Estudio de Turbocompresores

CAPITULO III.

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INTRODUCCIÓN. En este capitulo se realizara el estudio de los diferentes tipos de Turbocompresores, sus características principales, y sus aplicaciones según el tipo de motor para el cual se requiera. Dentro de este capitulo, también se pretende realizar la selección del Turbocompresor adecuado para nuestro motor, para esto partiremos de los valores obtenidos matemáticamente, que se realizo en el capitulo anterior con los cálculos tecnológicos y termodinámicos tomando en cuenta varios parámetros para la selección del mismo; ciertos valores que se obtengan durante los cálculos serán factores directos para la selección del turbocompresor y que influirán también en el momento de la selección del del sistema. Para la selección del correcto turbocompresor, analizaremos algunas opciones existentes en el mercado posibles para nuestro motor Volkswagen de 1.8 litros, de los cuales elegiremos el mas conveniente según los valores obtenidos en los capítulos anteriores.

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SELECCIÓN DEL TURBO COMPRESOR PARA EL MOTOR VOLKSWAGEN EN BASE AL ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL SISTEMA DE SOBREALIMENTACIÓN.

3.1 LOS SISTEMAS DE SOBREALIMENTACIÓN SOBREALIMENTACIÓN 3.1.1 Generalidades. La implementación y el uso de elementos que sirvan para sobrealimentar los motores de combustión interna, viene dado por la necesidad de aumentar la potencia sin tener que incrementar la cilindrada. Aumentar la potencia depende de la cantidad de mezcla aire combustible quemado en cada ciclo de trabajo y del número de revoluciones. Tanto en los motores Diesel como en los de gasolina, por mucho que aumentemos el combustible que hacemos llegar al interior de la cámara de combustión, no conseguimos aumentar su potencia si este combustible no encuentra la suficiente cantidad de aire para quemarse; así pues, solo conseguiremos aumentar la potencia, sin variar la cilindrada ni el régimen del motor, si conseguimos colocar en el interior del cilindro un volumen de aire (motores Diesel) o de mezcla (aire y gasolina para los motores de gasolina) mayor que la que hacemos entrar en una "aspiración normal" (motores atmosféricos). Fig 3-1. Turbo Compresor para Motores de Gasolina.

Fuente: www.mecanicavirtual.iespana.es/imagesturbo www.mecanicavirtual.iespana.es/imagesturbo.. Acceso: 10 de Febrero de 2009

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En regiones situadas a grandes altitudes o con climas muy calurosos, existe la necesidad de compensar la disminución de la densidad de aire producida por una disminución de la presión atmosférica ocasionada por la altitud y una disminución de las moléculas de oxigeno por el aumento de temperatura. Como solución a todas estas perdidas e inconvenientes se utilizan los denominados sistemas sobrealimentadores.

3.1.2 Finalidad de un Turbo Compresor. Como ya es conocido el pistón en su carrera de admisión; genera vacío, o una diferencia de presión; que es llenada a través de la válvula de admisión, por el peso de la presión atmosférica. También se conoce que un motor adquiere más fuerza, o potencia; si en ese corto periodo de tiempo, le ingresa más mezcla [no hablamos de enriquecer la mezcla] aumentando así la relación de compresión. 1 De esta manera la función de ingresar o empujar la mezcla dentro de los cilindros, la cumple perfectamente un turbo cargador/compresor. La turbina de un turbo cargador, se mueve por la presión; y el calor de los gases de escape. 2 Fig 3-2. Circulación del Aire y de los Gases de Escape en un Turbo Compresor.

Fuente: www.turbotec.cl/fotos/turbo-engrase. Acceso: 10 de Febrero de 2009.

_________ 1, 2 www.automecanico.com/auto2007/turbo, Acceso: 15 de Diciembre de 2008. 4

El turbo cargador, recibe la fuerza de los gases de escape, y traslada este giro hacia la otra turbina, que se encuentra conectada con un eje o flecha; a esta flecha, o conexión se le debe poner cuidado en cuanto a la lubricación de los cojinetes, o rodamientos; para evitar endurecimiento.3

3.1.3 Parámetros Considerables para un Motor con Ciclo Otto. El motor de combustión interna es clasificado como una máquina consumidora del aire. Esto significa que la potencia obtenida de un motor dado es determinada por la cantidad de aire que aspira en un cierto periodo de tiempo, y no solamente por la cantidad de combustible utilizada. Esto se debe a que como ya es conocido, el combustible que es quemado requiere aire con el cual se mezcla para completar el ciclo de combustión. Una vez que la relación aire/combustible alcanza un cierto punto, la adición de más combustible no producirá más potencia, solamente humo negro. Cuanto más denso es el humo negro que emana un motor, mayor es el desperdicio de combustible. Por lo tanto, aumentando el combustible más allá del límite de la relación aire/ combustible, sólo resulta en un consumo excesivo del mismo. Fig.3-3. Aspiración de un motor.

Fuente: www.turbodina.com.ar/tecnica/motores.php, Acceso: 14 de diciembre de 2006 __________ 3 http://www.automecanico.com/auto2007/turbo, Acceso: 15 de Diciembre de 2008. 5

Los sistemas sobrealimentadores son instalados en motores para aumentar la densidad del aire dentro de la cámara de combustión del motor. Debido a este aumento de volumen y masa del aire comprimido, se puede inyectar más combustible para producir una mayor potencia en un determinado motor. La versión sobrealimentada de un motor también mantendrá un nivel de potencia mayor que su versión no sobrealimentada, cuando se opera en altitudes sobre el nivel del mar.

3.2 FUNCIONAMIENTO DE UN TURBO COMPRESOR Y DISPOSICIÓN DE ELEMENTOS. El turbocompresor podría definirse como un “aparato soplador” o compresor de aire

movido por una turbina. Se puede considerar que está formado por tres cuerpos: el de la turbina, el de los cojinetes o central y el del compresor, los cuales van acoplados a ambos lados de los cojinetes. Un turbocompresor es básicamente una bomba de aire diseñada para operar utilizando la energía de los gases de escape originalmente desperdiciadas por los motores no turbo cargados. Estos gases hacen girar el rotor de la turbina (caliente) acoplado a través de un eje al rotor del compresor (frío), que al girar aspira un gran volumen de aire filtrado y lo pasa comprimido al motor. La energía térmica, la velocidad y presión de los gases de escape del motor son utilizadas para hacer girar el rotor de la turbina. La velocidad de rotación del conjunto rotativo y rotor del compresor es determinada por la forma y tamaño del rotor y la carcasa de la turbina. La carcasa actúa como un caracol dirigiendo el flujo del gas para los álabes del rotor de la turbina, haciéndolo girar. Como el rotor del compresor está acoplado al eje y rotor de la turbina, éstos giran con la misma velocidad. El aire filtrado es aspirado por el rotor y la carcasa del compresor, donde es, comprimido y distribuido a través del colector de admisión para la cámara de combustión.

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Fig 3-4. Despiece de un Turbo Compresor.

Fuente: www.clubvwpolo.es/modules/newbb. Acceso: 10 de Febrero de 2009. El eje común central gira apoyado sobre cojinetes situados entre el compresor y la turbina, y también está recubierto por una carcasa. El eje y los cojinetes reciben del propio motor lubricación forzada de aceite, que llega a la parte superior del cuerpo de cojinetes, se distribuye a través de conductos en el interior y desciende a la parte inferior. En otras palabras el turbo utiliza el lubricante del mismo carter del motor. Respecto a la lentitud de respuesta del turbo, hay que tener en cuenta que la presión de sobrealimentación alcanzada por un turbo resulta prácticamente proporcional a su régimen de giro, es decir, a más velocidad de giro, mayor caudal y también mayor valor de sobrepresión. 4 Los elementos principales que forman un turbo son el eje común que tiene en sus extremos los rodetes de la turbina y el compresor este conjunto gira sobre los cojinetes de apoyo, los cuales han de trabajar en condiciones extremas y que dependen necesariamente de un circuito de engrase que los lubrica. Por otra parte el turbo sufre una constante aceleración a medida que el motor sube de revoluciones y como no hay limite alguno en el giro de la turbina empujada por los gases de escape, la presión que alcanza el aire en el colector de admisión sometido a la acción del compresor puede ser tal que sea mas un inconveniente que una ventaja a la hora de sobrealimentar el motor. __________ 4 Ing. LINARES Omar. El Turbocompresor y su Mantenimiento. Widman International SRL. Bolivia 2001. pg 4

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Por lo tanto se hace necesario el uso de un elemento que nos limite la presión en el colector de admisión. Este elemento se llama válvula de descarga o válvula waste gate.5 Fig. 3-5. Eje y Elementos Internos de un Turbo Compresor.

Fuente: www.clubvwpolo.es/modules/newbb. Acceso: 10 de Febrero de 2009. 1- Rodete turbina. 2- entrada de flujo de aire atmosférico. 3- Salida de flujo de aire comprimido. 4- Eje principal. 5- Carcasa de escape. 6- Rodete compresor. 7- Salida de flujo de gases de escape. 8- Carcasa de admisión. 9- Cojinetes de rodamiento. 10- Entrada de flujo de gases de escape. Fig. 3-6. Turbocompresor Seccionado

Fuente: http://www.automecanico.com/auto2007/turbo Acceso: 15 Diciembre del 2008 __________ 5

www.mecanicavirtual.com, 4 de Diciembre de 2008.

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El funcionamiento exacto de todo turbo compresor es el siguiente: por la entrada de la carcasa de escape 10, entran los gases provenientes del motor, los cuales hacen girar el rodete compresor 6, transmitiendo el movimiento por el eje principal 4, produciendo el giro del rodete turbina 1. Al girar este, aspira el aire por el conducto de la entrada de la carcasa de admisión 2 comprimiendo el aire, dejando al aire comprimido salir por el conducto de salida del flujo de aire comprimido 3, de esta manera conseguimos el incremento de presión y caudal de aire deseado, en el interior de los cilindros del motor.

3. 3 CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN TURBO COMPRESOR. 3. 3. 1 Funcionamiento a ralentí y carga parcial inferior: En estas condiciones el rodete de la turbina de los gases de escape es impulsado por medio de la baja energía de los gases de escape, y el aire fresco aspirado por los cilindros no será precomprimido por la turbina del compresor, simple aspiración del motor.6 Fig. 3-7. Lineas de Flujo en un Turbocompresor.

Fuente: www.rincontuerca/turbo2.jpg&imgrefurl. Acceso: 10 de Febrero de 2009.

__________ 6 www.mecanicavirtual.com. Acceso: 4 de Diciembre de 2008.

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3.3.2 Funcionamiento a Carga Parcial Media: La presión en el colector de aspiración se acerca a la atmosférica, se impulsa la rueda de la turbina a un régimen de revoluciones mas elevado y el aire fresco aspirado por el rodete del compresor es precomprimido y conducido hacia los cilindros bajo presión atmosférica o superior, actuando el turbo en su función de sobrealimentación del motor.7

3. 3. 3 Funcionamiento a Carga Parcial Superior y Plena Carga: En esta fase continua aumentando la energía de los gases de escape sobre la turbina del turbo y se alcanzara el valor máximo de presión en el colector de admisión que debe ser limitada por un sistema de control (válvula de descarga). En esta fase el aire fresco aspirado por el rodete del compresor es comprimido a la máxima presión que no debe sobrepasar los 0,9 bar en los turbos normales y 1,2 en los turbos de geometría variable.8

3. 4 TIPOS DE TURBO COMPRESORES MAS UTILIZADOS. En el mercado automotriz existen varios tipos y marcas de turbocompresores, que se diferencian básicamente por su estructura que es lo que da sus características de funcionamiento, pero su finalidad es prácticamente la misma; entre los turbocompresores existentes, destacan los centrífugos y volumétricos, por su fiabilidad y características técnicas y constructivas. A continuación se da a conocer algunos tipos de turbocompresores que nos permitirá realizar una correcta selección del turbo compresor para nuestro motor:

3. 4. 1 Turbo Compresores Centrífugos. Los turbo compresores centrífugos obtienen mejores rendimientos ya que no consumen energía efectiva del motor, estos pueden llegar a giros cercanos a las 300.000 r.p.m. __________ 7, 8 www.mecanicavirtual.com, 4 de Diciembre de 2008.

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Dentro de los turbocompresores centrífugos existen varios tipos, entre ellos de geometría fija y geometría variable, los primeros presentan varias limitaciones entre ellas un tiempo de respuesta demasiado alto, por el contrario los de geometría variable incorporan las últimas tecnologías, dando como resultado un turbocompresor de menor tamaño y con un tiempo de respuesta mejor. Los turbo compresores de geometría variable centrífugos, están compuestos por casi los mismos elementos que uno turbo de geometría fija, pero desaparece la válvula de descarga.

3. 4. 2 Compresor Eaton Roots 1 Se trata de una máquina pura de circulación, en las que no se comprime el aire. La presión de carga efectiva no se crea hasta llegar al colector de admisión. Esta versión sencilla con rotores de dos álabes origina una presión relativamente baja, y además la crea muy despacio al aumentar el régimen de giro. La potencia absorbida se sitúa para una sobrepresión de 0,6 bares y paso máximo de aire, en 12.2 CV. El rendimiento del compresor Roots no es muy alto y además empeora con el aumento del régimen de giro. La capacidad de suministro sólo supera el 50% en una gama muy limitada. El aire comprimido se calienta extraordinariamente por lo que esta es una desventaja de este tipo de turbo compresores.

3. 4. 3 Compresor Eaton Roots 2. Al igual que el anterior tampoco comprime el aire internamente, sin embargo la sobrepresión de carga, bajo las mismas condiciones, alcanza un máximo más elevado. La potencia absorbida se sitúa en sólo 8 CV y la temperatura del aire se eleva menos. El rendimiento de este compresor supera el 50% en una gama más alta.

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3.4.4 Compresor Volumétrico De Pistones Rotativos Wankel. Su funcionamiento es similar al del roots, pero variando sustancialmente su geometría, de esta manera se mejoraron notablemente las propiedades. La sobrepresión que se alcanza es alta. La potencia absorbida para una presión de 0,6 bares y máximo paso de aire alcanza 8.2 CV. La temperatura del aire no se eleva mucho y su rendimiento está por encima del 50% para capacidad de circulación media y en una pequeña gama incluso supera el 60%.

3. 4. 5 Compresor De Hélice Sprintex. Este compresor fabricado en Escocia presenta un elevado consumo de energía, para una baja capacidad de suministro, con el máximo en casi 11 CV. La causa parece radicar en los cojinetes lisos del compresor Sprintex que ayudados por el rozamiento interno eleva mucho la temperatura del aire. El rendimiento no es muy bueno y sólo con alta sobrepresión y un elevado grado de paso de aire se acerca al 50%.

3. 4. 6 Compresor Pierburg De Pistón Rotativo Este compresor tiene un parentesco cinemática con el motor Wankel. Un rotor de tres álabes describe una trayectoria circular en un tambor rotativo con cuatro cámaras. Las cámaras en su rotación van cambiando de volumen y por lo tanto el aire se comprime dentro del compresor. El consumo de energía es muy bajo también en carga parcial, entre 2.7 y 8.2 CV. La elevación de la temperatura es reducida y su rendimiento del compresor supera el 50% en una amplia gama de capacidad media de suministro.

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3.4.7 Compresor KKK De Pistón Rotativo Es una modificación del compresor Roots. El rotor gira en un tambor que lo envuelve, que también gira por su parte. La creación de la sobrepresión de carga y el paso del aire es muy rápido en el KKK. La potencia necesaria para conseguir una elevada presión y un alto grado de flujo es relativamente baja, con valores que se acercan a los 8 CV. El aire se calienta muy poco por la sobrepresión. El rendimiento del compresor KKK es muy bueno y en una amplia gama ronda el 50% y en una gama más pequeña supera el 60%.

3. 4. 8 Compresor G De Volkswagen: Se diferencia de otros modelos sobre todo porque no se compone de elementos en rotación para conseguir la circulación. La compresión del aire en el conducto del caracol es consecuencia de un movimiento oscilante de la pieza interior. La característica de suministro del compresor G cumple el requisito de una rápida creación de presión. Una elevada capacidad de circulación se da aquí con un bajo consumo de energía, ya que las pérdidas por rozamiento son muy pequeñas en los cojinetes del compresor G. El rendimiento alcanza en determinadas gamas de carga, máximos del 60%. El compresor G de Volkswagen ya no se utiliza, y se ha estado incorporando en algunos motores del W. Polo, W Golf y W. Passat durante menos de una década.

3.5 DESIGNACIÓN Y NOMENCLATURA PARA UN TURBO COMPRESOR. Para la comparación técnica del turbocompresor se tienen en cuenta los parámetros relación A/R y Trim. La relación A/R se obtiene al dividir el área interior del alojamiento de la turbina o del compresor donde se encuentran las paredes internas, entre el radio del alojamiento desde el centro hasta la mitad del área interior como se ilustra en la siguiente figura. 9 __________ 9

Caracterización Geométrica y Técnica de un Turbocompresor de un Vehículo Mazda.

Editorial

Scientia et Technica, XII edición. 2006 pg 151

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Fig 3-8. Relación A/R de un Turbo Compresor.

Fuente: Caracterización Geométrica y Técnica de un Turbocompresor de un Vehículo Mazda. Editorial


El Trim es una relación de áreas usada para describir tanto la rueda de la turbina como la del compresor; los valores de Trim pueden tomar valores entre 0 y 100. En la medida en que el Trim se incrementa, la rueda puede soportar más flujo de aire en el caso del compresor, o de gas en el caso de la turbina. El Trim se calcula empleando las siguientes ecuaciones según el caso. 10 Fig 3-9. Relación Trim para un Turbo Compresor.

Fuente: Caracterización Geométrica y Técnica de un Turbocompresor de un Vehículo Mazda. Editorial


__________ 10


Editorial

Scientia et Technica, XII edición. 2006 pg 151.

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(1, 2) Por lo general los turbo compresores se los adquiere directamente por medio del valor del A/R y del Trim.

3. 6 ANÁLISIS PARA LA SELECCIÓN DEL TURBO COMPRESOR. Con una adecuada elección del turbocompresor y regulaciones del motor, es posible aumentar con seguridad la potencia del mismo en hasta un 50%, con ciertos cambios de algunos componentes del motor. Es importante la elección correcta del turbocompresor y de las regulaciones del motor para que no se excedan los límites de diseño del mismo. La falla en la elección puede llevar a un sobrecalentamiento del motor, presiones y temperaturas excesivas en la cámara de combustión que afectan la vida del motor causando fallas en los componentes, tales como: pistones, camisas, válvulas, cojinetes, casquillos, etc. La selección de un turbocompresor dependerá como punto de partida de la cilindrada del motor en el que se desea instalar el sistema de sobrealimentación, debido a que si se selecciona un turbo de geometría variable, su régimen de trabajo dependerá de la cantidad de gases de escape según el régimen de giro del motor. De que el conjunto funcione correctamente el turbo no ha de sobrepasar ciertos valores de sobrepresión, que oscilan entre 0,4 y 0,7 bares, según el diseño; de modo que se hace necesaria una válvula de seguridad que controle la presión máxima para la que el motor ha sido diseñado. Esto se consigue por medio de la válvula de descarga, también conocida como “waste gate” (puerta de desecho), que desvía las presiones de los conductos cuando alcanzan valores superiores a los establecidos. Esta válvula está gobernada automáticamente por una cápsula manométrica que actúa en función de la presión de admisión. __________ Formula 1, 2


Editorial Scientia et Technica, XII edición. 2006 pg 152.

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En la actualidad los turbo compresores disponen de un nuevo mecanismo que aumenta o disminuye la fuerza que ejercen los gases de escape sobre la turbina , estando controlado todo por la unidad de gestión electrónica del motor, reduciendo considerablemente el tiempo de respuesta y consiguiendo un funcionamiento progresivo incluso cuando el motor funciona con regímenes bajos. 11

3. 6. 1 Consideraciones para la Correcta Selección. En toda maquina motriz es casi lo mas importante conocer sus posibilidades de par, potencia y rendimiento en cada régimen y en nuestro caso para cada volumen de aire aspirado. La razón esta en que es este volumen de aire el que alcanzara luego los diversos elementos de nuestra sobrealimentación. 12 Un correcto desempeño de un motor sobrealimentado depende de una correcta selección del turbo compresor por medio de cálculos que ayudan a evitar fallas de funcionamiento en el motor e inclusive en el sistema de sobrealimentación. El punto de partida para la selección de nuestro turbocompresor es el determinar la presión que un turbo brinda el momento de la admisión, esta presión sumada a la presión 1 obtenida en el capitulo 2 será nuestra nueva presión en el proceso 1-2. Fig. 3-10.Aumento de Presion del Aire de Admision.

Fuente: www.mecanicavirtual.iespana.es/imagesturbo. Acceso: 10 de Febrero de 2009 __________ 11

MINERÍA Parc. Total Diesel: Turbo Alimentación. Editorial Polígono Industrial El Segre. España. p 21. 12 MILLARES Juan, Sobrealimentación de Motores. Ediciones CEAC, 3ra Edición. España 1985. p 46.

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Como ya se ha mencionado el sistema de sobrealimentación a más de aumentar la presión del aire aumenta también su temperatura; los valores promedios de temperatura del aire que se dirige al colector de admisión del motor en un sistema de sobrealimentación a la salida del compresor del turbo esta entre 50 y 80 ° C. Esta temperatura con el que el aire entraría al motor es alta lo que causaría la detonación por lo que se hace necesario implementar un dispositivo que permita disminuir la temperatura de aire que ingresa a los cilindros después de pasar por el compresor del turbo. A continuación se realizan algunos cálculos para la selección del turbocompresor; la temperatura de aire de admisión se considerara también refrigerada, de esta manera es importante establecer la temperatura a la que descendería el aire de admisión.

3. 6. 2 Cálculos para Determinar el Turbocompresor para el Motor. En base a las consideraciones que se deben tener en cuenta para realizar la selección del turbo compresor indicadas anteriormente, se procede a realizar un análisis matemático que permita establecer el turbo cargador para el motor Volkswagen. Considerando los valores de P1 = 68.8 Hp (48.3kW) de potencia real (Tabla 1-2) y la presión de admisión de 72,09 kPa (Figura 1-13) a 2800 msnm; se pueden realizar los cálculos necesarios que permitan determinar el correcto turbocompresor. 3. 6. 2. 1 Análisis de la Relación de Presión. Esta relaciona la presión de salida de aire del turbo (P1 T) con la presión de entrada de aire (P1), las unidades pueden expresarse en bar ó en psi. La ecuación queda establecida de la siguiente manera: PR = P1T/P1

(3)

________ Formula 3

http://www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/tech_center/turbo_tech103.html, Acceso:

17 de

Diciembre de 2008.

17

Donde: PR = Relación de presión. P1T = Presión de salida de aire del compresor (bar ó psi). P1 = Presión de entrada de aire al compresor (bar ó psi). “La presión de salida

de aire del compresor P1 T según los fabricantes de turbo

cargadores indican un valor constante de 0,689 bar a 0,8268 bar (10 psi a 12 psi); a este valor tenemos que sumarle la presión atmosférica a la altura sobre el nivel del mar, para nuestro caso es a 2800 msnm la presión atmosférica P es de 0,718 bar (10.42 psi). Por restricciones causadas por el filtro de aire y los conductos de admisión la presión atmosférica sufre una depresión de 0,0689 bar (1 psi) en la presión de entrada de aire al compresor P1:” 13

Considerando la presión atmosférica como la presión de admisión para el turbo compresor se realiza el siguiente análisis: P1 = 0.720 bar – 0.0689 bar P1 = 0.6511 bar P1 = 9.45 psi Ahora se hace posible encontrar el valor de PR; es importante tomar en cuenta que a la presión del turbo es necesario añadirle la presión atmosférica, debido a que los manómetros utilizados por los fabricantes en la medición de la presión del turbo no consideran la presión atmosférica, la misma que depende de la altura sobre el nivel del mar a la que se efectúe la medición, de esta manera se obtienen valores mas reales de la relación de presión PR:

PR

P1T P1

P

(4)

________ 13

www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/tech_center/turbo_tech103Acceso: 17 de Diciembre 2008. www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/tech_center/turbo_tech103. Acceso: 17 de Diciembre

Formula4

2008.

18

Tomando el valor medio del rango de presión que da el fabricante del turbo compresor, el valor de presión a la salida del turbo compresor P1 T para nuestro caso es de P1 T = 0,75 bar ò 11 psi.

PR =

(0.750bar 0.718bar ) 0.6511bar

PR = 2.26 3. 6. 2. 2 Determinación del Flujo de aire necesario (CFM). Este parámetro es la masa de aire que fluye a través del compresor y posteriormente pasa al motor, las unidades en las que el flujo de aire necesario puede ser expresado son en kg/seg (lb/min) o en unidades de volumen m 3/seg (ft3/min); el volumen de aire se convierte en masa de aire multiplicando por la densidad del aire. De esta manera se tiene la siguiente relación: Ne = Potencia del motor medida en el banco de pruebas en kw ó Hp. 14,7 = Relación estequiométrica aire/ combustible. Gpe = Consumo específico de combustible en kg/kw h ó lb/Hp h. CFM = Constante para obtener la relación de presión y del flujo de aire necesario lb/min

CFM

Potencia (Hp) x Relación

aire comb.

x ConsumoEspecíficode Combustible

CFM = Ne x 14,7 x Gpe en lb/min

lb / Hp x h 60

(5)

El valor de Flujo de Aire Necesario es un valor necesario para la interpretación o ubicación de dicho punto en el mapa del turbo cargador indispensable para su selección, que se indicara mas adelante. ________ Formula 5

www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/tech_center/turbo_tech10l, Acceso:17 de Diciembre

2008.

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Hay que tomar en cuenta que para la selección del turbocompresor, todos los turbo compresores aplicados en motores a gasolina generan alrededor de 9,5 a 10,5 Hp por cada lb/min de flujo de aire, por ejemplo un motor de 400 Hp requiere de 36 a 44 lb/min de flujo de aire. Para obtener el flujo de aire necesario es importante considerar ciertas relaciones y transformaciones de las unidades como se indica a continuación:

Gpe2 = 194.34gr

(Punto 2.6.1 Consumo Específico de Combustible)

cv.h

Gpe2 194.34

Gpe2 = 194 .34

gr cv * h

*

gr

1kg *1.3596cv 1000 gr .kw

*

1h 3600 seg

1 Kg 2.2046 lb 1.013CV

CV x h 1000 gr

1 Kg

= 7.3398x10-5 kg/ kw seg

1 Hp

1h 60 min

= 0.007233 lb/Hp min

Ne = 48.3 kW (68.8 Hp) (Tabla 1-2, Datos de Potencia y de Par Motor.) CFM = Ne x 14,7 x Gpe2 {kg/ h} CFM = (48.3 kw) x (14,7) x (7.3398x10-5 kg/ kw seg) CFM = 0,0521 kg/ seg CFM = Ne x 14,7 x Gpe2 {lb/min} CFM = (68.8 Hp) x (14,7) x (0.007233 lb/Hp min) CFM = 7.3159 lb/min El flujo de aire necesario para la admisión obtenido es el valor con el vehiculo estándar, posteriormente se analizara el nuevo valor con el turbo compresor.

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3. 6. 2. 3 Cálculo de la presión en el múltiple de admisión según la potencia (Map) Es la presión absoluta en el múltiple de admisión y tiene relación con la potencia requerida del motor. Su ecuación queda dada de la siguiente manera:

Map

CFM x R x (460 ηv x

CFM = 7.3159 lb/min

n 2

T1)

(6)

x VT

(Punto: 3.6.2.3 Flujo de Aire Necesario)

n = 5260rpm

(Tabla 1-2: Rev/min. a la potencia máxima)

VT = 1780.87 cm 3 = 108.67 plg 3. v = 0.651178

(Punto: 2.3.4 Volumen o Cilindrada Total) (Punto: 2.4.4 Rendimiento volumétrico). (Constante de gases)” 14

“R = 639,6

T1 = 113 0 F = 45 0 C

(Temperatura en el múltiple de admisión).

Map

7.3159 lb/min x 639.6 x (460 0,6512 x

5260 2

113 F)

x 108.67plg

3

Map = 14.406 psi Map = 0.993 bar Una vez obtenidos todos estos parámetros es necesario calcular nuevamente la relación de presión (PR) suponiendo que el motor ya posee el sistema de sobrealimentación; es importante también, considerar la pérdida de presión entre el compresor y las uniones hacia el conducto de admisión. Entre los factores que intervienen en esta pérdida está la distancia, curvas y restricciones que tiene el sistema de alimentación.

________ Formula 6

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de Diciembre

2008. 14

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A la suma de pérdidas de presión se la denomina

p la cual tiene un valor medio de

pérdida de: p = 2 psi ò 0,137 bar

15

De esta manera, se calcula el valor que la presión de aire de admisión tendrá con el sistema de turbocompresor: P1T = Map + p

(7)

P1T = 0.993 bar + 0.137 bar P1T = 1.13 bar P1T = 16.406 psi Este valor de presión P1 T es el que brinda el turbo compresor al motor, el cual utilizaremos posteriormente para encontrar el incremento de potencia en el motor. P1 = 0.6511 bar PR = P1T /P1 PR = 1.13 bar / 0.6511bar PR = 1.73

3. 6.3 Análisis de la Temperatura del Aire en el Múltiple de Admisión. Como ya se ha indicado, un turbo compresor a mas de aumentar la presión del aire que ingresa al múltiple de admisión para posteriormente pasar a los cilindros, aumenta también la temperatura del aire. Esto se debe, entre algunos factores, a que el compresor también se ve afectado por las altas temperaras con las que los gases de escape pasan por la turbina del turbo compresor; la presión que genera el compresor con el aire de admisión es otro factor determinante para el aumento de temperatura.

________ Formula 7

www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/tech_center/turbo_tech10l, Acceso:17

de Diciembre

2008. 15

www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/tech_center/turbo_tech10l, Acceso:17 de Diciembre 2008.

22

Es importante determinar teóricamente el valor de la temperatura del aire de admisión con el sistema de sobrealimentación, debido a que esto permitirá realizar un correcto análisis termodinámico para la posterior selección del turbo compresor. 3. 6. 3. 1 Cálculo de la Temperatura de Admisión con el Turbo Compresor. La presión de admisión con el sistema de sobrealimentación de aire de admisión ya no se encuentra a la temperatura ambiente T1 de 286.7 0K ni a la presión de admisión P1 de 72.09 kPa - datos obtenidos a 2800 msnm de la tabla 1.2. Con el turbo alimentador se presente una temperatura de admisión T1 T y una presión de admisión P1T obtenida anteriormente; cabe senalar que este nuevo valor de T1 T será la temperatura de admisión (T1) para los cálculos termodinámicos; el análisis se indica a continuación: Fig. 3-11. Salida de Presión y Temperatura a través del Turbo Compresor.

Fuente: www.mecanicavirtual.iespana.es/imagesturbo. Acceso: 10 de Febrero de 2009 P1T

T1T

T1T =

P1

1

1 X

* Tt

(8)

Temperatura en la admisión con sobrealimentador 0C (0K).

“Tt = 269,90K.

(Temperatura Teórica del Aire a 2800 msnm)” 16

________ Formula 8

Millares De Imperial. Juan. Turbo, Sobrealimentación de Motores Rápidos, 1989. p 19. Capitulo II: Tabla 2-1. Variación de la densidad del Aire Según la Altura.

16

23

P1T = 16.40 psi

(Punto 3.6.2.1: Relación de Presión para la Admisión).

P1 = 9.45 psi.

(Punto 3.6.2.3: Calculo de la Presión en el Múltiple de Admisión.- Presión de entrada de aire al compresor).

X = PR = 1,73

(Exponente adiabático, se tomo su valor en relación al valor de la relación de presión)

T1T

16.40 psi

1

1 1..73

9.45 psi

T1T = 341.115

* 269.9 K

0

K

T1T = 341.115 - 273 T1T = 68.11

0

C

3. 6. 4 Análisis y Cálculos Tecnológicos con el Sistema de Sobrealimentación. Una vez establecidos los nuevos parámetros o valores con los que el motor trabajara con el sistema de sobrealimentación, es importante realizar un análisis tecnológico del motor debido a que se tiene que considerar ciertos aspectos que se deberán tomar en cuenta el momento de la instalación del turbo compresor y los elementos auxiliares. Como ya se indico en este capitulo, un sistema de sobrealimentación aumenta la potencia y la eficiencia del motor, pero si no se considera correctamente ciertos aspectos se corre el riesgo de que el motor sufra serios danos como también los dispositivos del sistema. El primer aspecto que consideramos indispensable para continuar con el análisis tecnológico y el termodinámico del motor con el sistema de sobrealimentación, es la relación de compresión. 3. 6. 4. 1 Variación de la Relación de Compresión. Como en los motores de gasolina la presión de compresión máxima viene limitada por la detonación, hay que disminuir la relación de compresión para que los valores de la relación de compresión que se alcancen sean los que corresponden a una relación de compresión que no supere 1:10, que es la máxima empleada en los 24

motores normales. En los motores deportivos preparados para rally se llega a sobrepasar la presión de 2 bar, y en los de Formula 1, se llega hasta 3.5 bar.

17

La relación de compresión de nuestro motor es de 9.9:1 (Tabla 1-1), pero con el sistema de sobrealimentación su valor ascenderá altamente lo cual no seria nada conveniente, por lo que, es indispensable disminuir el valor de la Rc. Lo primero que se debe calcular para poder realizar algún tipo de cambio en la relación de compresión es la presión de compresión (Pc). Realizaremos una comparación entre el valor que se obtenga con el motor de aspiración normal y con el turbo alimentador. En el tiempo de la compresión se comprimen conjuntamente la mezcla aspirada de combustible y aire o el aire puro hasta un volumen reducido. El objeto de la compresión es elevar la potencia. La compresión origina lo siguiente:

18

Aumento de la presión. Elevación de la Temperatura. La gasificación integra de la mezcla en los motores Otto.

19

Tomando en cuenta lo anteriormente indicado, es posible calcular la presión de compresión de nuestro motor de la siguiente manera: Pc = P x Rcy Pc =

(9) (Presión de compresión del motor de aspiración

normal.) P = 0,718 bar.

(Presión atmosférica a 2800 msnm, Tabla 2-1)

Rc = 9.9:1

(Tabla 1.1 Datos Técnicos del Motor VOLKSWAGEN)

Y = 1,5

(Valor politrópico de una compresión por émbolo.)

_____________ 17 CEAC, Manual CEAC del Automóvil, Grupo Editorial CEAC, Barcelona, 2002, p 419. 18, 19 KINDLRE Hans, Cálculos Técnicos para el Automóvil. Edit Reverte, 8va edición. España 1987. p 112. Formula 9 Miralles De Imperial. Juan. (1989), Turbo, Sobrealimentación de Motores Rápidos, p35.

25

Pc = 0,718 bar x 9,9 1.5 Pc = 22.36 bar Pc = 324.383 psi Se calcula también la Presión de compresión (Pc T) del motor con el sistema de turbo alimentación, pero aquí consideraremos la Rc original con el fin de verificar cuanto es el aumento de la presión de compresión en el caso que no se varíe la relación de compresión, quedando de la siguiente manera: PcT = ?

(Presión de compresión del motor con turbocompresor)

P1T = 1.1302 bar

(Punto 3.6.2.3: Cálculo de la presión de admisión)

PcT = P1T x Rcy PcT = 1.1302 bar x 9,9 1..5 PcT = 35.20 bar PcT = 510.64 psi Como se puede observar existe un aumento de un 37 % aproximadamente en la presión de compresión por la presencia del turbo compresor y con una relación de compresión alta; esto favorece para una mayor suavidad del encendido de la mezcla. La relación de compresión se puede aumentar reduciendo la cámara de combustión mediante juntas de culata mas finas, aplanando la culata o pistones más altos. Una mayor compresión aumenta la potencia del motor, pero aumenta la tendencia al picado. 20 Para nuestro caso el aumento de potencia con una alta relación de compresión no es del todo favorable, debido a que la relación de compresión aumenta aun mas con el sistema de sobrealimentación ocasionando efectos de autoencendido y picado en el motor, por lo debemos calcular la relación de compresión que debe existir en el motor turboalimentado para evitar estos aspectos. _____________ 20 KINDLRE Hans, Cálculos Técnicos para el Automóvil. Edit Reverte, 8va edición. España 1987. p 113.

26

Para obtener la nueva relación de compresión partimos de la siguiente ecuación: 1

Rc T

Pc

y

P1T

(10) 1

Rc T

22.36 bar

1..5

1.1302 bar

RcT = 7.315:1 3. 6. 4. 2 Análisis del Espesor del Empaque del Cabezote. Para lograr obtener en forma practica el valor de la Rc obtenida matemáticamente, es posible aumentar el volumen de la cámara de compresión; para esto se puede realizar varias modificaciones en el bloque motor o en el cabezote, pero una forma rápida, sencilla y efectiva de lograrlo, es mediante un incremento en el espesor del empaque del cabezote. Esto se puede realizar de la siguiente forma teórica:

Z

Vu - Rc T - 1 x Vc Rc T - 1

Z=?

(11)

(Volumen que se debe aumentar)

Vu = 445.21897 cm 3 (Punto:2.3.1 Volumen del Cilindro Cap II) Vc = 50.0246 cm3

(Punto 2.3.3 Volumen de la Cámara de Combustión

Cap II) RcT = 7.315 3

Z

445.21897 cm - 7.315 - 1 x 50.0246cm

3

7.315 - 1

Z = 20.477 cm3

_______ Formula 10 Formula 11

Miralles De Imperial. Juan. (1989), Turbo, Sobrealimentación de Motores Rápidos, p37. Miralles De Imperial. Juan. (1989), Turbo, Sobrealimentación de Motores Rápidos, p38.

27

Se debe calcular además la altura H que se debe aumentar para evitar el autoencendido de la mezcla en el motor y obtener su rendimiento eficaz. El Diámetro del pistón d se obtiene de la Tabla 1-1 = 81 mm = 8.1 cm, partiendo de la siguiente ecuación se obtiene: 4

H

Z

H

20.477 cm 3

x d2

(12) 4 x (8.1cm)

2

H = 0.3974 cm H = 3.974 mm. Como consecuencia de la disminución del valor de la Relación de Compasión y la variación del espesor del empaque del cabezote se produce un aumento del volumen de la cámara de combustión, por lo que se hace necesario calcular este nuevo volumen de forma teórica para posteriormente llevarlo a la practica el momento de implementar todo el sistema de sobrealimentación en nuestro motor. 3. 6. 4. 3 Volumen o Cilindrada Unitaria. El volumen unitario no sufre ninguna modificación en su valor original, debido a que ni la carrera o el diámetro del pistón sufren algún tipo de modificación de aumento o disminución a los valores estándares del motor; el hecho de aumentar el espesor del empaque del cabezote no quiere decir que aumente la cilindrada unitaria sino el valor del volumen de la cámara de combustión sufrirá modificaciones como se indica mas adelante; de esta manera, tomando el valor del punto 2.3.1 del capitulo II tenemos el siguiente valor que nos servirá para los cálculos posteriores de este capitulo para la selección del turbo compresor: Vu = 445.218971 cm 3

________ Formula 12

Miralles De Imperial. Juan. (1989), Turbo, Sobrealimentación de Motores Rápidos, p38.

28

3.6.4.4 Relación de Compresión con Turbo Cargador. La relación de compresión como ya se indico, fue modificada por las razones antes mencionadas por lo que para estos cálculos se utilizara la Rc T; que es la relación de compresión con el sistema de sobrealimentación, y es el valor con el que nuestro motor funcionara una vez implementado el sistema de sobrealimentación: RcT = 7.315: 1 21 .

3. 6. 4. 5 Volumen o Cilindrada Total. El Volumen o Cilindrada Total (V T), es el volumen de mezcla (aire-combustión) multiplicado por el número de cilindros que posee el motor de combustión interna, para nuestro caso su valor no tienen ninguna modificación, puesto que el volumen unitario tampoco sufrio cambio alguno; por lo que: VT = 1780.875833 cm 3

22

3. 6. 4. 6 Volumen de la Cámara de Combustión. El volumen de la cámara de combustión sufre variación en su valor, debido a que se existió una modificación en el valor de la relación de compresión y además, como consecuencia del aumenta del espesor del empaque del cabezote; este aumento de volumen se calcula de forma teórica y se implementara de forma practica en el capitulo IV. El aumento del volumen de la cámara de combustión se determina directamente en función al nuevo valor de la relación de compresión, de tal manera que se realiza el siguiente análisis:

____________ 21 VÁZQUEZ Xavier, CORREA Luciano, Implementación de un Sistema de Sobrealimentación, en un Motor Volkswagen. Punto: 3. 6. 4. 1, Variación de la Relación de Compresión. Capitulo III. 22 VÁZQUEZ Xavier, CORREA Luciano, Implementación de un Sistema de Sobrealimentación, en un Motor Volkswagen. Punto: 2.4.4, Volumen o Cilindrada Total. Capitulo II.

29

Fig 3-12. Variación del Volumen de la Cámara de Combustión.

Fuente: Creación de los Autores. Rc

Vu Vc Vc

(13)

3. 6. 4. 7Análisis y Cálculos de Potencia y Presiones para el Motor VOLKSWAGEN. Para determinar el tipo de turbo compresor, es importante establecer las diferentes potencias con el sistema sobrealimentador. Los valores que se obtengan son de tipo teórico pero que servirán para realizar un comparación con los valores obtenidos en la práctica una vez implementado el sistema, cuyos valores deberán ser iguales o superiores a los que se obtengan, lo que confirmara el cumplimiento de los objetivos del proyecto. _____________ Formula 13 SANZ G. Angel, Tecnología de la Automoción 2.2, Editorial Bruño, Madrid, 1991, p 18.

30

Se debe tener en cuenta que la potencia y el par se ven aumentados por el mejor llenado de los cilindros a partir de unas 1000 o 1500 revoluciones, que es cuando el turbo comienza a ser efectivo. El porcentaje de aumento del par en un motor sobrealimentado es igual o mayor que el aumento de la potencia; es importante el aumento del par por la influencia que tiene en el comportamiento del motor.

23

3. 6. 4. 7. 1 Potencia Indicada. Como objetivo del proyecto de tesis se ha planteado aumentar en por lo menos un 15% la potencia del motor con la implementación del sistema de sobrealimentación; tomando en cuenta este aspecto se hace posible determinar ciertos valores para la selección del turbo compresor, de esta manera se tiene el siguiente valor: Potencia Indicada motor estándar:

48.3 Kw

Aumento de Potencia con el Sistema de Sobrealimentación:

15%

Potencia Indicada motor modificado:

55.55 Kw.

Con el nuevo valor de la Potencia indicada con el Sistema de Sobrealimentación, es posible calcular el valor de la presión media indicada, esto se debe a que la presión del gas en el cilindro varía durante un ciclo de trabajo. La presión media indicada es solamente una magnitud que se calcula de la siguiente manera:

24

(14)

_____________ Formula 14 ALONSO J. M. Técnicas del Automóvil . Editorial Thomson Paraninfo. 10a Edición. Espana. p 53. 23 CEAC, Manual CEAC del Automóvil, Grupo Editorial CEAC, Barcelona, 2002, p 424. 24 KINDLRE Hans, Cálculos Técnicos para el Automóvil. Edit Reverte, 8va edición. España 1987. p 115.

31

3. 6. 4. 7. 2 Fuerza Sobre la Cabeza del Pistón. La fuerza sobre la cabeza del pistón depende de la presión del gas y de la magnitud de la superficie de la cabeza del pistón. La presión originada por la combustión del gas actúa en cada centímetro cuadrado.

25

Como existe un aumento en la presión de compresión con el sistema de sobrealimentación y debido a que el valor de la presión media indicada varia por el aumento de la potencia indicada, se hace necesario calcular la fuerza que actuara sobre la cabeza del pistón, de la siguiente manera: (15)

_____________ Formula 15 ALONSO J. M. Técnicas del Automóvil . Editorial Thomson Paraninfo. 10a Edición. Espana. p 49. 25 KINDLRE Hans, Cálculos Técnicos para el Automóvil. Edit Reverte, 8va edición. España 1987. p 115.

32

3.6.4.7.3 Cálculo del Par Motor y Potencia Efecti va.

Considerando los aspectos mencionados anteriormente sobre al par motor y la potencia, el par motor se toma también con un aumento del 15% del valor obtenido con el vehiculo estándar, de esta manera se tiene el siguiente valor: Par Motor estándar:

110.3 Nm

Aumento del Par Motor con el Sistema de Sobrealimentación:

15%

Par Motor con el Sistema:

126.845

Nm. Considerando el mismo régimen de giro al cual se obtuvo el par motor máximo, se calcula la potencia efectiva: n = 3010 rpm 26 (16)

3. 6. 4. 7. 4 Presión Media Efectiva. Es importante calcular la Presión Media Efectiva, con el fin de establecer el valor de empuje de los gases durante la combustión y la expansión con el sistema de sobrealimentación. Se parte de la siguiente relación:

_____________ Formula 16 HINDLRE Hans, Calcuilos Tecnicos para el Automovil. Editorial Reverte, 8va edicion. Espana 1987. p 153. 26 Capitulo 1, Punto 1.2.1.1.3: Resultados Obtenidos e Interpretación.

33

(17)

3. 6. 4. 7. 5 Análisis de la Pérdida de Potencia Con el sistema de sobrealimentación es una realidad que la perdida de potencia indicada se reduce, debido a que se estableció un incremento del 15% en la potencia indicada y en el par motor del valor inicial obtenido en el banco dinamométrico; esta disminución en la perdida deberá ser comprobada en el capitulo V durante las pruebas de funcionamiento del motor con el sistema de sobrealimentación en forma practica. El valor de la pérdida de potencia, por lo tanto, tiene el siguiente valor analizándola con la siguiente relación: Perdida de Pi = Pi Fabricante - Pi

T

Perdida de Pi = 73 Kw - 55.55 Kw Perdida de Pi = 17.45Kw

_____________ Formula 17 ALONSO J. M. Técnicas del Automóvil . Editorial Thomson Paraninfo. 10a Edición. Espana. p 51.

34

3.6.4.8 Análisis del Rendimiento del Motor VOLKSWAGEN con el Turbo Compresor 3. 6. 4. 8. 1 Rendimiento Termodinámico del Ciclo Otto.

(18)

3. 6. 4. 8. 2 Rendimiento Mecánico. (19)

3. 6. 4. 8. 3 Rendimiento Total. (20)

_____________ Formula 18 ALONSO J. M. Técnicas del Automóvil . Editorial Thomson Paraninfo. 10a Edición. Espana. p 57. Formula 19, 20 ALONSO J. M. Técnicas del Automóvil . Editorial Thomson Paraninfo. 10a Edición. España. p 58

35

3. 6. 5 Consideraciones y Análisis Termodinámicas para la Selección del Turbo. La mezcla combustible/aire es altamente explosiva cuando ya ha sido preparada, y es muy sensible a las altas temperaturas y las altas presiones, la aplicación del turbo a un motor de chispa plantea problemas, precisamente porque aumenta las temperaturas y presiones. Este aumento de valores no sólo afecta a la mezcla sino también a las partes móviles del motor, por lo que debe ser preparado convenientemente en sus partes vitales; la cantidad de aire y la cantidad de combustible debe ser la precisa y no debe existir ningún excedente de ninguno de los dos. De ahí una de las razones del encarecimiento del mantenimiento de los motores turboalimentados respecto a los atmosféricos. 27 Como ya se indico y se ha podido ir verificando en los cálculos tecnológicos realizados anteriormente, un turbo compresor a mas de elevar ciertos valores, eleva también la temperatura y la presión dentro de los cilindros, que son las principales variables dentro del desempeño del motor. Para una correcta selección del turbo compresor y como un método para impedir fallas en el funcionamiento del motor, se procederá a realizar un análisis termodinámico, con los nuevos valores teóricos obtenidos hasta el momento. Para el análisis y la construcción del diagrama teórico con nuestro turbo compresor, hay que considerar que el turbo compresor eleva la presión de admisión de aire entre 0,4 y 0,7 bares de sobre presión y la temperatura del aire que el turbo compresor da esta entre 55 y 90 grados. 28 Los valores iniciales para los cálculos termodinámicos se toman los obtenidos teóricamente en este capitulo, de esta manera se tiene una temperatura de ingreso de: 68.11 °C mientras que la presión inicial es de: 113.12 kPa = 1.13 bar; como se puede observar los valores obtenidos se encuentran dentro de los parámetros normales de temperatura y de presión que un sistema de sobrealimentación brindan.

_____________ 27 Ing. LINARES Omar. El Turbocompresor y su Mantenimiento. Widman International SRL. Bolivia 2001. pg 3 28 CEAC, Manual CEAC del Automóvil, Grupo Editorial CEAC, Barcelona, 2002, p 419.

36

Para la construcción del nuevo diagrama teórico del funcionamiento del ciclo, hay que tomar en cuenta que con los nuevos valores el diagrama de nuestro motor cambiara al igual que existirá una variación en los valores de todos los puntos del ciclo. De esta manera se procede a realizar el análisis termodinámico para la selección del turbo compresor: 3.6.5.1 Proceso 0-1. Admisión La temperatura de admisión del aire, es la temperatura con la que el aire sale del turbo compresor, como se indica a continuación: T1T = 68.11 °C

29

T1T = 68.11 + 273 T1T = 341.11 °K P1T = 113.12 kPa = 1.13 bar

30

Con ayuda de la tabla A-17 de las Propiedades de Gas Ideal del Aire del libro Cengel Yunus. Termodinámica. 4ta edición. México. 2002, se procede a obtener los respectivos valores de las variables presentes en el punto 1 de este proceso por medio del método de interpolación:

T (°K)

u (KJ/Kg)

vr

340

242.82

341.11

u1T

454.1 vr1T

350

250.02

422.2

u1T= 243.6192 vr 1T= 450,5591

KJ/Kg

_____________ 29 Punto 3.6.3.1: Calculo de la Temperatura de Admisión con el Turbo Compresor. 30 Punto 3. 6. 2. 3: Cálculo de la presión en el múltiple de admisión según la potencia (Map).

37

3.6.5.2 Proceso 1-2. Compresión Partiendo de la ecuación 20 del capitulo 2, se procede a obtener los valores para el punto 2 de este proceso de compresión:

Una vez obtenido el valor del volumen relativo especifico del punto 2 con el sistema de sobrealimentación, con el método de interpolación y con la tabla A-17 de las Propiedades de Gas Ideal del Aire del libro Cengel Yunus. Termodinámica. 4ta edición. México. 2002, se obtiene:

vr

u (KJ/Kg)

T (°K)

62.13

536.07

730

61.63599

u2T

T2T

59.82

544.02

740

u2T= 537.7701581 KJ/Kg T2T= 732,1385637 °K

38

Para la construcción del diagrama es indispensable tener el valor de las presiones de cada punto, por lo que para el punto 2 se procede a determinarlo de la siguiente manera:

(21)

Considerando la relación de trabajar con razones de volumen, se define otra cantidad relacionada con las razones de volúmenes específicos para procesos isoentrópicos o adiabáticos de gas idea, por lo que se tiene la siguiente ecuación:

Remplazando la relación de volumen específico con la relación de compresión en la formula 21, se obtiene:

___________ Formula 21 CENGEL Yunus. Termodinámica. 4ta edición. México. 2002 pg 87.

39

3.6.5.3 Proceso 2-3. Adición De Calor a Volumen Constante Para el análisis de este proceso, tal como el capitulo III, se parte de la ecuación de gas ideal analizando el punto 1 para obtener en primera instancia el volumen específico 1 con el sistema de sobrealimentación: (22)

En donde: P = presión absoluta T = Temperatura absoluta v = volumen específico R = cte de proporcionalidad = 0.287 KPa·m 3 Kg °K

Con este valor y la relación de compresión se calcula el volumen de la mezcla al final de compresión:


40

Como este proceso es de adición de calor, se presenta el calor de entrada cuyo valor queda determinado de la siguiente manera: (23)

Se requiere obtener el valor del trabajo neto, por lo que se analiza de la siguiente manera: (24)

__________ Formula 23 CENGEL Yunus. Termodinámica. 4ta edición. México. 2002 pg 447. Formula 24 CENGEL Yunus. Termodinámica. 4ta edición. México. 2002 pg 44.

41

Remplazando el valor del trabajo neto, se calcula el valor del calor de entrada presente en el ciclo:

Utilizando la siguiente ecuación, se hace posible determinar el valor de la energía interna específica para el punto 3:

(25)

Con el valor de la energía interna especifica del punto 3, es posible determinar otros valores de este punto por medio de interpolación en base a los datos de la tabla A-17 de las Propiedades de Gas Ideal del Aire del libro Cengel Yunus. Termodinámica. 4ta edición. México. 2002:

u (KJ/Kg)

vr

T (°K)

1487.2

3.994

1800

1506.568383

vr3

T3

1534.9

3.601

1850

vr3= 3,834424014 KJ/Kg T3= 1820.302288 °K


42

Una vez obtenidos todos estos valores es posible calcular la presión 3, que es la presión de compresión y cuyo valor es de suma importancia para determinar correctamente el turbo compresor. Con la ecuación 21, se procede a determinar su valor relacionando el punto 2 y 3 para este proceso:

Como el volumen en este proceso es constante, se tiene la siguiente relación:

3.6.5.4 Proceso 3-4. Expansión Isoentrópica de un Gas Ideal Utilizando la ecuación que relaciona el volumen relativo especifico, el volumen específico y la relación de compresión para dos puntos dentro de un mismo proceso, se calcula los valores para el punto 4 del ciclo:

43

Con el valor del volumen relativo especifico del punto 4 y con el método de interpolación se obtienen los siguientes valores:

u (KJ/Kg)

vr

T (°K)

725.02

28.40

960

vr3T

28.0296395

T4 T

741.98

26.73

980

Vr4T= 728,7812655 KJ/Kg T4T= 964,4354546 °K Es importante también, determinar la presión del punto 4, para lo cual se procede de la misma manera que para el punto 3 en base a la ecuación 21, de la siguiente manera:

44

3.6.5.5 Proceso 4-1. Rechazo de calor a volumen constante A este proceso también se lo conoce como rechazo de calor, es decir se presenta la salida de calor de los cilindros hacia el exterior. Cabe señalar que este calor de salida o la transferencia de calor hacia el exterior es el que generara movimiento para el turbo compresor y ocasiona que el turbo compresor se caliente, transfiriendo a su vez calor hacia el aire aspirado. En este proceso se ven involucrados los puntos 1 y 4, cuyos valores de las variables ya han sido determinadas por lo que se procede a calcular el valor de la transferencia de calor de salida:

(26)

3.6.5.6 Construcción del Diagrama Teórico. Una vez determinados los valores tecnológicos y termodinámicos del motor Volkswagen para determinar el sistema de sobrealimentación adecuado para el mismo, se procede a construir el diagrama teórico con los siguientes valores obtenidos:

___________ Formula 26 CENGEL Yunus. Termodinámica. 4ta edición. México. 2002 pg 447

45

Tabla 3-1. Valores Teóricos de los Puntos del Ciclo Otto con Turbo alimentación. Temperatura Presión U VR °K KPa kJ/kg Punto 1 341.11 113.12 243.6192 450.5591 Punto 2 732.1385 1774.8252 537.7701 61.63599 Punto 3 1820.3022 4412.7145 1506.5683 3.8344 Punto 4 964.4754 319.8292 728.7812 28.0296 Fuente: Creación de los Autores. Tabla 3-2 Valores de los Puntos Graficados Presión (kPa) Volumen (cm ) 1 113.12 515.777 1.1 199.308 343.851 1.2 753.447 128.944 2 1774.825 70.558 3 4412.715 70.558 3.1 2042.738 127.004 3.2 530.847 352.788 4 319.829 515.777 Fig. 3-13 Diagrama Teórico del Motor con Sobrealimentación.

Fuente: Creación de los Autores.

46

3.6.6 Consideraciones

Adicionales

en

Función

a

los

Resultados

Termodinámicos. Como se puede observar existe un aumento en varios de los valores de las variables de los puntos del ciclo de funcionamiento del motor con el sistema de sobrealimentación comparándolos con los valores obtenidos con el vehiculo estándar. Para nuestro objetivo de aumentar la potencia de nuestro motor, es muy importante el aumento del valor de ciertas variables pero en otros casos es necesario que los valores se mantengan o si es posible disminuyan con respecto a los valores del motor estándar; esto se debe a que así evitaremos fallas en el funcionamiento del motor una vez implementado el sistema y garantizaremos además, la vida útil del motor. De ahí que surge la necesidad de realizar ciertas consideraciones adicionales en función a los resultados obtenidos, por ejemplo la temperatura de aire de admisión del motor posee un valor alto, debido a su paso a través del turbo compresor, además se obtiene un valor de la presión de compresión un tanto elevado lo que pone en riesgo el funcionamiento correcto del motor y se hace muy posible la presencia de autodetonación. Esto no quiere decir que el análisis para el turbo compresor y el análisis termodinámico este mal realizado, sino todo lo contrario, nos permite darnos cuenta de la necesidad de implementar un sistema adicional que favorezca a la refrigeración del aire de admisión para disminuir su temperatura de ingreso al colector de admisión, esto se logra por medio de un intercambiador de calor (intercooler).

3.6.7 Mejoramiento del Sistema de Refrigeración. (Intercooler). Como ya se ha indicado, un turbo compresor a mas de aumentar la presión del aire que ingresa al múltiple de admisión para posteriormente pasar a los cilindros, aumenta también la temperatura del aire. Esto se debe, entre algunos factores, a que el compresor también se ve afectado por las altas temperaras con las que los gases de escape pasan por la turbina del turbo compresor; la presión que genera el compresor con el aire de admisión es otro factor determinante para el aumento de temperatura. 47

Para evitar el problema del aire calentado al pasar por las aletas del compresor del turbo, se han tenido que incorporar sistemas de refrigeración del aire a partir de intercambiadores de calor (intercooler). El intercooler es un radiador que es enfriado por el aire que incide sobre el coche en su marcha normal. Por lo tanto se trata de un intercambiador de calor aire/aire a diferencia del sistema de refrigeración del motor que se trataría de un intercambiador agua/aire. 31 Es importante determinar teóricamente el valor de la temperatura del aire de admisión con el sistema de refrigeración del aire, debido a que esto permitirá realizar un nuevo análisis termodinámico con la nueva temperatura de admisión para de esta manera realizar la correcta selección del turbo compresor. El intercambiador de calor que se implementara para nuestro sistema de sobrealimentación es de tipo aire-aire, y va ubicado entre el compresor del turbo y el colector de admisión del motor, como se puede observar en la siguiente grafica: Fig 3-14. Disposición del Intercooler en el Sistema de Sobrealimentación.


________ 31

www.turbotec.cl/tecnologia.htm , Acceso:17 de Diciembre 2008

48

3.6.7.1 3.6.7.1 Grado Grado de Interca Intercambio mbio de de Calor Calor del Interco Intercooler oler ( ). En el intercambiador de de calor existe el grado de intercambio de calor “ ” que es de

vital importancia; este parámetro relaciona la refrigeración del aire de admisión a la variación de temperatura aire de admisión – aire aire de refrigeración. En automóviles el valor valor del del grado grado de intercambio de calor

esta entre los valores de

0,4 a 0,7 32. Su ecuación depende de las temperaturas de ingreso y de salida de la siguiente manera: = (T1T – T) / (T1T – Ta Ta )

(27)

T = valor de refrigeración del intercambiador de calor T1T = 68.11 0 C (341.11 0K) Temperatura de entrada del aire de admisión al intercambiador de calor Ta = 150 C (288,15 0K) Temperatura del aire que atraviesa el intercambiador de calor. Dato tomado como referencia según los parámetros dados por el fabricante. = 0.5 Valor tomado de los parámetros para . 33 Remplazando los datos en la ecuación (27) se obtiene: (68.11 0 C – T)

0.5 =

(68.11 0 C – 15 15 0 C) T 68.11 0 C - 0.5 * (68.11 - 15) 0 C T = 41.55 0 C

______ Formula 27

Bosch. Robert (1996) Manual de la Técnica del Automóvil, Automóvil, p.421. Millares De Imperial. Juan. (1989) Turbo, Sobrealimentación de Motores Rápidos, p 19. 33 Bosch. Robert Manual de la Técnica del Automóvil, (1996) p.421. 32

49

Tomando estos valores de referencia obtenemos como resultado que el intercooler debe tener la capacidad de refrigeración del aire de 41.55 0C, por lo que el valor de = 0.5 esta correcto. Si se toman valores mas altos para el grado de intercambio de calor se obtendrá T cada vez menores. 3.6.7.2 Cálculo de la Temperatura de Salida del Intercambiador de Calor. Con una simple relación de la temperatura a la entrada del intercamiador de calor T1T menos el valor de refrigeración T obtenido, es posible calcular la temperatura de salida del aire de admisión del intercambiador de calor Ts. Fig. 3-15. Temperatura del Aire de Admisión.

Fuente: www.turbotec.cl/tecnologia.htm , Acceso: 17 de Diciembre 2008 Ts = T1T - T Ts = 68.11ºC - 41.55 0 C Ts = 26.55 ºC La ubicación del intercambiador de calor en el vehiculo, es de mucha importancia para su buen funcionamiento, ya que la refrigeración del aire comprimido que pasa por el intercambiador de calor, se da por el flujo de aire que corre por los paneles del mismo, esto se da cuando el vehículo esta en marcha y el flujo de aire del ambiente pasa por los paneles. paneles. Es por por eso que la ubicación ubicación del intercambiador es generalmente en la parte delantera del vehículo donde existe el mayor flujo de aire.

50

El valor de Ts obtenido es el nuevo valor de T1 T para el nuevo análisis termodinámico.

3.6.8 Cálculos Termodinámicos con Aire de Admisión Refrigerado. Para los siguientes cálculos se realizara el mismo proceso que los cálculos termodinámicos con la temperatura de admisión del aire de 68.11°C, la variación que se presenta como ya se indico, es que la temperatura de admisión de aire disminuye ya que el aire de no va directamente del compresor del turbo al colector de admisión sino que pasa por el intercambiador de calor durante su trayecto. Para diferenciar cada variable que se obtenga de los valores anteriores y reconocer que pertenece a los cálculos del sistema de turbo alimentación con refrigeración de aire se utiliza el subíndice “i”; De esta manera T1i es de

26.55°C.

3.6.8.1 Proceso 0-1. Admisión Paire = 113.115383342 KPa Ts = T1i= 26.55 °C T1i= 26.55 + 273 T1i= 299.55°K Por medio de la interpolación se puede obtener las demás variables para el punto 1 de este proceso. Los datos se obtienen como en los casos anteriores de la Tabla A-17 de las propiedades de gas ideal:

T (°K)

u (KJ/Kg)

vr

295

210.49

299.55

u1i

647.9 vr1i

300

214.07

621.2

u1i = 213.7478 v r 1i 623.603

KJ/Kg

51

3.6.8.2 Proceso 1-2. Compresión v r 2 i = 623.603 7.31 v r 2 i = 85.30820793

vr

u (KJ/Kg)

T (°K)

85.34

473.25

650

85.30820793

u 2i

T 2i

81.89

481.01

660

u 2i = 473.3215091 KJ/Kg T 2i= 650.0921509 °K Se procede a calcular el valor de la presión del punto 2, con las mismas relaciones aplicada durante el cálculo para el punto 3.6.5.2

3.6.8.3 Proceso 2-3. Adición De Calor A Volumen Constante Utilizando la ecuación de Gas Ideal como en los cálculos anteriores para esta parte del ciclo de funcionamiento termodinámico para un motor de combustión interna (Otto), se obtiene los siguientes valores:

52

El volumen de la mezcla aire (que ingresa ya con una mayor presión que la atmosférica) combustible al final de la compresión tiene el siguiente valor:

El trabajo neto se analiza de la siguiente manera:

53

El calor de entrada o la transferencia de calor presente en esta parte del proceso, tiene el siguiente valor:

La siguiente relación de transferencia de calor hacia el fluido se emplea para obtener el valor de u3, de la siguiente manera: u3 i = q en + u2 i u3 i = 850.7969650 KJ/Kg + 466.8608366 KJ/Kg u3 i = 1317.657801 Aplicando el método de interpolación se obtiene los siguientes valores:

u (KJ/Kg)

vr

T (°K)

1316.96

5.574

1620

1317.657801

vr3i

T3i

1335.72

5.355

1640

vr3i= 5.565854029 KJ/Kg T3i= 1620.743924 °K

54

Obteniendo la presión en el punto 3 tenemos:

3.6.8.4 Proceso 3-4. Expansión isoentrópica de un gas ideal En este proceso se obtienen los valores para el punto 4, esto se realiza a partir del cálculo del volumen específico relativo de la siguiente manera: v r 4 i = R cT * v r3 v r 4 i = 7.31 · 5.565854029 v r 4 i = 40.68639295 Con este valor y los valores de la tabla A-17 de las propiedades de gas ideal, con el proceso de interpolación se obtienen los siguientes valores:

vr

u (KJ/Kg)

T (°K)

41.85

624.95

840

40.68639295

u4 i

T4 i

39.12

641.40

860

u 4 i = 631,3167596 KJ/Kg T 4 i = 847,7833247 °K

55

3.6.8.5 Proceso 4-1. Rechazo de calor a volumen constante

3.6.8.6 Construcción del Diagrama Teórico. Una vez obtenidos todos los valores de cada punto del ciclo de funcionamiento teórico del motor con el sistema de refrigeración de aire, es posible construir el diagrama teórico de funcionamiento; este queda dado de la siguiente manera: Tabla 3-3. Valores Reales de los Puntos del Ciclo Otto con Intercooler. Temperatura Presión U VR °K KPa kJ/kg Punto 1 299.55 113.15 213.7478 623.603 Punto 2 650.0921 1794.5048 473.3215 85.3082 Punto 3 1620.7439 4473.8778 1317.6578 5.5658 Punto 4 847.7833 320.1379 631.3167 40.6863 Fuente: Creación de los Autores.

56

Tabla 3-4 Valores de los Puntos Graficados Presión (kPa) Volumen (cm ) 1 113.115 515.777 1.1 199.521 343.851 1.2 782.045 128.944 2 1794.505 70.558 3 4473.877 70.558 3.1 2069.720 127.004 3.2 533.767 352.788 4 320.138 515.777 Fuente: Creación de los Autores. Fig. 3-16. Diagrama Teórico del Motor con Sobrealimentación y Refrigeración de Aire.


57

3.7

DETERMINACIÓN DEL TURBO COMPRESOR.

Una vez realizado los cálculos necesarios y considerando todos los parámetros necesarios es posible realizar la selección del turbo compresor adecuado para nuestro motor; de esa manera se analiza de la siguiente manera:

3.7.1 Análisis de los Resultados Obtenidos Teóricamente. Analizando los resultados obtenidos en los cálculos tanto tecnológicos como en los termodinámicos, se puede deducir que los valores están dentro de los regimenes requeridos para un motor con sobrealimentación. La temperatura del aire que el turbo compresor en un inicio brinda esta dentro de su régimen, esta a su vez debió ser disminuida con la implementación de un intercambiador de calor, con el fin de evitar el autoencendido en los cilindros con la disminución de la presión de compresión o presión 3. Como se observa también, la presión de admisión del aire es mucho más alta que la original; esto permite obtener presión constante el momento de la admisión y no una depresión como sucede en los vehículos que no poseen sistema de sobrealimentación. Los valores obtenidos en un inicio como la cantidad de flujo necesario, el PR y otros, son de mucha importancia también para determinar el turbo compresor para nuestro vehiculo, lo que se indicara mas adelante.

3.7.2 Calculo del Aumento de Masa del Aire de Admisión. Es importante determinar la cantidad de masa de aire que ingresa al motor en cada aspiración, con el fin de realizar una comprobación de que la masa de aire aumenta efectivamente con el turbo compresor y el intercambiador de calor (intercooler) por esta razón se tomaran los valores de la presión y temperatura del aire de admisión tanto con los valores del motor estándar y con el sistema de sobrealimentación.

58

3.7.2.1 Calculo de la Densidad y Masa de Aire con el Motor Estándar. Presión del Aire: 72090 Pa Temperatura del Aire: 45°C = 318 °K Humedad Relativa a 2800 msmm (h): 75% (28) Presión de Vapor Saturado ( P sv).

P sv

1 Pa exp AT 2

BT C

D T

(29)

Donde: A = 1, 237 884 7 x 10-5 °K -2 B =-1,912 131 6 x 10-2 °K -1 C = 33,937 110 47 D = -6, 343 164 5 x 103°K

(30)

T = Temperatura del aire en °K 1, 237 884 7 x 10 -5 °K -2 P sv

1 Pa exp - 6, 343164 5 x 10 3 °K

P sv

318 K 9521,1634354736 Pa

318 K

2

-1,912131 6 x 10 -2 °K -1 318 K 33,937110 47

Factor de Fugacidad ( f ). t 2

f

(31)

Donde: α = 1, 000 62 β = 3,14 x 10-8 Pa-1 γ = 5,6 x 10-7 K -2 p = La presión del aire en Pa t = Temperatura del aire en °C

f 1, 000 62 3,14 x 10 -8 Pa -1 72090 Pa 5,6 x 10 -7 K -2 45 C

2

f 1,004017626 ______ 28 http://oaq.epn.edu.ec/OAQ/meteorologia.htm. Acceso: 12 de Marzo 2009. Formula 29 BECERRA Luis Omar. Densidad del Aire. 2001. México. p 5. 30 BECERRA Luis Omar. Densidad del Aire. 2001. México. p 5.

59

Formula 31

xv

BECERRA Luis Omar. Densidad del Aire. 2001. México. p 5. Fracción Molar del Vapor de Agua ( xv)

h. f p, t .

P sv T

(32)

p

xv

0.75 1,004017626

xv

0.0994529328

9521 ,1634354736 Pa 72090 Pa

Factor de Compresibilidad ( Z ). p

Z 1

T

a0

2

a1t a 2 t

b0

b1t xv

c0

c1t xv

2

p 2 T 2

d exv

2

(33)

Donde: t = temperatura en °C a0 =1, 581 23 x 10-6 °K Pa-1 a1= -2, 933 1 x 10-8 Pa-1 a2= 1, 104 3 x 10-10 °K -1 Pa-1 b0 =5, 707 x 10-6 °K Pa-1 b1 =-2, 051 x 10-8 Pa-1 c0= 1, 989 8 x 10-4 °K Pa-1 c1= -2, 376 x 10-6 Pa-1 d =1, 83 x 10-11 °K 2 Pa-2 e = -0, 765 x 10-8 °K 2 Pa-2 T = temperatura del aire en °K

(34)

1, 581 23 x 10 -6 °K Pa -1 Z 1

- 2, 933 1 x 10 -8 Pa -1

-10 -1 -1 72090 Pa 1, 104 3 x 10 °K Pa

5, 707 x 10 -6 °K Pa -1

318 K

1, 989 8 x 10 -4 °K Pa -1

72090 Pa 318 K

2

45 C

45 C

2

-2, 051 x 10 -8 Pa -1 -2, 376 x 10 -6 Pa -1

45 C 0,0994529328 45 C 0,0994529328

2

2

1, 83 x 10 -11 °K 2 Pa -2

- 0, 765 x 10-8 °K 2 Pa -2 0,0994529328

2

Z 0,999572832 __________ Formula 32 BECERRA Luis Omar. Densidad del Aire. 2001. México. p 5. Formula 33 BECERRA Luis Omar. Densidad del Aire. 2001. México. p 3. 34 BECERRA Luis Omar. Densidad del Aire. 2001. México. p 4.

60

Densidad del Aire (ρa) pM a a

1 xv 1

ZRT

M v

(35)

M a

Donde: M a=

Masa molar del aire seco: 0,028963512440 kg. mol -1

R= Constante universal de los gases ideales: 8,314510 J.mol -1.K -1

agua: 0,018015 kg mol -1

M v= masa molar del

72090 Pa 0,028963512440 kg. mol -1 a

a

0,999572832 8,314510J.mol-1 .K -1 0,760337195

(36)

318 K

1 0.0994529328 1

0,018015kg mol -1 0,028963512440 kg. mol -1

Kg m3

Calculo de la masa de aire en el motor. ma a

ma

V

V

a

(37)

Donde: pa= Densidad del aire. ma= Masa de aire. V= Volumen

V V cc

V u

V

50,02460348 cm3

445,218971 cm3

V

495,24357138 cm3 Kg 1000 gr

a

0,760337195

a

0,00076033719

m3

1 Kg

1 m

3

100 cm

3

gr cm3

__________ Formula 35 BECERRA Luis Omar. Densidad del Aire. 2001. México. p 3. 36 BECERRA Luis Omar. Densidad del Aire. 2001. México. p 3. Formula 37 BECERRA Luis Omar. Densidad del Aire. 2001. México. p 2.

61

ma ma

0,00076033719

gr

cm 0,3765521083 gr

495,24357138 cm3

3

3.7.2.2 Cálculo de la Densidad y la Masa de Aire con el Motor Turbo. Realizando el mismo análisis que con el motor en condiciones estándar para obtener la masa de aire, se procede a obtener también el valor de la masa con el sistema de sobrealimentación. Presión del Aire: 113115,383342 Pa Temperatura del Aire: 26.55°C = 299,55 °K Humedad Relativa a 2800 msmm (h): 75% Presión de Vapor Saturado ( P sv).

P sv

2 1 Pa exp AT

D

BT C

T

Donde: A = 1, 237 884 7 x 10-5 °K -2 B =-1,912 131 6 x 10-2 °K -1 C = 33,937 110 47 D = -6, 343 164 5 x 103°K

T = Temperatura del aire en °K

-5

-2

1, 237 884 7 x 10 °K P sv

P sv

1 Pa exp

33,937110 47

3444,14709974537

299,55 K

2

-2

-1

-1,912131 6 x 10 °K

299.55

- 6, 343164 5 x 10 3 °K 299,55 K

Pa

Factor de Fugacidad ( f ). f

t 2

62

K

Donde: α = 1, 000 62 β = 3,14 x 10-8 Pa-1 γ = 5,6 x 10-7 K -2 p =

La presión del aire en Pa

t = Temperatura del aire en °C

f 1, 000 62

3,14 x 10 -8 Pa -1 113115,383342 Pa

5,6 x 10 -7 K -2 26,55 C

2

f 1,0045665684369

Fracción Molar del Vapor de Agua ( xv) P sv T

xv

h. f p, t .

x v

0.75 1,0045665684369

x v

0,022940348133

p

3444,1470974537 Pa 113115,383342 Pa

Factor de Compresibilidad ( Z ). p

Z 1

T

a0

2

a1t a 2 t

b0

b1t xv

c0

c1t xv

2

p 2 T 2

d exv

2

Donde: t = temperatura en °C a0 =1, 581 23 x 10-6 °K Pa-1 a1= -2, 933 1 x 10-8 Pa-1 a2= 1, 104 3 x 10-10 °K -1 Pa-1 b0 =5, 707 x 10-6 °K Pa-1 b1 =-2, 051 x 10-8 Pa-1 c0= 1, 989 8 x 10-4 °K Pa-1 c1= -2, 376 x 10-6 Pa-1 d =1, 83 x 10-11 °K 2 Pa-2 e = -0, 765 x 10-8 °K 2 Pa-2 T = temperatura del aire en °K

63

1, 581 23 x 10 -6 °K Pa -1 Z 1

-10 -1 -1 113115,383342 Pa 1, 104 3 x 10 °K Pa

5, 707 x 10 -6 °K Pa -1

299,55 K

1, 989 8 x 10 - 4 °K Pa -1 113115,383342 Pa

26,55 C

2

-2, 051 x 10 -8 Pa -1 26,55 C 0,022940348133 -2, 376 x 10 -6 Pa -1 26,55 C 0,022940348133

2

2

(299,55 K ) 2 Z

- 2, 9331 x 10 -8 Pa -1 26,55 C

1, 83 x 10 -11 °K 2 Pa -2

- 0, 765 x 10 -8 °K 2 Pa -2 0,022940348133

2

0,99959787868456

Densidad del Aire (ρa)

pM a a

ZRT

1 xv 1

M v M a

Donde: M a=

Masa molar del aire seco: 0,028963512440 kg. mol -1

R= Constante universal de los gases ideales: 8,314510 J.mol -1.K -1 M v= masa molar del

agua: 0,018015 kg mol -1

113115,3833 Pa 0,0289635124 kg. mol -1 a

a

0,99959787868 8,314510 J.mol-1 .K -1 1,3045450990032

299,55 K

1 0,0229403481 1

0,018015kg mol -1 0,028963512440 kg. mol -1

Kg m3

Calculo de la masa de aire en el motor. ma a

V

ma

a

V

Donde: pa= Densidad del aire. ma= Masa de aire. V= Volumen

64

V V cc

V u

V

70,55768161 cm3

V

515,77665261 cm3

445,218971 cm3

Kg 1000 gr

a

1,3045450990032

a

0,0013045450990032

ma

0,0013045450990032

ma

0,67285390434265 gr

m3

1 Kg

1 m

3

100 cm

3

gr cm3 gr cm3

515,77665261 cm3

3.7.2.3 Comparación de las Masas de Aire. Con los cálculos tanto tecnológicos como termodinámicos que se han realizado para la selección del turbo compresor adecuado para nuestro motor, se puede verificar los resultados obtenidos por medio de la cantidad de masa de aire. Fig. 3-17. Cantidad de Masa de Aire en los Cilindros.


65

Comparando los resultados de masa de aire entre el motor estándar y el motor con el sistema de sobrealimentación y con la implementación del intercooler, se puede observar que existe un aumento de alrededor del 45% (44.03%) en la masa de aire que ingresa al motor, lo que quiere decir que a pesar de que la temperatura del aire de admisión fue reducida con el sistema de refrigeración, los valores obtenidos son correctos y nos permitirán realizar una correcta selección del turbo compresor y a su vez, nos garantizara el aumento de potencia de nuestro motor con la implementación del sistema de sobrealimentación.

3.7.3 Diagramas de Funcionamiento de los Turbo Compresores. Como ya se ha mencionado, un turbocompresor se define básicamente por el caudal de aire que necesita el motor. Dentro de las características funcionales de un turbo compresor, están gráficas o llamados también mapas de compresión en los que se indica el rendimiento de un turbo, dichas gráficas o mapas son proporcionados por los fabricantes de cada uno de los turbocompresores. Los mapas describen como estimar los valores de la relación de presión y del flujo de aire necesario (CFM) para el tipo de motor en el que se instalará el turbo cargador, describiendo el rendimiento del turbo cargador como es: eficiencia, flujo de aire, capacidad de aspiración y la velocidad del eje del turbo. En la siguiente figura se indica un mapa de las características funcionales de un turbo compresor, en donde se da a conocer los parámetros presentes en este:

66

Fig.3-18. Mapa de un turbocompresor

Fuente: http://www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/tech_center/turbo_tech103.html,

Acceso: 10 de enero de 2009. 3.7.3.1 Limite de Bombeo. Es la línea izquierda que limita al turbocompresor (Fig. 3-18), si pasamos un punto a la parte izquierda de está línea representa una región de flujo inestable ya que el compresor tiene un flujo con variaciones altas en la presión, lo que puede ocasionar serios daños en el compresor por exceso de presión.

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Existen dos situaciones comunes referentes a esta línea; la primera es cuando no hay suficiente flujo de presión (poca carga), indicando que el compresor es demasiado grande para el motor; la segunda indica que cuando la válvula del acelerador se cierra y no entra al motor el flujo de presión aportado por el compresor indica un nivel de sobrecarga para lo cual se puede utilizar una válvula de alivio de presión en el conducto de entrada de aire; pero lo mas aconsejable es determinar un punto en el mapa que se encuentra cerca de está línea y al lado derecho. 3.7.3.2 Línea de estrangulación o límite máximo. Es la línea que delimita la parte derecha del mapa (fig 3-18), define el punto donde la eficiencia decae en un 58%, disminuyendo el flujo de presión por lo que el motor necesita un compresor mas grande. 3.7.3.3 Líneas de velocidad del Eje del turbocompresor. Indican las velocidades constantes del eje del turbo cargador, están ubicadas en relación al flujo de presión. 3.7.3.4 Área de porcentaje de Eficiencia. Son regiones concéntricas que indican la eficiencia del turbo cargador, las áreas de la mitad indican la mayor eficiencia del turbo cargador.

3.7.4 Turbo Compresor Seleccionado. Considerando los resultados encontrados, además, tomando en cuenta los valores de PR = 1.73 y CFM = 7.3159lb/min obtenidos en esta capitulo y realizando un análisis de los tipos de turbo compresor existente en el mercado con similares características para un motor de 1800 cc y analizando sus diagramas de funcionamiento, se determino el siguiente turbo compresor ideal para nuestro motor:

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Marca:

GARRETT

Modelo:

GT2052

Serie:

727264-4

Tipo:

TURBOCOMPRESOR DE GEOMETRIA FIJA

Mapa del Turbo Compresor: Fig. 3-19. Mapa del Turbo Compresor Seleccionado.

Fuente: www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/catelog/Turbochargers/GT20/GT2052, Acceso: 3 de Abril de 2009.

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Capacidad para Motores:

De entre 1.4L a 2.0L

Área de Porcentaje de Eficiencia:

Como se puede observar en la figura anterior el área de eficiencia del turbo compresor para nuestro motor esta entre 70 y 72%, punto obtenido mediante los valores de PR y CFM.

Refrigeración:

Agua (desde sistema de refrigeración del motor)

Lubricación:

Aceite (Lubricación del Motor).

Orientación de la Turbina:

Posibilidad de dos posiciones, dependiendo de la ubicación.

Válvula de Alivio de Sobreprecio: Incorporada al cuerpo del Compresor. Características Constructivas: Tabla: 3-5. Caracteristicas del Compresor y la Turbina.

Fuente: www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/catelog/Turbochargers/GT20/GT2052, Acceso: 3 de Abril de 2009. Fig. 3-20. Turbo Compresor Seleccionado.


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Estudio de Turbocompresores

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