sobrealimentacion2
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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
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Sobrealimentación
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 2
ÍndiceJustificaciónDefinición e ideas básicas de
implementaciónConsecuencias
Tensiones mecánicas y térmicasOtras consecuencias
Sistemas de sobrealimentaciónSobrealimentación mecánicaTurbosobrealimentación
ModosProblema de acoplamiento turbogrupo–motor
Tendencias actuales
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Justificación
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 3
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
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Definición e ideas básicas
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 4
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.
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Consecuencias
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 5
Tensiones mecánicasAumenta la presión de trabajo
Tensiones térmicasAumentan las temperaturas y los flujos de
calor
Otras consecuenciasRendimiento indicadoRendimiento mecánicoProceso de combustiónEmisiones contaminantes
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Tensiones mecánicas
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 6
¡¡ 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.
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Tensiones térmicas
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 7
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
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Otras consecuencias
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 8
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
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Sistemas de sobrealimentación
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 9
Sobrealimentación mecánica
Compresor accionado directamente por el cigüeñal
Turbosobrealimentación
Compresor accionado por una turbina aprovechando los gases de escape
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Sobrealimentación mecánica
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 10
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
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Sobrealimentación mecánica
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 11
Compresor G
Compresor KKK
Compresor Roots
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Turbosobrealimentación
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 12
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
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Turbosobrealimentación
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 13
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)
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Turbosobrealimentación
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 14
¡¡ El conjunto motor + ¡¡ El conjunto motor + sobrealimentación es sobrealimentación es mucho más compacto !!mucho más compacto !!
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Modos de Turbosobrealimentación
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 15
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
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Turbosobrealimentación en MEP
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 16
Carburador aspiradoCarburador aspirado
R-5 Copa Turbo
Carburador sopladoCarburador soplado
R-5 GT- Turbo
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Turbosobrealimentación en MEP
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 17
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.
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Acoplamiento turbogrupo – motor
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 18
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
..
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Acoplamiento turbogrupo – motor
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 19
Proceso termodinámico
1
1
1
21
ppTcm
NC
paC
1
4
3
31
11
pp
TcFmN TpaT
12 TTcmN paC
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Acoplamiento compresor – motor
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 20
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
/
/
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Acoplamiento turbina – motor
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 21
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
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Acoplamiento turbogrupo – motor
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 22
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
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Acoplamiento turbogrupo – motor
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 23
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
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Waste Gate
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 24
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
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Turbina geometría variable
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 25
Estátor de anchura variable Estátor con deflectores orientables
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Tendencias actuales
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 26
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
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Reducción consumo
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 27
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
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Sobrealimentación
Ampliación de Motores de Combustión.Tema 3.- Sobrealimentación 28
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