Turbocompressor

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Disambiguation note.svg Desambiguação - "Turbo" se refere aqui. Se você estiver procurando por outros significados, consulte Turbo (desambiguação) .
Exemplo de um turbocompressor seccionado. No lado esquerdo da imagem você pode ver o lado "quente", enquanto no lado direito o lado "frio".

O turbocompressor (às vezes conhecido como turbo-grupo ou turbo ) é um sistema mecânico com a finalidade de sobrecarregar o motor de combustão interna .

O turbocompressor consiste no acoplamento entre uma turbina centrípeta (o lado "quente" ou o lado de exaustão do turbocompressor, onde os gases de exaustão de alta temperatura são recebidos) e um compressor centrífugo (o lado "frio" ou sucção , no qual o ar para ser comprimido é sugado [1] ). É o método mais comum de sobrealimentação de motores de combustão interna, em particular para veículos motorizados.

Posição

O turbocompressor é instalado o mais próximo possível do cabeçote do motor de quatro tempos, onde os dutos de escapamento e combustível estão localizados. Os coletores de escapamento fluem para o lado quente do turbocompressor por meio de um único duto ou, como no caso dos turboalimentadores Twin Scroll, em dois dutos. No que se refere ao lado frio do turbogrupo, se comprime o ar antes do componente de mistura do combustível com o comburente (carburador ou injetor), esses componentes de mistura, principalmente se do tipo carburador, são definidos como soprados, enquanto se esses componentes eles são colocados a montante do turbogrupo e são chamados de aspirados [2]

Estrutura

Esta turbomáquina é composta por duas partes interligadas:

Cada um desses dois elementos é caracterizado por um impulsor dedicado (em inglês é chamado de impulsor), que pode girar em alta velocidade dentro de seu alojamento em forma de espiral . Portanto, no turbocompressor, haverá um impulsor de admissão e um impulsor de exaustão, que são interligados e integrados por um eixo, e esses impulsores irão girar, dentro de seus alojamentos, na mesma velocidade angular.

O impulsor da turbina , colocado dentro de sua porca de exaustão de ferro fundido, é colocado em rotação pela ação dos gases de exaustão, quando estes últimos têm valores de entalpia suficientemente elevados para serem transferidos para a turbina na forma de trabalho (ou seja, energia liberada por o fluxo de gás de exaustão para o impulsor da turbina, também chamado de salto de entalpia) e energia cinética.

Portanto, a turbina coleta a energia (na forma de energia cinética e entalpia ) dos gases de escapamento e a transforma em energia mecânica útil para colocar o compressor em rotação. Portanto, a rotação do impulsor de exaustão consequentemente provoca a rotação do impulsor do compressor (geralmente, este último é feito de liga leve de magnésio ), uma vez que estão ligados entre si, ao longo do seu eixo de rotação, por meio de uma pequena árvore.

O impulsor do compressor, dentro de sua estrutura espiral (esta última em titânio ou liga de alumínio), é acionado em rotação pela turbina, comprime o ar e depois o introduz no coletor de admissão, fornecendo aos cilindros do motor um volume de ar maior do que o que poderia ser sugado em uma unidade de tempo se esse motor fosse simplesmente aspirado. Assim, o turbocompressor é um conjunto altamente eficiente, pois utiliza a energia residual (que de outra forma seria desperdiçada) dos gases de escapamento para acionar a turbina e, consequentemente, o compressor.

Recursos

BMW 2002 Turbo , o primeiro carro de estrada europeu a adotar o turbo. [3]

Desta forma é possível introduzir uma maior quantidade de ar / gasolina ou mistura ar / gasóleo na câmara de combustão, garantindo assim uma maior performance em termos de potência e capacidade de aceleração. Porém, justamente em virtude dessa potência, até mesmo os gases de escapamento são forçados a se apagar mais rapidamente, de modo que o turbocompressor também girará mais rapidamente, dando cada vez mais potência ao motor. Os impulsores dos turbocompressores modernos podem atingir mais de 180.000 rotações por minuto .

O turboalimentador funciona particularmente bem nas altas rotações do motor de combustão interna, enquanto até 2.000-3.000 rpm é quase sempre uma desvantagem para o motor, devido à inércia do impulsor de escapamento que diminui a saída de gás. o rotor da turbina, quando está estacionário ou gira em velocidades de rotação muito baixas, representa um obstáculo ao movimento do fluxo dos gases de escapamento, causando um aumento na chamada "contrapressão" no escapamento), mas esse problema é especialmente válido para sistemas turbo proporcionalmente grandes, ao passo que não ocorre com sistemas menores, mas que possuem menor capacidade de sobrealimentação.

Em motores de alto desempenho, há, portanto, uma tendência para instalar vários pequenos turbocompressores em vez de apenas um, a fim de ter um atraso de resposta reduzido à pressão do acelerador (ou seja, um turboalag baixo) associado a taxas de fluxo consideráveis. Fornecimento de ar de alta velocidade .

Nos últimos anos, para remediar os problemas relacionados ao Turbo-lag , os engenheiros têm recorrido à canalização do fluxo dos gases de escape para aumentar o desempenho do turboalimentador já em baixas rotações. O " Twin-scroll [4] " mantém separados os fluxos pulsantes vindos dos cilindros (em um motor de 4 cilindros em média os canais são acoplados entre os cilindros 1 e 4, 2 e 3) para evitar interferência entre eles e para maximizar graças a isso é a velocidade do impulsor. Ao canalizar especificamente os fluxos usando o sistema de " entrada dupla ", existem 2 canais de diferentes tamanhos e ângulos com base no eixo vertical do impulsor de exaustão. A colaboração dos dois canais permite limitar simultaneamente os pontos críticos de sobrealimentação por meio de um turbocompressor, que é o Turbo-lag e a interferência mútua das ondas de pressão que são geradas alternadamente no escapamento. Além disso, o Twin-scroll [5] permite, através da depressão criada pela aceleração dos fluxos de exaustão, a lavagem das câmaras de combustão e a facilitação da entrada de ar fresco nos cilindros graças ao cruzamento de válvulas (sobreposição).

Junto com o Twin-scroll, de acordo com as especificações exigidas pelo fabricante, o eixo do rotor é alojado em rolamentos de esferas, ao invés de buchas / buchas e nos motores de maior desempenho esses rolamentos são em uma base de cerâmica para limitar ou quase eliminar o atrito devido à rotação. Podemos ver que temos vários tipos de turboalimentadores capazes de carregar mais de 2.000 hp

Precauções

Para não incorrer no chamado fenômeno de detonação (ou seja, a batida na cabeça ), ou mesmo na quebra do próprio motor, não é possível ultrapassar uma determinada taxa de compressão no interior dos cilindros e por isso ventilar e sistemas de desvio são usados. tanto o ar de admissão quanto os gases de exaustão, na forma de válvulas especiais:

  • válvula wastegate , para desviar (ou contornar) o excesso de gases de exaustão, o que, de outra forma, daria aos turbo-impulsores uma velocidade de rotação muito alta, criando problemas de confiabilidade; Esta válvula também é utilizada para regular a pressão de sobrealimentação, modulando sua abertura através da ECU.
  • válvula pop-off (também chamada de blow-off , localizada entre o turboalimentador e a válvula borboleta), que se abre completamente quando o pedal do acelerador é liberado, quando, apesar da válvula borboleta estar totalmente fechada, os impulsores do turbo continuam girando devido à inércia rotacional, fazendo com que o compressor continue a comprimir e empurrar o ar em direção à válvula borboleta. Esta válvula não é necessária no motor de ciclo Diesel, pois não possui corpo borboleta. Quando o pop-off abre, este ar é ventilado para o exterior ou para um tubo de retorno. Se esse ar (que não é introduzido nos cilindros) não fosse ventilado, ele "acertaria" a borboleta fechada e criaria uma onda de pressão de retorno em direção ao rotor do compressor, dando origem ao chamado martelo de água, fenômeno que pode ser muito prejudicial para vários componentes do turbocompressor.

Essas válvulas podem ser de dois tipos:

  • com ventilação interna (também chamada de "recirculação" ou "by-pass"). No lado da admissão do turbo, no caso do pop-off , o excesso de ar comprimido é transportado a montante do compressor, por meio de um tubo (ou luva) conectado à exaustão da própria válvula, ou seja, a massa de ar vai passar pela entrada novamente, da boca (isto é, da seção de entrada) do compressor, o que também limitará o fenômeno do turbo-lag . No lado da exaustão do turbo, no caso da válvula wastegate, os gases de exaustão excedentes são transportados a jusante da turbina (ou seja, eles desviam da turbina), através de um duto dedicado (localizado na porca da turbina, no caso de um wastegate interno ; ou localizado no coletor de escape no caso de ser um wastegate externo , separado da turbina), cuja abertura é controlada precisamente pela válvula wastegate , de onde saem pelo coletor de escape;
  • com ventilação externa (ou ventilação livre). Este tipo é válido apenas, no lado da admissão do turbo, para o pop-off. Nesse caso, o excesso de ar comprimido é simplesmente expelido para a atmosfera por um bico especial localizado na válvula, criando um efeito sonoro audível (a típica baforada).

Outros sistemas mais procurados e geralmente limitados a certas áreas são:

  • ALS ( Anti-Lag System ), sistema que permite que a turbina tenha sempre um número elevado de rotações mesmo durante a desaceleração, para ter uma resposta rápida quando o controle do acelerador for reaberto.
  • O motor de injeção de água é um método que evita o aparecimento do fenômeno de detonação.

Sistemas combinados

O sistema turboalimentador também pode consistir em vários turboalimentadores organizados de várias maneiras, ou um ou mais turboalimentadores podem ser associados a um compressor mecânico. Vamos ver alguns exemplos.

Turbocompressor e compressor volumétrico

Em termos de sistema combinado de turbocompressor e superalimentador volumétrico, citamos, por exemplo, o sistema montado no Lancia Delta S4 de 1985, cujo motor de quatro cilindros de 1.800 cm³ estava disponível em duas versões, uma versão para estrada que entregava 250 cavalos (cerca de 185 kW) e um de rali que pode entregar mais de 500 cavalos de potência (cerca de 370 kW).

Esta unidade usava um sistema de superalimentação no qual um supercompressor e um turbocompressor operavam em série. O compressor volumétrico partiu imediatamente da marcha lenta, e sua ação de bombeamento de ar (o compressor era do tipo lóbulo volumétrico) aumentou proporcionalmente com as rotações do motor. A uma determinada rotação do motor ocorria o acionamento do turboalimentador que, para uma pequena faixa de rotação, funcionava em conjunto com o compressor; quando o turbo atingiu a condição de plena carga, o compressor foi completamente contornado: uma função particularmente útil em altas rotações do motor, para limitar a absorção mecânica de energia para o virabrequim que era usado para acionar o compressor.

Esta solução foi adotada recentemente pelo grupo Audi-VW em muitos motores TSI .

Multi-turbo

Motor de 2,5 litros de um Maserati Biturbo de 1985, uma das primeiras aplicações do multi-turbo em um carro de produção. [6]

O multi turbo é um sistema turboalimentador que usa duas ou mais unidades em vez da solução única; essas unidades podem ser conectadas de duas maneiras:

Sequencial

Este sistema usa várias unidades com características diferentes para alimentar o trem de força em várias situações de carga do motor.

Geralmente um sistema duplo é usado, onde há um pequeno turboalimentador, que tem uma resposta rápida do acelerador em baixas a médias rotações, mas com uma capacidade de fluxo de ar de alimentação reduzida, enquanto o outro turboalimentador é de tamanho médio-grande, com um acelerador lento resposta em rotações baixas-médias, mas com taxas de fluxo de ar substanciais em plena carga.

Essas unidades são utilizadas em momentos distintos, e todo o funcionamento dos turboalimentadores está vinculado ao gerenciamento dos fluxos de escapamento e sua ação nos impulsores da turbina. Portanto, a ação de um sistema sequencial pode ser dividida em três etapas:

  • baixas rotações do motor, nesta situação os gases de escapamento são todos transportados para a turbina menor e, na faixa de rotações de baixa a média rotação do motor, uma parte dos gases de escapamento também é transportada para a turbina maior;
  • médias rotações , nesta situação os gases de exaustão são conduzidos para ambas as turbinas e, na transição de médias para altas rotações, os gases de exaustão são direcionados principalmente para a turbina maior.
  • Em altas velocidades , nesta situação, os gases de exaustão são todos conduzidos para a turbina maior, enquanto a pequena é totalmente desviada.

Este procedimento permite um funcionamento bastante linear do sistema de sobrealimentação, com uma resposta mais rápida ao comando do acelerador. Por outro lado, a gestão eletrónica das válvulas que permitem a realização dos vários transientes é muito complexa, pelo que esta combinação é muito cara e difícil de configurar.

Paralelo

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: Triflux .

Este sistema transporta os gases de escapamento provenientes dos coletores de escapamento do motor, dividindo-os em partes iguais nos diversos turbo sistemas, que, neste caso, são idênticos e alimentam partes iguais e distintas do motor, ou podem operar de forma diferente dependendo da velocidade rpm e a condição de carga do motor em que o motor está localizado.

No exemplo do sistema duplo turbo, as turbinas recebem, do lado do escapamento, a parte dos gases de escapamento de uma metade do motor e alimentam a outra metade do motor pelo lado da admissão.

Enquanto em sistemas mais sofisticados as diferentes turbinas, no lado quente, são usadas de forma diferente dependendo da velocidade, fazendo com que várias turbinas trabalhem em paralelo conforme a rotação do motor aumenta.

Este sistema permite reduzir o atraso de resposta do sistema e, além disso, permite que o motor funcione mesmo com uma turbina danificada, com o defeito de ter um custo elevado.

Evoluções

Para melhorar a eficiência e o desempenho do sistema turbo e sua faixa de operação, várias soluções foram desenvolvidas.

Twin Scroll

Seção lateral de um Turbo Twin Scroll. Observe os dois "U" vermelhos na porca da turbina, representando os dois coletores de escapamento típicos desses turbocompressores.

Twin Scroll Turbo, ou simplesmente Twin Scroll , é um sistema no qual um único turbocompressor funciona com dois canais de exaustão, ao invés de apenas um como nos turbos normais ou "turbos simples". O turbocompressor tem duas entradas de exaustão e dois bicos, um menor e mais angulado para uma resposta mais rápida e um maior e menos angulado para maximizar o desempenho. Isso permite melhorar a entrada dos gases de escape na turbina e, ao mesmo tempo, aumentar sua pressão e potência. O cárter de entrada é dividido, portanto, os coletores de escape dos cilindros se unem aos pares e isso torna o fluxo de entrada de gás mais eficiente. Portanto os gases de exaustão, tendo que passar por um duto de seção meia na mesma unidade de tempo, movem-se mais rápido e com maior força, causando menos inércia em baixas rpm. Com o mesmo volume de gás de escapamento entrando no turbocompressor, os gases de escapamento atingem os impulsores da turbina com quase o dobro da velocidade.

Este arranjo é usado principalmente em motores de 4 cilindros, nos quais os coletores de escapamento são acoplados no esquema 2-2, no qual os cilindros 1 e 4 vão juntos com os cilindros 2 e 3, entrando separadamente dentro da porca de escapamento do turbo, de modo que manter sempre as pulsações de gás em ordem, a fim de reduzir o turbo lag .

As vantagens deste sistema são uma resposta mais rápida do motor em comparação com um turbo normal graças à maior pressão de funcionamento e consequentemente também uma maior potência em baixas rotações e em comparação com a dupla turboalimentação há menos ocupação de volume e espaço. , o que o torna ideal para uso em motores de baixa cilindrada ou em carros pequenos, tais como pequenos carros e super- carros . [7] [8]

Turbocompressor de geometria variável

Conceitualmente, é idêntico ao turboalimentador clássico, mas a maior diferença deste último é inerente ao impulsor de acionamento ou escapamento. No caso do turbo de geometria variável, o rotor da turbina é, de fato, circundado por um anel de pás do estator de incidência variável. O movimento dessas palhetas do estator, comandado pela unidade de controle eletrônico ou por meio de um depressor, consiste na variação do seu ângulo de incidência em relação às palhetas giratórias do impulsor acionador. Dependendo da velocidade de rotação, estes são fechados ou abertos para favorecer a velocidade ou vazão dos gases de escapamento, dependendo das velocidades de operação do motor. Isso leva a uma maior flexibilidade e adaptabilidade de comportamento em relação ao turboalimentador de geometria fixa, uma vez que, ao explorar a incidência variável das palhetas do estator no lado de escape quente, um turbo de geometria variável permite obter a mesma baixa inércia de um turboalimentador de pequenas dimensões. e um alto fluxo de ar de suprimento (e, portanto, alta potência do motor) de um grande turbo. O campo de aplicação mais amplo é o dos turbodiesel de injeção de alta pressão, como common-rail e bomba injetora ; para motores a gasolina, as altas temperaturas de exaustão limitam a capacidade de uso deste sistema.

Observação

  1. ^ "Escape" refere-se ao motor que libera (descarrega) os gases quentes resultantes da combustão. "Carga" refere-se à entrada (carga) de ar externo através do coletor / filtro.
  2. ^ Carburação
  3. ^ BMW 2002 Hommage, o '73 Turbo interpretado de forma moderna , em LaStampa.it . Recuperado em 12 de fevereiro de 2017 .
  4. ^ Riccardo Pati, Turbocharging: Twin-scroll systems , em Auto Tecnica , 27 de abril de 2018. Página visitada em 22 de novembro de 2020 .
  5. ^ Riccardo Pati, Turbocharging: Twin-scroll systems , em Auto Tecnica , 27 de abril de 2018. Página visitada em 22 de novembro de 2020 .
  6. ^ Maserati Biturbo: de um ícone dos anos 80 a um carro antigo maltratado [FOTO ESPECIAL] , em Motorionline.com , 12 de janeiro de 2016. URL acessado em 12 de fevereiro de 2017 (arquivado do URL original em 12 de fevereiro de 2017) .
  7. ^ Twin Scroll Turbo System Design - Revista Modificada , em SuperStreetOnline , 20 de maio de 2009. Retirado em 8 de fevereiro de 2017 .
  8. ^ Twin Scroll vs. Teste Single Scroll Turbo - DSPORT Magazine , em DSPORT Magazine , 29 de fevereiro de 2016. Retirado em 8 de fevereiro de 2017 .

Itens relacionados

Outros projetos

links externos

  • Turbo-carregamento: sistemas Twin-scroll: [1]
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