Sobrealimentação em Motores de Combustão Interna

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Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação:
Objetivos:
- Diminuir peso do motor (torná-lo mais compacto);
- Aumentar relação potência/peso;
- Aumentar relação ar-combustível (reduzir produção de poluentes).
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Consumo de ar em motores 4T
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Compressor volumétrico Turboalimentador Compressor volumétrico 
+turboalimentador
Turboalimentador de Turboalimentador Turboalimentador
2 estágios com turbo-compounding com arrefecedor
Sobrealimentação: Arranjos típicos
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Consumo de ar em motores 4T
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Ciclo padrão-ar de Otto modificado:
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V
pe
pesc
pesc/pe < 1,0
Sobrealimentação
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Processo ideal de sobrealimentação:
- A mistura nova e os gases residuais são gases perfeitos de mesmos calores 
específicos e massas moleculares.
- O processo de troca de gases é adiabático.
- A pressão pe de admissão permanece constante durante o processo de 
sobrealimentação, ou seja, a massa admitida é diretamente proporcional 
ao aumento de volume V dentro do cilindro.
- A pressão de escape pesc mantém-se constante durante todo o processo 
de sobrealimentação.
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Sobrealimentação
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Nas condições do processo ideal de sobrealimentação, os rendimentos
volumétricos se relacionam por meio da equação
onde:
pesc é a pressão de escape;
pe é a pressão de admissão;
k é a constante adiabática;
rv é a taxa de compressão; 
vb é o rendimento de
bombeamento para motor aspirado em plena carga (pesc=pe)
OBS: O valor do rendimento volumétrico relativo (ηv/ηvb) cai com rv, na
medida em que a sobrealimentação é aumentada, ou seja, na medida em que
pe aumenta em relação a pesc.
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1)(rk 
)/p(pr
k
1k
η
η
v
eescv
vb
v





k 1,4
rv 18
pesc/pe 1 0,8 0,6 0,4
rend vol rel 1 1,008403 1,016807 1,02521
Sobrealimentação
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Efeito de pesc/pe sobre o rendimento
volumétrico relativo (ηv/ηvb) no 
processo ideal de sobrealimentação
em motores de pequeno overlap.
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pesc/pe
Sobrealimentação
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Sobrealimentação
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Sobrealimentação
Comparação entre parâmetros de
desempenho de um mesmo motor
em versões naturalmente aspirado
(NA) e sobrealimentado por
turbo-compressor (Turbo).
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Compressores volumétricos (ou de deslocamento positivo)
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palhetas
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Compressores volumétricos (ou de deslocamento positivo)
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Lysholm compressor
Sobrealimentação
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Compressores volumétricos:
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Sobrealimentação
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Compressores volumétricos:
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Curva característica de um compressor de palhetas
Sobrealimentação
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Turbo-compressor:
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Sobrealimentação
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Turbo-compressor:
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Sobrealimentação
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Turbo-compressor:
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Montagem típica
Sobrealimentação
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Turbo-compressor:
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Curva típica de operação estável de um compressor centrífugo
Sobrealimentação
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Turbo-compressor:
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Curva de desempenho de uma turbina radial
Sobrealimentação
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Turbo-compressor:
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Sobrealimentação
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 Turbo-compressor
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Sobrealimentação
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A/R
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Sobrealimentação
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Trim:
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Trim:
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Sobrealimentação
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Turbo-compressor com válvula waste-gate:
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Válvula waste-gate:
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Válvula waste-gate:
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Turbina com geometria variável:
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Turbina com geometria variável:
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Turbo-compressor + pós-arrefecedor (aftercooler):
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Downsizing:
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As temperaturas T1 e T2 são as de estagnação, antes e após a 
compressão, respectivamente.
Desprezando as parcelas de energia cinética e potencial do 
escoamento, essas temperaturas podem ser consideradas como 
sendo termodinâmicas.
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Exercício 1: Um compressor de palhetas é utilizado na sobrealimentação de um
antigo motor esportivo de 4 tempos e 4 L de cilindrada total que, na rotação de
plena potência, consumindo gasolina (pci = 42 MJ/kg) com rendimento global de
30% e F = 0,067, fornece uma potência líquida de 230 kW.
Nestas condições , o consumo de ar do motor é de 0,3 kg/s, a temperatura do ar
(k=1,4) atmosférico é 27°C e a relação (p2/p1) = 2.
A relação de transmissão motor/compressor é 10:6.
Pede-se:
a) a potência bruta de funcionamento do motor;
b) a temperatura do ar comprimido admitindo que o processo de compressão é
adiabático e reversível;
c) a potência consumida pelo compressor nas condições do item b, desprezando
a parcela cinética;
d) o consumo de potência dos demais periféricos;
e) a rotação de funcionamento do compressor, admitindo p1= 1bar(abs) e
rendimento volumétrico de 140%.
Dado: Rar = 287 J/kg/K.
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Exercício 2: Admitindo que a compressão promovida por um compressor
centrífugo instalado na admissão de um motor de ignição por faísca de razão
volumétrica rv = 9 seja isoentrópica (com constante adiabática k=1,4), estime o
acréscimo porcentual máximo de potência (conseguido em plena carga) quando se
observa uma relação de compressão (p21/p1) =1,8 neste compressor.
Considere que o motor é equipado com um pós-arrefecedor de ar de admissão que
reduz a temperatura absoluta do ar de forma que T22/T21= 0,85 por meio de um
processo isobárico.
Considere ainda que o processo de sobrealimentação seja ideal e que o
rendimento global do motor e a relação combustível-ar sejam mantidos .Adote pesc = p1 = 1 bar.
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Exercício 3: Um motor de ignição por compressão deve fornecer 600 kW,
consumindo óleo diesel (pci = 42 MJ/kg) com relação combustível-ar F = 0,0467 e
rendimento global de 40%.
Avaliar:
a) o rendimento isoentrópico do compressor centrífugo utilizado que produz,
nestas condições, uma relação de pressão (p2/p1)= 2 a partir de ar atmosférico
(k=1,4) a 30°C, sabendo que no final da compressão se temT21 = 126 °C.
b) a potência acrescentada ao ar pelo compressor.
c) a potência na forma de calor a ser retirada isobaricamente pelo pós-arrefecedor
ar-ar utilizado para que a temperatura do ar de admissão se reduza a T22 = 60
°C.
d) O rendimento isoentrópico da turbina, sabendo que as temperaturas dos gases
de escape antes e após a turbina são, respectivamente, iguais a T3 = 640 °C e
T4 = 450 °C e que (p3/p4) = 3,7.
Adotar cp = 1.000 J/kg/K como calor específico para o ar.
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