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Motores Térmicos. Turboalimentación

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Capítulo 3: Principios de la turboalimentación. Aumento de potencia. (1,5 horas).

Autores: Antonio Lecuona Neumann y José I. Nogueira Goriba.

Contenido

3.1.- Concepto de turboalimentación

3.2.- Límites a la turboalimentación

3.3.- Esquema de la turboalimentación

3.4.- Permeabilidad de la turbina

3.5.- Resumen y preguntas de autoevaluación

3.6.- Ejemplos de motores turboalimentados

MACI = Motor alternativo de combustión interna (MCIA en algunos textos).

MEP = Motor de encendido provocado (Otto o de gasolina) o MIF = Motor de Ignición forzada.

MEC = Motor de encendido por compresión (Diésel o de gasóleo) o MIE = Motor de Ignición espontánea.

Los subíndices numéricos con t, p. e. 4t son puntos en los conductos y sin la t es en el ciclo.

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3.1.- Concepto de turboalimentación.

• Por lo visto en el Capítulo 2, la potencia de un MACI se puede expresar como:

,

2ad v e R e i ee F F L

PME

nQ W

T

• n está limitado por la resistencia mecánica de la estructura del motor. También está limitado por el bloqueo sónico de la(s) válvula(s) de admisión, lo que hace bajar v,e a partir de un régimen que es próximo al de potencia máxima del motor. Además, un n excesivo conduce a pérdidas de potencia importantes por fricción de las piezas en movimiento, lo que contribuye a la bajada de potencia.

• FR está limitado por valores inferiores a la unidad para evitar excesivo consumo (pues baja e ) y emisiones de contaminantes a la atmósfera (CO, HC, PM). Con valores ligeramente superiores a 1 se logra una ligera ganancia en PME, que se usa transitoriamente solamente en aceleración.

• Por lo tanto para una cilindrada Q dada, la mejor forma de aumentar la potencia es aumentando ad con un compresor en la admisión, para aumentar PME, lo que se conoce por sobrealimentación o sobrealimentación mecánica. El consumo de potencia del compresor se detrae de la potencia al eje del motor (hasta 15%), pero es menor que la ganancia conseguida 100% a 200%. Se denomina sobrealimentación mecánica. Con ello, Pad/Pes > 1, hasta de 3.

• Los gases de escape están calientes (400 a 1.000 ºC) y la válvula de escape abre con presiones superiores a la atmosférica, por lo que si se expandieran en una turbina hay potencia suficiente para mover el compresor de sobrealimentación, lo que se conoce por turboalimentación por gases de escape. Más información. Una presentación. Aumenta Pad, pero también Pes . Es decir aparece contrapresión en el escape, necesaria para la turbina y posible, ya que PAAE > Patm.

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3.1.- Concepto de turboalimentación (cont.).

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3.1.- Concepto de turboalimentación (cont.).

• La relación de presiones que imprime un turbocompresor πc = Psalida/Pentrada está relacionada con su régimen de giro y la relación de expansión de una turbina asimismo. También influye el caudal másico a su través, véase Capítulos 5 y 6.

• El calentamiento adiabático del gas de admisión (hasta unos 200 ºC) al ser comprimido, abre la posibilidad de aumentar aún más la densidad de admisión enfriándolo aproximadamente a presión constante, al hacerlo pasar por un cambiador de calor, lo que se conoce por intercooling.

• Para lograr la contrapresión de escape necesaria, la turbina tiene que oponerse al flujo de gases. Por ello su área de paso efectiva ha de ser lo suficientemente pequeña (lo que se denomina permeabilidad). Viene dada por la sección de sus conductos, por lo que es en principio invariable.

• La permeabilidad de la turbina resulta excesiva cuando el motor gira muy despacio (el turbo no extrae potencia) por ser el caudal muy bajo, no engendrándose contrapresión y sin embargo resulta exigua cuando el motor gira muy deprisa, (demasiada potencia) al engendrarse mucha contrapresión por lo que sería conveniente variarla. Las técnicas usadas para ello son:

• Válvula de cortocircuito, para aumentarla a altas vueltas, desperdiciando energía.

• Turbina de geometría variable para variar la permeabilidad de forma continua, reciente, Cap. 10.

• Disponer de dos turbos, uno pequeño para bajas vueltas y uno grande para altas vueltas.

• Disponer de un compresor mecánico para bajas vueltas, que es sustituido por un turbo grande a altas vueltas (sistema secuencial) controlado por válvulas eléctricas.

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3.2.- Límites a la turboalimentación

• Puesto que una parte relativamente fija del calor liberado por el combustible en el interior del motor se evacúa por sus paredes (calor de refrigeración) al aumentar la potencia calorífica liberada como consecuencia de la turboalimentación, aumenta el calor evacuado. Es por ello necesario sobredimensionar la bomba de refrigerante y los radiadores de refrigeración, tanto del agua, como del aceite lubricante al turboalimentar.

• Las piezas del motor sufrirán mayores gradientes de temperatura en su interior, lo que hace aumentar las tensiones internas en el material. Si no soporta lo suficiente, suele ser necesario intensificar la refrigeración localmente (pistones, válvula(s) de escape, …) y/o mejorar materiales y/o acabado.

• Las mayores presiones durante el ciclo aumentan las cargas sobre pistón, biela, cigüeñal, y bloque motor (incluyendo culata y su junta) lo que suele requerir un reforzamiento.

• Al ser típicamente el turbocompresor de un único escalón la relación de presiones suele estar limitada a < 2,5, para evitar sobre-velocidades del turbo, aunque recientemente se han desarrollado turbocompresores centrífugos (de titanio) con hasta 4,0 y se espera más. Una alternativa es comprimir con dos escalones; esto es, dos turbocompresores en serie, pero aumenta la complejidad y el coste.

• Al ser el grupo turbo (compresor y turbina) una máquina rotodinámica, cuyo comportamiento es distinto al del motor, que es de tipo volumétrico, aparecen fenómenos al operar unidos, lo que se denomina hermanamiento. Ello dificulta la operación en motores de régimen y carga variables, como son los motores de automoción, véase esquema de la turboalimentación a continuación. Por ello se sigue usando la sobrealimentación mecánica en este sector, donde el régimen de giro del compresor es proporcional al régimen de giro del motor. 5

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3.2.- Límites a la turboalimentación (cont.). . • El funcionamiento dinámico de los motores de automoción compromete las prestaciones del

grupo turbo, por disponer de un eje libre e independiente. Ante la demanda de aumento de régimen, el grupo turbo se retrasa en acelerar (turbo lag) debido a que hace falta energía para aumentar su energía cinética. Ante la demanda de reducción de régimen del motor, el turbo se retrasa en decelerar.

• Las mayores presiones y temperaturas de admisión dan lugar a aumento correspondientes durante la combustión dentro del motor. En MEPs ello puede dar lugar a inflamación incontrolada de la mezcla aire-gasolina antes de que le llegue la llama originada por la chispa de la bujía. Esto se denomina detonación y puede destruir el motor. Por ello los motores de gasolina sobrealimentados y turboalimentados suelen necesitar relaciones de compresión r menores.

• En el ciclo Miller la relación de presiones del turbo (presión a la salida/presión a la entrada) es grande y se posenfría. El motor tiene una relación de compresión rc moderada; y ello aunque r sea alta, Ec. (1.6), por disponer de un RCA muy grande. Con ello se logra reducir la temperatura antes de la combustión, reduciéndose el riesgo de detonación. Incorpora otras ventajas, como la de una alta potencia por unidad de cilindrada y la posibilidad de eliminar la mariposa en la admisión aumentando mucho el RCA en su lugar para reducir la masa admitida. Con ello se reduce el trabajo de bombeo, que es negativo cuando se cierra la mariposa.

• La sobrealimentación y la turboalimentación permiten compensar la caída natural de la densidad atmosférica con la altura geográfica. También compensan la pérdida de potencia en verano, por altas temperaturas. 6

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3.2.- Límites a la turboalimentación (cont.). . • Ejemplo de la curva de par a plena carga de un mismo motor de aspiración atmosférica y versión

turboalimentado, actuando en condiciones estacionarias y durante una aceleración. Podría usarse en su lugar la PME Cm y además valdría para cualquier tamaño de motor.

Cm

n

Motor turboalimentado actuaciones estacionarias

Motor de aspiración normal

Motor turboalimentado en un acelerón

Incapacidad del turbo en dar par a bajo régimen

Incapacidad del turbo en dar par a bajo régimen por retraso

• Si el turbo pudiera mantener cte. ad

n se obtendría una curva paralela a la

del motor sin sobrealimentar

(aspiración normal).

• La zona rayada es lo que se pierde

por resultar el grupo turbo demasiado

“grande” o permeable a bajo régimen.

La turbina no engendra contrapresión,

por lo que no extrae trabajo y por ello

la relación de presiones del

compresor es baja.

• Un turbo de geometría variable, o una

sobrealimentación mecánica permiten

reducir la zona rayada.

Figura 3.1

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3.3.- Esquema de la turboalimentación.

Conducto de

admisión

Conducto de

escape

Válvula de cortocircuito

Tubo de

escape

Motor

Filtro

de

aire Turbo

Tubo que transmite la presión tras el turbo P4t a la

válvula de cortocircuito

Pes = P5t

P4t

P6t ≈ Patm

Diafragma

-fuelle

Muelle P4t

Patm

• Véase Fig. 3.3 a continuación.

• Puede disponerse una

válvula de mariposa en

MEPs para reducir la carga

bajando P4 hasta Pad. No

existe en MECs.

• P4 se limita, para evitar

roturas, con una válvula que

cortocircuita la turbina

(waste gate), derivando

gases de escape, luego

limita directamente Pes.

• Así, se puede montar un

grupo turbo pequeño para

lograr contrapresión a bajo

régimen (caudal másico

pequeño, Ec. 1.8) y se limita

la contrapresión a elevados

regímenes, como se verá

con el concepto de

hermanamiento, Cap. 9.

Pad

Figura 3.2

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3.3.- Esquema de la turboalimentación (cont.).

• (t) significa condiciones de remanso, o equivalentemente totales.

• Aunque el motor admite y expulsa gases de forma intermitente, el volumen de los conductos

suaviza las oscilaciones de presión y el flujo a través del turbo puede tratarse como estacionario

en primera aproximación, especialmente si estos volúmenes son grandes frente a la cilindrada.

• El posenfriador, los filtros, silenciadores y purificadores pueden asimilarse a una pérdida de

presión de remanso.

• Puede existir una conexión entre el

escape y la admisión, dotada de un

enfriador de gases de escape y de

una válvula de regulación de

caudal. Sirve para sustituir gases de

admisión por gases de escape, ya

quemados, para limitar la formación

de NOx durante la combustión

(EGR o Exhaust Gas Recirculation).

Para que se produzca con la

variante de recirculación en alta ha

de ser Pes > Pad. Figura 3.3.- Se indica con trazos el EGR de alta a baja alternativo. La

línea de puntos indica la alternativa de EGR en baja presión.

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Turbocompresor

Silenciador de admisión

y filtro

Silenciador

de escape y

purificador en baja

Purificador

de gases

en alta

Control de

la carga (MIF)

Colector de

admisión

Colector de

escape

Motor

Adición de

combustible (MIF)

Posenfriador

Recirculación controlada

de gases de escape

enfriados (EGR) en alta

Válvula de

cortocircuito

1t

2t

3t 4t

ad

es 5t

6t 7t

Ondas

acústicas

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3.3.- Esquema de la turboalimentación (cont.). • Correspondientemente al diagrama anterior, en un diagrama h-s (h porque resulta útil para

calcular trabajos y calores) (y s porque resulta útil para valorar irreversibilidades) el

proceso de admisión es el siguiente:

f

h

s

atm

1t,s 2t

P1t

P3t

1t 4t,s

4t

cil

3t 3t,s

P2t

adt

• Las líneas a trazos rojas unen los puntos iniciales y finales de las evoluciones reales. Las

líneas de puntos azules son curvas P = cte. Las líneas continuas negras indican

evoluciones isentrópicas entre iguales presiones que las reales, a efectos comparativos.

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3.4.- Permeabilidad de la turbina.

• Las turbinas se comportan aproximadamente como un orificio en cuanto a la

relación caudal másico vs. cociente de presiones entre entrada y salida e, Cap. 8.

• Proporciona una curva que tiene un límite del parámetro de caudal, denominado

bloqueo sónico, de magnitud proporcional al área de paso del estator.

tt.e = P5t/P6t

5 5 parámetro de caudalt tm T / P 0.1

Régimen de

turbina: ne = cte.

75%

72%

74%

Turbina más

permeable (más

área de paso)

Muestran una

eficiencia elevada %

para un rango de

caudales amplio

2

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3.5.- Resumen y preguntas de autoevaluación • Aumentar la presión de escape para aumentar la de admisión con un turbo resulta adecuado para el

motor, con resultado de aumento de su PME y con ello de la potencia a todos los regímenes. El motor renueva su carga de trabajo a presión superior a la atmosférica (mayor densidad). Más información. Más información.

• Se necesita instalar un grupo de compresor centrífugo y turbina centrípeta (en grandes motores turbina axial) formando un grupo de giro libre y que hermane bien con el motor.

• La contrapresión creada por la turbina de escape causa una pérdida de potencia en el motor al tener que expulsar empujando gases a una presión superior, véase la Fig. 1.3, aumentando el área negativa del bucle de baja, con lo que el rendimiento indicado del motor i puede ser menor:

• Sin embargo, salvo que la eficiencia de la turbina y del compresor sean muy bajos, la potencia extraída por la turbina es comunicada al compresor, el cual transfiere parte de ella al motor durante la admisión, por aumentar la presión de los gases de admisión. Esto hace que esta área de bombeo disminuya. Se debe a que el motor aspira a una presión mayor que la atmosférica , véase la Fig. 1.3. El efecto neto puede no resultar en trabajo negativo del bucle de baja sobre el rendimiento indicado, o incluso puede ser positivo si se logra que Pad > Pes.

• Algunos autores no incluyen el bucle de baja como parte del ciclo, lo consideran pérdidas mecánicas. Sin embargo, estas consideraciones son igualmente válidas.

(Ec.1.6)

ii

comb im L

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3.5.- Resumen y preguntas de autoevaluación

3.1 Al aumentar la presión y temperatura en la admisión ¿cambia mucho su rendimiento

volumétrico de entrada?

NO

3.2 Al aumentar la presión de escape, ¿cambia mucho el rendimiento volumétrico de entrada? NO

3.3 ¿Puede lograrse que la temperatura de los gases a la entrada de un motor turboalimentado

sea igual a la ambiente?

SI

3.4 El aumento de potencia logrado en un motor sobrealimentado mecánicamente ¿es superior

a la potencia necesaria para la compresión?

SI

3.5 Si consideramos el menor calentamiento del aire por disminuir la diferencia de temperatura

entre él y las paredes del motor y si además consideramos que la diferencia de

temperatura con los residuales disminuye también, ¿Aumenta el rendimiento volumétrico

con la temperatura de admisión?

SI

3.6 ¿Aumenta el gasto másico de aire a través del motor al aumentar la temperatura de

admisión, con el resto de parámetros de diseño y operativos constantes?

NO

3.7 Se dispone de un turbo capaz de aumentar la presión de admisión desde 1 atm hasta 4

atm. Si el motor aguantara, ¿se podría aproximadamente cuadruplicar la potencia de este

motor al turboalimentarlo?

SI

3.8 ¿Se necesitaría un posenfriador muy eficiente en este caso? SI

3.9 ¿La técnica del EGR indicada en la Fig. 3.3 necesita que Pes > Pad? SI 13

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3.6.- Ejemplos de motores turboalimentados.

Motor Caterpillar G3520B a gas natural u otros gases combustibles, V-20 de 1.104 kW a 1.200 rpm,

manteniéndolos hasta 2.428 m de altura. Q = 86.7 dm3 (170 mm x 190 mm) pesando 11.168 kg. Un turbo

para cada fila de cilindros. Usa mezcla pobre para emitir 1,3 g/kWh de NOx, 2,98 g/kWh de CO, 629 g/kWh

de CO2, 0,6 g/kWh de HC volátiles, con un consumo de aire 109,1 m3/min a plena potencia y Tes = 532˚C.

Especial para comprimir el gas natural en gasoductos.

Fuente: CAPERPILLAR

http://www.dieselgasturbin

e.com/October-

2012/Caterpillar-Releases-

New-Gas-Engine/ .

Accedido el 06/11/2012.

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3.6.- Ejemplos de motores turboalimentados.

Motores para automóvil de la familia Ford EcoBoost seccionados, con inyección directa partida de gasolina re = 10,0 y N = 4,

ciclo Miller. A la izquierda de 1.600 cm3 y 110 a 147 kW. A la derecha de 2.000 cm3, y 149 a 224 kW. Disponen de 2 árboles de

levas en culata de distribución variable (desfase) independientes (admisión y escape). Usan válvula de cortocircuito y

posenfriamiento. Hay versiones de 3 cilindros de 1.000 cm3 dando 75 a 92 kW y V-6 de 3.500 cm3 dando 265 a 272 kW. Con

estos motores se ha llegado a 27 bar de PME. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Ford_EcoBoost_engine Creative Commons

CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication accedido el 22/09/2013. Más información. Un video.

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