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10.- Sobrealimentación

Aparece como una necesidad para el motor aéreo. La importancia es manifiesta sivemos que a 5500 m de altura la potencia de un motor aspirado es 50% de la que tiene anivel del mar. Para enfrentar esta situación se siguieron varias soluciones.

Una fue la del motor “aligerado”. Este es un motor cuyos órganos se dimensionan parala potencia a cota elevada, por lo que resultan más livianos que uno de dicha capacidady que puede también funcionar sin limitaciones a nivel del mar.El motor aligerado debe limitarse en este caso. Su ventaja es el menor peso.

Otra vertiente es la que se siguió con motores sobrealesados, esto es con diámetro decilindro mayor al usual. La ventaja es la mayor capacidad de aire. Otra vez, se debelimitar la potencia a nivel del mar.

Estas dos situaciones son en realidad incompletas, dado que a lo sumo permiten motoresalgo más livianos en relación a la potencia suministrada.

La solución es suministrar al motor mezcla con una densidad mayor a la del ambiente aalta cota. Para ello se usa el compresor. En 1918 durante la Primera Guerra Mundial seexperimentó en un caza Fokker un compresor que pesaba 47.5 kg y absorbía 20 CV delmotor cuando funcionaba a 10500 rpm, permitiendo llegar sin problemas a alturas demás de 6000 m.

Rateau en Francia experimenta con la turboalimentación, utilizando los gases de escapepara mover una turbina que a su vez acciona un compresor.El estado de la metalurgia le impide alcanzar el éxito. Será Sanford Moss de loslaboratorios de G.E. que en 1918 obtiene una máquina práctica.Con esta solución se consigue en 1920 y 1921 los récords de altura, de 10086 y 10518m respectivamente. Estos experimentos anticipan en dos decenios la llegada del motor areacción.

Recordamos que:Para 4T: i

ptiVa QFpemi ηηρ=....

Para 2T: iptiSS QF

rrpemi ''

1.... ηηρ

−=

Si queremos aumentar imep, vemos que Qip es un dato, ηti depende de r, F, pmáx/pmín; ηV

y ηS dependen del diseño.F puede variar entre límites bastante estrechos, no se puede aumentar más allá de ciertosvalores. Lo que queda es la densidad. La sobrealimentación trabaja sobre esta variableaumentando la presión de alimentación. El objetivo es lograr que aumente ρ sin cambiarsustancialmente los otros factores (en especial ηti). De esta manera se consigue mayorpotencia de un motor de un tamaño dado.

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10.1.- Sobrealimentación Mecánica (SAM)

Se utiliza un compresor accionado por el eje del motor. En los motores 2T la diferenciacon sobrealimentación o sin ella es que con SA tengo más presión. En el motor 4Taparece el compresor que antes no estaba.

4T sin S.A.

El trabajo de bombeo es proporcional al área 014’0’.

4T con S.A.

El trabajo 4’’00’1’ es tEl trabajo para comprimLa diferencia 4’’11’ es

En realidad el trabajo q4’’00’1’ va afectada ponecesaria para comprim

Vamos a ver un ejempEl aire ambiente está a

rabajo motor sobre el pistón.ir es 011’0’.

el trabajo teórico que absorbe el compresor. Es el área rayada.

ue absorbe el compresor es mayor pues la potencia aportadar un rendimiento, por lo cual es menor que 4’’00’1’ y la potenciair es mayor que 011’0’ pues va afectada por 1/ηC.

lo numérico en que se aumenta la presión de sobrealimentación. p = 1 atm y t = 59 °F, pmáx = 70 kg/cm2 , mezcla pobre.

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p (kg/cm2) W neto (kcal) η (%) p media (kg/cm2)1.03 115.5 40 12.11.25 109 37.6 14.53.00 73.5 25.3 15.74.90 50 17.2 15.37.60 24 8.3 10.2

(Usando el análisis de las tablas de combustión de Goodenough & Baker)

Al aumentar la presión aumenta pmedia, con disminución de η. Para valores bajos depresión la S.A.M. es favorable pues aumenta la potencia por kg sin alterar drásticamentelas condiciones térmicas del motor.Para valores más altos esto cambia, con una caída fuerte del η.

Ver “Del Motor Sobrealimentado a la Propulsión a Chorro”Revista de Ingeniería Pág. 545 y siguientes (diciembre 1945)Autor: Ing. Félix de Medina

10.2.- Turbosobrealimentación

El compresor es movido por una turbina alimentada por los gases de escape.Diferencias:1) Al aumentar la presión de alimentación también aumenta la presión de escape.2) Aparece el área de trabajo de la turbina.

1-2: compresión adiabática1-1’: en el compresor1’-2: en el cilindro

3’-5: expansión adiabática3’-4: en el cilindro4-5’’: en el escape a través de las válvulas5’’-5: en la turbina

p0 es muy poco superior a la ppistón.

Se puede simplificar así:

Wturb = área (0’55’0)Wcomp = área (0’11’0)

0”, por lo tanto se desprecia el trabajo de bombeo sobre el

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Para un funcionamiento en equilibrio es: )0'11'0(1)0'55'0( areaareaC

T ×=×η

η

p (kg/cm2) W (kcal) imep (kg/cm2) η (%) WT (kcal)1.25 109 14.4 37.6 43.00 105 22.4 36.2 364.90 102 31.0 35.2 577.60 97.6 41.5 33.6 77

Se asumió ηT= ηC=0.80. Ver Félix de Medina “Del Motor Sobrealimentado a laPropulsión a Chorro” 2ª.Parte, Revista de Ingeniería, enero de 1946.

Comparando con la SAM vemos que mientras que aquélla no era favorable parap>1.3kg/cm2, aquí no tenemos esa limitación. La imep aumenta con la presión desobrealimentación.El rendimiento cae muy poco. A presiones bajas (p<1.3 kg/cm2) laturbosobrealimentación no difiere mayormente de la SAM.

Los límites de la turbosobrealimentación son de tipo tecnológico: altas temperaturaslocalizadas y sobrecalentamiento por alta liberación volumétrica de calor; altastensiones en el material por mayores presiones, se busca un compromiso entreperformance y durabilidad.

Cuando sube la presión vemos que el trabajo de la turbina crece mucho.Esto lleva a los motores turbo-compound y al motor de gas potencial. En éste lapotencia útil se obtiene de la turbina.

10.3.- Configuraciones

10.3.1.- Sobrealimentación Mecánica

El enfriador puede estar o noEl compresor puede ser de varios tipos:- Rootes (lóbulos)- Lysholm (tornillo)- un pistón del motor- paletas deslizantes- centrífugo

10.3.2.- Turboalimentado

Aquí el compresor es centrífugo.La unidad turbina compresor gira a alta velOtra vez, el enfriador puede o no estar.

ocidad.

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10.3.3.- Turbocompound

La turbina tiene una potencia mayor que la necesaria para mover el compresor y seaprovecha para aumentar la potencia en el eje.

10.3.4.- Motor d

Una realización d

10.4.- Sobrealim

Es muy favorableal pasar de un moaumento en el ren

La sobrealimentade admisión y poafecta el contenidimportantes camb

Al inyectarse ahoaumentarse, para ha de ser reoptimremolino de aire yen el pico de presproblemático, dadimpone un r míni

Una vez arrancadmenor demora eny la eficiencia del

e Gas Potencial

e esta configuración es el motor de émbolos libres.

entación en motores encendidos por compresión

. En general las pérdidas mecánicas y de auxiliares no cambian muchotor aspirado a uno sobrealimentado, por lo que es de esperar undimiento.

ción afecta al motor a través de la presión y temperatura en el manifoldr la presión de escape (cuando hay turbosobrealimentación). La últimao de residuales en el cilindro y la combustión, pero los másios son en p y T de admisión.

ra más fuel, por haber más aire, la presión de inyección ha demantener los tiempos de inyección. El sistema de inyección completoizado. Se debe tener en cuenta el mayor gasto en su efecto sobre el la turbulencia. Usualmente el r se baja algo para reducir el aumento

ión debido al aumento de fuel. Por ello el arranque en frío puede sero que el turbo no provee ningún aumento de p en el arranque. Estomo o la inclusión de ayudas, como bujías de encendido.

o, sin embargo, la mayor temperatura y presión le dan al motor una la ignición. También permite exceso de aire adicional. Desde que la p compresor varían con la velocidad y carga, el retardo en la ignición

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varía también, así como las condiciones generales de la combustión. En motores conpost-enfriador la temperatura varía menos y lo mismo hacen el retardo en la ignición yla velocidad de combustión.

Estas variaciones en velocidad de combustión, con el aumento de presión del turbo y lascondiciones de trabajo, influencian el rendimiento, las emisiones y el ruido originado enla combustión.

El retardo en la ignición más breve tiende a reducir el ruido. El exceso de aire mejora elcontrol de humo y la emisión de partículas. La emisión de NOx se puede reducirligeramente mediante el enfriamiento de la carga de aire. Sin embargo el mayor impactoen las emisiones es que la turboalimentación, a través del exceso de aire, brinda aldiseñador más libertad para jugar con las variables y obtener el balance entrerendimiento, ruido, humos y NOx. Para un mismo límite de humos el motor con turbopuede tener su inyección retrasada más que en el normalmente aspirado, reduciendo asíel NOx, con un menor sacrificio de rendimiento, particularmente a altas velocidades.

Además de los cambios en el sistema de ignición, la mayor dificultad en aplicar laturbosobrealimentación a un Diesel es hallar el compromiso entre rendimiento, conemisiones aceptables a la velocidad y potencia nominales y con buena performance enotras condiciones.

Para aplicaciones de velocidad constante esto no es difícil. También es relativamentesimple en aplicación naval, desde que la característica natural del efecto desobrealimentación de crecer con N es apropiado a las características de potencia de unahélice. Las condiciones variables de un motor de tracción son más difíciles de satisfacer.

En motores diseñados sin S.A., al agregarla con una pequeña disminución de F no hayproblemas mecánicos y tiene buena duración con una potencia sensiblemente mayor.

Ejemplo: MAN 295 x 375 mm, Z = 6 cilindrosAspirado - 550 HP a 700 rpm

Ce = 170 g/HPhTurbocargado - 690 HP a 700 rpm

Ce = 175 g/HPh

Balance energético:

Sin Sobrealimentación Con SobrealimentaciónEnergía útil 36 % 37 %Refrigeración 25 % 15.5 %Escape 33.5 % 42.5 %Refrigeración Aceite 3.3 % 3 %Radiación y Convección 2.2 % 2 %

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10.5.- Sobrealimentación en motores de encendido por chispa

La sobrealimentación aumenta tanto la presión como la temperatura de la mezcla,haciendo las condiciones de la misma propicias a la detonación.

En la figura 35 de Arcoumanis se ven las curvas que limitan la operación sin detonaciónen función de T.

Sin enfriamiento de la mezcla muchos motores operarán en el lado derecho de la curva,con presiones ≤ 1.5 bar a plenos gases. El aumento de p y de potencia obtenible estaríalimitado a 25% aproximadamente. Tenemos pues una limitación que no existía en elDiesel.

El r no puede bajar para permitir mayor compresión pues ηT cae fuertemente con r,como vimos en su oportunidad anulando el aumento de p. Para controlar la detonaciónnos quedan: enfriar la mezcla y variar el tiempo de encendido. Ambos se usan hoy endía.

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La menor temperatura permite avanzar la chispa y con ello mayor ηT, pm y BMEP. Seutilizan enfriadores aire-aire para obtener la menor temperatura posible.

El retardo del encendido nos aleja de la detonación. Sin embargo empeora elrendimiento y sube la temperatura de escape. Sin embargo, con control electrónico de lacombustión es posible retrasar el encendido sólo en la corta duración de los transitoriosen que tendríamos detonación, siendo preferible esta operación a bajar r.

Dado que en el motor de ECH la relación aire-fuel es casi constante y próxima a laestequiométrica, la temperatura de los gases es mucho mayor en todo momento que enel caso del motor Diesel. Los problemas entonces son cómo limitar la presión desobrealimentación para prevenir la detonación, y cómo conjugar las características decompresor y turbina para obtener una curva de par motor apropiada, dado que, adiferencia del Diesel, el gasto de aire y el de combustible no son variablesindependientes.

La variación en el gasto de aire es muy grande, debido al rango de velocidadesalcanzables y a que a cargas parciales el motor trabaja estrangulado. En consecuencia setiene una alta disponibilidad de energía a plena carga y velocidad y baja disponibilidadde energía a baja velocidad. La fig. 38 de Arcoumanis muestra la disparidad entre lapotencia desarrollada por la turbina y la requerida por el compresor.

Una solución cara es una turbina de geometría variable. La opción durante un tiempoaceptada es una turbina pequeña acompañada de una válvula limitadora, que dejaescapar gases by-paseando la turbina cuando la presión excede cierto valor, o cuando sedan condiciones de detonación.

Esta solución es satisfactoria excepto a bajas velocidades (< 2000rpm aprox.). Paramejorar la sobrealimentación a velocidades más bajas se requeriría una turbina máschica aún.

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Esto haría que la velocidad a la que abre la válvula de escape a plenos gases bajara, conla penalización de mayores pérdidas por bombeo a través de una restricción.

En la fig. 40 de Arcoumanis se encuentra una comparación de un mismo motor normalaspirado y turbosobrealimentado.

Se encuentra que se puede ganar hasta un 80% de par motor, pero sólo a alta y mediavelocidad.El diseñador debe optimizar el motor en otros aspectos (como tiempos de válvulas) abajas vueltas para compensar la diferencia de par a baja velocidad.

El control con sólo la válvula limitadora no es suficiente para evitar la detonación. Unacombinación de control de tiempo de chispa, presión y detonación es necesario paraobtener una buena curva de par libre de detonación. Dado que hay variación en elcombustible, un sistema para ser completo debe tomar en cuenta esto a través desensores de golpeteo. Estos son acelerómetros de banda angosta, sintonizados paradetectar vibraciones características que ocurren durante la detonación (5-8 kHz). Secompara la señal con la de una que se tiene cuando no hay detonación; si la diferenciaes significativa se retarda el encendido, sea por una cantidad fija o por 2-5° cadasucesiva ocurrencia del fenómeno hasta alcanzar un máximo predeterminado. Una vezque para la detonación, la ignición se avanza hasta que reaparece o que se alcanza convalor predeterminado el avance.

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Junto con el avance o retraso se utiliza el enriquecimiento de la mezcla, para reducir latemperatura de entrada a la turbina en el orden de 900-950°C.

La respuesta lenta debida a la inercia del grupo turbina-compresor fue una característicade las primeras aplicaciones al motor de ECH.En los motores diesel también hay una demora en acelerar el turbo, pero es menosnotable en parte porque los motores Diesel son de respuesta más lenta y además porqueel fuel puede aumentarse en ellos antes de que aumente el flujo de aire.

La respuesta de los motores turbinados actuales es mucho mejor que la de los anteriores,sobre todo por las pequeñas turbinas de menos inercia, y sistemas de escape máscompactos y de menos inercia térmica que permiten aumentar la temperatura de laturbina más rápido.

En conclusión, la turbosobrealimentación en motores ECH no está tan bien establecidacomo en los motores Diesel. Ha habido progresos y se usa sobre todo en motores decompetición y en vehículos de alto precio.

La sobrealimentación mecánica compite en este tipo de motor, dado que la ventaja delturbo de alcanzar altas presiones no puede usarse aquí. Tiene además la ventaja de sermás sencilla y no restringe el escape. Se puede tener un motor más chico que tengamenores pérdidas a bajas velocidades y desarrolla la potencia de uno mayor cuando sele requiera.

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