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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).
1
Consumo de ar em motores 4T
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli 2
Compressor volumétrico Turboalimentador Compressor volumétrico 
+turboalimentador
Turboalimentador de Turboalimentador Turboalimentador
2 estágios com turbo-compounding com arrefecedor
Sobrealimentação: Arranjos típicos
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli 3
Consumo de ar em motores 4T
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Ciclo padrão-ar de Otto modificado:
4
V
pe
pesc
pesc/pe < 1,0
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
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.
5
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
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.
6
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
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Efeito de pesc/pe sobre o rendimento
volumétrico relativo (ηv/ηvb) no 
processo ideal de sobrealimentação
em motores de pequeno overlap.
7
pesc/pe
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli 8
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli 9
Sobrealimentação
Comparação entre parâmetros de
desempenho de um mesmo motor
em versões naturalmente aspirado
(NA) e sobrealimentado por
turbo-compressor (Turbo).
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Compressores volumétricos (ou de deslocamento positivo)
10
palhetas
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Compressores volumétricos (ou de deslocamento positivo)
11
Lysholm compressor
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Compressores volumétricos:
12
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Compressores volumétricos:
13
Curva característica de um compressor de palhetas
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Turbo-compressor:
14
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Turbo-compressor:
15
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Turbo-compressor:
16
Montagem típica
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Turbo-compressor:
17
Curva típica de operação estável de um compressor centrífugo
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Turbo-compressor:
18
Curva de desempenho de uma turbina radial
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Turbo-compressor:
19
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
 Turbo-compressor
20
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
A/R
21
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Trim:
22
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Trim:
23
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli 24
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Turbo-compressor com válvula waste-gate:
25
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Válvula waste-gate:
26
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
Válvula waste-gate:
27
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
Turbina com geometria variável:
28
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
Turbina com geometria variável:
29
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Turbo-compressor + pós-arrefecedor (aftercooler):
30
Sobrealimentação
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
Downsizing:
31
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
32
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
33
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
34
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.
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
35
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
36
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.
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli
Sobrealimentação
37
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.
Motores de Combustão Interna
Maurício Assumpção Trielli 38
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.
Sobrealimentação

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