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

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

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

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

Consecuencias Tensiones mecánicas Tensiones térmicas 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

Tensiones mecánicas Acciones posibles: ¡¡ 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. al sobrealimentar Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 6

Tensiones térmicas Tmax depende de Tadm Q cedido a las paredes  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. Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 7

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

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

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

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

Turbosobrealimentación 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 Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 12

Turbosobrealimentación 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) Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 13

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

Modos de Turbosobrealimentación 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 Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 15

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

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

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 . . Ampliación de Motores de Combustión. Tema 3.- Sobrealimentación 18

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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