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Indução forçada aumenta a eficiência dos motores e reduz os níveis de emissões de poluentes

maio 30, 2021

É o processo mecânico no qual o ar admitido nos cilindros é comprimido (forçado) previamente. O resultado é a admissão de uma quantidade maior de ar e uma quantidade maior de oxigênio disponível para a combustão

Assim, o cilindro é preenchido com ar mais denso que admite proporcionalmente uma quantidade maior de combustível, o que resulta no desenvolvimento de uma potência maior. Ou seja, verifica-se um aumento do rendimento volumétrico decorrente da “sobrealimentação” do motor.

Com base neste conceito, os motores “aspirados” são aqueles que não possuem mecanismo de indução forçada.

No caso do motor diesel, ainda, a utilização de indução forçada pode contribuir para a redução da emissão de particulado; isto, em função da compressão prévia do ar, o que resulta no aumento de oxigênio admitido na câmara e que propicia uma combustão mais completa com o conseguinte aumento de eficiência. No entanto, o aumento da pressão de combustão resulta também no aumento da emissão de NOx.

Basicamente, os sistemas de indução forçada incluem um compressor na linha de admissão de ar e as tecnologias utilizadas se diferenciam, basicamente, no método de acionamento do mesmo. Os dois tipos atualmente utilizados são:

– Supercompressor (“supercharger” ou “blower” = “soprador”). Neste caso, o compressor é acionado pelo virabrequim. 

– Turbocompressor: O eixo do compressor está ligado a uma turbina centrífuga acionada pelos gases de escape. 

Observar, no entanto, que a indução forçada, por si só, não diminui o consumo de combustível. Pelo contrário, os sistemas de sobrealimentação são projetados para permitir a combustão de mais combustível, o que resulta em maior potência. Mas esta tecnologia possibilita o uso de motores de menor cilindrada para uma mesma aplicação. Em outras palavras, ainda que o sistema de sobrealimentação “queime” mais combustível, a sua aplicação em motores de menor cilindrada permite a geração de potência equivalente, ou maior, se comparado com um motor de maior cilindrada do tipo aspirado. O resultado total é um ganho em economia de combustível associado à redução no nível de emissões.

– Pressão de Sobrealimentação

Define a diferença entre a pressão atmosférica e a de saída do compressor.

– Relação de Pressão

A relação de pressão ou razão de pressão, juntamente com massa de ar comprimida pelo compressor, são os dois parâmetros que definem o seu comportamento numa determinada aplicação. A razão de pressão RP é definida como a relação entre a pressão do ar na saída do compressor Ps, e a pressão na entrada Pe. Ou seja, representa o incremento de pressão que o fluxo de ar admitido sofre ao passar pelo compressor. Observando as figuras resulta: RP = Ps/Pe

Supercompressor

Nesta configuração, o compressor é acionado por uma correia ligada ao virabrequim pelo que representa na realidade, uma carga que “rouba” potência do motor (10 a 15%).

No entanto, em função de ser acionado diretamente pelo motor, a potência extra gerada pelo sistema de indução forçada está disponível em toda a faixa de rotação e carga. Como resultado, não apresenta sinais de hesitação ou atraso na atuação em baixa rotação, característica esta do motor turboalimentado. Os supercompressores utilizados são de dois tipos:

– Deslocamento positivo: Em operação, enchem a câmara de volume fixo, com ar a pressão atmosférica, e o movimentam para o lado de alta pressão. Este tipo de supercompressor fornece uma curva de torque de sobrealimentação bastante plana ao longo de toda a faixa de rotação, mas é menos eficiente que o do tipo centrífugo, pelo que produz menor potência máxima. Entre os supercompressores de deslocamento positivo, os mais comuns são o de lóbulos e o de parafuso duplo.

– Centrífugo: Basicamente, é a seção compressora de um turbo, mas, acionada pelo virabrequim através de um trem multiplicador de engrenagens. A sua operação é aceitável numa estreita faixa de rotação do motor, já que a potência liberada pela sobrealimentação não tem um crescimento linear com a rotação.

Ou seja, este tipo é apropriado para motores com torque suficiente em baixa rotação, mas que precisam de mais potência em alta.

 Turboalimentação

Com esta tecnologia os gases de escape são utilizados para movimentar uma turbina, a que por sua vez aciona o compressor, que nos sistemas turbo é do tipo centrífugo

No processo, a energia calórica contida nos gases de escape a alta temperatura é transformada em energia mecânica na turbina o que, por sua vez, resulta na diminuição da temperatura dos gases.

Em função do acionamento pelos gases de escape (os que, se não utilizados se constituem em energia desperdiçada) não há utilização de potência do motor como é o caso dos sistemas com supercompressor.

Esta característica, talvez, seja a mais significativa para a ampla difusão dos sistemas de turboalimentação.

No entanto, por ser o turbo acionado pelos gases de escape, é necessário certo tempo para que estes atinjam o fluxo adequado ao acionamento do conjunto. Este intervalo provoca hesitação ou retardo de atuação, o que pode resultar num tempo significativo entre pisar no acelerador e perceber o aumento de potência. 

– Turbina

A mais difundida atualmente é a turbina de fluxo radial. Consiste de um prato ou roda com pás e uma carcaça com formato de espiral ou voluta com os quais converte a energia cinética (energia de movimento produzida pela velocidade dos gases) contida nos gases de escape em energia mecânica que impulsiona o compressor centrífugo montado sobre o mesmo eixo. 

De uma outra forma, a função da turbina é extrair energia do fluxo de exaustão através da diminuição da sua velocidade e temperatura nas pás.

Na carcaça (espiral) a pressão na entrada é convertida em energia cinética e os gases de escape na periferia da espiral são direcionados à roda da turbina, onde se processa a conversão da energia cinética em torque que movimenta o eixo.  

O desempenho da turbina aumenta com o aumento do diferencial de pressão entre a entrada e a saída, ou seja, quanto maior é a quantidade de gases represados na entrada como resultado de uma rotação maior do motor ou um aumento da temperatura dos gases. Lembrar que para um mesmo fluxo de gases, o aumento de temperatura é acompanhado por um aumento da pressão.

A turbina utilizada em, praticamente, todas as aplicações automotivas, é a do tipo radial.

Como mostra a figura 3, o fluxo de entrada dos gases é centrípeto, ou seja, em direção ao centro do prato, e a saída é axial (paralela ao eixo). O fluxo dos gases sofre uma variação de 90 graus. No entanto, há aplicações que utilizam turbinas de fluxo axial, nas quais o fluxo não sofre modificação de sentido, ou seja, é paralelo ao eixo.

– Vantagens da Turboalimentação

Se comparado com um motor aspirado da mesma potência, o turbo apresenta:

– Um consumo menor devido a que uma parte da energia que seria desperdiçada contribui para o aumento da eficiência.

Por outro lado, por ser de cilindrada menor, se comparado com um outro de similar potência, o motor apresenta menores perdas térmicas e por fricção.

– Uma melhor relação peso/potência: Em função de o motor ser mais leve, se verifica uma melhora significativa na potência específica, principalmente, nos de ciclo diesel.

– Em função da ignição da mistura acontecer no final do ciclo de compressão, o motor de ciclo Diesel não apresenta problemas de detonação; isto permite uma pressão de sobrealimentação maior se comparado com o de ciclo Otto.

– Melhor desempenho na altitude. Em função da menor pressão do ar, a perda de potência de um motor aspirado é considerável.

Pelo contrário, a turbina do turbo melhora o seu desempenho com a altitude como resultado do maior diferencial de pressão entre aquela de entrada (coletor de escape), que praticamente, independe da altitude, e a de saída que é a ambiente, que diminui com a altitude.

Por outro lado, o compressor, ainda admitindo ar a menor pressão, consegue fornecer a sobrepressão necessária, pelo que não se verifica perda apreciável de potência.

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