mt aula 11turbo

Motores Trmicos

8 Semestre 4 ano

Aula 11 - Tpicos

Sobrealimentao;

Supercompressores;

Turbocompressores;

Temperaturas do Compressor;

Vlvula Westgate;

Compressor de Geometria Varivel;

Intercooler;

Passos para a Escolha de um Turbocompressor.

Prof. Doutor Eng Jorge Nhambiu 2

11. Sobrealimentao

Uma das maneiras mais garantidas de se obter mais potncia de um motor

aumentar a quantidade de ar e de combustvel que ele pode queimar. Uma

forma de se fazer isso adicionando cilindros ou tornando maiores os cilindros

existentes. Porm, algumas vezes, essas alteraes no so possveis. Um

compressor pode ser uma forma mais simples e compacta de adicionar

potncia.

Os compressores permitem que um motor queime mais ar e combustvel ao

coloc-los em maior quantidade dentro dos cilindros existentes. A presso de

superalimentao tpica fornecida por um compressor de 6 a 8 libras por

polegada quadrada (lb/pol2). Como a presso atmosfrica normal de 14,7

lb/pol2 ao nvel do mar, o turbo coloca 50% mais ar no motor.

3 Prof. Doutor Eng Jorge Nhambiu


11. Sobrealimentao

Para uma boa lavagem do cilindro ou para se conseguir um

aumento da potncia do motor utiliza-se um compressor. O

principio de funcionamento do sistema de sobrealimentao

basea-se na massa especfica do ar, pois aumentando esta

consegue-se no mesmo volume ter uma maior massa de ar.

A sobrealimentao consiste em aumentar a concentrao das

partculas de ar no mesmo volume existente, isto no, volume

do cilindro.

11. Sobrealimentao


A massa especfica de um corpo,

define-se como o quociente entre a

massa e o volume desse corpo.

Desta forma pode-se dizer que a

massa especfica mede o grau de

concentrao de massa em

determinado volume. ,

2

t v d a i iV NQP

RAC

(8.41)

Pela Expresso 8.41, pode-se concluir que aumentando a

concentrao da massa a,i , a Potncia do motor aumentar na

mesma proporo.

11. Sobrealimentao

A sobrealimentao pode-se conseguir atravs de super-compressores ou

de turbo-compressores.

A principal diferena entre um turbo compressor e um compressor a

fonte de energia para o seu accionamento. De algum lugar precisa

de vir a energia para o funcionamento do compressor de ar. Num

compressor, h uma correia que o conecta directamente ao motor. Desse

modo, ele obtm a sua energia da mesma maneira que a bomba de gua, o

alternador ou a ventoinha. Um turbocompressor obtm a energia do fluxo

de gases queimados que so expelidos pelo tubo de escape. O

gases de escape passam por uma turbina, que acciona o compressor.


11. Sobrealimentao

Existem vantagens e desvantagens em ambos os sistemas.

Teoricamente um turbocompressor mais eficiente porque

utiliza a energia "desperdiada" no fluxo de escape, isto a

entalpia dos gases queimados, como fonte de energia. Por

outro lado, um turbocompressor causa um pouco de contra

presso no sistema de escape e tende a fornecer menos ar

adicional at que o motor funcione em rotaes mais elevadas.

Os compressores so mais fceis de instalar, mas normalmente

so mais caros.


11.1 Supercompressor

O supercompressor (tambm conhecido como supercharger ou

blower) um compressor de ar usado para forar a entrada de ar

nos cilindros de um motor de combusto interna. Porm, um

supercompressor ligado cambota do motor por uma correia

(geralmente dentada) e duas polias, instalado entre o sistema de

alimentao (carburador, injeo mecnica ou injeo eletrnica) e o

coletor de admisso. A sua finalidade muito semelhante a do

turbocompressor, mas um turbocompressor acionado pela energia

dos gases de escape gerados no motor para girar uma turbina.


11. Turboalimentao


11.2 Turboalimentao

Turbocompressor, superalimentador de ar e turbina so

apenas alguns dos nomes mais utilizados para o sistema que foi

inventado pelo suio Alfred Bchi em 1905, na busca por

melhorar a performance de motores a combusto interna. Sua

primeira aplicao foi em locomotivas diesel e, em 1920, a

companhia norte-americana General Eletric passou a aplicar a

tecnologia em avies com motores Pratt & Whitney,

evidenciando o desenvolvimento de equipamentos militares.


Filtro de ar

Sensor HFM

Intercooler

Turbo

Bobinas

Comando varivel

Vlvula controle do turbo

Corpo de Borboleta

11.2 Turboalimentao


11.2 Turboalimentao

Turbocompressores so um tipo de sistema de induo

forada. Eles comprimem o ar que entra no motor. A

vantagem da compresso do ar que isso permite ao motor

receber mais ar dentro de um cilindro - e mais ar significa que

mais combustvel pode ser adicionado. Obtm-se, portanto,

mais potncia das exploses em cada cilindro. Um motor

turbocomprimido produz mais potncia do que o mesmo

motor sem o dispositivo. Isso pode melhorar

significativamente a relao peso/potncia do motor.


11.2 Turboalimentao

Para conseguir essa compresso do ar, o turbocompressor

utiliza o fluxo dos gases de escape do motor para girar uma

turbina, que por sua vez, gira um compressor. A turbina no

turbocompressor gira a velocidades at 200 mil rotaes por

minuto (rpm), aproximadamente 40 vezes mais rpida do que a

maioria dos motores de automveis, e como est ligada ao

escape, as temperaturas dentro dela tambm so bem

elevadas.


11.2 Turboalimentao

Com isso, espera-se um ganho de 50% na potncia do motor

mas, por no haver eficincia na mesma proporo, normal

atingir-se um ganho de 30% a 40%.

Uma causa da ineficincia vem do facto da potncia para

girar a turbina no ser livre. Ter uma turbina no fluxo de

escape aumenta a restrio de sada dos gases queimados. Isso

significa que, no curso de escape, o motor tem que empurrar

uma contrapresso. Isso faz diminuir um pouco a potncia.


11.2 Turboalimentao


11.2 Turboalimentao


1 - Carcaa compressora e rotor do

compressor: O compressor de ar centrfugo

tem a funo de aspirar o ar atmosfrico e

comprimi-lo para o interior do cilindro,

chegando a atingir at trs vezes a presso

atmosfrica.

2 - Carcaa central: recebe leo lubrificante

do prprio motor e serve de sustentao ao

conjunto eixo da turbina e rotor do

compressor que flutuam sob mancais radiais.

3 - Eixo e carcaa da turbina: a turbina

centrpeta accionada pela energia trmica

dos gases de escape e tem a funo de

impulsionar o compressor centrfugo.

11.2 Turboalimentao


O turboalimentador composto por um

compressor de ar centrfugo, directamente

ligado a uma turbina centrpeta.

O rotor do compressor e o rotor da turbina

esto ligados por um eixo suportados por

mancais flutuantes, alojados em uma carcaa

central. O compressor centrfugo consiste de

uma carcaa de alumnio e um rotor. A turbina

centrpeta formada por uma carcaa de

ferro fundido e pelo eixo rotor. A carcaa

central incorpora o prato do compressor,

protector trmico, freios dos mancais, mancais

radiais, mancal de encosto, colar centrifugo,

anis de pisto e anel de vedao.

11.2.1 Temperaturas do Turbo

As temperaturas de funcionamento num turbo so muito diferentes, tendo em conta que a parte

dos componentes que esto em contacto com os gases de escape pode alcanar temperaturas

muito altas (650 C a 750C), enquanto os que esto em contacto com o ar da aspirao s

alcanam 80 C.

Estas diferenas de temperatura concentrada numa mesma pea (eixo comum) determinam

valores de dilatao diferentes, o que comporta dificuldades na hora do design de um turbo, na

escolha dos materiais que suportem estas condies de funcionamento adversas.

O turbo refrigera-se em parte pelo leo de lubrificao e pelo ar de aspirao, cedendo uma

determinada parte do seu calor ao ar que fora a passagem pelo rodete do compressor. Este

aquecimento do ar no nada benfico para o motor, j que no s dilata o ar da admisso de

forma que altera a sua massa especfica e por isso riqueza em oxignio, como alm disso, um ar

demasiado quente no interior do cilindro dificulta a refrigerao da cmara de combusto

durante o enchimento da cmara ao entrar ar a uma temperatura superior do prprio

refrigerante liquido.


11.2.2 Vlvula Wastegate

uma vlvula existente na grande maioria dos motores com turbo sem

geometria variavel. Est vlvula reage presso do turbo fazendo com que

apenas uma parte dos gases de escape passe pela turbina, de modo a

controlar a presso mxima. Com menos gases a passar pela turbina, o

compressor gira mais lentamente estabilizando a presso do turbo. A

Wastegate reencaminha os restantes gases para o colector de escape.

Existem wastegates internas ou externas ao turbo. Normalmente quando

os motores esto equipados com estas vlvulas e se mexe no turbo ou se

aumenta a presso mxima de funcionamento, o mecanismo de actuao da

wastegate pode no ser suficiente para funcionar nas referidas presses e

tem que se trocar a vlvula. A mola do mecanismo de controlo da vlvula

tem um papel importante no correcto funcionamento e actuao da

wastegate, da a escolha ser bastante importante. O grande divulgao dos

turbos de geometria varivel que no necessitam destas vlvulas para o

controle da presso faz com que possam ser cada vez menos necessarias.


11.2.3 Turbo de Geometria Varivel

O turbo VTG (Geometria Varivel) diferencia-se do turbo convencional

pela utilizao de um prato ou coroa no qual esto montadas umas alhetas

moveis que podem ser orientadas (todas em conjunto) num ngulo

determinado, mediante um mecanismo de vareta e alavanca empurradas

por uma cpsula pneumtica, sistema parecido com o utilizado na Vlvula

Wastegate.

Para conseguir a mxima compresso do ar a baixas rotaes da cambota

devem fechar-se as alhetas, j que diminuindo a seco entre elas, aumenta

a velocidade dos gases de escape que incidem com mais fora sobre as ps

do rodete da turbina (menor seco = maior velocidade). Quando o motor

aumenta de rotaes e aumenta a presso no colector de admisso, a

cpsula pneumtica detecta-o atravs de um tubo ligado directamente ao

colector de admisso e transforma-o num movimento que empurra o

sistema de comando das alhetas para que estas se movam para uma

posio de abertura, que faz diminuir a velocidade dos gases de escape que

incidem sobre a turbina (maior seco = menor velocidade).


11.3 Intercooler

O intercooler um permutador de calor. A sua utilizao faz-se em motores sobre

alimentados, ou seja, que utilizam turbo ou compressor mecnico.

O ar, ao ser comprimido, aumenta a sua temperatura diminuindo a sua massa especfica,

ento a funo do intercooler diminuir a temperatura do ar comprimido de modo a

que volte a aumentar a sua massa especfica.

Como num certo volume de ar quente a massa especfica menor (existem menos

partculas), ento a quantidade de combustvel injectada vai ser menor, levando a uma

potncia limitada, face ao mesmo volume de ar frio, visto que o a relao ar-combustvel

fixa. Deve-se considerar tambm que o turbo (ou compressor) tm um maior volume

para pressurizar, tendo isso em vista, o intercooler aumenta o turbo lag e causa perdas

de presso.

Em peas de boa qualidade, essas perdas no devem passar de 10% da presso mxima.

O design interno do intercooler um factor que influencia muito na quantidade das

perdas.

Em geral, um bom intercooler apresenta uma eficincia maior que 70%. Um bom meio

de "ajudar" o intercooler quando o fluxo de ar baixo, inslatar um ventilador eltrico

(ventoinha) para forar a passagem de ar.


11.3 Intercooler

De acordo com a lei dos gases Ideais (Pv = mRT) quando se faz a compresso de

um gs a sua temperatura aumenta. Para um fluido perfeito, desprezando as

reversibilidades, isto para uma eficincia adiabtica de 100%, a temperatura no fim

da compresso dada por:


1

22 1

1

k

kPT T

P

Onde:

T1 - a temperatura a entrada do compressor

T2 - a temperatura a sada do compressor

P2 a presso a sada do compressor

P1 - a presso a entrada do compressor

(11.1)

11.3 Intercooler

Pelo facto dos compressores no serem mquinas adiabticas ideais, estes tambm

adicionam calor a carga, ento a sua eficincia determina-se de:


2 1

2 1

comp

real

T T

T T

Onde:



(11.2)

11.3 Intercooler

A relao das massas especficas entrada e a sada do compressor

determinam-se de :


2 2 1

1 2 1

P T

T P

Onde:

1 - a massa especfica a entrada do compressor

2 - a massa especfica a sada do compressor



P2 a presso a sada do compressor

P1 - a presso a entrada do compressor

(11.3)

11.3 Intercooler

A eficincia de um termopermutador de calor determina-se de:


Onde:

T2 a temperatura de sada do compressor;

T3 a temperatura de sada do ar do termopermutador

T4 a temperatura de sada do fludo refrigerante do termopermutador

2 3

2 4

t

T T

T T

(11.4)

11.3 Intercooler


Parati Turbo 1.0 16V

Efeito do Intercooler sobre Densidade do Ar

40

80

120

160

80 100 120 140 160 180 200

Velocidade [km/h]

Au

me

nto

de

De

ns

ida

de

[%

]

40

80

120

160

Te

mp

era

tura

[C

]

ANTES DO INTERCOOLER

APS INTERCOOLER



11.4 Passos para escolha de um turbo-

compressor

1. calcula-se a razo de presses entre a entrada e a sada do compressor pela expresso:

tur ent said term

ent ent

P P P P

P P

Onde: Ptur Presso de sada do Compressor Pent Presso de entrada no Compressor Psaid Presso de sada do Compressor Pterm Presso das perdas no intercooler ~ 0,8 kPascal

(11.5)



compressor

2. calcula-se a densidade do ar que sai do compressor pela expresso:

Onde: Ptur Presso de sada do Compressor T temperatura mdia dos gases no compressor ~ 80C

turP

RT (11.6)



compressor

3 . calcula-se a massa de ar que sai do compressor pela expresso (8.29)

Onde: Vd volume deslocado N Nmero de rotaes da cambota do motor 2 Para motores de quatro tempos 1 para motores de dois tempos a densidade do ar (mistura)

2

2

a a d vv a

a d

m V Nm

V N

(11.7)



compressor

4 . calcula-se a massa real de ar que sai do compressor pela expresso (2.35)

Onde: Pent Presso de entrada Pnor Presso de norma (736,3-9,65 mmHg) Tent Temperatura de entrada Tnor Temperatura de norma (29,4C) ma massa do ar (mistura)

ent entreal a

nor nor

P Tm m

P T

(11.8)



compressor

5 . Calcula-se o nmero real de rotaes do compressor pela expresso

Onde: N Nmero de rotaes do turbo Tent Temperatura de entrada Tnor temperatura de norma

real

ent

nor

NN

T

T

(11.9)


11.4.1 Mapas de Compressores

11.4.2 Linha de Pulsao

Linha de pulsao o limite esquerdo do mapa do compressor. A

operao a esquerda desta linha ocorre numa regio de instabilidade de

fluxo. Esta regio caracterizada pela transio da vibrao suave para uma

flutuante com um rudo vindo do compressor. A operao continua nesta

regio pode levar danificao prematura do turbo devido excessiva

presso de carga.

A pulsao acontece geralmente quando uma das duas situaes ocorrem:

A primeira e mais prejudicial o aumento da carga que pode ser um

indcio de que o compressor demasiado grande.

A pulsao geralmente tambm pode ocorrer quando o acelerador

fechado repentinamente depois de uma grande acelerao. Isso ocorre

porque o fluxo de massa drasticamente reduzido quando a borboleta do

acelerador fechada, mas o turbo ainda est a girar e gerar impulso o que

desloca imediatamente o ponto de operao para o lado esquerdo do

mapa compressor, ficando a linha do surge a direita.


11.4.2 Linha de Choque

A Linha de Choque, o limite lateral direito do mapa do

compressor. Para mapas Garrett, a linha normalmente

definida pelo ponto onde a eficincia do compressor cai

abaixo de 58%. Alm da rpida queda da eficincia do

compressor abaixo desta linha, a velocidade do turbo

tambm ser prxima ou superior ao limite admissvel. Se

a sua operao real estiver para alm desse limite,

necessrio um compressor maior.


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