Renovación de la carga en motores de 4T PDF

Grado: Ingeniería Mecánica. Asignatura: Motores Alternativos Renovación de la carga en motores de 4T Luis Miguel Rodríguez Antón 2/41  Índice Introducción. Parámetros que car...

Grado: Ingeniería Mecánica. Asignatura: Motores Alternativos Renovación de la carga en motores de 4T Luis Miguel Rodríguez Antón 2/41  Índice Introducción. Parámetros que caracterizan la renovación de la carga. Efecto de diferentes aspectos del motor sobre la renov. de la carga: – Las pérdidas de carga. Diseño de pipas y válvulas. – La compresibilidad del fluido. Diseño de válvulas. – La inercia del fluido. Diagrama de distribución. – Las ondas de presión. Diseño de colectores. – El calentamiento de la corriente de aire. Parámetros característicos frente a carga y velocidad (síntesis). Efecto de otros sistemas de motor – Inyección y formación de la mezcla. – Refrigeración – EGR – Sobrealimentación – Postratamiento de gases y silenciador. Bibliografía. 3/41 Introducción ¿Qué es la renovación de la carga? – Expulsión de gases quemados y aspiración de carga fresca. Importancia de la renovación de la carga – Influencia sobre proceso de formación de la mezcla (MEP), combustión (masa de aire y turbulencia), trabajo de bombeo, prestaciones, emisiones acústicas y contaminantes, etc. ⇒ 2 4/41  Introducción Diferencias entre la renovación de la carga ideal y real – Relativos al sistema de distribución (Apertura y cierre): Instante y velocidad. – Relativos a los conductos de admisión y escape: Pérdidas de carga, compresibilidad, fenómenos ondulatorios, no adiabaticidad. 5/41 Introducción Elementos más importantes – Relativos al sistema de distribución (Apertura y cierre): Instante y velocidad. – Relativos a los conductos de admisión y escape: Válvulas, pipas y colectores de admisión y escape, turbina/compresor/intercooler y EGR. – Sistemas de control en función de las condiciones operativas. (By-pas intercooler en arranque, waste gate, válvulas de control de swirl, EGR(n,α), turbina de geometría variable, etc) 6/41  Parámetros que caracterizan la renovación de la carga El rendimiento volumétrico: “Cociente entre el gasto real de carga fresca admitida y el que se conseguiría en ciertas condiciones de referencia” ρim: Densidad de la mezcla en las condiciones de referencia 2 – La dificultad para conocer ρim por aspectos relativos a la humedad del aire y al combustible aportado en la admisión, aconseja utilizar una expresión aproximada: ρia: Densidad del aire seco en las condiciones de referencia 2 – Las condiciones de referencia, según el tipo de motor: 7/41 Parámetros que caracterizan la renovación de la carga Influencia del rendimiento volumétrico sobre las prestaciones del motor: – La potencia efectiva máxima de un motor depende de forma casi exclusiva del rendimiento volumétrico y de la velocidad de giro: ⇒ 2 – La presión media efectiva (par efectivo) de un motor es proporcional al rendimiento volumétrico: 4 2 – La presión media efectiva máxima (Par efectivo máximo) de un motor depende de forma casi exclusiva del rendimiento volumétrico: ′ 8/41  Parámetros que caracterizan la renovación de la carga Tasa de cortocircuito: – Definición: “Relación entre la carga fresca cortocircuitada y la total admitida” – En motores 4T suele ser pequeña por el pequeño ángulo de cruce. – Muy complicada de medir, mejor por simulación. Tasa de residuales: – Definición: “Relación entre la masa de residuales al cierre del escape y la masa total retenida al final de la admisión” – En motores de 4T suele ser pequeña por disponer de más de una carrera para el proceso de escape. Presión media de bombeo: – Trabajo por unidad de cilindrada destinado a la renovación de la carga. 9/41 Efecto de las pérdidas de carga Sobre el trabajo de bombeo: – Tiene influencia directa siendo los elementos más relevantes : En el sistema de admisión: Válvula-pipa de admisión, compresor y mariposa (c/p). En el sistema de escape: Válvula-pipa de escape, turbina, tratamiento de gases y silenciador – Si se expresa en términos de presión media de bombeo, el incremento/reducción en las pérdidas de carga en admisión o escape se traslada en igual cuantía a la pmb. 10/41  Efecto de las pérdidas de carga Sobre el rendimiento volumétrico: – Las perdidas de carga en escape afectan de forma indirecta a través de la tasa de residuales (aumenta la presión final del cilindro pudiendo producir reflujos por admisión durante el cruce de válvulas). – Las pérdidas de carga en admisión afectan de forma directa a la densidad de la carga y a la masa de aire admitido por lo que también al rendimiento volumétrico. – En MEP, la válvula mariposa modifica el ηV y la carga del motor, en igual medida. – Las pérdidas en el conjunto pipa-válvula de admisión son las más relevantes: Área de paso: limitada por el tamaño del cilindro/culata. Ángulo de asiento 30º-45º: Ángulo bajos: mejor flujo; Ángulos altos: mejor cierre. Relación L/D 0,25-030: Valores altos: mejor flujo pero mayor esfuerzo sobre distribución. Turbulencia: La generación de swirl puede ser conveniente en MEC pero genera pérdidas de carga en la pipa de admisión (CD de pipa helicoidal < CD pipa direccional). Desprendimientos de corriente por cambios de dirección y sección: dependientes del correcto diseño, afectan negativamente. El coeficiente de gasto engloba todos los parámetros anteriores a excepción del primero. 11/41 Efecto de las pérdidas de carga Sobre el rendimiento volumétrico: – El coeficiente de gasto engloba todos los parámetros anteriores: Área de referencia: Cte 4 12/41  Efecto de la compresibilidad del fluido ¿Qué es la compresibilidad?: – Durante la renovación de la carga los gases se comportan, generalmente, como fluidos incompresibles. – A elevadas velocidades (M>0,2-0,3) la densidad no se mantiene constante. Flujo estacionario unidimensional Flujo adiabático Conservación de energía (1er Princ.) ⇒ 13/41 Efecto de la compresibilidad del fluido M=1→ Conds. críticas 14/41  Efecto de la compresibilidad del fluido M=1→ Conds. críticas 15/41 Efecto de la compresibilidad del fluido El número de Mach en la válvula: – La válvula es la zona más estrecha y donde se dan las mayores velocidades. 1 4 1 ̅ ̅ 180 0.90 H ma x = 5 mm H ma x = 8.5 mm H ma x = 11 mm 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Velocidad de giro (r/min) 16/41  Efecto de la inercia del fluido. Diagrama de distribución ¿Qué es la inercia de una corriente?: – La propiedad asociada a la masa del fluido por la cual éste no puede cambiar bruscamente de velocidad. Se denomina parámetro de inercia a: Importantes 1 1 Φ , 2 2 Ángulos de apertura y cierre de la admisión y el escape: – No se corresponden con los puntos muertos, entre otros motivos, por que las aperturas y cierres son lentos (por limitaciones mecánicas). – Diferentes velocidades de flujo y/o apertura-cierre con igual diagrama supone comportamiento distinto. – La inercia de la corriente desfasa el movimiento del pistón y el flujo en las válvulas. 17/41 Efecto de la inercia del fluido. AAE Parámetro a optimizar: presión media neta (pmn=pmi-pmb) – AAE↑ → Trabajo de expansión (+)↓; Trabajo de escape (-) ↓ Se busca un – AAE↓ → Trabajo de expansión (+)↑; Trabajo de escape (-) ↑ óptimo Avance mayor 18/41  Efecto de la inercia del fluido. Cruce de válvulas Parámetros afectados: – Choque con el pistón: Labrados en cabeza de pistón. – Reflujo por admisión: Reduce el rto. volumétrico y aumenta la tasa de residuales. – Cortocircuito admisión escape (MEC y MEP DI: Aire; MEP IDI: Aire + Combust.): Afecta al enfriamiento de válvulas y turbina y/o a las emisiones y al rto. efectivo. – Vaciado de gases de escape: Velocidad de giro baja → Inercia columna gaseosa de escape baja → RCE bajo. Velocidad de giro alta → Inercia columna gaseosa de escape alta → RCE alto. pcil>padm, pesc pesc>pcil>padm padm>pcil>pesc padm, pesc>pcil 19/41 Efecto de la inercia del fluido. RCA Consideraciones generales: – (1) Inercias de corriente bajas requieren RCA reducidos para evitar el reflujo de admisión. – (2) Inercias de corriente elevada requieren RCA elevados para mejorar el llenado. – (3) El rendimiento volumétrico se ve afectado seriamente por el RCA y la velocidad de giro. Observaciones: – El RCA óptimo depende de la inercia de la corriente de admisión, que a su vez depende de la velocidad de giro. (3) (1) (2) 20/41  Efecto de la inercia del fluido. Diagrama de distribución Diagramas de distribución típicos: – Turismos utilitarios: Avances y retrasos moderados por trabajar con velocidades moderadas (diagramas cerrados) (a) Valores límite. (b) Valores habituales – Estacionarios industriales (MEC): Avances y retrasos moderados pero cruce elevado para aumentar, con el cortocircuito, la refrigeración de válv. escape (c). – Turismo de altas prestaciones: diagramas muy abiertos y cruces amplios (d). 21/41 Efecto de la inercia del fluido. Distribución variable Tipos de sistemas de distribución variable: – Desactivan alguna válvula en un motor multiválvula a baja carga y/o velocidad aumentando así la inercia de la corriente. – Modifican el calado de las levas; modifica tanto AA como RC. – Dos levas distintas actúan según la carga y la velocidad. – Modifican de forma independiente alzadas, aperturas, avances y retrasos. Ventajas: – Reducen pérdidas por bombeo – Aprovechan mejor los efectos de la inercia de la corriente gaseosa de admisión. Máxima potencia Baja velocidad Carga parcial Ralentí y Arranque Ciclo urbano Apertura máxima Cierre adelantado Alzada reducida Apertura retrasada Doble levantamiento 22/41  Efecto de las ondas de presión. Admisión Viaje de las ondas de presión/rarefacción por un tubo: a a a a 23/41 Efecto de las ondas de presión. Admisión Viaje de las ondas por la admisión (motor monocílindrico): – La presión en cualquier punto es resultado de la superposición de ondas que viajan en diferentes sentidos. – Las ondas pueden servir para mejorar el llenado (sobrepresión al cierre: θ=90º). – Desfase de la onda incidente y reflejada. 2 ∆t s ;.. 360 ∆ – Condición de máximo aprovechamiento. ∆ 90 θOpt: ~90º 2 2 360 720 8 – Parámetro de frecuencia (caracteriza el Aprox. PMI retardo de la onda reflejada). Aprox. 180º /4 360 90º Q ⇒ /2 2 4 – En relación a la secc. del conducto: Sección ↓ → Amplitud de onda ↑ y Pérd. carga ↑ 24/41  Efecto de las ondas de presión. Admisión Viaje de ondas por un colector de admisión tipo z-1 (motor policílindrico): – Varios conductos se conectan en un colector común (volumen o intersección). – La amplitud de la onda reflejada en el colector es tanto mayor cuanto mayor sea el volumen de la intersección: Si el volumen es grande: Igual a la incidente pero positiva (Como en un extremo abierto). Si el volumen es pequeño: Menor que la incidente pero positiva. En una intersección: Apenas se produce onda reflejada pero positiva. – La amplitud de las ondas es proporcional a la velocidad de flujo (inv. prop. al área). Efecto transitorio por volumen reducido 25/41 Efecto de las ondas de presión. Admisión Viaje de ondas por un colector de admisión tipo z-1 (motor policílindrico): – Los volúmenes en la línea (filtro, intercooler, etc) pueden generar ondas útiles. – En el colector z-1 hay dos parámetros de frecuencia: fcol-1:correspondiente al conducto primario Función de L1. 4 fcol-2: correspondiente al sistema completo. Función de L1, L2, S1,S2, V. 2 2 2 26/41  Efecto de las ondas de presión. Admisión Viaje de ondas por un colector de admisión tipo z-1 (z>4): – Difícil de optimizar por aumentar la interferencia entre cilindros: Solape de ondas reflejadas del propio cilindro (+) y de rarefacción de otros cilindros (-). – Presión en el colector más uniforme por la suma de ondas (+) y (-). – Para aprovechar efecto acústico el nº de cilindros agrupados debe ser menor de 4: 6 cilindros: 6-2-1 (2 frecuencias propias pues el la unión 2-1 tiene p~ cte) 12 cilindros: 12-4-1 o 12-3-1 (3 frecuencias propias) 1 2 3 4 5 6 O.E: 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 27/41 Efecto de las ondas de presión. Admisión variable Finalidad: – Adaptar la geometría del colector (L, V, etc) a la velocidad de giro (n) para que se mantenga constante el parámetro de frecuencia. /4 Q /2 2 Tipos: – Adaptan la longitud del colector (L) a la velocidad de giro (n) (L=Cte/n). – Conectan /desconectan volúmenes de resonancia intermedios. 28/41  Efecto de las ondas de presión. Escape La onda de escape (z=1): – Pulso de presión positiva con dos partes Q=2 diferenciadas: espontánea y forzada θ=180º (en admis. menor amplitud). – La duración es superior a 180º: desde AAE a RCE (en admisión se considera ~180º). – Mayor duración → Mayor problema de interferencias (Espontaneo 1→Cruce 3). – Temperatura alta → Velocidad de las Q=4 ondas mayor → Mayor longitud θ=90º necesaria para sintonizar. – Beneficio de la sintonización: Pico de onda (-) en el cruce (θ=180º; Q=2;): Mejor barrido y cortocircuito adm.-esc. Pico de onda (-) durante la carrera de escape (θ=90º; Q=4;): Menor presión media de bombeo. 29/41 Efecto de las ondas de presión. Escape La onda de escape (z>1): p Ángulo de solape Orden de encendido 1-3-4-2 (C. 1) (C.3) (*) (C.3 - C.1) (Solape del cilin dro 3 1 sobr e el cilinro 1) 2 3 4 "cil1 PMI PMS Solape PMI 30/41  Efecto de las ondas de presión. Escape Q=2 θ=180º Q=4 θ=90º 31/41 Efecto de las ondas de presión. Escape La onda de escape (z>1): – Solución habitual z-2-1 (para evitar interferencias) – Objetivo de las intersecciones: Evitar interferencias (efecto eyector). – Los volúmenes para reflexión más importantes son el catalizador y el silenciador. – En motores turbo, la turbina: Actúa como una restricción por lo que genera una onda positiva Debe ir muy próxima al motor: conductos tan cortos que no pueden ser sintonizados. – El efecto sobre el rendimiento volumétrico de la sintonización del escape (5%) es mucho más pequeño que la de la admisión (30%). 32/41  Efecto del calentamiento Efecto del calentamiento sobre el rendimiento volumétrico: – Supone una disminución de densidad del volumen aspirado y, por ende, de la masa. – Se debe a la transferencia de calor desde las partes calientes (Cilindro, pipas de admisión y colectores). – Depende de: 1. Salto térmico pared-flujo. 2.Tiempo de permanencia. } Prevalece el efecto del tiempo de permanencia 3. Nº de Reynolds (velocidad del flujo). sobre el del nº de Reynolds (turbulencia) 4.Área de contacto (se supone fija para un determinado motor) Parámetros de funcionamiento de los que depende: – Velocidad de giro ↑ → (T. perman. ↓; Turbulencia ↑) → Calentamiento ↓ → ηv ↑. } – Dosado ↑ → Tª Paredes ↑ → ΔTpared-flujo ↑ → Calentamiento ↑ → ηv ↓. (MEC) → Tª Residuales↑ → ΔTres.-flujo ↑ → Calentam. ↑; Vres.↓ → ηv ~ Cte ⇒ } ↓ – Dosado (MEP): Variación pequeña (0,85-1,15) → ηv ~ Cte. – Tª exterior ↑ → ΔTpared-flujo ↓ → Calentamiento ↓ → ηv ↑. 33/41 Parámetros característicos frente a carga y velocidad Rendimiento volumétrico: 0v = 1 0v 0v = 1 Ciclo id eal Fen ómeno s térm icos Fen ómeno s v is co sos Reflujo e interrupción d el flujo Fen ómeno s elásticos Sinton izació n de adm is ió n y escape n 34/41  Parámetros característicos frente a carga y velocidad Trabajo de bombeo (Wb) en MEP/MEC de aspiración natural: – Depende de la masa de gas trasegada y de Δpesc-adm: n↑ → Wb↑ (Al igual que en bombas hidráulicas ~ n2) Carga ↑ (MEP) → Perdida carga admisión ↓ → Wb ↓ Carga ↑ (MEC) → Wb ~ Cte. Tasa de residuales (TR) en MEP/MEC de aspiración natural: – Depende del flujo de gases durante el cruce de válvulas: n↑ → (padm ↓ ; pesc ↑) → TR ↑ (puede cambiar con la sintonización adecuada de adm. y esc.). Carga ↑ (MEP) → Padm↑ → TR ↓ Carga ↑ (MEC) → TR ~ Cte. En MEP/MEC Turboalimentados: – Sin reglas generales pues dependen del acoplamiento Motor-Turbocompresor. 35/41 Efecto de otros sistemas del motor Sistemas de inyección y/o formación de la mezcla: – La vaporización del combustible absorbe calor del entorno: MEP IDI: Evaporación del combustible → Enfría la carga → ηv↑ Mojado de paredes → Transferencia de calor ↑→ ηv↓ } → ηv ↑ MEP DI (Válvulas abiertas): Evaporación del combustible → Enfría la carga → ηv↑ (~10%) MEC y MEP DI (Válvulas cerradas): No influye. Sistemas de refrigeración: – Refrigeración del motor: Trefr ↑ → ΔTpared-flujo↑ → Calentamiento ↑ → ηv ↓. – Refrigeración flujo admisión (uso de enfriador –intercooler- en motores TA): Caída de padm ↑ → ηv0 ↓ Tadm ↓ → maire ↑ → ηv0 ↑ } → ηv0 ↑ 36/41  Efecto de otros sistemas del motor Descripción del sistema de recirculación de gases de escape (EGR): – Sistema consistente en recircular a la admisión gases del escape. – Persigue bajar la temperatura de combustión para inhibir la formación de NOx. – Al ser habitualmente la pesc > padm se controla mediante una electroválvula. – La refrigeración del gas de escape recirculado aumenta la efectividad del EGR. – El EGR “interno” es aquel que se consigue mediante el uso de distribución variable. – Si el gas de escape se toma antes de la turbina y se incorpora después del compresor se denomina de “alta presión” o de “ruta corta”. – Si el gas de escape se toma después de la turbina o filtro de partículas y se incorpora antes del compresor se % denomina de “baja presión” o “ruta larga”. – Estos sistemas tienen inconvenientes y ventajas pero el de alta presión es más utilizado por su sencillez y bondad con el compresor (condensaciones corrosivas). 37/41 Efecto de otros sistemas del motor Efectos sobre el rendimiento volumétrico del sistema EGR: – ¡¡¡Cambia la definición de rendimiento volumétrico!!! 2 2 – Punto de referencia: necesariamente tras la mezcla. – Problemas: La mezcla y la temperatura pueden no ser homogéneas en el punto de medida. La medida de no es sencilla ni está estandarizada (errores de medida). – Resultados: Con EGR de alta presión e intercooler Ta+EGR > Ta → aumentará rendimiento volumétrico. Con EGR de baja presión e intercooler Ta+EGR ~Ta → se mantendrá el rendimiento volumétrico. No tener en cuenta el en el cálculo del rendimiento volumétrico conlleva reducciones importantes en el valor de éste y desvirtúa su valor. 38/41  Efecto de otros sistemas del motor Sistemas de sobrealimentación: – Compresor: Tadm↑, padm↑ ↑, ρadm↑ – Intercooler: Tadm↓ ↓, padm ↓, ρadm↑ – Turbina: pesc↑ Efecto de la sobrealimentación sobre ηV: – Condiciones de referencia: marcan el límite a partir del cual el rendimiento volumétrico tiene en cuenta la influencia del sistema de admisión: Ambiente: pa0 = Patm, Ta0 = Tatm → ηV-max > 1 Admisión: pa0 = padm; Ta0 = Tadm → ηV-max < 1 2 Efecto de la sobrealimentación sobre el Wb: – Sobrealimentación mecánica: Pérdidas mecánicas: Accionamiento del compresor. Trabajo de bombeo: positivo (padm > pesc) – Turbosobrealimentación: Trabajo de bombeo: depende de las condiciones de operación. 39/41 Efecto de otros sistemas del motor Sistemas de postratamiento y silenciamiento de gases de escape: – Aumentan la contrapresión de escape → Aumenta el trabajo de bombeo –∆ ~ ⇒∆ ~ – Trampas de partículas: Requieren controlar ∆ para evitar pérdidas excesivas. Requieren para su limpieza quemar combustible adicional ( ↓) o añadir algún aditivo. 40/41  Bibliografía Payri, F., Desantes, J.M. “Motores de Combustión Interna Alternativos”. Ed. Reverté. 2011. 41/41