E daí, qual deles é o melhor?
Resposta de Engenheiro: Depende para quê!
Texto extraído do Curso de Extensão: BOOST – Turbos &Blowers.
Professor JulioLodetti. (www.professorlodetti.com.br)
Teaser: https://youtu.be/4jW1L22DSXE
Nos motores sobre-alimentados (Turbinados, Com Blower, Krozenado, Fuçado, Envenenado, etc...), existem diferenças de construção, instalação, funcionamento e eficiência destes subsistemas. Assim cito como subsistemas (não para menosprezar, longe disso...) pois eles fazem parte dos equipamentos que suprem o sistema principal, que é o motor a combustão interna.
Importante saber: Quem basicamente define a vazão de ar que passa pelo compressor, é o MOTOR. Assim, para que se tenha uma alta vazão, e por consequência, alto rendimento volumétrico, é o MOTOR que precisa “respirar muito bem”.
Se você pensa em ter um motor sobrealimentado, um primeiro passo é uma adequação do conjunto comando/cabeçote para que se obtenha o torque (e potência como consequência) que você objetiva
.
Caso se opte por deixar todo o trabalho de recuperação de energia e compressão do ar para o turbo compressor, este irá trabalhar fora de sua faixa ideal. Com isso:
Aumenta a temperatura do ar admitido na câmara de combustão.
Em consequência, cai a densidade de oxigênio.
O que acarreta em uma diminuição da densidade de potência.
Outro fator agravante, é que as altas temperaturas do ar admitido, irão ocasionar uma forte tendência a combustão espontânea (Knock).
Resultado final será um motor com uma vida útil bem baixa e, performance aquém do esperado pelo usuário.
Figura 01: Detalhe em corte dos componentes e geometria de um turbo-compressor BorgWarner e Holset(Cummins Turbo Technologies).
Slides extraídos do Curso de extensão -BOOST: Turbos &Blowers do Professor JulioLodetti. https://youtu.be/4jW1L22DSXE
De volta...
Estes equipamentos de Sobre-Alimentação são comumente chamados:
⮚ Superchargers ou Blowers:Usam compressores acionados mecanicamente através de correias e engrenagens.
⮚ Turbochargers ou Turbo-Compressores: Usam compressores acionados pela dinâmica e energia dos gases de escapamento.
✔ Chamamos esta energia de Entalpia.
✔ Entalpia tem como unidade o Joule “J”. Ela é a definida pela Energia Interna do Gás“U”+ o estado que o gás se encontra, que são a Pressão e Volume“P*V”,ocupados nas vizinhanças deste gás.
✔ Chamamos de turbina, o rotor que recupera a entalpia fornecida pela combustão do motor. Esta energia recuperada pela turbina é entregue ao eixo do turbo-compressor que, por sua vez, aciona o compressor. Ufa....ainda me seguem??
Figura 02: A Lysholm tem uma ampla gama de compressores volumétricos tipo “screw” em seu portfóliode produtos. Slide extraído do Curso de extensão - BOOST: Turbos &Blowers do Professor JulioLodetti.
Os compressores destes sub-sistemas, podem ser divididos em 2 grupos:
✔ Compressores volumétricos (Blowers tipo Roots e Screw)
✔ Compressores de fluxo (Turbos, Vortech/Paxton)
Figura 03: Comparativo das geometrias dos compressores tipo “Screw” na esquerda e “Roots” na direita. Slide extraído do Curso de extensão -BOOST: Turbos &Blowers do Professor JulioLodetti.
A diferença principal entre os compressores reside no mecanismo de compressão.
No grupo dos compressores volumétricos, Blowers tipo “Roots”, a razão de pressão é feita entre os dispositivos COM ou SEM compressão interna ao mesmo.
Dispositivos volumétricos COM compressão interna (tipo Screw) são aqueles onde o ar é submetido à compressão no momento em que ele atravessa o compressor. São os modelos mais eficientes de compressores volumétricos. Também são mais caros.
Os dispositivos volumétricos SEM compressão interna (tipo Roots) transportam o ar em seu interior sem comprimi-lo. O efeito de sobre-alimentação dar-se á na saída do dispositivo, devido ao fenômeno de “Ram-Air”. Um exemplo clássico são os Blowers usados nos Top FuelDragsters, Mad Max, etc. A sua geometria mais simples é mais barata de se construir mas, o ar sai muito aquecido de dentro dele. O que ocasiona queda na densidade de oxigênio e tendência forte de KNOCK.
Por outro lado, a concorrência, como os Compressores de fluxo acionados mecanicamente, trabalha com o princípio de compressão interna. Como por exemplo, os sobre-alimentadores da marca Paxton/Vortech.
Figura 04: Comparativo de eficiência entre um Blower tipo “Roots” e um Supercharger centrífugo. Slide extraído do Curso de extensão -BOOST: Turbos &Blowers do Professor JulioLodetti.
Figura 05: Compressor volumétrico industrial tipo “Screw”. Slide extraído do Curso de extensão BOOST: Turbos &Blowers do Professor JulioLodetti.
As diferenças básicas entre todos estes dispositivos tornam-se aparentes quando se estuda os mapas de funcionamento e eficiência do compressor. Onde a razão de compressão é representada em função do fluxo de ar que entra no compressor. Lembrando que o fluxo de ar é determinado pelo rendimento volumétrico do MOTOR.
Vejamos o que a figura abaixo tem a nos dizer:
• O mapa do compressor também indica as curvas de ISO-Velocidades do Supercharger (Nv) e as curvas de eficiência de compressão isentrópicas (Nsv). A figura a seguir mostra as diferenças básicas entre os mapas de compressores de deslocamento volumétrico à esquerda (BlowersRoots) e os compressores de fluxo à direita(Paxton, Vortech).
• Os dispositivos de deslocamento volumétrico, tipicamente demonstram as curvas de ISO-Velocidadeinclinadas para a esquerda. Isto ocorre devido ao fato que a vazão diminui quando do aumento da razão de compressão. O principal motivo são os vazamentos de ar pelos lóbulos devido ao efeito da temperatura elevada neste. Assim sendo, os compressores volumétricos apresentam curvas típicas como a da figura.
Figura 06: Comparativo dos mapas dos compressores. Blower tipo “Roots”, na esquerda, e compressor centrífugo, ou máquina de fluxo, na direita. Foto extraída do livro “GasolineDirectInjectionEngines” BOSCH/MTZ.
• Ainda na figura da esquerda, do compressor tipo “roots”, as razões para isto acontecer, devem-se as folgas e espaços mortos entre os lóbulos e entre estes e a carcaça do compressor. Assim sendo, à medida que a razão de descarga aumenta, a eficiência volumétrica diminui. Em consequência, a vazão cai também. Um efeito secundário, vazamentos e folgas tendem a aumentar devido ao ar quente comprimido.
A razão de compressão alcançada (Boost, pressureratio, etc...), é assim mais influenciada pela geometria e qualidade de fabricação dos lóbulos e menos, pela rotação em si do compressor volumétrico.
Por sua vez, o volume debitado pelo compressor volumétrico é determinado diretamente pela velocidade e pelo tamanho deste.
• Diferentemente dos compressores de fluxo, os compressores de deslocamento volumétrico positivo, debitam o ar de uma maneira quase que contínua.
Devido as frequências de excitação das ondas de pressão nos dutos de admissão, os compressores de deslocamento volumétrico positivos são mais ruidosos. Mas vamos e venhamos, o ruído que os Blowers fazem, além da correia que o aciona, é uma melodia para os ouvidos!!!
Uma grande vantagem destes sistemas é que o mapa do compressor pode ser usado em toda a faixa de rotação do motor e, não existe região de operação aonde o escoamento é instável.
Já no caso dos compressores de fluxo (turbocompressores, Paxton/Vortech), estes funcionam baseados no princípio físico de conversão de energia cinética em energia potencial, ou seja, em pressão. Eles precisam de uma vazão mínima de ar para começarem a gerar pressão. Este período de subida da pressão, chama-se “Turbo LAG”. Existem outros fatores e fenômenos (surge, choque, overspeed, ...) que ocorrem nos compressores e turbinas, porém, a gente vai discuti-los em outro artigo.
Os compressores mais usados nos motores automotivos são os compressores radiais (compressores centrífugos), aonde o ar entra axialmente e sai das pás do compressor radialmente, após ser comprimido. Estes são os Turbos, ou Turbo-compressores.
Além de possuírem uma geometria mais eficiente, são acionados por uma turbina, que recupera energia desperdiçada pelo motor. Já os compressores acionados mecanicamente, consomem grande parte do torque que seria enviado para as rodas.
RESUMO da ÓPERA
Um resultado prático disso, em se comparando o mesmo motor equipado com estes dois sistemas, àquele com compressor acionado mecanicamente terá um consumo de combustível maior e, provavelmente, menor desempenho.
Mas, um motor com um Blower “Roots” tem um ronco inconfundível e alto, devido ao escapamento estar completamente livre. Coisa que deixa qualquer “gearhead” ouriçado!
Um motor com turbo-compressor, pode trabalhar com razões de sobre-alimentação maiores, por consequência, um maior desempenho. Também é possível adotar-se, dependendo da configuração de cilindros, 2 ou até 4 turbo-compressores! Estes, podem ser em série (comumente chamado de “compound”) ou em paralelo (como nos motores em linha).
Por fim, temos 3 parâmetros importantes na compreensão do funcionamento do compressor. São eles:
- Razão de pressão
- Vazão
- Rotação do Motor
Se for continuar a falar dos sistemas de sobre-alimentação dos motores, ainda teremos 1 Mol ( 6,02 x 10 na vinte e três) de linhas a escrever. Vale lembrar ainda dos turbos de geometria variável, turbo “free-floating”, turbo com waste-gate, etc...
Outro assunto muito importante e complexo, é o “turbo matching” que é o dimensionamento do turbo-compressor para seu motor e objetivos de performance, etc...
Mas a interpretação destes gráficos do “turbo matching” fica para quem estiver conosco no Curso de Extensão: BOOST – Turbos&Blowers.
Aqui nossa webpage com a Ementa: https://www.professorlodetti.com.br/alimentacao-motores
Teaser:
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