Universidad Politécnica de Valencia Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.-...

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



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


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


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.


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


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.


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


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


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

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



Compresor G

Compresor KKK

Compresor Roots



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



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)



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


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


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 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.


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

.

.



Proceso termodinámico

1

1

1

21

p

pTcmN

C

paC

1

4

3

3

111

p

p

TcFmN TpaT

12 TTcmN paC


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

/

/


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



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



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


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 variableEstátor de anchura variable

Estátor con deflectores orientables


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


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



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

Universidad Politécnica de Valencia Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.-...

Documents

Transcript of Universidad Politécnica de Valencia Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.-...