EM865 parte 10 turbo

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O que é superalimentação
Superalimentação mecânica e dinâmica
Características dos turbo-alimentadores
Turbo-alimentação em motores ICO
Turbo-alimentação em motores ICE
10. Superalimentação e turbos
EM 865 - Gallo 
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1. O que é superalimentação
Como aumentar a potência de um motor?
Equação da potência:
Eficiências  supostas já maximizadas
Rotação  seu aumento piora rendimento mecânico
Único parâmetro viável: densidade do ar (mais massa)
Mantidas as demais grandezas, o aumento da densidade do ar aumenta a potência. MAS  no motor aspirado, a densidade depende de P e T atmosféricas
Solução: pré-comprimir o ar antes da admissão 
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10. Superalimentação e turbos
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1. O que é superalimentação
Com maior massa de ar admitida, o motor pode receber mais combustível e aumentar potência.
A superalimentação pode melhorar, piorar ou manter constante a eficiência global do motor. A filosofia que comanda o projeto vai determinar o resultado.
Ex: superalimentar para competição  tirar a máxima potência  rendimento térmico pode piorar
 superalimentar um motor diesel comercial  manter (ou melhorar) o rendimento térmico do motor aspirado.
Tipos de superalimentação: mecânica ou dinâmica
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10. Superalimentação e turbos
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1. O que é superalimentação
Efeito da superalimentação no ciclo do motor: o aumento de pressão necessário para aumentar a densidade do ar joga o ciclo todo “para cima”. Para mesma pressão máxima, pode usar taxa de compressão menor.
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10. Superalimentação e turbos
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2. Superalimentação mecânica e dinâmica
Superalimentação mecânica: o compressor é acionado mecanicamente pelo eixo do motor. O aumento de potência do motor é MUITO MAIS que suficiente para garantir a potência necessária para acionar o compressor.
Compressão dinâmica: a potência de acionamento do compressor é proveniente dos gases de exaustão do motor. Dois sistemas dinâmicos: Comprex e Turbos 
Vantagem da compressão mecânica: resposta muito mais rápida (transientes) do que a obtida em sistemas dinâmicos. Boa para acelerações rápidas.
Vantagens da compressão dinâmica: não sacrifica a potência do motor; pode aumentar o rendimento térmico; usa energia que seria dissipada na atmosfera.
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10. Superalimentação e turbos
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2. Superalimentação mecânica e dinâmica
Na superalimentação mecânica, o compressor segue a rotação do motor  acoplamento mecânico
Na superalimentação dinâmica, o turbo atinge ponto de equilíbrio de rotação diferente do motor  acoplamento de vazão de gás, de rotação e de potência (C – T) 
Superalimentação mecânica Superalimentação dinâmica
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10. Superalimentação e turbos
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2. Superalimentação mecânica e dinâmica
Superalimentação mecânica: 
Tipos de compressores
Centrífugo de lóbulos (Roots) de parafuso
10. Superalimentação e turbos
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2. Superalimentação mecânica e dinâmica
Superalimentação dinâmica : turbo-alimentador
A turbina é acionada pela energia dos gases de escape
 e aciona o compressor. Para um dado regime
 de operação do motor, o turbo atinge uma 
 condição de equilíbrio (rpm = cte)
A máxima potência que pode ser obtida por um
 turbo depende da contrapressão na 
 turbina e da energia dos gases de escape 
10. Superalimentação e turbos
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2. Superalimentação mecânica e dinâmica
Superalimentação dinâmica : turbo-alimentador
A energia disponível para acionamento da turbina (e portanto, a energia que será usada pelo compressor) pode ser estimada do diagrama indicador abaixo (FORA DE ESCALA)
 A turbo-compressão pode ser associada à idéia do ciclo de 
 Atkinsons (expansão total dos gases de escape, realizando
 trabalho)
Trabalho fornecido pelo motor
Trabalho disponível para acionar o turbo -compressor
Trabalho consumido para comprimir o ar no cilindro
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10. Superalimentação e turbos
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2. Superalimentação mecânica e dinâmica
Superalimentação dinâmica : turbo-alimentador
O primeiro uso de turbo-alimentadores foi para compensar a QUEDA da densidade do ar com a altitude, e RECUPERAR a potência do motor (uso aeronáutico)
Hoje a turbo-alimentação é usada 
 para incrementar a potência e o 
 torque desenvolvidos pelo motor
Faz parte da estratégia de redução
 (downsizing) dos motores.
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3. Características dos turbo-alimentadores
Comparações entre motores aspirados e turbo-alimentados:
10. Superalimentação e turbos
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3. Características dos turbo-alimentadores
Comparações entre motores aspirados e turbo-alimentados:
10. Superalimentação e turbos
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3. Características dos turbo-alimentadores
Partes de um turbo:
Carcaça do compressor; carcaça da turbina; carcaça central; conjunto rotativo compressor – eixo – turbina
Como os turbos de pequeno porte operam em rpm muito alta, a lubrificação do mancal é crítica 
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3. Características dos turbo-alimentadores
Dispositivos auxiliares do turbo: intercooler, válvula “waste-gate” e válvula de alívio do compressor. Nem todos os sistemas possuem os três dispositivos.
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3. Características dos turbo-alimentadores
Dispositivos auxiliares do turbo: Waste-gate  controla a potência da turbina, reduzindo a energia disponível no gases; Válvula blow-off  descarrega ar na atmosfera quando ocorre redução de carga muito rápida. O intercooler pode ser resfriado a ar, 
 (como um radiador) ou pela água de
 resfriamento do motor
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3. Características dos turbo-alimentadores
Funcionamento do compressor:
 Potência para compressor
 Eficiência do compressor:
 ou
 Ar como gás ideal:
P1
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3. Características dos turbo-alimentadores
Funcionamento do compressor: como ocorre o incremento de pressão  acompanhando o fluxo de ar pelo compressor
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3. Características dos turbo-alimentadores
Funcionamento da turbina:
 Potência da turbina
 Eficiência da turbina:
 ou
 Ar como gás ideal:
p3
p4
V3
h3
h4
V4
Wt
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3. Características dos turbo-alimentadores
Condições de equilíbrio do turbo:
Potência turbina – perdas mecânicas turbo = potência compressor
Rotação da turbina = rotação do compressor (mesmo eixo)
Massa de ar + massa de comb. = massa de gases exaustão
SE:  turbo acelera (e vice-versa) 
Parâmetros adimensionais de compressores:
 onde 
Parâmetros “adimensionais” da turbina:
 
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3. Características dos turbo-alimentadores
Condições de equilíbrio do turbo:
Mesma rotação 
Fluxo mássico 
 com:
Equilíbrio de potência 
Para gases ideais  
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3. Características dos turbo-alimentadores
Mapa típico de desempenho de um compressor radial:
 Limites do mapa: SURGE e CHOKE
 SURGE: operação instável, com fluxo
 reverso e flutuação de pressão
 CHOKE: vazão mássica 
 máxima do compressor
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3. Características dos turbo-alimentadores
Mapa clássico de desempenho de uma turbina radial:
CHOKE: vazão mássica máxima da turbina
Esta representação não
 é muito usada: difícil
 leitura. 
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3. Características dos turbo-alimentadores
Mapa desempenho usual de uma turbina radial:
Uma linha de parâmetro de fluxo e uma
 linha de eficiência da turbina, para uma
 dada rotação.
Podem ser colocadas várias curvas em
 um mesmo mapa, para diferentes 
 rotações da turbina (que deve ser igual
 à do compressor a cada momento).
 Mais adiante  curvas múltiplas
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3. Características dos turbo-alimentadores
Definições geométricas de compressores e turbinas radiais:
A/R  relação área da voluta pelo raio da área circular; essa relação tem grande importância no desempenho de turbinas, e fraca influência em compressores.
Compressores radiais não possuem difusores (para desacelerar o fluxo e aumentar a pressão); esta função é desempenhada pela voluta (caracol).
Turbinas radiais não contam com bocais para 
 acelerar a velocidade do escoamento de gases; 
 esta função é desempenhada pela voluta. 
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3. Características dos turbo-alimentadores
Definições geométricas de compressores e turbinas radiais:
A/R  No caso de turbinas, a relação A/R indica uma medida da capacidade de vazão. A/R pequeno indica altas velocidades e o o turbo produz mais potência com vazões menores, mas aumenta a contra-pressão sobre o motor. Além disso, sua vazão máxima é menor.
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3. Características dos turbo-alimentadores
Definições geométricas de compressores e turbinas radiais:
Trim  relação definida a partir das áreas frontais de entrada e de saída para turbinas e compressores radiais. 
Trim do compressor: Trim da turbina: 
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3. Características dos turbo-alimentadores
Definições geométricas de compressores e turbinas radiais:
Trim  no caso de um compressor, o aumento do Trim significa uma redução de vazão e aumento da razão de pressões. 
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3. Características dos turbo-alimentadores
Definições geométricas de compressores e turbinas radiais:
Trim  no caso de uma turbina, o aumento do Trim significa um AUMENTO de vazão e redução da razão de pressões. 
10. Superalimentação e turbos
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3. Características dos turbo-alimentadores
Exemplos de turbocompressores (já “casados”)
 Faixa: 100 a 200 hp, 1.0 a 1.6 L
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3. Características dos turbo-alimentadores
Exemplos de turbocompressores (já “casados”)
 Faixa: 700 – 1300 hp; 3.0 a 10 L
10. Superalimentação e turbos
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4. Turbo-alimentação em motores ICO
Os fabricantes apresentam “famílias” de turbos; para um dado motor, em função da faixa de potência e deslocamento, surge a “família” adequada. 
Para “casar” um turbo com um motor, é necessário realizar cálculos de vazão de ar, para diferentes rotações, e incluindo as condições limites esperadas (máximo torque, em que rotação; máxima potência, em que rotação) e plotar essas curvas no mapa do compressor da “família” escolhida. Como os motores diesel operam sem restrição do fluxo de ar, para cada rotação há uma vazão que é função da razão de pressão.
Espera-se que o motor opere em uma faixa de alta eficiência do compressor, longe das linhas de SURGE e de CHOKE. 
Em seguida escolhe-se uma turbina da mesma família, com A/R e Trim adequados. Por fim, ensaios em dinamômetro. 
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4. Turbo-alimentação em motores ICO
Exemplo: motor diesel de 6 L; taxa de compressão 16,5; potência esperada de 225 hp a 2600 rpm; torque máximo de 770 N.m a 1400 rpm.
Escolhido um fabricante, definida a família, calcula a vazão do motor em função da densidade do ar, para cada rotação (com várias hipóteses a serem confirmadas depois), foram traçadas as curvas de m (RP) para cada rotação em alguns mapas de compressores da família, para escolher o melhor ajuste.
Os pontos de máximo torque, máxima potência e alguns intermediários foram calculados (para consumo específico definido), de forma a definir o “envelope” de operação do motor dentro do mapa do compressor (próx. figura)
Depois, escolhida a turbina da família a ser adotada (figura seguinte)
Com ensaio em dinamômetro, o envelope final foi determinado. 
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4. Turbo-alimentação em motores ICO
Exemplo: 
 motor ICO
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4. Turbo-alimentação em motores ICO
Exemplo: 
 motor ICO
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4. Turbo-alimentação em motores ICO
Exemplo: 
 motor ICO
10. Superalimentação e turbos
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4. Turbo-alimentação em motores ICO
Motores ICO não possuem restrições ao uso de turbo-alimentação, uma vez que não possuem a limitação da detonação.
Ao contrário: ao turbo-alimentar o motor, aumentam as pressões e temperaturas de compressão e então se reduz o atraso de ignição, a combustão é mais suave e o motor não corre o risco de bater (“detonação” diesel).
Se o incremento de potência desejado (sobre a versão aspirada) for muito grande, a contrapressão causada pela turbina por atingir valores altos demais e prejudicar o próprio processo de exaustão (especialmente durante “blow-down”).
Existe a possibilidade de adotar turbinas de “geometria variável”, que podem auxiliar a incrementar a eficiência do sistema. 
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5. Turbo-alimentação em motores ICE
A turbo-alimentação em motores ICE apresenta dificuldades que não são encontradas em motores ICO: controle da detonação é fundamental, para que o motor possua durabilidade.
O uso de válvulas “waste-gate” é fundamental, para “segurar” o turbo em condições que poderiam levar à detonação.
É comum que os motores ICE turbo operem com taxas de compressão menores que seus equivalentes aspirados. Mais uma vez, para controlar a tendência a detonação
Eletrônica embarcada  veio facilitar a adaptação de turbos em motores ICE, com a ECU controlando também as válvulas de blow-off do compressor e a wastegate da turbina. 
Exemplo: “O Desenvolvimento do Novo Motor Turbo 1.0 16V para os Volkswagen Gol e Parati” (SAE) – João Alvarez Filho e Roger T. Gondim Guilherme
 
10. Superalimentação e turbos
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5. Turbo-alimentação em motores ICE
Exemplo: VW Turbo 1.0 16V
10. Superalimentação e turbos
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5. Turbo-alimentação em motores ICE
Exemplo: VW Turbo 1.0 16V
10. Superalimentação e turbos
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5. Turbo-alimentação em motores ICE
Exemplo: VW Turbo 1.0 16V
Linha de operação do motor no mapa
 do turbo.
Em plena carga, foi atingida a meta 
 para o motor.
Em altas rotações a válvula controla
 a turbina (waste-gate) do turbo.Controle eletrônico da waste-gate
10. Superalimentação e turbos
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5. Turbo-alimentação em motores ICE
Exemplo: VW Turbo 1.0 16V
10. Superalimentação e turbos
Chart2
		75		8.7
		86.3		14
		99		21.7
		124		26
		155.3		31
		155		36
		155.3		39.5
		154.6		43.3
		154.6		47.5
		155		51
		155		54.5
		155.3		58.7
		155		62.5
		155.7		66.7
		154		71
		150		74
		145		77.2
		140.6		79.8
		134.5		82
		127.6		80
		118		74
Torque
Potência
Rotação [rpm]
Torque [Nm]
Potência [kW]
PRO55K3
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
								Drehmoment (Nm)										Leistung (kW)
						74 kW				74 kW						74 kW				74 kW
				1/min		o. VVT				VVT				1/min		o.VVT				VVT
				1000						75				1000						8.7
										86.3										14
				1500						99				1500						21.7
										124										26
				2000						155.3				2000						31
				2250						155										36
				2500						155.3				2500						39.5
										154.6										43.3
				3000						154.6				3000						47.5
										155										51
				3500						155				3500						54.5
										155.3										58.7
				4000						155				4000						62.5
										155.7										66.7
				4500						154				4500						71
										150										74
				5000						145				5000						77.2
										140.6										79.8
				5500						134.5				5500						82
										127.6										80
				6000						118				6000						74
PRO55K3
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Drehmoment (Mdo)
Leistung (Peo)
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5. Turbo-alimentação em motores ICE
Exemplo: VW Turbo 1.0 16V
10. Superalimentação e turbos
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5. Turbo-alimentação em motores ICE
Exemplo: VW Turbo 1.0 16V
10. Superalimentação e turbos
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5. Turbo-alimentação em motores ICE
Exemplo: VW Turbo 1.0 16V
10. Superalimentação e turbos
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5. Turbo-alimentação em motores ICE
Exemplo: VW Turbo 1.0 16V
10. Superalimentação e turbos
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