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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
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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)
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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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