TURBOCOMPRESSÃO Os turbocompressores aumentam ...eduloureiro.dominiotemporario.com/doc/wastegate.pdf · Uma forma de fazer com que os turbos maiores “acelerem” mais rapidamente,

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.

Prof. Eduardo Loureiro, DSc. POLI/UPE

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 2500-3000 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 30-40 psig de boost, que a maioria

dos motores não aguentam.


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.


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.


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.


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.

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.

1002

2

exducer

inducertrim


Durante os picos de boost, o eixo de conexão da roda da turbina com a roda do compressor atinge marcas astronômicas de

150000+ 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.


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 80.000 a ~ 180.000 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.


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”.


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.


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.


Partindo de algumas premissas que simplificam o processo,

é fácil calcular o fluxo de massa:

Atmosfera padrão: ρar = 0.002645lb/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).

ρar = densidade do ar

Vd = volume deslocado do motor (cilindrada)

ηvol = Eficiência volumétrica

PR = pressure ratio

PRrpm

Vm voldarar2


Por exemplo, um motor 2.3L, a 6000 RPM com 10 psig de

boost:

PRrpm

Vm voldarar2

68,17,14

7,1410

psia

psiapsigPR

min12,2968,195,0

260003,2002645,0

lbrpmL

L

lbmar


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.

. Prof. Eduardo Loureiro, DSc. POLI/UPE

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.


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.


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


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 imediatamente antes da entrada da turbina (backpressure ou

contrapressão).

É muito importante manter estes dois itens os mais baixos possíveis.


Ti = Temperatura absoluta na entrada do compressor

Pi = Pressão absoluta na entrada do compressor

Po = Pressão manométrica na saída do compressor

η = eficiência do compressor (normalmente na faixa de 0,6 a 0,7).

A equação usada para a temperatura na saída do compressor To é:

Portanto, se tivermos em um automóvel um compressor com Ti = 27oC, Pi = 101,3 kPa, Po = 71,3 kPa e η = 0,70:

O que parece bastante quente.

Ficará mais quente com mais boost e em compressores menos eficientes. É por isso que se usa o intercooler!

i

io

P

PPPR

iii

o TTPRT

T283,0

704,13,101

3,713,101PR CK

TT oi

o 9737015,2732770,0

704,115,27327 283,0

Para realizar cálculos da temperatura do ar que sai do compressor (To) é preciso definir

outros 4 itens:


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).


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.

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.


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.


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.


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.



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.



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.



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.



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.



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.



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.


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.


Documents

TURBOCOMPRESSÃO Os turbocompressores aumentam ...eduloureiro.dominiotemporario.com/doc/wastegate.pdf · Uma forma de fazer com que os turbos maiores “acelerem” mais rapidamente,