Turbocompressão

Transcrição

Turbocompressão

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.
trim
inducer 2
100
exducer 2
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.
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).
 ar
m
ar
Vd
rpm
2
vol
PR
ρar = densidade do ar
Vd = volume deslocado do motor (cilindrada)
ηvol = Eficiência volumétrica
PR = pressure ratio
Por exemplo, um motor 2.3L, a 6000 RPM com 10 psig de
boost:
 ar
m
PR
ar
Vd
10 psig 14,7 psia
14,7 psia
rpm
2
vol
PR
1,68
lb
rpm
lb
 ar 0,002645 2,3L 6000
m
0,95 1,68 29,12
L
2
min
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.
.
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
contrapressão).
imediatamente antes da entrada da turbina (backpressure ou
É muito importante manter estes dois itens os mais baixos possíveis.
Para realizar cálculos da temperatura do ar que sai do compressor (To) é preciso definir
outros 4 itens:
Ti = Temperatura absoluta na entrada do compressor
P i = 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).
PR
Po Pi
Pi
A equação usada para a temperatura na saída do compressor To é:
To
Ti PR0,283 Ti
Ti
Portanto, se tivermos em um automóvel um compressor com Ti = 27oC, Pi = 101,3 kPa, Po = 71,3 kPa e η = 0,70:
PR
101,3 71,3
1,704
101,3
To
27 273,15 1,7040,283 Ti
0,70
27 273,15
370K 97o 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!
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).
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.
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.
Prof. Eduardo Loureiro,DSc. POLI/UPE
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.

Turbocompressão

Transcrição

Documentos relacionados

Aula 1 - eduloureiro.com.br

Manual do Turbo Timer

fichat é cnica

informações gerais sobre a poli

Page 1 Technical Data Sheet Shell Turbo Oil T 32 Lubrificante de

RENAULT 5 TURBO FRUTO DA PAIXÃO Estamos na década de 70

adidas AG

Hyundai Novo Veloster Turbo (GDi)

Untitled - Minitel

Unidade de controle de recuperação de energia

Entre o Chão e o Infinito. Calçadas, azulejos e mosaicos de

2016MAVERICK™ X® ds TURBO

Curriculum Vitae - Centro de Ecologia Funcional

Relatório de Atividades 2010

acervo biblioteca