sobrealimentacion2

Sobrealimentación

Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 1

ObjetivosMostrar qué efectos tiene la sobrealimentación Describir los principales sistemas existentesSensibilizarse de cuál es la problemática de

acoplamiento del turbo al motorContenido

JustificaciónDefinición e ideas básicas de implementaciónConsecuencias sobre funcionamiento del motorSistemas de sobrealimentaciónTendencias actuales

Sobrealimentación


ÍndiceJustificaciónDefinición e ideas básicas de

implementaciónConsecuencias

Tensiones mecánicas y térmicasOtras consecuencias

Sistemas de sobrealimentaciónSobrealimentación mecánicaTurbosobrealimentación

ModosProblema de acoplamiento turbogrupo–motor

Tendencias actuales

Justificación


Potencia efectiva de un motor

¿Cómo aumentar la potencia?Incrementar cm, v, i ,m, F y Hc LimitadosIncrementar a a de admisiónde admisión

ecf HmNe ecvTa HFVniNe

micvmap

HFciAz

Ne 2

1

Definición e ideas básicas


Sobrealimentar Incrementar la a a de de admisiónadmisión

¿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.

Consecuencias


Tensiones mecánicasAumenta la presión de trabajo

Tensiones térmicasAumentan las temperaturas y los flujos de

calor

Otras consecuenciasRendimiento indicadoRendimiento mecánicoProceso de combustiónEmisiones contaminantes

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 sobrealimentarpmepmax.

Tensiones térmicas


Tmax depende de TadmInterés del intercooler

Q cedido a las paredes Aumentan tensiones

térmicas

Acciones posibles:Sistema de

refrigeración reforzadoEnfriamiento 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

QQ

Otras consecuencias


Mejora del rendimiento indicadoEl motor se comporta como más adiabático

Mejora del rendimiento mecánicopmf/pmi baja al sobrealimentar

Proceso de combustiónMEP: Aumenta p y T peligro de picado MEC: Mejor autoencendido (p,T) y mezcla (a)

Emisiones contaminantesAumentan emisiones de NOx Tmáx Disminuyen los humos FR , T

Sistemas de sobrealimentación


Sobrealimentación mecánica

Compresor accionado directamente por el cigüeñal

Turbosobrealimentación

Compresor accionado por una turbina aprovechando los gases de escape



Se utilizan compresores volumétricos compresores volumétricos rotativosrotativos

VentajasComportamiento del compresor poco sensible

al régimen grado de sobrealimentación cteRespuesta instantánea del compresor a

cambios de régimen de giroInconvenientes

El compresor absorbe potencia del motor e Volumen y peso del compresor Ruido



Compresor G

Compresor KKK

Compresor Roots



TurbogrupoTurbina centrípetaTurbocompresor

centrífugo

Energía disponibleEnergía disponible

Pérdidas en válvulasPérdidas térmicas en

los conductosPulsaciones

Energía recuperable en general es suficiente para arrastrar el turbocompresor

.31

combescape QH



VentajasVentajas

Recuperación de parte de la energía de los gases de escape

Mejora el e globalPeso y tamaño

reducidoFácil 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)



¡¡ El conjunto motor + ¡¡ El conjunto motor + sobrealimentación es sobrealimentación es mucho más compacto !!mucho más compacto !!

Modos de Turbosobrealimentación


A presión constanteA presión constanteLa energía tarda en

llegar a la turbinaMejor rendimiento

de la turbina

A pulsosA pulsosAprovechamiento de

la energía cinéticaRendimiento turbina

Mejor respuesta en

transitorio

Turbosobrealimentación en MEP


Carburador aspiradoCarburador aspirado

R-5 Copa Turbo

Carburador sopladoCarburador soplado

R-5 GT- Turbo

Turbosobrealimentación en MEP


Efecto de la ubicación de la Efecto de la ubicación de la mariposamariposa

1

2p

p

1

1

pTma

Línea de b ombeo

Rég im

en gi r o

Rendimien to

1

2p

p

1

1

pTma

Mariposa antesdel compresor

Curva de aceleracióna plena carga

Mariposa despuésdel compresor

En aceleración ambos casos son iguales.

En deceleración cambia el comportamiento.

Acoplamiento turbogrupo – motor


ProblemáticaAcoplamiento compresor – motor

Requerimiento motor impone ma y padm

p2/p1 y ma son función del régimen y la cargaAcoplamiento turbina – motor

Gasto másico motor = gasto másico turbinaTurbina capaz de recuperar energía del escape

Acoplamiento turbina – compresorNturbina = Ncompresor

nturbina = ncompresor

..



Proceso termodinámico

1

1

1

21

ppTcm

NC

paC

1

4

3

31

11

pp

TcFmN TpaT

12 TTcmN paC

Acoplamiento compresor – motor


1

2p

p

línea

de bmo

beo

Régim

enturbo

Rendimiento

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 máximoref

refa PP

TTm

/

/

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

NT

3

3

m TP

3

4

PP



Funcionamiento conjunto a plena carga

¿Cómo conseguir ¿Cómo conseguir esta adaptación?esta adaptación?

1

2p

p

1

1

pTma

L ínea de bombeo

Ré

g imen g

i r o

Rendimiento

1

2p

p

1

1

pTma

Tamaño crecientede Turbina

1

2p

p

1

1

pTma

L ínea de bombeo

Ré

g imen g

i r o

Rendimiento

1

2p

p

1

1

pTma

Tamaño crecientede Turbina



Válvula de descarga.Waste Gate

Parte de los gases “by-passean” la turbina

Turbina degeometría variable

Modifica la sección de paso de la turbina para irla adaptando a las necesidades de cada circunstancia

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

Turbina geometría variable


Estátor de anchura variable Estátor con deflectores orientables

Tendencias actuales


MEPPoco utilizado

(peligro picado)Bajo soplado

Intercooler interesante (disminuye el picado) pero poco eficiente

Turbosobrealim. o compres. mecánicos

Se busca:Incrementar a

iguales prestacionesIncrem. prestaciones

MECSobrealimentación

casi generalizada (todo son ventajas)

Únicamente turboso-brealimentación

Cada vez mayores relaciones de compresión

Uso de intercoolerTurbinas de

geometría variable

Reducción consumo


MEPPoco utilizado

(peligro

2 0 00 4 0 00 6 0 00R 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 00 0 40 00 60 0 0R ég im en [ r .p .m . ]

0

10 0

20 0

30 0

Par

[N.m

]

0

4 0

8 0

1 20

1 60

Pote

ncia

[kW

]3 .0 a tm o sfér ic o2 .0 T u rb o

Sobrealimentación


ResumenInterés sobrealimentación: incremento de

prestaciones y rendimientoLímites 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 constanteDificultad en el acoplamiento turbo / motor.

Facilitado por: Waste Gate / TGVActualmente se busca tanto el incremento de

prestaciones como del rendimiento

sobrealimentacion2

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