Tema 3. Sobrealimentación

1. 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 1

2. 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 2

3. Justificación Potencia efectiva de un motor • ¿Cómo aumentar la potencia? • Incrementar cm, v, i ,m, F y Hc Limitados • Incrementar a de admisión Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 3

4. Definición e ideas básicas Sobrealimentar Incrementar laa de admisión • ¿Cómo? • Incrementar pa • Reducir Ta MEC DI. 4 cilindros. 2 litros. En par máximo. Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 4

5. 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 5

6. al sobrealimentar Tensiones mecánicas ¡¡ Aumenta pmax !! • 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. Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 6

7. 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 al sobrealimentar MEC DI. 4 cilindros. 2 litros. En par máximo. Tensiones térmicas Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 7

8. 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 8

9. Sobrealimentación mecánica Compresor accionado directamente por el cigüeñal Turbosobrealimentación Compresor accionado por una turbina aprovechando los gases de escape Sistemas de sobrealimentación Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 9

10. Sobrealimentación mecánica • Se utilizan compresores volumétricos rotativos • 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 Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 10

11. Sobrealimentación mecánica CompresorRoots Compresor G Compresor KKK Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 11

12. Turbogrupo Turbina centrípeta Turbocompresor centrífugo Energía disponible Pérdidas en válvulas Pérdidas térmicas en los conductos Pulsaciones  Energía recuperable en general es suficiente para arrastrar el turbocompresor Turbosobrealimentación Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 12

13. Ventajas 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 Inconvenientes Acoplamiento fluido-dinámico turbogrupo / motor complejo Respuesta muy variable en función de régimen y carga Mala respuesta en transitorios (inercia) Turbosobrealimentación Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 13

14. Turbosobrealimentación ¡¡ El conjunto motor + sobrealimentación es mucho más compacto !! Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 14

15. A presión constante La energía tarda en llegar a la turbina Mejor rendimiento de la turbina A pulsos Aprovechamiento de la energía cinética Rendimiento turbina  Mejor respuesta en transitorio Modos de Turbosobrealimentación Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 15

16. Carburador aspirado R-5 Copa Turbo Carburador soplado R-5 GT- Turbo Turbosobrealimentación en MEP Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 16

17. Turbosobrealimentación en MEP Efecto de la ubicación de la mariposa En aceleración ambos casos son iguales. En deceleración cambia el comportamiento. Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 17

18. Acoplamiento turbogrupo – motor Problemática • Acoplamiento compresor – motor • Requerimiento motor impone ma y padm • p2/p1 y mason 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 18

19. Acoplamiento turbogrupo – motor Proceso termodinámico Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 19

20. Elección 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 Acoplamiento compresor – motor Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 20

21. Elección 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 Acoplamiento turbina – motor Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 21

22. Acoplamiento turbogrupo – motor Funcionamiento conjunto a plena carga ¿Cómo conseguir esta adaptación? Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 22

23. 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 Acoplamiento turbogrupo – motor Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 23

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 Waste Gate Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 24

25. Turbina geometría variable Estátor con deflectores orientables Estátor de anchura variable Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 25

26. 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 Tendencias actuales Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 26

27. MEP Poco utilizado (peligro Reducción consumo Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 27

28. 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 Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 28