Prof. Eduardo Loureiro, DSc. POLI/UPE

Transcrição

1 TURBOCOMPRESSÃO Os turbocompressores aumentam significativamente a potência do motor com muito pouca adição de peso. Eles comprimem o ar e forçam este ar comprimido para o coletor de admissão. O compressor é acionado por uma turbina que está acoplada na outra extremidade do eixo comum aos dois. Já a turbina gira devido à passagem dos gases de escape que deixam o motor.

2 TURBOCOMPRESSÃO Os turbocompressores aumentam significativamente a potência do motor com muito pouca adição de peso, porém há poucos pontos negativos: Um ponto negativo frequentemente citado é o turbo lag. A baixas rotações não há fluxo de ar através do motor suficiente para que a turbina crie significativa quantidade de boost. Como resultado, motores turbinados normalmente não têm muito torque abaixo de rpm (a menos que o turbo tenha sido dimensionado muito pequeno para o deslocamento do motor). Quando o acelerador é pressionado, leva algum tempo para que a turbina acelere e rode rápido para produzir maior boost e atender à demanda do motor. Os turbocompressores maiores normalmente aceleram mais lentamente e precisam de maiores velocidades do motor para alcançarem o boost desejado, porém, são menos restritivos aos gases de escape e podem fornecer mais potência na faixa de altas rotações do motor. O oposto é válido para os turbos menores (apresentam menor turbo lag porém já não aumentam tanto a potência na faixa final de rpm). Um outro ponto negativo é o aumento da complexidade. A Central Eletrônica - ECU - terá de monitorar a pressão de admissão, e então injetar mais combustível, controlar o tempo de ignição, e restringir o nível de boost para evitar detonação e pré-ignição. Sem esse controle, os turbocompressores irão criar acima de psig de boost, que a maioria dos motores não aguentam.

3 De forma geral, o estilo de direção (competição x trânsito urbano) é que irá ditar a escolha do tipo de turbo a ser usado no motor. Um parâmetro importante na escolha de um turbo é a relação Área/Raio da Turbina (Turbine A/R), que é a relação entre a área da entrada da carcaça da turbina e o seu raio, conforme mostrado na figura. Uma alta razão A/R significa que a carcaça da turbina é grande em relação ao tamanho da roda (wheel size). Enquanto que uma pequena relação A/R significa que a carcaça é pequena em relação ao tamanho da roda, ou seja, há menos espaço entre a roda e a carcaça. Consequentemente, para uma turbina com uma carcaça de um certo tamanho, uma roda maior produz uma relação A/R menor, e uma roda menor resulta em uma relação A/R maior. E, como trata-se de uma razão matemática, dois turbos podem ter a mesma razão A/R e terem tamanhos completamente diferentes ( por exemplo, 1/2 = 5/10). Um turbocompressor com uma menor relação A/R irá acelerar mais cedo e velozmente que um outro turbo com uma A/R maior, se todo o restante permanecer constante.

4 Quanto menor a relação A/R da turbina, mais rapidamente os gases de exaustão escoarão através dela. Por outro lado, quanto maior A/R, mais lentamente se dará esse escoamento. Então, em geral, turbos menores são acelerados mais rapidamente e mais cedo na faixa de rpm do motor (menor turbo lag). O ponto negativo dos turbos menores é que o seu menor tamanho tende a inibir o escoamento do ar (e potência) a altas rotações (5000+ rpm), causando o sufocamento do motor caso haja alguma restrição no corpo de borboleta. Enquanto turbos maiores não sufocam a admissão de ar nos motores a altas rpm, o movimento mais lento dos gases de exaustão retarda a rotação da roda da turbina e a produção de boost, e consequentemente de potência, significando que se você pisa a baixa rpm, há um retardo significante até que o turbo esteja produzindo boost suficiente. Em resumo, aumenta o turbo lag, mas, se o que interessa é a produção de alta potência na faixa final de rpm, é necessário um turbo maior.

5 Uma forma de fazer com que os turbos maiores acelerem mais rapidamente, ou seja, diminuir o seu turbo lag, é pela utilização de mancais de rolamentos de esferas. Estes mancais permitem uma aceleração bem mais rápida que os mancais de deslizamento (de 15 a 25% mais rápido). Os mancais de rolamento também requerem menos óleo, então, ao fazer a substituição deve-se usar uma restrição na linha de suprimento de óleo ao turbo.

6 Um parâmetro importante no dimensionamento de turbocompressores é a relação do compressor (compressor trim): O tamanho do indutor (inducer) é o diâmetro das lâminas do compressor na entrada. Já o exducer size é o diâmetro das lâminas do compressor na saída. trim inducer exducer Então, para um compressor com inducer de 61 mm e exducer de 82 mm, a relação é igual a 55. Como regra geral, quanto maior o trim, mais ar vai escoar pelo turbocompressor, enquanto turbocompressores menores aceleram mais cedo, assumindo que todos os outros parâmetros não mudem. Ou seja, se você tem dois turbocompressores idênticos, um com um trim de 60, e outro com trim de 50, irá escoar mais ar pelo primeiro.

7 Durante os picos de boost, o eixo de conexão da roda da turbina com a roda do compressor atinge marcas astronômicas de rpm. Os mancais nos quais o eixo gira necessitam de um constante suprimento de óleo. O óleo é o sangue que mantém a turbina. Ele lubrifica e, mais importante, ajuda na retirada da quantidade extremamente excessiva de calor liberado pelo turbo. A maioria dos turbocompressores são resfriados apenas por óleo, mas alguns turbos, especialmente aqueles de alta performance são refrigerados também por água.

8 A maioria dos fabricantes apresentam mapas de escoamento (flow maps) que mostram quanto escoamento de ar o turbo pode suportar em vários níveis de boost, em função da velocidade de rotação aproximada (wheel rpm) e da eficiência global. Por exemplo, a figura mostra um flow map de um turbo relativamente pequeno da Garret - GT2860R: O eixo-x apresenta o escoamento de massa de ar (lb/min). As curvas que começam na horizontal e se curvam para baixo na medida em que avançam para a direita informam a rpm das rodas da turbina e compressor. As velocidades variam entre a ~ rpm para normal boost. A área da direita, além da última curva do gráfico representa uma região de grande ineficiência do turbo, onde a roda do compressor aquece excessivamente o ar quando o comprime. O limite à esquerda é chamado de surge line (linha de surto, em uma tradução direta), e deve-se evitar ao máximo rodar o turbo à esquerda deste limite, pois é muito prejudicial ao turbo e pode levá-lo a uma quebra prematura.

9 O gráfico é limitado à esquerda pela surge line. Mais a esquerda dessa linha acontece o retardamento do fluxo de ar na entrada do compressor. Com uma vazão muito pequena e uma razão de pressão muito alta, o ar deixa de aderir ao lado de sucção das paletas do compressor resultando na interrupção do processo de descarga do compressor. O ar através do compressor é revertido até alcançar uma razão de pressão estável com fluxo positivo do ar, a pressão aumenta novamente e o ciclo se repete. Esta instabilidade do escoamento continua em uma certa frequência e provoca um ruído conhecido como surging.

10 A máxima vazão alcançada por um compressor centrífugo é geralmente limitada pela área de seção na entrada do compressor (inducer). Quando o escoamento alcança velocidade sônica, não é possível nenhum aumento de vazão adicional. Este limite é caracterizado pela choke line vista no gráfico.

11 O eixo-y apresenta a razão de pressões que indica o quanto maior é a pressão na saída do compressor do que na entrada. Uma razão de pressões igual a 2 indica que a pressão na saída do compressor é duas vezes a pressão na entrada. Quando falamos em 10 psig de boost, a pressão de ar real no coletor de admissão é de 24,7 psia (14,7 psia da pressão atmosférica + 10 psig) ao nível do mar. Portanto, 1 bar de boost corresponde a aproximadamente 2 bar de pressão absoluta no interior do coletor.

12 Partindo de algumas premissas que simplificam o processo, é fácil calcular o fluxo de massa: Atmosfera padrão: ρ ar = lb/L Eficiência volumétrica do motor constante e igual a 95% (válvula borboleta totalmente aberta). Perdas de pressão no intercooler, tubos e filtro de ar são desprezíveis (o que é uma aproximação). m ar ar ρ ar = densidade do ar V d = volume deslocado do motor (cilindrada) η vol = Eficiência volumétrica PR = pressure ratio V d rpm 2 vol PR

13 Por exemplo, um motor 2.3L, a 6000 RPM com 10 psig de boost: m ar ar V d rpm 2 vol PR PR 10psig 14,7 psia 14,7 psia 1,68 m ar lb 0, L 2,3L rpm ,95 1,68 lb 29,12 min

14 Como pode-se ver, está fora da faixa de eficiência do turbo. Enquanto aparentemente o turbo possa comprimir essa grande quantidade de ar com este ganho de pressão, o ar será excessivamente aquecido no processo, submetendo o intercooler a uma alta demanda e aumentando a pressão de retorno para o motor (backpressure) em níveis excessivos. Deve-se selecionar um turbo maior, mas isto deve ser feito cuidadosamente. Primeiro, quanto maior o turbo, mais ar ele pode comprimir. Segundo, turbos maiores levam mais tempo e precisam de mais fluxo de massa de ar para acelerar, ou seja, maior turbo lag. Terceiro, e possivelmente o mais importante, mas sempre negligenciado, é que é necessário ter certeza de que não se deve ultrapassar a surge line do turbo. Isto pode ser evitado quando a válvula borboleta é subitamente fechada, utilizando-se uma válvula de bypass do compressor CBV ou uma válvula blowoff BOV, mas deve-se ter certeza também que o turbo não é grande o suficiente para que o compressor ultrapasse a surge line sob moderadas solicitações (baixos air flow) com alto boost..

15 Como o modelo avaliado (GT2860R) pareceu ser muito pequeno para o motor em questão, vejamos o que acontece com um turbo imediatamente maior na linha de produção do mesmo fabricante (GT3071R). Este turbo pode realmente estar um pouco superdimensionado para o motor em questão, mas permite a opção de aumentar muito o boost sem deixar de respirar. Deve-se apenas ter cuidado para não alcançar o limite surge line a baixas rotações, caso este turbo seja escolhido. Um cuidadoso controle do boost por meio de um wastegate e controle eletrônico dará conta do recado.

16 A válvula wastegate permite que uma parcela do fluxo de gás de escape escoe por uma passagem (bypass) sem forçar a turbina a girar. Isto permite a compressão de bastante ar para o motor sem forçar as rodas do turbo a girarem a plena velocidade todo o tempo. Normalmente a wastegate encontra-se fechada abaixo de um certo nível de boost. Ultrapassado este nível, abre lentamente para controlar a quantidade de pressão que o compressor gera. Isto também reduz um pouco a contrapressão do motor, que sempre é uma coisa boa. O solenoide trabalha para controlar a carga de pressão que aciona o atuador do wastegate. Isto proporciona uma carga de pressão de admissão no motor que otimiza as condições de funcionamento do motor. A Central Eletrônica - ECM coloca o transistor de potência da unidade em ON, proporcionando a abertura completa do solenoide. Isto proporciona um vazamento na carga de pressão sobre o atuador da wastegate. Então, a menos que a pressão de admissão suba a valores acima da pressão proporcionada pela mola do atuador, a válvula wastegate do turbo não abrirá. Por outro lado, quando o solenoide está completamente fechado não há vazamento da pressão de admissão. Então, quando a pressão de admissão ultrapassa a da mola do atuador, a válvula wastegate irá abrir.

17 Combinando a operação dos dois solenoides, a ECM é capaz de controlar uma larga faixa de pressões de admissão.

18 A eficiência de um turbocompressor é dada pela razão entre quanto trabalho ele consegue transformar em compressão do ar e quanto trabalho ele recebe da turbina. Em um compressor ideal esta razão seria igual a 1. Porém, turbulência, transmissão de calor entre as pás e o ar, efeitos acústicos, e outros fenômenos ocorrem no mundo real. Turbos mais modernos são geralmente mais eficientes que os mais antigos, graças a melhorias tecnológicas, melhores projetos, melhores rolamentos e materiais mais fortes. A eficiência dos turbos realmente influenciam em dois itens: Temperatura do ar de admissão depois da roda do compressor; Pressão dos gases de exaustão contrapressão). imediatamente antes da entrada da turbina (backpressure ou É muito importante manter estes dois itens os mais baixos possíveis.

19 Para realizar cálculos da temperatura do ar que sai do compressor (T o ) é preciso definir outros 4 itens: T i = Temperatura absoluta na entrada do compressor P i = Pressão absoluta na entrada do compressor P o = Pressão manométrica na saída do compressor η = eficiência do compressor (normalmente na faixa de 0,6 a 0,7). PR Po Pi P i A equação usada para a temperatura na saída do compressor T o é: T o T i PR 0,283 T i T i Portanto, se tivermos em um automóvel um compressor com T i = 27 o C, P i = 101,3 kpa, P o = 71,3 kpa e η = 0,70: PR 101,3 71,3 101,3 1,704 0, ,15 1,704 Ti To ,15 370K 97 0,70 o C O que parece bastante quente. Ficará mais quente com mais boost e em compressores menos eficientes. É por isso que se usa o intercooler!

20 Os cálculos envolvidos com a queda de temperatura através do intercooler são muito complexos devido a natureza da geometria do equipamento e depende de parâmetros como comprimento de aletas, espessura e material da tubulação, resistência térmica de paredes e outras. Pode-se calcular a temperatura de saída do intercooler a partir da velocidade do fluxo de ar dentro do intercooler, a velocidade do intercooler através do ar, envolvendo muita geometria, mas o resultado continua sendo uma estimativa. Então, para escolher um intercooler o melhor é pegar o maior que caiba dentro de sua área de trabalho no interior do compartimento do motor. Os intercoolers maiores podem remover mais calor e normalmente apresentam uma menor queda de pressão ao longo do percurso do ar, permitindo ao turbocompressor executar menos trabalho para chegar na mesma pressão no coletor de admissão. É bom lembrar que quanto mais volume o intercooler tenha, mais ar deve ser recolocado quando o boost aumenta (leia-se: tempo de resposta à válvula borboleta aumenta).

21 No TOPO: São localizados acima do motor e usam uma abertura no capô para direcionar o ar sobre o intercooler. Permite a instalação com pequena tubulação o que contribui para diminuir o turbo lag. FRONTAL: Permite a instalação de intercoolers maiores. O ar admitido deve sair do compressor do turbo para a frente do carro e então voltar para o coletor de admissão, o que pode agravar o problema do turbo lag. LATERAL: São usados quando há restrições de espaço no compartimento do motor e na frente do carro. Trazem a mesma má influência no turbo lag, que os intercoolers frontais também proporcionam.

22 Precauções na instalação da tubulação do intercooler: Quanto maior o diâmetro, menor a restrição ao escoamento, porém maior o volume. Usar o mínimo de curvas possível e construí-las com o maior raio permitido. O objetivo é permitir que o ar escoe o mais facilmente possível sem aumentar muito o volume, o que aumenta o turbo lag.

23 Como visto para a tubulação do intercooler: quanto menor for a restrição ao escoamento, maior será o aumento de potência (boost). O mesmo vale para a tubulação de escapamento, pois maiores restrições causarão aumento da contrapressão (que causa perda de potência) e aumento na temperatura dos gases de escape. Substituição de tubulação por outra de diâmetro maior.

24 VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS: Para prevenir danos definitivos ao motor turbinado, alguns pontos devem ser considerados: Tempo de ignição; Razão Ar/Combustível; Razão de compressão; Controle de boost.

25 VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS: A principal consequência danosa que pode advir da turbocompressão é a pré-ignição ou detonação. Quando a pré-ignição ocorre, acontece a detonação em vez de, ou em adição à combustão normal, provocando picos de pressão muito mais altos (antes do PMS) que o desejado, o que pode trazer sérios danos ao motor. A principal causa é a temperatura excessiva.

26 VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS: As altas temperaturas podem ser causadas por vários motivos: temperatura da mistura admitida muito alta, razão de compressão muito alta, pistões e cilindros muito quentes. Combustíveis de baixa octanagem também contribuem para a ocorrência de detonação. Por isso é recomendado o uso de gasolina aditivada.

27 VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS: A primeira forma de reduzir detonação é retardando o tempo de ignição. A curva no gráfico mostra a pressão no interior do cilindro, o pico de pressão acontece após a ignição, um pouco depois do PMS, e acontece uma queda repentina depois da abertura da válvula de descarga. Com o atraso da ignição, os gases quentes da combustão permanecem menos tempo no cilindro, reduzindo a temperatura. Isto implica em que caso a detonação persista, o pico de pressão acontece mais tarde enquanto o pistão já está no seu curso descendente, diminuindo a intensidade desse pico. Caso o atraso seja demasiado vai haver perda de pressão, então deve ser encontrado um tempo ótimo para dada rpm. Normalmente, este tempo varia entre 40 a 60º antes do PMS, dependendo da geometria do cilindro e cabeçote.

28 VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS: A primeira forma de reduzir detonação é retardando o tempo de ignição. A curva no gráfico mostra a pressão no interior do cilindro, o pico de pressão acontece após a ignição, um pouco depois do PMS, e acontece uma queda repentina depois da abertura da válvula de descarga. Com o atraso da ignição, os gases quentes da combustão permanecem menos tempo no cilindro, reduzindo a temperatura. Isto implica em que caso a detonação persista, o pico de pressão acontece mais tarde enquanto o pistão já está no seu curso descendente, diminuindo a intensidade desse pico. Caso o atraso seja demasiado vai haver perda de pressão, então deve ser encontrado um tempo ótimo para dada rpm. Normalmente, este tempo varia entre 40 a 60º antes do PMS, dependendo da geometria do cilindro e cabeçote.

29 VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS: Uma outra forma fácil de reduzir a detonação é aumentando a razão Ar/Combustível. Quando há mais combustível presente, a temperatura final da exaustão é maior, porém, o combustível extra atua como um amortecedor térmico, desde que ele requer mais energia para aquecer mais combustível durante a compressão. A temperatura na compressão é a que determina se há ou não detonação. Por outro lado, enriquecer demais a razão A/F causará diminuição de potência e aumento do consumo de combustível.

30 VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS: Outra forma de permitir o máximo de boost sem detonação é reduzindo a taxa de compressão. Isso reduz a pressão final dentro do cilindro, prevenindo a detonação. Por isso, a maioria dos motores turbinados apresentam taxas de compressão bem baixas em relação aos motores naturalmente aspirados.

31 TURBINA COM GEOMETRIA VARIÁVEL Pesquisas vêm sendo efetuadas no intuito de melhorar o projeto das turbinas convencionais visando eliminar o turbo lag. Desta forma as turbinas utilizam os gases de escape de forma mais eficiente possível fornecendo boost instantaneamente. Isto começa a ser conseguido com as Turbinas de Geometria Variável. Esta tecnologia emprega paletas móveis que otimizam a área de escoamento dos gases de escape pela turbina. A roda da turbina é capaz de operar em alta eficiência em uma ampla faixa de rpm do motor. A Turbina de Geometria Variável elimina a necessidade da wastegate que controla o boost das turbinas convencionais. Em vez disso, as paletas móveis ajustam automaticamente a área de escoamento e a contrapressão para que as condições de torque requeridas pelo compressor sejam alcançadas para produzir o boost desejado.