mecánicas Aumenta la presión de trabajo
Tensiones térmicas Aumentan las temperaturas y los flujos de calor
Otras consecuencias Rendimiento indicado Rendimiento mecánico Proceso de combustión Emisiones contaminantes
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 6 Universidad Politécnica de Valencia
Tensiones mecánicas ¡¡ Aumenta p¡¡ Aumenta pmax max !!!!
Limitación mecánica de pmax: Formación de la cuña de aceite entre
biela y cigüeñal. 130 a 160 bares para un MEC de
automoción.
Acciones posibles:
Reducir la relación de
compresión.
Modificar la ley de combustión.
cadmcompfin Rpp .
al sobrealimentarpme
pmax.
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 7 Universidad Politécnica de Valencia
Tensiones térmicas
Tmax depende de Tadm
Interés del intercooler
Q cedido a las paredes Aumentan tensiones
térmicas
Acciones posibles: Sistema de refrigeración
reforzado Enfriamiento del pistón
por chorro de aceite
Atmosf. Sobreal. Sobreal.Enfriador
P. admisión (bar) 1 2 1.95
T. admisión (ºC/K) 20/293 120/393 60/333
P. maxi (bar) 100 140 140
P.max. / pme 11 10 9
Q refrig / Q comb. 0.30 0.27 0.26
MEC DI. 4 cilindros. 2 litros. En par máximo.
al sobrealimentar.comb
r
Q
Q
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 8 Universidad Politécnica de Valencia
Otras consecuencias
Mejora del rendimiento indicado El motor se comporta como más adiabático
Mejora del rendimiento mecánico pmf/pmi baja al sobrealimentar
Proceso de combustión MEP: Aumenta p y T peligro de picado MEC: Mejor autoencendido (p,T) y mezcla (a)
Emisiones contaminantes Aumentan emisiones de NOx Tmáx Disminuyen los humos FR , T
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 9 Universidad Politécnica de Valencia
Sistemas de sobrealimentación
Sobrealimentación mecánica
Compresor accionado directamente por el cigüeñal
Turbosobrealimentación
Compresor accionado por una turbina aprovechando los gases de escape
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 10 Universidad Politécnica de Valencia
Sobrealimentación mecánica
Se utilizan compresores volumétricos compresores volumétricos rotativosrotativos
Ventajas Comportamiento del compresor poco sensible al
régimen grado de sobrealimentación cte Respuesta instantánea del compresor a cambios
de régimen de giro
Inconvenientes El compresor absorbe potencia del motor e Volumen y peso del compresor Ruido
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Sobrealimentación mecánica
Compresor G
Compresor KKK
Compresor Roots
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 12 Universidad Politécnica de Valencia
Turbosobrealimentación
Turbogrupo Turbina centrípeta Turbocompresor
centrífugo
Energía disponibleEnergía disponible
Pérdidas en válvulas Pérdidas térmicas en
los conductos Pulsaciones
Energía recuperable en general es suficiente para arrastrar el turbocompresor
.3
1combescape QH
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 13 Universidad Politécnica de Valencia
Turbosobrealimentación
VentajasVentajas
Recuperación de parte de la energía de los gases de escape
Mejora el e global
Peso y tamaño reducido
Fácil conversión de un motor atmosférico
InconvenientesInconvenientes
Acoplamiento fluido-dinámico turbogrupo / motor complejo
Respuesta muy variable en función de régimen y carga
Mala respuesta en transitorios (inercia)
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Turbosobrealimentación
¡¡ El conjunto motor + ¡¡ El conjunto motor + sobrealimentación es sobrealimentación es mucho más compacto !!mucho más compacto !!
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Modos de Turbosobrealimentación
A presión constanteA presión constante La energía tarda en
llegar a la turbina Mejor rendimiento de la
turbina
A pulsosA pulsos Aprovechamiento de la
energía cinética Rendimiento turbina Mejor respuesta en
transitorio
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Turbosobrealimentación en MEP
Carburador aspiradoCarburador aspirado
R-5 Copa Turbo
Carburador sopladoCarburador soplado
R-5 GT- Turbo
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 17 Universidad Politécnica de Valencia
Turbosobrealimentación en MEP
Efecto de la ubicación de la mariposaEfecto de la ubicación de la mariposa
1
2
pp
1
1
p
Tma
Línea de b ombeo
Ré
g ime
n g
i r o
Rendimiento
1
2
pp
1
1
p
Tma
Mariposa antesdel compresor
Curva de aceleracióna plena carga
Mariposa despuésdel compresor
En aceleración ambos casos son iguales.
En deceleración cambia el comportamiento.
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 18 Universidad Politécnica de Valencia
Acoplamiento turbogrupo – motor
Problemática Acoplamiento compresor – motor
Requerimiento motor impone ma y padm
p2/p1 y ma son función del régimen y la carga
Acoplamiento turbina – motor Gasto másico motor = gasto másico turbina Turbina capaz de recuperar energía del escape
Acoplamiento turbina – compresor Nturbina = Ncompresor
nturbina = ncompresor
.
.
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 19 Universidad Politécnica de Valencia
Acoplamiento turbogrupo – motor
Proceso termodinámico
1
1
1
21
p
pTcmN
C
paC
1
4
3
3
111
p
p
TcFmN TpaT
12 TTcmN paC
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 20 Universidad Politécnica de Valencia
Acoplamiento compresor – motor
Elección del compresorElección del compresor
Que no trabaje dentro de la zona de bombeo
Que trabaje cerca de la zona de máximo rendimiento en todo el rango de funcionamiento del motor
Que no supere el régimen de giro máximo
1
2p
p
línea
de bmo
beo
Régim
entu
rbo
Rendimientoref
ref
a PP
TTm
/
/
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 21 Universidad Politécnica de Valencia
Acoplamiento turbina – motor
Elección de la turbinaElección de la turbina
WT depende de T3 y de p3/p4
T3 = f (FR, n)
p3/p4 = f (Gasto, AT)
hay que ajustar o: La sección de paso de la
turbina, AT
O el gasto másico
3
N
T
3
3
m T
P
3
4
P
P
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 22 Universidad Politécnica de Valencia
Acoplamiento turbogrupo – motor
Funcionamiento conjunto a plena carga
¿Cómo conseguir ¿Cómo conseguir esta adaptación?esta adaptación?
1
2p
p
1
1
p
Tma
L ínea de
bombeo
Ré
g ime
n g
i r o
Rendimien to
1
2p
p
1
1
p
Tma
Tamaño crecientede Turbina
1
2p
p
1
1
p
Tma
L ínea de
bombeo
Ré
g ime
n g
i r o
Rendimien to
1
2p
p
1
1
p
Tma
Tamaño crecientede Turbina
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 23 Universidad Politécnica de Valencia
Acoplamiento turbogrupo – motor
Válvula de descarga.
Waste Gate
Parte de los gases “by-passean” la turbina
Turbina de
geometría variable
Modifica la sección de paso de la turbina para irla adaptando a las necesidades de cada circunstancia
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 24 Universidad Politécnica de Valencia
Waste Gate
Se elige una turbina pequeña, para asegurar NT a bajo régimen de motor
A alto régimen se limita NT cortocircuitando parcialmente la turbina.
La contrapresión de escape puede ser elevada
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 25 Universidad Politécnica de Valencia
Turbina geometría variableEstátor de anchura variable
Estátor con deflectores orientables
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 26 Universidad Politécnica de Valencia
Tendencias actuales
MEP Poco utilizado (peligro
picado) Bajo soplado
Intercooler interesante (disminuye el picado) pero poco eficiente
Turbosobrealim. o compres. mecánicos
Se busca: Incrementar a iguales
prestaciones Increm. prestaciones
MEC Sobrealimentación casi
generalizada (todo son ventajas)
Únicamente turboso-brealimentación
Cada vez mayores relaciones de compresión
Uso de intercooler Turbinas de geometría
variable
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 27 Universidad Politécnica de Valencia
Reducción consumo
MEP Poco utilizado (peligro
2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0R ég im en [r.p .m .]
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
Par
[N
.m]
1 .0
1 .0 1 .1
0 .9
0 .8
C o n su m o tu rb o /co n su m o a tm o sfér ico
2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0R ég im en [r.p .m .]
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
Par
[N
.m]
0
4 0
8 0
1 2 0
1 6 0
Pot
enci
a [k
W]
3 .0 a tm o sfér ico2 .0 T u rb o
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 28 Universidad Politécnica de Valencia
Tema 3. Sobrealimentación
Resumen Interés sobrealimentación: incremento de
prestaciones y rendimiento Límites de la sobrealimentación: incremento de
tensiones mecánicas y térmicas. Mayor problemática en MEP que en MEC
Tipos de sobrealimentación: mecánica y turbosobrealimentación
Modos: a pulsos / a presión constante Dificultad en el acoplamiento turbo / motor.
Facilitado por: Waste Gate / TGV Actualmente se busca tanto el incremento de
prestaciones como del rendimiento