OBJETIVOS CONTENIDO. L4.- Sobrealimentación en motores. L4.- Sobrealimentación en motores

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1 OBJETIVOS Justificar el empleo de la sobrealimentación en un MCIA Conocer los problemas de tensiones térmicas y mecánicas derivados de la sobrealimentación Clasificar los métodos de sobrealimentación que se suelen emplear Comparar las ventajas e inconvenientes de los diferentes métodos de sobrealimentación Analizar la problemática del acoplamiento entre un MCIA y un grupo de turbosobrealimentación Conocer las tendencias actuales en sistemas de sobrealimentación CONTENIDO Introducción. Justificación de la sobrealimentación Efectos de la sobrealimentación sobre el motor Tipos de sobrealimentación Acoplamiento motor-turbogrupo Tendencias en MEP y MEC esumen

2 La sobrealimentación consiste en el aumento de la densidad del aire en el colector de admisión De esta forma es posible aumentar la potencia específica del motor Las primeras patentes de sobrealimentación son casi tan antiguas como los primeros MCIA: 1885 primera patente de Daimler 1896 patente de Diesel 1905 patente de Büchi (turbosobrealimentación) En la actualidad la sobrealimentación está muy extendida (especialmente en MEC) JUSTIFICACIÓN DE LA SOBEALIMENTACIÓN Potencia efectiva: n Ne a v VT Fr Fe H p e 2 Ne n a v Fr Fe H p e V 2 T Ne a Ne V T

3 JUSTIFICACIÓN DE LA SOBEALIMENTACIÓN Enfriamiento del aire de admisión (intercooler): MEC DI - 4 cilindros - 2 litros / par máximo. Atmosf. Sobreal. Sobreal. Enfriador P. admisión (bar) T. admisión (ºC/K) 20/ /393 60/333 admisión (kg/m 3 ) m f (mg /cc ) PMI (bar) AUMENTO DE TENSIONES - MECÁNICA Aumento presión máxima Efecto sobre patín hidrodinámico esistencia mecánica ( bar) Soluciones: P P r k fin. comp. adm. c Disminución r c Cambio ley de inyección Pmax/pme

4 AUMENTO DE TENSIONES - TÉMICA T max =f(t adm, ) interés del intercooler Calor cedido a las paredes: Q h AT r m k h 10.4 c D (Taylor y Toong) a m 0.75 m a a Soluciones: Sistema de refrigeración reforzado Enfriamiento del pistón por chorro de aceite Q r /Q comb AUMENTO DE TENSIONES Ejemplo: MEC DI - 4 cilindros - 2 litros / par máximo Atmosf. Sobreal. Sobreal. Enfriador P. admisión (bar) T. admisión (ºC/K) 20/ /393 60/333 P. maxi (bar) P.max. / PME Q refrig / Q comb

5 OTAS CONSECUENCIAS SOBE EL MOTO Mejora del rendimiento indicado Motor más adiabático (Q r /Q comb ) Mejora del rendimiento mecánico (sin considerar el compresor) pmf depende principalmente de c m pmf/pmi baja al sobrealimentar el motor Proceso de combustión MEP: P y T peligro de detonación MEC: P y T favorece el autoencendido ρ favorece la mezcla aire/combustible Aumento emisiones de NOx al aumentar T SOBEALIMENTACIÓN Mecánica Acoplamiento mecánico entre compresor y motor Turbosobrealimentación Compresores volumétricos: de paletas oots de tornillo espiral

6 SOBEALIMENTACIÓN Mecánica Turbosobrealimentación Comportamiento del compresor poco sensible al régimen grado de sobrealimentación constante espuesta instantánea del compresor a cambios de régimen del motor Potencia absorbida por el compresor η e global Volumen y peso del compresor ecuperación de parte de la energía de los gases de escape Mejora del ηe global del motor Peso y tamaño reducido Acoplamiento fluidodinámico turbogrupo / motor complejo. espuesta muy variable en función del régimen y de la carga del motor Mala respuesta en transitorios del motor (inercia del turbogrupo) SOBEALIMENTACIÓN MECÁNICA

7 TUBOSOBEALIMENTACIÓN Uso de turbogrupos Compresor y turbina radiales (generalmente) Aprovechamiento de la energía de escape H escape ~⅓Qcomb Pérdidas de calor y laminación en válvulas Pulsación La energía recuperable suele ser en general suficiente para accionar el compresor TUBOSOBEALIMENTACIÓN

8 TUBOSOBEALIMENTACIÓN MOTO-TUBOGUPO equerimientos del motor imponen p 2 (y ma); son función del régimen y de la carga del motor Acoplamiento turbocompresor / motor (m a ) compresor = (m a ) motor (p 2 ) compresor = (p 2 ) motor + p intercooler ; (T 2 ) motor = T intercooler Acoplamiento turbina / motor (ma+mf) turbina = (ma+mf) motor Las condiciones de escape del motor (p 3,T 3 ) son las de entrada de la turbina Acoplamiento turbina / turbocompresor n turbina = n turbocompresor N turbina = N turbocompresor

9 MOTO-TUBOGUPO Acoplamiento motor-compresor n m a v a VT 2 n V p 2 T k v T adm adm n p adm A partir de los requerimientos de p 2, permite la selección del compresor MOTO-TUBOGUPO Acoplamiento compresor-turbina N N N n T T C perd n C N m h h C a N m m h h T a f 1 N m c T 1 1 C a p 1 C c N m m c T 1 T a f p T T

10 MOTO-TUBOGUPO Acoplamiento motor-turbina m T A T A T A partir del compresor, es posible seleccionar A T T f F, T, p,... 3 r 2 3 p f m m, A, T... 3 a f T 3 T f,... p 3 El valor de A T requerido, puede variar de forma importante en función de las condiciones de operación MOTO-TUBOGUPO Un valor de A T constante, no se adapta convenientemente a todos los puntos de funcionamiento (especialmente motores rápidos) bajo régimen del motor N T suficiente alto régimen del motor N T demasiado elevada sobrerrégimen del turbogrupo p adm demasiado alta compresor puede llegar a funcionar dentro de la zona de bombeo Soluciones: Waste-gate TGV

11 MOTO-TUBOGUPO WASTE-GATE MOTO-TUBOGUPO Turbina de geometría variable (TGV)

12 MOTO-TUBOGUPO Turbina de geometría variable (TGV) MOTO-TUBOGUPO

13 MOTO-TUBOGUPO Transitorios de carga ACTUALES MEP Implantación creciente pero no generalizada (riesgo de detonación) Sobrealimentación a baja presión alta presión Turbosobrealimentación o compresores mecánicos MEC Sobrealimentación casi generalizada Únicamente turbosobrealimentación Uso de intercooler muy extendido

14 ACTUALES angos actuales P adm maxi. (bar) Enfriador PME (bar) MEP automoción 1.3 (2.5) Frecuente 15 MEC automoción 1.7 a 2.8 Frecuente/gen. 13 a 23 MEC transp. pesado 2.5 a 3.5 Generalizado 16 a 25 MEC estacionario > 2.5 Generalizado > 20 Sistemas en desarrollo: Asistencia eléctrica en transitorios Sistemas en serie (alta presión p 2 = 5.5 bar / pme= 33 bar) Sistemas secuenciales EJECICIO Deducir el acoplamiento entre un motor y un compresor volumétrico con intercooler p 2 m comp m motor n m V p motor motor v, motor T 2 2 T int 1 V k m p 2 comp comp 1 c 1 Vc p1 m n V m a Si n comp /n motor es constante, p 2 v es constante

15 ESUMEN Sobrealimentación Incremento importante de pme Limitada por tensiones mecánicas y térmicas Intercooler: ρ a ; tensiones térmicas Turbosobrealimentación Mejora η i, η m y η e Problemas de acoplamiento Casi generalizado en MEC Influencia sobre el comportamiento del motor espuesta del turbogrupo variable afecta a la curva de par del motor y a la respuesta dinámica Incremento de P y T afecta al proceso de combustión y a las emisiones de contaminantes BIBLIOGAFÍA F. Payri y J.M. Desantes "Motores de Combustión Interna Alternativos" (Cap. 11). Stone "Introduction to Internal Combustion Engines" (Cap. 9). van Basshuysen y F. Schäfer "Internal Combustion Engine Handbook: Basics, Components, Systems and Perspectives" (Cap. 11) N. Watson y M.S. Janota "Turbocharging the Internal Combustion Engine"