Supercharging

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A sobrealimentação de um motor de combustão interna é a introdução forçada de uma mistura combustível-combustível nos cilindros em relação ao que seria possível com a entrada normal, para garantir ao motor maior potência e torque . Pode ocorrer mecanicamente ou quimicamente. [1]

Sobrealimentação mecânica

Diagrama do compressor de raízes

Por sobrealimentação mecânica entendemos a compressão do ar dentro do coletor de admissão e geralmente pode ser obtida com diferentes sistemas: com o turbocompressor (muitas vezes indicado apenas com turbo ) ou com compressor e turbina chaveados no mesmo eixo (que é diferente daquele de o motor) ou com o compressor volumétrico que muitas vezes é apresentado em uma configuração de acionamento mecânico, ou seja, com motor e compressor chaveados no mesmo eixo, ou mais raramente com ambos os métodos. Outros sistemas utilizados podem ser o compressor centrífugo e o Comprex .

Compressor volumétrico

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: Supercharging via Compressor Volumétrico .

O compressor volumétrico é conectado ao virabrequim por meio de uma correia (a relação de transmissão e, portanto, a velocidade de rotação do compressor é conhecida), e força a introdução da quantidade predeterminada de ar no coletor de admissão . A sobrealimentação é obtida pelo diferencial do volume de ar processado pelo compressor em relação ao deslocamento do motor .

Isso garante maior desempenho em rotações baixas e médias. É um sistema pouco difundido na Europa, Mercedes , Jaguar e FIAT - Lancia (nos modelos indicados como " Volumex ") o adotam em alguns modelos da linha (Alfa Romeo o utilizava em carros especiais desde a década de 1920 , e no Mini A primeira série da Cooper S adotou um compressor volumétrico). Por outro lado, é muito comum em motores americanos de grande cúbico, onde pode ser aplicado sem penalizar significativamente a potência máxima expressa.

O tipo mais comum de compressor volumétrico é o de lóbulo, ou Roots , mas também existem outros tipos como o parafuso Lysolm, a palheta Bendix e o scroll G Lader usados ​​nos anos 80 na Volkswagen com a abreviatura G40 e G60. Sempre a Volkswagen, em seus motores TSI , o utiliza em conjunto com o turboalimentador.

Combinação motor-supercompressor acionado mecanicamente

O problema fundamental na sobrealimentação é a determinação das características operacionais do motor sobrealimentado, ou seja, a interação entre o compressor e o componente do motor. No caso de conexão mecânica direta (por exemplo, por meio de uma correia de transmissão), o tratamento é simplificado em comparação com o caso de turbo-suporte, em particular é possível avaliar mais facilmente a velocidade de rotação do compressor ( ), pois está relacionado ao número de rotações do motor ( ) por meio do relatório de transmissão.

O acoplamento entre os dois elementos é realizado através da comparação das características de fluxo dos dois órgãos, estes de fato ligam

  • o fluxo involuto Q proporcional a n
  • taxa de compressão β

No que diz respeito às características de vazão do compressor, esta é conhecida e fornecida pelo fabricante e difere de modelo para modelo. A característica de fluxo do motor, por outro lado, deve levar em consideração o fluxo involuto dentro do motor e como este varia de acordo com a modificação dos diferentes tamanhos. Geralmente, a avaliação desta característica passa pela determinação da vazão total definida como

é possível avaliar os dois componentes da vazão através de correlações experimentais propostas pela literatura técnica, a vazão aspirada é avaliada através da formulação de Zinner

(1,1)

enquanto no que diz respeito à taxa de fluxo de lavagem, é feita referência à taxa de fluxo que evoluiria para um bico equivalente ao motor na fase de lavagem, ou seja, um bico que processaria a mesma taxa de fluxo do motor na mesma termodinâmica a montante e a jusante condições

. (1,2)

onde você tem isso

as formulações (1.1) e (1.2) conduzem à avaliação da vazão total referente às condições de sucção do compressor, portanto é dado por:

podemos observar como

  • : portanto, depende da velocidade do motor
  • : é substancialmente independente da rotação do motor e depende do ângulo de intersecção entre as válvulas de admissão e escape e da relação entre as pressões de admissão e escape do motor.

as características de fluxo obtidas diferem dos motores 4T e 2T, pois no primeiro caso temos ambas as contribuições, enquanto no segundo caso há apenas vazão de lavagem, pois a sucção é zero. Ao avaliar as características de vazão do motor e do compressor a ele associado, é possível realizar o Matching entre os dois elementos mecânicos.

O turbocompressor

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: Turbocompressor .
Diagrama de um turbocompressor

O turbocompressor ou turboaspirato frequentemente conhecido como turbo (também chamado de grupo turbo por ser a união de uma turbina e um compressor como na figura) é sem dúvida o sistema mais difundido.

É composto por uma roda de turbina que é girada pelos gases de escapamento e uma roda de compressor, geralmente feita de liga de magnésio , conectada à turbina por um pequeno eixo (observe como este gira em uma rotação diferente da do motor). O compressor, acionado pela turbina, comprime o ar e o introduz no coletor de admissão, fornecendo aos cilindros do motor mais ar do que eles poderiam sugar. É um complexo altamente eficiente, pois utiliza a energia residual dos gases de escape para acionar a turbina e com ela o compressor. Desta forma, também é possível introduzir uma maior quantidade de combustível na câmara de combustão, garantindo assim uma maior potência. Porém, justamente em função dessa potência, ou maior consumo, até os gases de escapamento são forçados a se apagar mais rapidamente, então o turbocompressor também vai girar mais rapidamente, dando cada vez mais potência ao motor. O impulsor normalmente excede 180.000 rpm.

Esta técnica é certamente mais complexa do ponto de vista estrutural e de controle do que uma superalimentação acionada mecanicamente. Como já mencionado, neste caso não há conexão mecânica entre o turbogrupo e o motor, mas apenas uma do tipo fluidodinâmica. A velocidade de rotação do turbo-soprador de fato se estabelece em uma velocidade de rotação que se baseia em um balanço de energia do turbo-gerador. Como uma primeira aproximação, podemos observar como temos uma relação do tipo

ou seja, a unidade TC aumenta sua velocidade de rotação à medida que a carga do motor aumenta.

Combinação Motor-Turbogrupo

o acoplamento, neste caso, é mais complexo do que a superalimentação por arrasto mecânico. O cálculo das condições de operação do sistema é realizado por meio de um balanço das três condições fundamentais em vigor no sistema

onde, como uma primeira aproximação, podemos considerar para MACs, para Diesel. Neste ponto, é necessário introduzir um pequeno parêntese nos dois tipos de turboalimentação usados ​​atualmente

  • Turbosovraliemntazione a pressão constante
  • Impulse turbo

por meio da exploração de fenômenos não estacionários no escapamento é possível modificar o fluxo involuto e o salto de entalpia que é fornecido à turbina, para simplificar os cálculos para P = const são realizados e a seguir são inseridos dois parâmetros que avaliam o quanto a turbocompressão do Impulse muda a situação

a partir da condição de equilíbrio dinâmico, a correlação que liga os parâmetros funcionais à razão de compressão é obtida por meio de uma série de etapas.

(PARA)

com

a partir da expressão do fluxo em evolução em uma turbina simplificada é possível escrever uma segunda relação

de onde é obtido

(B)

a partir da relação A e B e das demais condições de equilíbrio é possível traçar o diagrama em quatro quadrantes a partir dos quais é possível traçar as condições de uso do turbogrupo.

Turbocompressor de geometria variável

Conceitualmente idêntico a um turboalimentador normal, a maior diferença deste último é inerente ao aumento da complexidade da estrutura da porca da seção de escapamento e do mecanismo de controle da pressão de alimentação. O impulsor da porca de escape é de fato rodeado por um certo número de seções móveis, acionadas, por trás do comando de uma unidade de controle eletrônico, por um atuador elétrico ou eletropneumático, que regulam o ângulo de incidência dos gases de escape com as palhetas do impulsor ou a velocidade dos gases de exaustão que os alcançam. Dependendo da velocidade de rotação do virabrequim e de outros parâmetros, as seções são fechadas, para favorecer um aumento na velocidade de rotação do eixo do impulsor e, portanto, na pressão de alimentação e consequentemente na prontidão de resposta do motor a velocidades mais baixas, ou abertos, para favorecer um aumento da vazão de gás na castanha e, portanto, uma menor queda de pressão no sistema de escapamento em velocidades mais altas.

Isso leva a uma maior flexibilidade e adaptabilidade de comportamento em comparação com o turbocompressor de geometria fixa, que pode, pelo menos, regular com precisão a velocidade de rotação do eixo do impulsor por meio de uma válvula de desvio controlada eletronicamente: uma turbina de geometria variável permite obter, em baixas rotações, a mesma prontidão na resposta de uma turbina caracterizada por uma pequena espiral e, portanto, por um rotor menor e, em altas rotações, a queda de pressão menor (e, portanto, maior potência) de uma turbina caracterizada por uma porca maior e, portanto, um rotor maior. O campo de aplicação mais amplo, considerando também as condições de funcionamento dos motores de ignição por compressão , que implicam também uma menor temperatura dos gases de escape, é o dos turbodiesel de alta pressão de injeção, dispositivo obtido através de tecnologias como a do Common Rail e a de abomba injetora .

Turbina de recuperação de energia

Algumas aplicações são definidas como turbo-compostos quando, além ou no lugar da ação de superalimentação, uma fração da energia cinética residual dos gases de escapamento é extraída por meio de uma turbina dedicada (localizada a jusante do turbocompressor, se houver). um torque de rotação transmitido pelo impulsor relativo ao eixo de transmissão conectado a ele (possivelmente por meio de um acoplamento hidráulico ), como em particular motores para caminhões ou motores de pistão de aeronaves antigas.

Misto: volumétrico e turbo

A combinação do compressor volumétrico com o turbo é usada principalmente em carros de corrida (em rally por exemplo) [2] . Esta combinação é útil porque o efeito do compressor volumétrico acima de 3500-4000 rpm é contornado, devido à densidade do ar e ao tamanho do ventilador, portanto é utilizado o turbo compressor que aproveita a alta pressão dos gases de exaustão que eles girar sua turbina sobrecarrega o motor, mesmo em altas rotações.

Compressor centrífugo

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Impulsor de um compressor centrífugo

O compressor centrífugo usa o mesmo princípio do turbocompressor, a principal diferença, entretanto, é que o impulsor não é ativado pelos gases de escape, mas por uma polia chaveada no eixo do impulsor e conectada por correia a uma das polias que giram junto com o motor ., como se fosse uma polia sincronizadora, ou pode ser movida por um motor elétrico.

A vantagem em termos de potência desta última solução é muito pequena em comparação com o turboalimentador, e a principal causa reside no fato de que ao girar restringido ao motor (em oposição ao turbo impulsor que gira livremente) o número de rotações que pode ser alcançado significa que altas pressões podem ser alcançadas; no entanto, a extrema simplicidade de instalação deste tipo de sobrealimentação significa que todos os problemas (e consequentemente os custos) relativos à instalação do turbo são eliminados e o torna uma excelente alternativa se o aumento da potência for contido dentro dos 80 -99% da potência inicial (no caso de impulsores muito grandes). Uma solução muito mais rara é usar um compressor centrífugo com o impulsor acionado por um motor elétrico.

A peculiaridade desta instalação reside no fato de que em geral as transmissões mecânicas são utilizadas para acionar compressores volumétricos enquanto as dinâmicas são operadas com os gases de exaustão.

Compressor G ou G-lader

Diagrama de operação do compressor G

Este tipo de compressor, patenteado em 3 de outubro de 1905 por Léon Creux da França (US Patent 801182) [3] , é caracterizado por dois impulsores espirais colocados um dentro do outro, um dos quais é fixo, enquanto o outro tem um movimento planetário , sem girar em seu eixo, durante a rotação esses impulsores tocam e transportam o ar de fora dos dois impulsores para o centro dos mesmos, onde é posicionado um orifício, direcionado ao duto de alimentação [4] . É conhecido comercialmente com o nome em inglês de compressor scroll, italianizado por alguns em scroll pump .

Supercharging ressonante

Dispositivos que exploram a ressonância dos vários gases

Comprex

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Constituído por um impulsor em forma de cilindro com muitas passagens internas retas de diferentes diâmetros, onde em uma extremidade ocorre a entrada da mistura fresca, enquanto na outra há a expulsão dos gases de exaustão e a interação desses gases na realização da expulsão ação, o motor estimula a ingestão de gases frescos.

Supercarga química

A sobrealimentação química é outra forma de introduzir mais oxigênio nos cilindros do que normalmente estaria presente apenas com a sucção e consiste em misturar o ar com um fluido mais oxigenado. Na verdade, a atmosfera contém apenas cerca de 20% de oxigênio. O composto com o qual misturar o ar mais usado hoje é o óxido nitroso ( ) que contém cerca de 36% de oxigênio em peso. É introduzido no coletor de admissão através de bicos especiais e reage assim que entra em contato com áreas de alta temperatura, liberando oxigênio puro. O aumento de potência e torque é notável, com ganho de até 50-60% do HP disponível. Este é um sistema muito pouco utilizado, por questões legais, custos, problemas de confiabilidade e por causar rápido desgaste do motor. Além disso, os cilindros de óxido nitroso permitem apenas alguns segundos de sobrealimentação efetiva, limitando o sistema a corridas ou eventos de aceleração. O sistema de injeção de óxido nitroso talvez seja mais conhecido pela sigla NOS, nome da empresa que produziu o sistema para veículos pela primeira vez em 1978 .

História

Os primeiros usos da superalimentação química datam da Segunda Guerra Mundial em caças, quando a potência extra era necessária durante a decolagem ou em grandes altitudes em áreas de ar rarefeito. As primeiras tentativas foram feitas pelos alemães com injeção de oxigênio, o que garantiu grandes aumentos de potência, mas desgaste quase instantâneo das válvulas de exaustão, já que a intensidade da frente da chama no cilindro tinha o efeito de uma chama de oxiacetileno.

Este sistema poderia, portanto, ser usado por poucos segundos, apenas em manobras de emergência durante o combate. Posteriormente, o óxido nitroso foi experimentado com maior sucesso, mas também outras misturas que garantiram o aumento da potência por períodos mais longos e sem danos fatais ao motor.

Os primeiros desenvolvimentos automotivos ocorreram nas décadas de 60 e 70 com a proliferação das corridas de aceleração (Drag Strips), ainda que os sistemas de derivação aeronáutica utilizados fossem muito complexos. Uma excelente simplificação foi trabalhada por Mike Thermos e Dale Vaznaian usando um sistema "aparafusado", ou seja, "aparafusado" e, portanto, menos caro e reversível. A boa demanda do mercado levou os dois criadores à criação da Nitrous Oxide Systems Inc. em 1978, ainda existente e ativa hoje. Até o momento, o uso de tal sobrealimentação é ilegal na Itália.

Observação

Itens relacionados

links externos

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