Dispositivos de incremento de potencia (Motores de pistones 17)
Motores de pistones
Capítulo 17
Dispositivos de incremento de potencia
- Introducción
- Impulsores centrífugos
- Presión del colector
- Funcionamiento del turbocompresor
- Turbocompresores de válvula de descarga fija
- Turbocompresores de válvula de descarga variable
- Controladores de válvula de descarga del turbocompresor
- Controlador de presión absoluta
- Controladores de unidad dual
- Controladores de unidad triple
- Controlador de presión variable
- Sobrealimentación
- Controlador de presión de sobrealimentación
- Intercooler
- Manejo del motor
Introducción
La potencia de un motor depende del peso de la mezcla que se puede quemar en los cilindros en un tiempo determinado; el peso de la mezcla que se aspira al cilindro durante la carrera de admisión depende de la temperatura y la presión de la mezcla en el colector de admisión.
En un motor de aspiración normal, la presión en el colector de admisión a plena aceleración es ligeramente inferior a la atmosférica debido a las pérdidas en el conducto de admisión; la presión del colector disminuye con el aumento de altitud. Por lo tanto, la potencia de salida disminuye con la altitud, aunque parte de la pérdida se recupera mediante una mejor limpieza de los cilindros gracias a la reducción de la contrapresión en el escape.
Para aumentar la potencia del motor durante el despegue y el ascenso inicial, o para mantener la potencia del motor a gran altitud, la presión del colector debe elevarse artificialmente; esto se logra mediante sobrealimentación o turboalimentación.
Un sobrealimentador es un compresor centrífugo impulsado por el motor; el compresor de un turboalimentador es impulsado por una turbina ubicada en el sistema de escape. Un turbocompresor a veces se denomina sobrealimentador externo o turbocompresor.
Impulsores centrífugos
El compresor de un sobrealimentador/turbocompresor es un impulsor centrífugo: una unidad relativamente ligera y fiable, capaz de funcionar a alta velocidad y manejar grandes cantidades de aire.
La Figura 17.1 muestra las trayectorias de velocidad y presión a través del impulsor; el comportamiento de la temperatura sigue la misma trayectoria que la curva de presión.
Tras salir del impulsor con una velocidad tangencial y radial considerable, el aire pasa al difusor, que consta de álabes fijos con espacios divergentes. El difusor reduce la velocidad y aumenta la presión, como se muestra en el gráfico.
Figura 17.1 Trayectorias de velocidad y presión a través del impulsor
Presión del colector
La presión del colector (MAP) es la presión en el sistema de admisión entre la válvula de mariposa y el cilindro (Figura 17.2). En un motor de aspiración normal, la MAP siempre es menor que la presión del aire exterior debido a las pérdidas por fricción dentro del sistema de admisión. En un motor sobrealimentado/turboalimentado, la presión atmosférica media (MAP) puede ser mayor o menor que la presión atmosférica exterior, dependiendo del ajuste del acelerador. Las principales razones para aumentar la MAP por encima de la presión atmosférica son aumentar la potencia de despegue y mantener la potencia nominal en altitud.
Aumentar la MAP incrementa la potencia de dos maneras:
- Aumenta el peso de la mezcla que llega a los cilindros.
- Aumenta la presión en la cámara de combustión (no confundir con la relación de compresión).
Sin embargo, la MAP está limitada tanto por la tensión que soporta el motor como por el octanaje del combustible.
Funcionamiento del turbocompresor
Los sistemas de turbocompresor constan de tres componentes principales: turbina/compresor, válvula de descarga (que controla la cantidad de gases de escape que alimentan la turbina) y controles de la cabina (Figura 17.3).
La presión del aire entre el compresor y la válvula de mariposa se conoce como presión de descarga o presión de cubierta; esta presión siempre es mayor que la presión del colector. La presión del colector se controla mediante la válvula de mariposa, no mediante la válvula de descarga. Esta última garantiza que la presión de descarga sea suficiente para mantener la presión del colector seleccionada. La válvula de descarga puede ser fija, operada manualmente por el piloto o controlada automáticamente por un controlador de válvula de descarga, del cual existen diferentes tipos.
La presión del colector no debe exceder un valor que pueda dañar el motor. La presión máxima del colector (MAP) está limitada por una válvula de alivio de presión del colector (ubicada en el sistema de admisión y que se abre para liberar el exceso de aire) o se controla mediante un controlador de válvula de descarga.
Los turbocompresores diseñados para mantener la presión a nivel del mar al aumentar la altitud se conocen como turbocompresores de altitud. Aquellos diseñados para aumentar la presión máxima del colector (MAP) por encima de las condiciones estándar del nivel del mar se conocen como turbocompresores sobrealimentados desde tierra.
Es importante comprender la lubricación de un turbocompresor, ya que este opera en un entorno hostil; por lo tanto, una lubricación adecuada es esencial. El turbocompresor se alimenta con aceite a presión del motor; el aceite retorna al motor mediante una bomba de barrido.
Figura 17.3 Elementos de un sistema trubocompresor
Turbocompresores con válvula de descarga fija
Como su nombre indica, la válvula de descarga es fija (Figura 17.4) y solo se puede ajustar en tierra. Solo una pequeña porción de los gases de escape desvía la turbina; en realidad, la válvula de descarga fija se utiliza para fines de calibración.
La ventaja de este sistema es su simplicidad; la desventaja es que el turbocompresor funciona incluso cuando no se necesita.
Para evitar el exceso de presión (sobrealimentación), este sistema está equipado con una válvula de alivio en el sistema de inducción.
Durante el despegue, se abre el acelerador hasta alcanzar la presión máxima de despegue (MAP). Para mantener esta MAP (por ejemplo, 35"Hg), se debe abrir el acelerador progresivamente a medida que la aeronave asciende hasta que esté completamente abierto; esto se conoce como altura máxima de aceleración para 35"Hg. Si este ajuste de potencia es la potencia nominal, la altura se conoce como MAP ALTITUD
Turbocompresor con válvula de descarga variable
Una característica común de los turbocompresores con válvula de descarga variable es que esta puede ajustarse de completamente abierta a completamente cerrada durante el vuelo. La forma de lograr este ajuste varía.
El más sencillo es el de dos palancas, que utiliza la palanca del acelerador y una segunda palanca conectada mecánicamente a la válvula de descarga (Figura 17.6).
Para el despegue, la válvula de descarga se abre completamente (con la palanca hacia atrás) y el acelerador se selecciona en posición de apertura completa, lo que proporciona aproximadamente 28"Hg de presión en el aire (MAP).
A medida que la aeronave asciende, la presión en el aire (MAP) disminuye. Para mantener la presión en el aire (MAP) seleccionada, la palanca de la válvula de descarga se mueve hacia adelante, cerrándola y permitiendo que se mantenga hasta que esté completamente cerrada.
Figura 17.6 Turbocompresor con válvula de descarga variable
Controladores de la válvula de descarga del turbocompresor.
Como se mencionó anteriormente, el piloto puede controlar la válvula de descarga manualmente. Sin embargo, en la mayoría de los sistemas de turbocompresor, se instalan controladores automáticos para evitar la sobrealimentación y mantener la presión en el aire (MAP) seleccionada.
En un sistema de control automático, la válvula de descarga está conectada mecánicamente a un actuador, cuya posición depende de las fuerzas opuestas de un resorte y la presión del aceite del motor. La fuerza del resorte tiende a abrir la válvula de descarga y la presión del aceite tiende a cerrarla.
La presión del aceite del motor se alimenta a los controladores a través de un restrictor, y los controladores de la válvula de descarga se ubican en la línea de retorno. Cuando el controlador abre el retorno En la línea de escape, el aceite fluye a través del actuador y el controlador de vuelta al cárter del motor, y la presión en el actuador disminuye. La magnitud de la disminución de la presión del aceite depende del tamaño de la purga a través de los controladores: cuanto mayor sea la purga, mayor será la caída de presión. Esta presión de aceite en el actuador se controla para regular la posición de la válvula de descarga según los requisitos del motor.
Controlador de Presión Absoluta
El controlador de presión absoluta (Figura 17.7) está diseñado para evitar que la presión de salida del turbocompresor supere un máximo especificado. A baja potencia, se aplica la máxima presión de aceite al actuador de la válvula de descarga, que la cierra y desvía todo el gas a través de la turbina. Al abrir el acelerador, la velocidad del motor aumenta y pasa más gas a través de la turbina; esto resulta en un aumento de la velocidad de la turbina y una mayor presión de admisión (MAP).
Controladores de unidad dual
Las dos unidades son el controlador de densidad y el controlador de presión diferencial (Figura 17.8).
El controlador de presión diferencial controla la válvula de descarga en todas las posiciones de la mariposa, excepto en la posición completamente abierta. Un diafragma divide una cámara que tiene la presión de salida del turbocompresor en un lado y la presión de entrada en el otro, respondiendo así a la caída de presión en la válvula de mariposa. La válvula de purga está completamente cerrada a máxima aceleración, cuando la caída de presión... Es mínima y se abre gradualmente a medida que se cierra la mariposa y aumenta la caída de presión. El controlador abre la válvula de descarga al cerrarse la mariposa y reduce la presión de salida del turbocompresor según la potencia seleccionada.
Cualquier variación de potencia causada por ligeros cambios de temperatura o velocidad del motor provocará un cambio en el flujo de gases de escape que afectará la velocidad de la turbina. Esto puede producir una condición inestable conocida como "bootstrapping" o fluctuación de la presión del colector, mientras el sistema de control intenta alcanzar un estado de equilibrio. Esta condición se suaviza mediante el controlador de presión diferencial, que reacciona rápidamente a los cambios en la caída de presión a través de la mariposa y reduce el efecto de pequeños cambios de potencia.
Controladores de unidad triple
En algunos turbocompresores impulsados desde tierra, se utilizan tres controladores independientes (Figura 17.9). Dos de ellos controlan la válvula de descarga hasta la altitud crítica del turbocompresor y el tercero la controla por encima de ella.
Un controlador de presión absoluta controla el turbocompresor por debajo de la altitud crítica.
Un controlador de caudal está instalado para controlar el caudal. En este punto, la presión de salida del turbocompresor aumentará, evitando así una sobrealimentación inicial del motor al abrir el acelerador. Ambos lados del diafragma de la unidad están conectados al turbocompresor.
La presión de salida del turbocompresor es mayor, pero la abertura de la cámara inferior está equipada con un limitador. Si la presión de salida del turbocompresor aumenta demasiado, la presión del aire aumentará más rápidamente por encima del diafragma que por debajo, debido a la presencia del limitador. La fuerza descendente sobre el diafragma abre la válvula de purga, purgando la presión de aceite del actuador de la válvula de descarga y abriendo esta. Por lo tanto, la velocidad de aumento de la presión de salida del turbocompresor se controla independientemente de la aceleración del motor.
A medida que aumenta la altitud, el turbocompresor debe girar más rápido y comprimir más aire para mantener la máxima potencia, lo que resulta en un aumento de la temperatura del aire suministrado al motor. Este aumento de temperatura podría llegar a un punto en el que se produzca una detonación, por lo que se controla limitando la presión máxima del colector que se puede utilizar por encima de una altitud específica. Si bien es posible operar dentro de estas limitaciones retardando la palanca del acelerador por encima de una altitud específica, se puede instalar un controlador de relación de presión para limitar automáticamente la presión de salida del turbocompresor. Este controlador contiene una cámara abierta a la presión atmosférica. A la altitud especificada, una cápsula en la cámara se habrá expandido lo suficiente como para entrar en contacto con el vástago de la válvula. A medida que la aeronave asciende por encima de esta altitud, la válvula se abre cada vez más y aumenta gradualmente la purga del actuador de la válvula de descarga para reducir la presión de salida del turbocompresor en una proporción establecida con respecto a la presión atmosférica (normalmente de 2,2 a 1).
Controlador de Presión Variable
La cápsula del controlador de presión variable (Figura 17.10) está expuesta a la presión de descarga del compresor. Una leva, accionada por un enlace con la palanca de control del acelerador, ajusta el punto de referencia de la válvula de purga, controlando así el grado de apertura de la válvula de descarga y generando una presión en el colector relacionada con la potencia seleccionada por la palanca del acelerador. La cápsula solo controlará la presión de descarga máxima, como se explicó para el controlador absoluto.
Sobrealimentación
La función de un sobrealimentador (Figura 17.11) es la misma que la de un turbocompresor y ambos utilizan un impulsor centrífugo. El impulsor es impulsado por el motor y la válvula de mariposa se ubica antes del impulsor. El combustible también se inyecta en el ojo del impulsor.
La gráfica de la Figura 17.12 muestra el efecto de la altura sobre la potencia nominal. El aumento de la potencia nominal con la altura se debe al aumento de la eficiencia volumétrica. La línea de aspiración normal equivalente muestra un motor idéntico sin el sobrealimentador.
Control de la presión de sobrealimentación
La leva de referencia variable (Figura 17.13) permite que la posición neutra de la servoválvula se posicione de forma diferente para cada posición del acelerador, lo que permite seleccionar una presión de sobrealimentación. Esta presión de sobrealimentación se mantendrá mediante el servosistema que ajusta la posición del acelerador. Suponiendo que la aeronave se encuentra a 10.000 pies con 35"Hg de sobrealimentación seleccionada, al descender, la sobrealimentación aumentará, lo que provocará la contracción de la cápsula; el aceite se dirigirá a la parte superior del pistón del servomotor, obligándolo a bajar, lo que cierra el acelerador para mantener la presión de sobrealimentación (MAP) seleccionada (35"Hg).
La válvula del pistón recuperará la posición sensible. A medida que la aeronave asciende, el acelerador se abrirá progresivamente para mantener la sobrealimentación seleccionada. Cuando el acelerador esté completamente abierto, un ascenso adicional resultará en una disminución de la sobrealimentación y la potencia. El punto en el que el acelerador se abre completamente se conoce como la altura de aceleración máxima para ese ajuste de sobrealimentación en particular. Si ese ajuste corresponde a la potencia nominal del motor, entonces esta es la altitud nominal para ese motor.
Nota: El término "presión de sobrealimentación" significa exactamente lo mismo que "presión del colector". El indicador de sobrealimentación está calibrado en libras por encima y por debajo de la presión atmosférica normal; un cero en el indicador significa que se ha seleccionado la presión atmosférica normal. "+2" "-1" (etc.) indican una selección de dos libras por encima y una libra por debajo de la presión atmosférica, respectivamente.
Figura 17.13 leva de referencia variableIntercooler.
A medida que el aire fluye a través del compresor de un turbocompresor/supercargador, su temperatura aumenta debido a la compresión.
Un intercooler (si está instalado) enfría el aire después de la compresión, haciéndolo más denso sin disminuir su presión. El aire caliente fluye a través de los tubos del intercooler de la misma manera que el agua fluye a través del radiador de un automóvil. El aire exterior fluye sobre los tubos, eliminando este calor. El aire de refrigeración puede controlarse mediante las persianas del intercooler.
Manejo del motor.
Se debe tener mayor cuidado al operar motores turboalimentados/supercargados por las siguientes razones:
- El turbocompresor gira a unas 40.000 RPM; debe tener tiempo para acelerar y estabilizarse, lo que requiere movimientos suaves y lentos del acelerador.
- La temperatura de la culata se controla mediante la mezcla fría que fluye hacia el cilindro, entre otros factores. • Cuando la mezcla
La temperatura se comprime artificialmente, lo que a su vez incrementa la temperatura de la culata y el riesgo de detonación.
- El efecto de aumentar la altura es el aumento de la temperatura de la culata, por lo que esta puede ser un factor limitante en la altura de la aeronave. En los motores equipados con válvulas de descarga fijas (p. ej., el Seneca), dado que el turbocompresor funciona a máxima capacidad todo el tiempo, la temperatura de la culata disminuirá con la altura.
- Para mantener una potencia dada, la presión atmosférica (MAP) debe reducirse al aumentar la altura.
Se debe observar la siguiente secuencia para cambiar la potencia del motor:
- Para aumentar la potencia: - enriquecer la mezcla; aumentar las RPM; finalmente, aumentar la presión atmosférica (MAP).
- Para disminuir la potencia: - disminuir la presión atmosférica (MAP); disminuir las RPM; (ajustar la mezcla).
Buen artículo, técnico, sencillo y didáctico. Todo aquel que tenga inquietudes por los motores de explosión tanto a nivel de vehículos de transporte terrestre, como de aviación, tiene en el artículo el origen y la finalidad por lo que fueron inventados los "turbo-compresores".
ResponderEliminarAunque también quizás la mayoría de "los mortales" desconocen que muchas, muchas técnicas que hoy aplica el mundo de la automoción, muchas. muchas décadas antes se implantaron el el mundo de la aviación, antes de acabar como un sistema funcional más en la automoción de nuestros días.
Muchas gracias por el comentario. Un cordial saludo.
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