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UNIVERSIDADE TUIUTI DO PARANÁ COMPRESSOR DE ACIONAMENTO MECÂNICO APLICADO COMO SISTEMA DE SOBREALIMENTAÇÃO EM MOTORES AUTOMOTIVOS CURITIBA 2015 Antônio Jadir Niehues Junior Gilberto Luiz Fragoso Giulianno Miola Luis Gustavo L.S. França Victor Ferreira de Cossa COMPRESSOR DE ACIONAMENTO MECÂNICO APLICADO COMO SISTEMA DE SOBREALIMENTAÇÃO EM MOTORES AUTOMOTIVOS CURITIBA 2015 Trabalho apresentado ao curso de Engenheira Mecânica da Faculdade de Ciências Exatas e de Tecnologia da Universidade Tuiuti do Paraná, como requisito avaliativo do 1º bimestre da disciplina de Motores de Combustão. Professor: Adriano Lucio Feller RESUMO Os sistemas de sobre alimentação aumentam a pressão de ar enviada para dentro do motor, e basicamente se utilizam de duas forças para gerar esta pressão. Uma destas forças é retirada do virabrequim do motor, que é ligado por polias e uma correia a um compressor volumétrico. Este tipo de compressor é capaz de aumentar em até 100% a potência do motor liberada praticamente desde a marcha lenta. Porém existem alguns inconvenientes como a falta de força em altas rotações e o fato deste sistema roubar força do motor. Também existe o sistema de compressor centrífugo que se utiliza da energia eliminada pelos gases de escape que faz com que pás sejam movimentadas girando um eixo para que o ar seja enviado com mais pressão para o motor. Palavras - chaves: Compressor volumétrico. Supercharger. Compressor centrífugo.Turbocompressor. Intercooler. Válvula by-pass. LISTA DE FIGURAS FIGURA 01 – FUNCIONAMENTO COMPRESSOR ROOTS................................... 8 FIGURA 02 – APLICAÇÃO DO BLOWER EM MOTOR AUTOMOTIVO .................. 9 FIGURA 03 – FUNCIONAMENTO COMPRESSOR DE PARAFUSO DUPLO ...... 10 FIGURA 04 – APLICAÇÃO DO COMPRESSOR PARAFUSO DUPLO ................. 10 FIGURA 05 – FUNCIONAMENTO DO TURBOCOMPRESSOR ........................... 12 FIGURA 06 – APLICAÇÃO DO TURBOCOMPRESSOR ...................................... 13 FIGURA 07 – FUNCIONAMENTO DO INTERCOOLER ........................................ 14 FIGURA 08 – APLICAÇÃO DO INTERCOOLER ................................................... 14 FIGURA 09 – ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO VÁLVULA BY-PASS ............... 16 FIGURA 10 – ESQUEMA DE EMBREAGEM MAGNÉTICA .................................. 17 FIGURA 11 – LANCIA DELTA S4 .......................................................................... 17 FIGURA 12 – APLICAÇÃO DE DUPLO COMPRESSOR ...................................... 18 FIGURA 13 – FLUXO DO SISTEMA COMPRESSOR DUPLO .............................. 18 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 6 2. SOBREALIMENTAÇÃO EM MOTORES AUTOMOTIVOS ................................ 7 2.1 COMPRESSORES DE ACIONAMENTO MECÂNICO – SUPERCHARGER ..... 7 2.1.1 Compressor Roots ............................................................................................. 8 2.1.2 Compressor de Parafuso Duplo ......................................................................... 9 2.1.3 Vantagens e Desvantagens ............................................................................. 11 2.2 COMPRESSOR CENTRÍFUGO - TURBOCOMPRESSOR ............................. 12 2.2.1 Vantagens e Desvantagens ............................................................................. 13 2.3 INTERCOOLER ............................................................................................... 14 2.4 APLICAÇÃO DE SISTEMA DE DUPLO COMPRESSOR ................................ 15 2.4.1 Funcionamento da válvula By-pass .................................................................. 15 2.4.2 Funcionamento da Embreagem Eletromagnética ............................................ 16 2.5 INTEGRAÇÃO DOS SISTEMAS ...................................................................... 17 3. CONCLUSÃO ................................................................................................... 20 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 21 6 1. INTRODUÇÃO Desde quando os motores foram criados, a intenção do homem foi de gerar o máximo de potência possível com estas máquinas térmicas. A partir do momento que um motor era criado, após algum tempo um novo e melhorado era apresentado. A fim de suprir esta potência não tão alta, foram desenvolvidos sistemas de sobre alimentação, capazes de fazer o motor produzir mais potência sem a necessidade do aumento de cilindrada. Estes sistemas são amplamente utilizados até os dias de hoje. Esta pesquisa tem por interesse identificar os métodos existentes para possibilitar o aumento de potencia em motores automotivos, busca também definir quais as vantagens e desvantagens de cada sistema e o que pode ser feito para tentar eliminar a maioria dos problemas que sistemas de sobre alimentação podem ter. Os sistemas de sobre alimentação aumentam a pressão de ar enviada para dentro do motor, e basicamente se utilizam de duas forças para gerar esta pressão. Uma destas forças é retirada do próximo virabrequim do motor, que é ligado por polias e uma correia a um compressor volumétrico. Este tipo de compressor é capaz de aumentar em até 100% a potência do motor liberada praticamente desde a marcha lenta. Porém existem alguns inconvenientes 7 2. SOBREALIMENTAÇÃO EM MOTORES AUTOMOTIVOS Motores automotivos no geral são máquinas térmicas que se utilizam da força da explosão de gases para gerar energia cinética. Para que esta energia seja gerada, o motor precisa que uma reação química aconteça isto se dá por meio de dois agentes, um combustível (gasolina, diesel, etanol, gás natural veicular) e um comburente (oxigênio), este processo gera a combustão da mistura. Para que esta energia térmica se torne cinética, são necessários que quatro etapas aconteçam dentro do motor, admissão, compressão, explosão e a descarga. A potência de um motor é limitada pela quantidade de mistura ar / combustível que pode ser queimada dentro de cada cilindro. Se o ar que entra nos cilindros for comprimido para uma densidade maior que a atmosférica, a potência do motor pode ser elevada, e isto é chamado de sobre alimentação. A palavra sobre alimentação se refere ao aumento da densidade da mistura ar / combustível pelo aumento da pressão antes de entrar nas câmaras de combustão. Existem dois métodos bem conhecidos que são mais eficazes para aumentar a pressão enviada para dentro de um motor, o método que utilizada um compressor de acionamento mecânico ou volumétrico e também conhecido como supercharger, e outro que utiliza um compressor centrífugo ou como mais conhecido, o turbo compressor. 2.1 COMPRESSORES DE ACIONAMENTO MECÂNICO – SUPERCHARGER O compressor de acionamento mecânico, também pode ser conhecido como compressor volumétrico ou Supercharger, existe há vários anos e no começo do século XX alguns projetos similares foram usados. Este tipo de compressor atua utilizando o movimento do próprio motor, normalmente ligado por uma correia para fazer a transmissão de energia do virabrequim para a sua polia, desde modo comprimindo o ar para dentro da admissão, o tamanho desta polia faz a relação de velocidade dogiro aumentar ou diminuir e controla a pressão de ar entrando no sistema. Os principais compressores volumétricos existentes são o Roots, e o de parafuso duplo e o centrífugo. Suas diferenças estão no modo como jogam o ar para dentro da admissão e sua eficiência vai levar em consideração o tipo de projeto para o qual serão utilizados. 8 2.1.1 Compressor Roots Este é o mais antigo dos compressores, em 1.860 foi patenteado por Philander e Francis Roots, e servia como uma máquina para ventilação de minas. Em 1.900 Gottlieb Daimler montou este compressor em um automóvel, e a partir daí ele começou a ser utilizado para tal finalidade. Dentro do compressor existem lóbulos que giram em conjunto, porém em sentidos contrários encaixados de um modo parecido com engrenagens, como pode ser visto na figura a seguir. FIGURA 01 – FUNCIONAMENTO COMPRESSOR ROOTS FONTE: HOW STUFF WORKS, 2015,http://www.howstuffworks.com/supercharger Como mostrado na figura 1, os lóbulos giram no sentido contrário um do outro entrelaçados. Esta rotação faz com que o ar seja admitido e carregado entre os lóbulos até a sua liberação. Este ar admitido entra na admissão do automóvel com maior pressão, possibilitando que seja gerada maior potência. Este compressor é montado na parte superior do motor e é conhecido como Blower, pois sopra o ar para dentro do motor. Em sua aplicação, ele não é um dos mais eficientes, pois 9 acrescenta muito peso ao motor e devido ao fato de soprar o ar em jatos não tão uniformes e contínuos como deveriam ser. FIGURA 02 – APLICAÇÃO DO BLOWER EM MOTOR AUTOMOTIVO FONTE: MUSTANG FORUMS, 2015,http://www.mustangforums.com/forums 2.1.2 Compressor de Parafuso Duplo Este compressor assim como o Roots, também tem dois lóbulos entrelaçados, mas com a diferença de que estes lóbulos são mais parecidos com engrenagens helicoidais. O funcionamento também é muito parecido com o do anterior, o ar fica preso nos espaços criados por estes lóbulos, mas ao invés de mandar o ar direto para a admissão como faz o outro modelo, o compressor de parafuso duplo comprime o ar dentro de sua própria câmara. Isto acontece, pois os rotores possuem uma redução de formato cônico, isso faz com que o espaço para o ar fique cada vez menor ocasionando uma vazão mais rápida quando este se desloca para a admissão. 10 FIGURA 03 – FUNCIONAMENTO COMPRESSOR DE PARAFUSO DUPLO FONTE: HOW STUFF WORKS, 2015,http://www.howstuffworks.com/supercharger FIGURA 04 – APLICAÇÃO DO COMPRESSOR PARAFUSO DUPLO FONTE: BRITISH V8, 2015, http://www.britishv8.org/articles/mgb-v8-supercharger.htm 11 2.1.3 Vantagens e Desvantagens Uma das maiores vantagens de se instalar com compressor volumétrico no motor de um automóvel, é o aumento de potencia sem que seja necessário o aumento da capacidade cúbica deste motor, ou seja, pode-se ter um carro com 1.000 cilindradas cúbicas, se comportando como um carro de 1.600 cilindradas cúbicas, e isto contribui com o consumo inferior de combustível e a diminuição da eliminação de partículas de CO2 no ambiente. Além o aumento de potencia, o compressor volumétrico começa a operar desde quando é dada a partida no motor, isto se deve ao fato já citado de que o para que haja movimento, ele é ligado por uma correia ao virabrequim do motor, isto faz com que o torque e potencia máximo sejam apresentados a uma rotação consideravelmente baixa. Existe também o fato de que o compressor utiliza lubrificante que fica dentro dele próprio, sem que haja a necessidade de uma linha de lubrificação separada para fazer este trabalho. Isto possibilita que o seja ligado e desligado juntamente com o funcionamento do motor. Sobre as desvantagens, este como o compressor começa a operar em rotações muito baixas, ele acaba perdendo eficiência em rotações mais altas, o que pode gerar estrangulamento de entrada de ar para o motor em cargas mais altas de aceleração. Esta sobre alimentação implica em maior esforço sobre o motor, e este precisa ser mais resistente para aguentar maiores cargas de combustão. Em vias disto, o motor acaba se tornando manutenção mais cara, e o próprio compressor também quando precisa de manutenção, acaba se tornando mais dispendioso. Além das desvantagens já citadas, existe a maior desvantagem de todas que é a do roubo de potencia do motor, como este compressor é acionado diretamente por uma polia ligada ao virabrequim, as perdas podem chegar a 20% da potencia total gerada, porém esta perda acaba não sendo tão percebida já que o compressor é capaz de gerar 100% a mais da potencia original do motor. 12 2.2 COMPRESSOR CENTRÍFUGO - TURBOCOMPRESSOR Basicamente existe somente um tipo de turbo compressor, este compressor possui duas carcaças, uma chamada de carcaça quente, que é a que vai ligada as saída dos gases de escapamento (turbina), e outra chamada de carcaça fria que é ligada à admissão do veículo (compressor). Existe também um conjunto de pás em cada uma destas carcaças, que são interligadas por um eixo. O funcionamento do turbo compressor se dá a partir do aproveitamento da energia gerada pela saída dos gases de escape que faz com que as pás da turbina girem. Quanto mais as pás da carcaça quente giram, mais também irão girar as pás da carcaça fria fazendo assim com que mais comprimido para dentro da admissão do automóvel, fazendo com que haja a quantidade de mistura ar / combustível queimado e consequentemente o aumento de potencia. Para limitar a pressão que o turbo compressor manda para o motor, existem alguns tipos de válvulas de controle, estas válvulas fazem com que haja um controle na pressão do ar e também servem de escape para que o ar tenha para onde ir quando a borboleta de admissão carro se fecha, aumentando assim a vida útil do compressor. FIGURA 05 – FUNCIONAMENTO DO TURBOCOMPRESSOR FONTE: TURBO CENTER, 2015, http://www.turbocenter.com.br. 13 FIGURA 06 – APLICAÇÃO DO TURBOCOMPRESSOR FONTE: TURBO ENGINE, 2015, http://www.turboengine.com. 2.2.1 Vantagens e Desvantagens A vantagem do turbo compressor é a de aproveitar uma energia que seria desperdiçada, que é a energia dos gases de escape. Esta energia é reaproveitada e transformada por meio do movimento das pás em uma maior pressão e de ar enviada à admissão dos automóveis, o aumento de potencia pode ser de 50% a 300%. A grande desvantagem do turbo compressor é o lag (hesitação do turbo), que é o tempo necessário para que os gases do escape atinjam a velocidade ideal para fazer com o ar seja comprimido com maior pressão para dentro do motor. Este lag faz com o que o motor fique muito fraco se usado em regimes de rotação mais baixos, pois entrega melhor a pressão para o motor quando os gases do escapamento saem com mais velocidade devido à alta rotação do, outro ponto negativo é que este sistema utiliza óleo do próprio carro para lubrificação, se o compressor está sendo exigido e logo em seguida o motor do carro é desligado, a turbina corre o risco de trabalhar sem lubrificação, e para que isto não aconteça, é recomendado que se espere alguns segundos para que suas pás parem de girar. 14 2.3 INTERCOOLER Quando os sistemas apresentados anteriormente (supercharger e turbo compressor) atuam para enviar o ar com maior pressão para dentro do motor, eles exercem trabalho que consequentemente gera calor. Este calor é transmitido para o ar sendo enviado para o motor. Para resfriar este ar, existe o intercooler que nada mais é que um radiador trocadorde calor. O intercooler fica posicionado antes da admissão, todo ar enviado do compressor passa por ele para ser resfriado e ter sua densidade aumentada. Na figura 7 mostrada abaixo, podemos ver como o intercooler funciona, deslocando os gases de uma temperatura maior saídos do compressor, até entregar os gases numa temperatura mais baixa na admissão. FIGURA 07 – FUNCIONAMENTO DO INTERCOOLER FONTE: HONDA FORUM, 2015, http://www.hondaforum.com. FIGURA 08 – APLICAÇÃO DO INTERCOOLER FONTE: PERFORMANCE TRENDS, 2015, http://www.performancetrends.com. 15 2.4 APLICAÇÃO DE SISTEMA DE DUPLO COMPRESSOR Um sistema que já foi usado há muito tempo em competições, e hoje em dia está sendo utilizado para aliar potencia e economia nos carros mais modernos, é o sistema twincharger ou duplo compressor. Este sistema, nada mais é do que aliar a economia e a baixa emissão de carbono na atmosfera de um motor de baixa capacidade cúbica, com a potencia que os compressores supercharger e turbo podem gerar, em baixa e em alta rotação. Basicamente são os dois compressores montados no mesmo motor, fazendo com que um compressor complemente o outro, um eliminando a desvantagem do outro. Sabe-se que o sistema de supercharger tem problemas para funcionar em rotações mais altas e também se sabe que um turbo compressor trabalha melhor nestas faixas de rotação, porem nas baixas não apresenta tanto rendimento. Para suprir a necessidade de ter um carro linear, foi desenvolvido um sistema para que estes compressores trabalhem em paralelo. Para que isto funcione, é preciso que seja usada uma válvula semelhante à usada no corpo de borboleta da admissão, chamada de by-pass. 2.4.1 Funcionamento da válvula By-pass Válvula by-pass é usada para desviar o fluxo de ar no sistema e só permitem a passagem do fluído no mesmo sentido. Em baixa rotação o supercharger está em pleno funcionamento, mandando pressão para o motor e ajudando a começar o ciclo da turbina, neste momento a válvula está fechada. À medida que a rotação do motor vai aumentando, a válvula vai abrindo gradualmente e o fluxo de ar começa a passar com maior volume diretamente para o turbo compressor. Quando uma rotação pré- determinada é atingida (normalmente 3.500 RPM - rotações por minuto) a válvula se abre totalmente e um sistema de embreagem magnética desconecta o supercharger fazendo assim que a pressão enviada para o motor seja toda suprida pelo turbo compressor. 16 FIGURA 09 – ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO VÁLVULA BY-PASS FONTE: VW VORTEX, 2015, http://www.vwvortex.com. 2.4.2 Funcionamento da Embreagem Eletromagnética A polia que existe no supercharger recebe tração do virabrequim do motor através de uma correia, junto a esta polia, existe um platô acompanhando sua rotação. Junto a este conjunto, tem uma bobina ligada ao circuito 12 v do carro, que quando acionada, cria um campo eletromagnético que faz com que o platô se aproxime desta bobina quando conectado, o compressor está em pleno funcionamento, a partir do momento que este platô desconecta da bobina, o compressor se mantém girando, podem sem gerar pressão para dentro do motor. Filtro 17 FIGURA 10 – ESQUEMA DE EMBREAGEM MAGNÉTICA FONTE: AUTOZINE, 2015, http://www.autozine.org/technical_school/engine/tech_engine_3.htm 2.5 INTEGRAÇÃO DOS SISTEMAS Sabendo como todos os sistemas funcionam, e quais seus princípios básicos, é possível fazer com que todos funcionem integrados. Este tipo de sobre alimentação do motor não é muito usual, foi usado pela primeira vez em 1.985 no carro montado pela equipe Lancia, o lancia Delta S4. FIGURA 11 – LANCIA DELTA S4 FONTE: FLAT OUT, 2015,http://www.flatout.com.br/lendas-do-wrc Bobina Polia Plato 18 Este carro foi utilizado durando um ano em uma das categorias da época, e com os dois sistemas operando em conjunto tinha potencia declarada de 500cv. Em carros normais, que não de competição, esta receita é bem menos potente, na verdade o que se procura é o conjunto ideal para que o carro funcione da melhor maneira possível com potencia, economia e baixa emissão de carbono, com esta configuração o motor de 1.400cc é 30% mais econômico mesmo entregando a mesa potencia de motores com maior cilindrada cúbica. FIGURA 12 – APLICAÇÃO DE DUPLO COMPRESSOR FONTE: FORUM CARRO ESPORTE, 2015, http://www.carroesporte.com.br. FIGURA 13 – FLUXO DO SISTEMA COMPRESSOR DUPLO FONTE: FLATOUT, 2015, http://www.flatout.com.br/como-funciona-o-sistema-dualcharger-com-turbo- e-compressor-mecanico/ 19 Como mostrado nas figuras 09, 10 e 13, quando o motor está e baixa rotação, a válvula by-pass se mantém fechada para que a passagem do ar seja forçada para o supercharger, enquanto ele está neste processo, o turbo ainda não gira em velocidade suficiente para comprimir ar no sistema e por isso toda a pressurização está vindo do supercharger. Á medida que a RPM aumenta para as médias rotações, a válvula by-pass começa a se abrir, e o motor começa a dar mais aceleração para as pás da carcaça quente da turbina e o ar começa a ser comprimido também pelo turbo, neste momento o supercarregar já está praticamente atingindo seu pico de potencia. Quando o motor chega das altas rotações, a válvula by-pass se abre completamente, enquanto a embreagem eletromagnética desconecta o compressor da polia, para que este não cause arrasto para a turbina que por sua vez está trabalhando em carga máxima e é a única fonte de sobre alimentação do motor. Assim que o carro é desacelerado, o sistema funciona inversamente até que o motor volte a operar do modo que iniciou. 20 3. CONCLUSÃO Podemos concluir da pesquisa realizada que motores automotivos como qualquer outra máquina térmica, sofrem da perda de energia em seu funcionamento. Para tentar aproveitar esta perda, foram desenvolvidos sistemas capazes de aproveitar esta energia. O compressor volumétrico é um sistema muito eficiente para veículos que exigem de muito torque para baixas rotações visto que ele entrega maior pressão de ar para o motor desde o início de seu trabalho. Mesmo sendo bom em baixas rotações, este compressor acaba deixando o motor mais “preso” em rotações mais altas, pois não consegue suprir uma pressão tão alta quanto a liberada pela descarga. Com o sistema de compressor centrífugo, é possível tirar maior potencia do motor, pois este não rouba nenhum tipo de energia e não gera inércia. Todavia, ele precisa de um alto fluxo de eliminação de gases para que possa entrar em pleno funcionamento, e isto acaba afetando a potencia gerada em baixas rotações. Ambos os compressores se comportam bem em determinadas faixas de rotação, e com o trabalho que fazem, geram calor. Para que este calor seja diminuído o intercooler entra em ação, aumentando a densidade do ar e proporcionando uma mistura mais próxima do ideal para a explosão. Vimos também que se combinarmos todos estes sistemas, podemos chegar a um motor com uma faixa de potencia e torque mais lineares, e que só beneficiam o motor que se utiliza deste sistema. Podemos dizer que se usados em conjunto, os sistemas praticamente eliminam todos os problemas que tem individualmente e que se usados com os ajustes corretos, podem beneficiar a melhora de consumo e desempenho para veículos urbanos ou a melhora significativa na potencia para veículos de competição. 21 REFERÊNCIAS AUTOZINE, Estados Unidos: Motores sobre alimentados, mar. 2015. Disponível em:<http://www.autozine.org/technical_school/engine/tech_engine_3.htm>. Acesso 10 mar 2015. BRITISH V8, Inglaterra: Supercharger, mar. 2015. Disponível em: <http://www.britishv8.org/articles/mgb-v8-supercharger.htm>. Acesso em 10 mar 2015. FLATOUT, São Paulo: Lendas do WRC, mar. 2015. Disponível em: <http://www.flatout.com.br/lendas-do-wrc>. Acesso em 04 mar 2015. FLATOUT, São Paulo: Sistema dualcharger, mar. 2015. Disponível em: <http://www.flatout.com.br/como-funciona-o-sistema-dualcharger-com-turbo-e- compressor-mecanico/>. Acesso em 04 mar 2015. FORUM CARRO ESPORTE, São Paulo: Motores sobre alimentados, mar. 2015. Disponível em: <http://www.carroesporte.com.br>. Acesso em 10 mar 2015. HONDA FORUM Estados Unidos: Supercharger, mar. 2015. Disponível em:<http://www.hondaforum.com>. Acesso em 04 mar 2015. HOW STUFF WORKS, Estados Unidos: Supercharger, mar. 2015. Disponível em: <http://www.howstuffworks.com/supercharger>. Acesso em 04 mar 2015. MUSTANG FORUMS, Estados Unidos: Supercharger, mar. 2015. Disponível em: <http://www.mustangforums.com/forums>. Acesso em 10 mar 2015. PERFORMANCE TRENDS, Estados Unidos: Supercharger, mar. 2015. Disponível em: <http://www.performancetrends.com>. Acesso em 04 mar 2015. TAYLOR, Charles F. Análise dos Motores de Combustão Interna. 01 vol. São Paulo: Blucher 1971-1976. TURBO ENGINE, Estados Unidos: Turbo, mar. 2015. Disponível em: <http://www.turboengine.com>. Acesso em 10 mar 2015. TURBO CENTER, São Paulo: Turbo, mar. 2015. Disponível em: <http://www.turbocenter.com.br>. Acesso em 10 mar 2015. VW VORTEX, Estados Unidos: Sistema dualcharger, mar. 2015. Disponível em: <http://www.vwvortex.com>. Acesso em 10 mar 2015.
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