Apostila TURBO

DANILLO GABRIEL NAKANO

ESTUDO SOBRE INSTALAO DE UM TURBOCOMPRESSOR EM AUTOMVEL NACIONAL

: ANLISE DE PROJETO E ANLISE DE CASO

Trabalho de Concluso de Curso apresentado Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para a obteno de ttulo de Mestre Profissional em Engenharia Automotiva

So Paulo

2007

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So Paulo

2007

3





rea de Concentrao: Engenharia Mecnica Automotiva

Orientador: Prof. Doutor Marcos de Mattos Pimenta

So Paulo

2007

4

DEDICATRIA

Dedico esta obra a:

Todos que com sua insatisfao e esprito contestador

contriburam para a elaborao deste estudo, de forma a

termos um material para pesquisa e direcionamento na arte de

lidarmos com motores a combusto interna em veculos

automotivos.

5

AGRADECIMENTOS

Ao Professor Doutor Marcos de Mattos Pimenta, pela orientao, apoio, auxlio e

estmulos ao bom andamento desta obra.

Aos meus familiares, Pedro Nakano, Mirna Nakano e irmos, que contriburam para

o bom andamento da criao desta obra.

A Ctia Petri pela pacincia, amparo, apoio e suporte, seja nas noites ajustando motores para este trabalho, sejam nos fins de semana, onde compromissos eram desmarcados em prol de um trabalho que se misturava com hobby.

Aos amigos, que no so poucos. Amigos que auxiliaram, apoiaram nos ensinaram

e indicaram caminhos, mesmo que nem sempre corretos de modo a produzirmos

esta obra.

A todos que vierem a utilizar desta obra, em especial queles que com o esprito

acadmico venham a difundir os conhecimentos adquiridos e, principalmente,

venham a engrandecer esta obra atravs de contribuies prprias.

6

Sorte a combinao de preparao e

oportunidade.

7

RESUMO

Com o estudo sobre a instalao de um turbocompressor em automvel nacional, se

objetivaram a anlise dos status atual da indstria nesta rea, os resultados que so possveis obter com este sistema alm do estudo de um caso em particular, de

forma a elucidar esta obra. No caso apresentado obteve-se ganhos de potncia da

ordem de 60% a 80% em relao ao inicial, atingindo uma acelerao de 0-100 km/h

em menos de 8s, confirmando dados simulados. Portanto com os dados obtidos se

conclui que possvel a instalao de um sistema com turbocompressor para

obteno de aumento de potncia em automvel nacional, com as devidas

adaptaes do sistema. Importante notar que ocorrem perdas na durabilidade do

sistema como um todo, aumento no consumo de combustvel, conforme existe uma

maior entrega de potncia.

Palavras-chave: Turbocompressor. Turbina. Turbo. Motor a combusto interna.

Aumento de potncia.

8

ABSTRACT

This study, about installing a turbocharger in a Brazilian built automobile, has the

objective of analyzing the actual status of this industry sector. The results using this system are presented, and include the study of a particular case, in order to illustrate

this work. In this case, it was obtained a power gain in order of 60% to 80%

comparing with the initial, reaching acceleration from 0-100 km/h (near 0-62 mph) below 8s, confirming the simulated data. In this way with the acquired data it is

shown that it is possible to install a turbocharger system to achieve an increase in

power of a Brazilian automobile, with the necessaries adaptations at the system. It is

important to notice that there are losses in durability of the whole system, increase at

fuel mileage, as well as there is a higher power delivery.

Keywords: Turbocharger. Turbine. Turbo. Internal Combustion Engine. Power

increase.

9

LISTA DE FIGURAS

Fig. 01 Esquema de um turbocompressor 18

Fig. 02 Esquema de um turbocompressor com intercooler 20

Fig. 03 - Pisto de motor combusto interna ciclo Otto moderno 37

Fig. 04 - Conjunto de anis de pisto (BOSCH, 2004) 40 Fig. 05 Bronzinas 41

Fig. 06 Biela 42

Fig. 07 Escapamento 2,0pol para GM corsa com um abafador traseiro 48

Fig. 08 Tubulao de admisso 52

Fig. 09 Intercooler 55

Fig. 10 Coletor de escape com turbocompressor e wastegate 57

Fig. 11 Embreagem de modelo com pastilhas de cermica 59

Fig. 12 Embreagem de modelo tradicional 59

Fig. 13 Bomba de combustvel 61

Fig. 14 Bico injetor de combustvel 62 Fig. 15 Bico injetor de combustvel 62 Fig. 16 Dosador de combustvel 1:1 com regulagem 64

Fig. 17 Dosador de combustvel HPi 65

Fig. 18 Linha de combustvel e retorno adaptado a

tanque de combustvel 67

Fig. 19 Vlvula de alivio externa 69

Fig. 20 Vlvula de alivio integrada 69

Fig. 21 Vlvula de prioridade 70

Fig. 22 Sonda Lambda 77

Fig. 23 Hallmeter 81

10

Fig. 24 Turbocompressor em corte 88

Fig. 25 Eixo e mancal em corte 90

Fig. 26 Fluxo no turbocompressor 94

Fig. 27 Pickup Corsa Branca 117

Fig. 28 Motor com turbocompressor 118

Fig. 29 Veculo no dinammetro 118

Fig. 30 Corsa Hatch Branca 119

Fig. 31 Motor com turbocompressor 119

Fig. 32 Veculo no dinammetro 120

11

LISTA DE GRFICOS Grafico 01 Perdas em um motor a combusto interna 21

Grfico 02 - Presso na cmara e ngulo de virabrequim 36

Grfico 03 - Esforo de presso de combusto na Biela 42

Grfico 04 - Esforo de foras inerciais na Biela 43

Grfico 05 - Esforo de foras somadas na Biela 44

Grfico 06 Dimetro de escapamento (pol) x potncia desejada (cv) 48 Grfico 07 Mapa da turbina 93

Grfico 08 Mapa de um compressor 95

Grfico 09 Ajuste do compressor 98 Grfico 10 Mapa de APL525 A/R 0,42 rotor 47,5mm 101

Grfico 11 Mapa do compressor da KKK K16 102

Grfico 12 Medio de Dinammetro 118

Grfico 13 Medio de Dinammetro 120

12

LISTA DE TABELAS

Tabela 01 Relao estequiomtrica e voltagem

na sonda lambda 78

Tabela 02 Relao de peas com HPi 103

Tabela 03 Ficha do motor HPi 148cv 107

Tabela 04 Relao de peas com Bico Suplementar 109

Tabela 05 Ficha do motor com bico suplementar 152cv 111

Tabela 06 Ficha do motor com bico suplementar 187cv 113

Tabela 07 Relao de peas com intercooler 114

Tabela 08 Relao de veculos com peso/potncia 115

Tabela 09 Ficha do motor com intercooler 232cv 116

Tabela 10 Ficha da pickup corsa branca 118

Tabela 11 Ficha do corsa hatch branco 120

13

SUMRIO 1. INTRODUO 17 1.1 Objetivos, a indstria e o conhecimento 17 1.2 O funcionamento do motor turboalimentado 17

2. O ESTUDO 23

2.1 Anlise dos Sistemas e Subsistemas 23

2.2 Estudo de caso 23

3. ANLISE PRELIMINAR 24 3.1 Comparao entre diferentes metodologias para

aumento de potncia 24

3.1.1 Aspirao natural 24

3.1.2 Sobrealimentao por compressor mecnico 26

3.1.3 Sobrealimentao por turbocompressor 27

3.2 Estudo se um ganho de 60% a 80% em potncia

suficiente para acelerao de 0 a 100km/h ao redor de 8s 28

3.2.1 Um veculo nacional de pequeno porte GM Corsa 1,6 8V ano 96 29

3.2.2 Um veculo nacional de pequeno porte VW Gol 1,0 16V ano 02 30

3.2.3 Um veculo nacional de mdio porte VW Golf 1,8 20V Turbo ano 02 30

3.2.4 Um veculo nacional de grande porte Marea 2,0 20V Turbo ano 02 31

4. CONSIDERAES SOBRE A ADAPTAO DO TURBOCOMPRESSOR 33

4.1 Durabilidade de um motor com turbocompressor 33

4.1.1 Pisto 34

4.1.2 Anel 39

14

4.1.3 Bronzina 40

4.1.4 Virabrequim 41

4.1.5 Biela, pino e trava 42

4.2 Durabilidade e testes de longa durao ou dinammetro 45

5. ESTUDO DOS SISTEMAS E SUBSISTEMAS 47

5.1 Sistema de exausto de gases Escapamento 47

5.2 Sistema de admisso de ar 51

5.3 Intercooler 54

5.4 Coletor de escape 57

5.5 Conjunto de embreagem e plat 58 5.6 Bomba de Combustvel 60

5.7 Bico injetor de combustvel 62 5.8 Dosador de combustvel 63

5.8.1 Utilizao de um ou mais bicos auxiliares 64

5.8.2 Utilizao de dosador HPi na linha 64

5.9 Linha de combustvel 67

5.10 Vlvula de alvio 68

5.11 Vlvula de prioridade 69

5.12 Controlador de Bico Auxiliar 71

5.13 O Bico Auxiliar 73

5.14 Sonda Lambda 77

5.15 Medidores 79

5.15.1 Conta-giros 79

5.15.2 Manmetro de presso no coletor 80

15

5.15.3 Medidor de mistura Hallmeter 80

5.15.4 Termmetro de gua 82

5.15.5 Manmetro de presso de combustvel 82

5.15.6 Manmetro de presso de leo 83

5.15.7 Termmetro de leo 83

5.16 ECU 84

5.16.1 Manter configurao original do ECU 85

5.16.2 Programar a ECU para o pior caso 86

5.16.3 Instalar um controlador capaz de atrasar o ponto

de ignio proporcionalmente ao aumento de presso 86

5.16.4 Trocar o MAP por um modelo capaz de medir presso

positiva e reprogramar a ECU 87

5.17 Turbocompressor 88

5.17.1 Eixo 89

5.17.2 Turbina 91

5.17.3 Compressor 94

6. ESTUDO DE CASO 99

6.1 GM Corsa Hatch Vinho 1,6L 8v MPFI ano 96 99

6.1.1 Apresentao do veculo 99

6.1.2 A adaptao do turbocompressor 100

6.1.2.1 Adaptao do turbocompressor com alimentao por

dosador HPi 100

6.1.2.2 Adaptao do turbocompressor com alimentao por

controlador e bico suplementar 108

6.1.2.3 Instalao do intercooler 114

16

6.2 GM Pickup Corsa Branco 1,6L 8v MPFI ano 02 117


6.2.2 Ficha do veculo 118

6.2.3 Impresso do veculo 119

6.3 GM Corsa Hatch Branco 1,0L 8v MPFI ano 01 119


6.3.2 Ficha do veculo 120

6.2.3 Impresso do veculo 121

7. COMENTRIOS FINAIS E CONCLUSES 122 8. BIBLIOGRAFIA 126

17

1. INTRODUO 1.1 Objetivos, a indstria e o conhecimento Revisando a literatura referente a motores a combusto para automveis nacionais,

pouco foi encontrado, devido aos parcos estudos acadmicos nesta rea de

conhecimento assim como falta de iniciativa de membros da indstria para

compartilhar conhecimento prtico. Este trabalho tem dentre seus objetivos a disseminao do conhecimento sobre motores a combusto interna.

A indstria nacional de automveis vem enfrentando grande presso dos

consumidores por veculos a preos de venda menores, fazendo com que a

diversidade de motorizao dos automveis diminua. Se os preos ao consumidor

final so otimizados com esta medida, alguns nichos de mercado, como o de

automveis esportivos acaba sendo relegado a segundo plano. O objetivo primrio deste estudo analisar o processo e resultado da alterao de potncia em um

automvel nacional, atravs da instalao de um turbocompressor.

No presente momento este estudo ser importante para um nicho de mercado, mas

no futuro com a presso por maior economia de combustvel e diminuio de

emisses os fabricantes de automveis estaro mais inclinados utilizao de

turbocompressores em seus projetos, devido inerente vantagem deste sistema ao regenerar parte da energia trmica e cintica que seria desperdiada nos gases de

escape.

1.2 O funcionamento do motor turboalimentado

Para auxiliar no entendimento sobre o funcionamento de um motor turboalimentado

por um turbocompressor instalado em um motor originalmente aspirado e as

18

diferenas entre um motor originalmente aspirado e um originalmente turbo sero

feitas algumas consideraes sobre o tema.

Logo na admisso do ar atmosfrico j existem diferenas entre os motores. Em um motor originalmente aspirado, que passaremos a chamar somente de aspirado, o ar

admitido no motor pela depresso gerada pelo movimento descendente do pisto

(em ciclo de admisso). O mesmo acontece com os motores turbo (originalmente turboalimentados) e turbinados (motores naturalmente aspirados onde foi instalado um turbocompressor) quando o compressor do turbocompressor no tem rotao suficiente para gerar presso positiva no coletor (presso positiva quando a

Fig. 01 Esquema de um turbocompressor

19

presso no coletor de admisso maior que a atmosfrica). Logo nestes regimes o motor turbinado trabalha exatamente como um aspirado com as desvantagens que

em um motor turbo ou turbinado a taxa de compresso baixa, gerando um baixo

aproveitamento trmico do combustvel neste regime.

Quando a turbina passa a ter fluxo de gases de escape suficientes para gerar

presso positiva no coletor, que aparece a vantagem dos motores

turboalimentados. No motor turbo existe um pico de presso e depois a curva de

presso cai com o aumento de rotao atravs de um controle eletro-pneumtico

comandado pela ECU, de forma a minimizar os esforos no motor e garantir uma

durabilidade longa. No motor turbinado o controle da presso no coletor mecnico

atravs da vlvula de alvio. Com isto aps se atingir a presso regulada, a vlvula

mantm uma presso constante no motor conforme a rotao cresce. Em motores

turbinados usual a utilizao de turbina maior, de modo a adiar a pegada do

compressor e diminuir a backpressure, para diminuir os esforos no motor.

No compressor a compresso do ar gera um aumento na temperatura deste que

desfavorvel para o motor. O uso do lcool que absorve uma quantidade energia do

ar considervel quando se vaporiza uma vantagem quando em regimes de carga

plena j que abaixa a temperatura do ar admitido. Porm isto um problema quando o motor se encontra frio, pois o combustvel no ir se vaporizar, e a mistura no

ser homogenia, gerando uma combusto incompleta e sintomas de falta de

combustvel, mesmo quando a mistura estiver rica. Aconselha-se o uso de coletor

com aquecimento para aperfeioar o desempenho do veculo a lcool,

principalmente quando sistemas de realimentao no esto presentes, como em

motores carburados. Para evitar problemas na partida a frio do motor, necessrio

20

instalar o sistema de partida a frio. Lembre que o ponto de fulgor do etanol

combustvel de 13C.

O ar ao sair comprimido e quente do compressor ruma para o intercooler, conforme

fig. 02, quando este existe, onde sofre um resfriamento antes de entrar no motor,

garantindo uma maior confiabilidade no motor, e alguma potncia a mais, pois o ar

resfria e fica mais denso.

Do intercooler, se este existir, o ar passa pelo corpo de borboleta, conforme fig. 01,

rumando para o coletor de admisso. Quando o motor encontra-se pressurizado e a

borboleta se fecha, a vlvula de prioridade1 alivia a presso que tenderia a crescer

com a inrcia do compressor e poderia danificar a tubulao, a borboleta e at

romper o eixo do turbocompressor, gerando prejuzos. Portanto no se aconselha rodar sem vlvula de prioridade.

Aps passar pelo coletor de admisso onde o ar pulverizado com o combustvel

pelos bicos injetores, a mistura ar-combustvel passa pelas vlvulas de admisso e entra na cmara de combusto, onde o trajeto azul dos gases no queimados se transforma em vermelho, gases queimados, na fig. 02.

Fig. 02 Esquema de um turbocompressor com intercooler

21

Na cmara de combusto ocorre uma queima mais limpa e homognea quando

pressurizado, devido maior presso e turbulncia existente na cmara, em relao

a um motor aspirado, gerando uma melhor homogeneizao da mistura ar-

combustvel e uma propagao de chama mais rpida e completa (TAYLOR, 1985). As solicitaes mecnicas e trmicas dentro da cmara so maiores,

proporcionando uma diminuio da vida til do motor, lembrando que a PCP2 de um

motor turboalimentado levemente maior, gerando uma solicitao mecnica maior.

interessante notar que a correlao entre o aumento da potncia via instalao de turbocompressor e potncia de atrito baixa em um motor a combusto interna, o

que significa que um motor turboalimentado provavelmente ser mais eficiente que

um naturalmente aspirado, j que haver mesma quantidade de atrito para uma maior entrega de potncia, veja grfico 01 sobre perdas no motor.

As temperaturas de escape sero superiores em motores turboalimentados,

podendo chegar a at 1200C na vlvula de escape, incio do trajeto vermelho na fig. 02, o que gera um desgaste muito acentuado deste componente. Assim em motores

turbinados se deve evitar longos perodos a plena carga, pois o regime constante

pode fadigar termicamente o material da vlvula de escape rapidamente, alm dos

Perdas no motor

Virabrequim - 26%Refriamento - 32%Mecnica - 15%Bombeamento - 8%Escape - 19%

Grfico 01 Perdas em um motor a combusto interna (PARAMINS POST, 1998)

22

perigos de um veculo de 250cv durante 1 minuto em acelerao mxima. Este no

um problema em motores turbo, pois este tem vlvulas de escape com materiais

nobres como vlvulas com uma cmara interna sdio lquido, que timo condutor

trmico e alivia as altas temperaturas de escape (BOSCH, 2004). No escape os gases encontram-se a altas temperaturas quando em regimes crticos,

podendo atingir 1000C na entrada da turbina, seguindo trajeto vermelho na fig. 02 (BELLS, CORKY, 1997). Assim importante que o turbocompressor esteja em perfeitas condies de uso, caso contrrio o motor ter seu funcionamento

seriamente comprometido.

Aps passar pelas ps da turbina, e transformar parte da temperatura e presso

para energia mecnica, os gases de escape entram no sistema de exausto, por

onde passaro pela sonda lambda e sero devolvidos atmosfera.

23

2. O ESTUDO

O estudo sobre instalao de um turbocompressor em automvel nacional ser

dividido basicamente em duas partes:

Anlise dos Sistemas e Subsistemas

Estudo de caso

2.1 Anlise dos Sistemas e Subsistemas

A Anlise dos Sistemas e Subsistemas ser uma anlise da literatura, das

prticas da indstria e de metodologias desenvolvidas ao longo deste estudo,

abordando aos componentes afetados pela instalao do turbocompressor.

2.2 Estudo de caso

O Estudo de caso ser a anlise do processo de adaptao do turbocompressor, o

resultado final desta adaptao visando desempenho dinmico, conforto,

durabilidade e dirigibilidade do veculo antes e aps a adaptao.

Dentro do Estudo de caso ser dada nfase para uma adaptao de

turbocompressor visando ganhos de potncia entre 60% e 80% da potncia original

do veculo.

O caso desenvolvido foi a adaptao de um turbocompressor em um GM Corsa

hatch 1,6L 8v MPFI ano 1996. Verificaram-se diferentes metodologias de

alimentao, diferentes presses no coletor e presena ou no de intercooler.

24

3. ANLISE PRELIMINAR

3.1 Comparao entre diferentes metodologias para aumento de potncia

O escopo deste estudo analisar a adaptao de um turbocompressor em

automvel nacional, no intuito de aumentar a potncia do veculo. Porm

importante comparar o desempenho da soluo adotada com outras solues

existentes.

Iremos comparar trs solues:

Aspirao natural;

Sobrealimentao por compressor mecnico (ou blower);

Sobrealimentao por turbocompressor.

3.1.1 Aspirao natural

A aspirao natural a maneira mais comum de motores a combusto interna ciclo

Otto. Para facilitar o entendimento e estudo, estaremos nos atendo apenas a

motores com combustvel lcool ou gasolina, deixando o diesel de lado, devido a

algumas singularidades deste combustvel e motores movidos a este.

A aspirao natural caracterizada por:

Dificuldade em se preencher totalmente o cilindro com mistura ar-combustvel, j que existem perdas de carga no sistema de admisso;

Resposta instantnea de entrega de potncia conforme carga no acelerador e

rotao;

Dificuldade de ganhos de potncia expressivos sem perda de dirigibilidade, ou

solues de difcil adaptao;

25

A maneira clssica de ganho de potncia em motores com aspirao natural visa

manter o torque em um patamar constante e aumentar a rotao mxima do motor

(BELLS, CORKY, 1997). Dado que:

)(

,

similarRPMangularvelocidadeTorqueTPotnciaPTxP

=

=

=

=

Assim, para termos um aumento de 30% na potncia mxima, teramos que ter um

aumento de 30% na rotao, para um mesmo torque. Sabemos que as foras

inerciais aumentam quadraticamente com a rotao3:

tigainercialanovainercia

antiganova

inercial

xFF

x

F

69,130,1

ln

2

=

=

Logo teramos um aumento de 69% nas foras inerciais. As foras inerciais tm uma

ordem de grandeza igual ao da presso de combusto em um motor de um

automvel moderno. Assim um aumento desta magnitude pode ser danoso ao

motor, e certamente ir fatig-lo rapidamente, j que um dos maiores problemas do aumento das foras inerciais que estas esto se alterando entre compresso,

quando no ponto morto inferior aps a queima, e trao, quando no ponto morto

superior e vlvulas de escape e admisso abertas.

Alm do fator durabilidade a dirigibilidade de um automvel naturalmente aspirado

com 30% a mais de potncia comprometida, pois so necessrios comandos de

vlvula com alta permanncia, grandes cruzamentos de vlvulas e altas taxas de

compresso, afetando a dirigibilidade principalmente em baixas rotaes.

O consumo de combustvel costuma ser alto em motores desta natureza.

Para chegar aos 60% a 80% de ganhos de potncia mxima estimado no motor

turbinado, ainda teramos que aumentar o dimetro dos cilindros e o curso do

26

virabrequim, o que vai acabar sendo bastante custoso e trabalhoso para quem

desejar arriscar-se nesta empreitada. Note que apenas o custo do aumento da cilindrada do motor j est equivalente ao custo do kit turbo e seus perifricos.

3.1.2 Sobrealimentao por compressor mecnico

A sobrealimentao com a instalao de um compressor mecnico uma das

formas de se obter um ganho de 60% a 80% de potncia em um motor naturalmente

aspirado.

Esta sobrealimentao trata-se da adaptao de um compressor mecnico, em geral

do tipo roots que trabalha com rotaes de at 20mil rpm, dependendo do modelo. A

energia para movimentar o compressor originria de uma polia ligada ao

virabrequim via correia.

A sobrealimentao por compressor mecnico caracterizada por:

Resposta instantnea de entrega de potncia conforme carga no acelerador e

rotao;

Alta capacidade de gerao de potncia (porm inferior ao turbocompressor);

Alto consumo de combustvel;

Dificuldade de adaptao devido ao tamanho dos componentes. No so todos

os veculos com cofres que permitem a instalao desta soluo;

Custo superior ao do turbocompressor;

uma soluo bastante interessante, mas pouco difundida no Brasil. Devido inexistncia do lag2 dos motores turbinados, esta soluo seria tecnicamente

adequada a motores de baixa cilindrada, onde a fase aspirada no capaz de

proporcionar potncia para situaes cotidianas, exigindo a sobrealimentao em

diversas ocasies. Devido construo do compressor, este no to eficiente

27

quanto o compressor de um turbocompressor, porm a maior desvantagem do

compressor mecnico em relao ao turbocompressor a fonte de energia. O

compressor mecnico obtm energia do virabrequim, ou seja, rouba potncia que seria entregue s rodas, para condies idnticas de operao. Este o principal

motivo dos motores turbo gerarem maior potncia que os com compressor

mecnico. Um problema comercial a falta de modelos de compressor mecnico

para os motores nacionais, caracterizados por baixo deslocamento volumtrico,

porm diversas empresas tm expandido este mercado e solues de prateleira j so encontradas.

3.1.3 Sobrealimentao por turbocompressor

A sobrealimentao com a instalao de um turbocompressor a forma atualmente

mais utilizada para a obteno de acrscimo de potncia da ordem de 60% a 80%

sobre a original.

Sua base de funcionamento est em uma turbina ligada a um compressor,

pressuriza o ar proveniente da atmosfera para o motor. A energia para movimentar a

turbina proveniente dos gases de escape. Como esta energia proveniente de

uma energia que seria desperdiada, este sistema pode ser caracterizado como

regenerativo. Logo um sistema deste energeticamente mais eficiente que um

sistema aspirado ou com compressor mecnico.

A sobrealimentao por turbocompressor caracterizada por:

Resposta com lag de entrega de potncia conforme carga no acelerador e

rotao. O que significa uma demora entre a pressurizao do sistema e entrega

de potncia, em relao demanda no acelerador;

Alta capacidade de gerao de potncia (maior dentre os trs sistemas);

28

Menor consumo de combustvel dentre as trs opes;

Maior disponibilidade de peas e conhecimento, dentro do mercado brasileiro;

Menor custo por potncia (R$/cv) dentre as opes; Trata-se da soluo adotada neste estudo, devido o menor custo por potncia,

facilidade de adaptao, baixo consumo de combustvel e presena de solues

prontas no mercado. Apesar destas caractersticas, o sistema tem poucas fontes de

consulta no Brasil, sendo, portanto, bastante valioso este estudo para o mercado.

A adaptao de um turbocompressor em um motor naturalmente aspirado uma

soluo bastante interessante para algumas aplicaes, como a automotiva. O

motor permanece original e quando existe uma grande demanda por potncia

(quando o acelerador est todo aberto, WOT4) o turbocompressor passa a pressurizar o ar que ir para o motor, consequentemente ser possvel gerar maior

potncia, em relao a uma presso atmosfrica.

necessrio acertar o ponto de ignio e a mistura, de forma a otimizarmos o funcionamento do motor para as novas condies de uso. Estas adaptaes e

acertos sero discutidos nos captulos posteriores.

3.2 Estudo se um ganho de 60% a 80% em potncia suficiente para

acelerao de 0 a 100km/h ao redor de 8s

Utilizaremos um modelo para verificar se a hiptese vlida, levando em conta

algumas simplificaes:

A acelerao mdia do veculo ser constante;

Haver duas trocas de marcha cada uma com 0,25s totalizando uma penalizao

de 0,5s no resultado;

As perdas dissipativas so pequenas;

29

A formulao bsica ser atravs de conservao de energia, conforme visto

abaixo:

t

vm

dtdWP

vmvdvmW

==

==

.2.

.

21

.

2

2

3.2.1 Um veculo nacional de pequeno porte GM Corsa 1,6 8V ano 96

Massa: 1100kg (com motorista) Tempo de acelerao: 11,0s

Potncia original: 92cv=69kW

40,1

58,56.2.

5,7)5,00,8(41,40

.2.

5,10)5,00,11(1100

)/100(/78,27

2

2

=

=

=

==

=

=

===

==

toriginal

turbo

turbo

turbo

original

original

PP

kWt

vmP

ssst

kWt

vmP

ssst

kgmhkmsmv

Pela formulao notamos que para termos uma diminuio de tempo de acelerao

de 11s para 8s necessitaramos de um acrscimo de potncia da ordem de 40%

para este caso.

Importante notar que:

O fator entre a potncia mdia e a mxima de 58,57%;

Utilizando este fator, teremos uma potncia mxima de 96,6kW (=129cv);

O fator Peso/Potncia era 11,9kg/cv e passou para 8,5kg/cv;

30

Neste modelo no estamos analisando a derrapagem dos pneus, logo teremos

variaes no desempenho conforme aumentamos a potncia, j que a acelerao mxima ser limitada pela aderncia da pista/pneu

3.2.2 Um veculo nacional de pequeno porte VW Gol 1,0 16V ano 02

Esta anlise ser para validar este modelo

Massa: 1100kg (com motorista) Tempo de acelerao aspirado: 16,0s@69cv

Tempo de acelerao turbo: 10,0s@112cv

62,169

112

63,1

67,44.2.

5,9)5,00,10(38,27

.2.

5,15)5,00,16(1100

)/100(/78,27

2

2

==

=

=

=

==

=

=

===

==

cv

cv

PP

PP

kWt

vmP

ssst

kWt

vmP

ssst

kgmhkmsmv

realtoriginal

turbo

simuladatoriginal

turbo

turbo

turbo

original

original


O modelo esta ajustado, j que a diferena entre as potncias ficou em menos de 1%, conforme visto acima;

3.2.3 Um veculo nacional de mdio porte VW Golf 1,8 20V Turbo ano 02

Esta anlise ser para analisar o peso/potncia

Massa: 1300kg (com motorista) Tempo de acelerao turbo: 8,2s@150cv

31

cv

kgcv

kgPotncia

Peso

cvkWt

vmP

ssst

kgmhkmsmv

realcv

kg

turbo

turbo

66,8150

1300

)84,86(14,65.2.

7,7)5,02,8(1300

)/100(/78,27

2

==

==

=

===

==


O tempo de acelerao est levemente acima dos 8s, assim como a relao

peso/potncia ao compararmos com o modelo A, o corsa turbo. Assim notamos a

importncia do fator peso/potncia para a anlise de tempos de acelerao;

3.2.4 Um veculo nacional de grande porte Fiat Marea 2,0 20V Turbo ano 02

Esta anlise ser para analisar o peso/potncia

Massa: 1450kg (com motorista) Tempo de acelerao turbo: 7,9s@182cv

cv

kgcv

kgPotncia

Peso

cvkWt

vmP

ssst

kgmhkmsmv

realcv

kg

turbo

turbo

97,7182

1450

)1,100(60,75.2.

4,7)5,09,7(1450

)/100(/78,27

2

==

==

=

===

==


O tempo de acelerao est levemente abaixo dos 8s, condizente com a relao

peso/potncia ao compararmos com o modelo A, com o corsa turbo e ao modelo

C, o Golf Turbo. Assim notamos a importncia do fator peso/potncia para a

anlise de tempos de acelerao;

32

Com estas anlises teremos as seguintes concluses:

Para obtermos acelerao de 0 a 100km/h em tempo menor que 8s necessrio

uma relao peso/potncia abaixo de 8,0kg/cv;

O modelo pode ser utilizado para verificar qual a necessidade de potncia,

dependendo das requisies a serem atingidas, para valores perto dos

referenciados;

33

4. CONSIDERAES SOBRE A ADAPTAO DO TURBOCOMPRESSOR

Um dos assuntos mais controversos ao tratarmos de uma adaptao de um

turbocompressor, est relacionado durabilidade do sistema, sendo que autores

como Bells em 1997, GM em 2004, Brunetti em 1992 e Taylor em 1985 se

preocupam com o tema ao tratarem de turbocompressores em motores a combusto

interna de ciclo Otto. Consideraes sobre consumo de combustvel, modificaes

nos sistemas de alimentao e gerenciamento do motor so outros tpicos de

interesse.

Este captulo destina-se a elucidar dvidas relativas s modificaes ao adaptarmos

um turbocompressor em um motor naturalmente aspirado.

4.1 Durabilidade de um motor com turbocompressor

A maior preocupao e um dos assuntos mais controversos ao lidarmos com a

adaptao de um turbocompressor em motor naturalmente aspirado automotivo ciclo

Otto, est relacionada durabilidade das partes mveis do motor (aqui estaremos preocupados com o que se chama popularmente de parte de baixo, ou seja, pisto, biela, anis, pino, trava, bronzinas e virabrequim). O senso comum diz que ao dobrarmos a potncia de um motor, estaremos dobrando

as solicitaes dentro do motor, o que um grande erro. Cada um dos componentes

sofre diferentemente com o aumento de potncia, e principalmente, como a maneira

como foi obtido o aumento de potncia.

Para facilitar o estudo dividiremos a anlise em:

Pisto;

Anel;

34

Bronzina;

Virabrequim;

Biela, pino e trava;

Observem que cada um dos componentes citados poderia ter uma dissertao, caso

seja desejvel aprofundar sobre o tema. Assim o objetivo aqui considerar alguns aspectos bsicos da dinmica e cargas dos componentes analisados de modo a

entender seus princpios de funcionamento e como estes sero influenciados pela

adaptao de um turbocompressor.

A anlise adotar que a potncia do motor foi dobrada, para facilitar o estudo e

alguns clculos que sero necessrios.

Estas anlises so para um motor a combusto interna ciclo Otto movido a gasolina

(E0 ou E22) ou etanol hidratado (E100), disponveis nas bombas de postos de combustveis no Brasil.

4.1.1 Pisto

O pisto o elemento que est em contato com a frente de chama. Ele est sujeito a condies mais elevadas de carga ao adaptarmos um turbocompressor no motor.

Uma pessoa desatenta ir sugerir que como a potncia dobrou, a carga sobre o

pisto dobrou o que um grande erro.

Todos concordam que:

( )

adotadosistemaconformedefinidaserateconscterpmutoporrotaocilindrosdenmeroN

mvirabrequidobraodoocomprimentlpistodocabeadareaA

pistodocabeanamdiapressobmeppPotnciaP

cteNlApP

=

=

=

=

=

=

=

tan

)(min2

35

Assim para dobramos a potncia podemos:

i. Dobrar a presso mdia efetiva sobre o pisto, bmep,5 ou;

ii. Dobrar a rea da cabea do pisto, ou;

iii. Dobrar o comprimento do brao do virabrequim, ou;

iv. Dobrar a rotao, ou;

v. Adotar parcialmente cada uma das solues acima, de modo a dobrar a potncia.

O aumento volumtrico do motor, ou seja, aumentar a rea da cabea do pisto e o comprimento do brao do virabrequim o mtodo utilizado pelos fabricantes. Para

uma adaptao este mtodo bastante limitado, pois:

As paredes do bloco no permitem grandes aumentos da rea da cabea do

pisto e brao do virabrequim;

A relao R/L fica afetada ao aumentar o brao do virabrequim, causando

problemas de funcionamento estvel ao motor;

O aumento da rotao causa um aumento drstico nas cargas inerciais (rotao quadraticamente proporcional s cargas inerciais);

Custos elevados de se trocar os componentes internos do motor, como pisto,

biela e virabrequim.

Por estas razes, dentre outras, a maneira mais fcil de dobrar a potncia est em

se dobrar a bmep. Uma explicao sobre o bmep necessria para continuarmos:

O bmep a presso mdia efetiva sobre a cabea do pisto, ou seja, a integral das presses sobre a cabea do pisto ao longo de um ciclo de exploso do pisto

(180 no virabrequim). obvio que se dobrarmos a presso sobre a cabea do pisto, este componente ir falhar, devido ao esforo excessivo. A verdade que a presso mxima sobre o

pisto aumenta cerca de 20% para dobrarmos a potncia, se os devidos acertos de

36

ponto de ignio e alimentao forem ajustados de maneira correta. Veja grfico 02 abaixo para entender a presso no cilindro.

No grfico 02- Presso na cmara x ngulo de virabrequim claro que a rea da

presso no turbo o dobro da rea de presso na cmara do motor aspirado (aspro no grfico 02). Apesar de a rea ser o dobro, o pico de presso, que o esforo mximo apenas 20% maior.

-20

0

20

40

60

80

0 15 25 45 75 105

135

ngulo virabrequim (graus)

Pres

so

C

mar

a (at

m)

AsproTurbo

Grfico 02 - Presso na cmara e ngulo de virabrequim

Entretanto a temperatura na cmara sofrer um aumento considervel, se for

mantido mistura estequiomtrica. Portanto necessrio um bom ajuste, mantendo a mistura levemente mais rica que a estequiomtrica para mxima potncia, para

obter um bom compromisso entre potncia e durabilidade segundo Bells em 1997, j que qualquer mistura diferente da estequiomtrica para a mxima potncia teremos

perda de potncia segundo Taylor em 1985.

37

Assim possvel perceber que ao utilizar um turbocompressor a eficincia do motor

aumenta consideravelmente, j que teremos um maior ngulo de virabrequim com trabalho til, possibilitando maior potncia sem a proporcionalidade do aumento nas

foras de atrito e inerciais. Alm disto, obtemos uma mistura mais homognea e uma

queima mais completa devido maior presso e turbulncia na cmara antes da

fasca.

Desta forma os motores turbocomprimidos costumam ser mais econmicos, em

consumo de combustvel que seus pares de mesma potncia aspirados.

Fig. 03 - Pisto de motor combusto interna ciclo Otto moderno

Com a maior solicitao trmica e mecnica do pisto, ao adaptarmos o

turbocompressor, algumas falhas podem ocorrer. Baseado na experincia e

Canaleta

Cabea/Topo

Saia

Pino

38

pesquisa de campo o pisto poder apresentar falhas nas seguintes localidades (em ordem de probabilidade):

Canaletas: As canaletas so responsveis pelo suporte aos anis. A regio inter

canaleta, ou seja, a regio entre uma canaleta e outra sofre fadiga, devido alta temperatura e o maior esforo mecnico e pode quebrar, diminuindo a

capacidade do conjunto de anis de reter a presso na cmara, aumentando o atrito e consumo de leo. Evita-se este problema ao diminuir o avano do ponto

de ignio e presso, de maneira a diminuir a presso sobre o componente, e

diminuindo temperatura na cmara, para no diminuir a resistncia do

componente a ruptura;

Saia: A regio da saia do pisto apresenta desgaste excessivo e contato com a

parede do bloco/camisa. Este problema devido o excesso de temperatura na

cmara, que leva a uma dilatao excessiva da regio da saia e contato

metal/metal com bloco/camisa. Evita-se o problema com o controle de

temperatura na cmara;

Topo ou cabea: O topo ou cabea do pisto apresenta desgaste ou em casos

graves at furo. No caso de desgaste, este pode ser ocasionado por excesso de

presso, e levar a uma quebra da canaleta. Caso o topo do pisto apresente

aspecto de casca de laranja, ou seja, pequenos orifcios, distribudos sobre a superfcie tratam-se da pr-detonao. A pr-detonao um evento bastante

perigoso, quando no controlado, pois leva a um aumento brusco de presso e

temperatura dentro da cmara, podendo rapidamente destruir o motor. Evita-se a

pr-detonao pela diminuio do avano da ignio. O furo na cabea do pisto

ocasionado pelo aumento na temperatura da cmara, que leva diminuio da

39

resistncia do material, e seu posterior rompimento. Evita-se pela manuteno da

temperatura na cmara.

Furo para pino: O furo para pino no costuma ser afetado pela adaptao do

turbocompressor, mas sim pelo excesso de rotao, que leva ao rompimento do

componente. Com o turbocompressor, o aumento do rotao do motor ocorre de

maneira muito rpida. Com isto existe a possibilidade de perda do controle da

rotao do motor, levando a um excesso de rotao, s vezes 50% a mais da

rotao mxima recomendada, levando quebra deste componente. Basta

manter um sistema de limitao rotao que este componente no apresentar

problemas.

4.1.2 Anel

O conjunto de anis de pisto so elementos com finalidade de selar o espao entre a cmara de combusto e o carter. Seu correto ajuste necessrio para um correto consumo de leo, vedao de cmara e manuteno das folgas dos pistes.

O conjunto de anis de pisto composto em sua maioria por trs anis a cada pisto:

anel de compresso (ou 1 anel);

anel raspador (ou 2 anel);

anel raspador de leo (ou 3 anel).

40

Fig. 04 - Conjunto de anis de pisto (BOSCH, 2004)

O conjunto de anis tem uma folga especfica, que ajustava pela distncia entre suas pontas. Devido a uma falha no ajuste das folgas, ou mesmo por um excesso de temperatura na cmara, as pontas dos anis encostam, levando a um atrito

metal/metal entre as paredes do bloco/camisa e os anis. Evita-se pela montagem

correta do motor, e manuteno da temperatura na cmara de combusto.

4.1.3 Bronzina

As bronzinas so componentes importantes no motor. Estas so responsveis pela

manuteno da folga correta entre biela e virabrequim, e entre virabrequim e bloco,

manter o correto filme de leo entre estas partes, alm de servir como material de

desgaste, protegendo as bielas e o virabrequim, em caso de desgaste.

41

Funcionando como um mancal hidrodinmico, as bronzinas sofrem grande desgaste

a baixas velocidades, e alto torque, ou seja, quando o motor est em baixa rotao e WOT.

Fig. 05 - Bronzinas

Assim as bronzinas no costumam sofrer muito com a instalao do

turbocompressor, desde que no haja um grande aumento no pico de presso da cmara. Depende do perfil do usurio, este componente ter sua vida diminuda ou

no. importante notar que motores bem cuidados, principalmente no quesito troca de leo, costumam ter conjunto de bronzinas durando mais de 200 mil km. Porm este componente costuma falhar antes disto por problemas de lubrificao, como

falta de leo, leo velho, ou mesmo superaquecimento do leo, o que leva a perder

suas caractersticas lubrificantes e refrigerantes.

4.1.4 Virabrequim

O virabrequim uma pea bastante complexa e resistente. Falhas no virabrequim

ocorrero no caso de falta de leo ou superaquecimento do leo. No encontramos

casos de falha no virabrequim em pesquisa de campo.

42

4.1.5 Biela, pino e trava

A biela assim como o pino e a trava de pisto, so elementos de ligao entre o

pisto e o virabrequim. Uma das principais preocupaes ao se aumentar o torque

do motor, atravs da instalao de um turbocompressor, recai sobre este

componente.

Fig. 06 - Biela

Vamos analisar o que o senso comum diria sobre os esforos neste componente:

-60000

-40000

-20000

0

20000

40000

60000

0 90 180 270 360 450 540 630 720

AsproTurbo

Grfico 03 - Esforo de presso de combusto na Biela

43

Pelo grfico acima (anlise sobre motor quatro cilindros ciclo Otto e 0,5L por cilindro e PCP de 50Mpa) notamos que o esforo na biela superior ao lidarmos com o motor turbinado em relao ao aspirado. Cruzando os dados com os dados obtidos

pela presso de combusto no pisto, notamos que o esforo de compresso sobre

a biela obteve um aumento de 20% ao dobrarmos a potncia em um motor

turbinado. Isto diria que o componente estaria muito sujeito a falhas, devido ao grande aumento de compresso sobre sua estrutura, em especial na alma da biela,

regio compreendida entre o olha menor e o olhal maior. Mas esta anlise est

carente de um importante componente: as foras inerciais!

Vamos plotar um grfico referente s foras inerciais e verificar como esta se

comporta somada s foras de combusto para termos uma figura completa dos

esforos sobre a biela:

-40000-30000-20000-10000

0100002000030000400005000060000

0 90 180 270 360 450 540 630 720

F Inercial

Grfico 04 - Esforo de foras inerciais na Biela

Pelo grfico dos esforos da biela, notamos que este em nmeros absolutos cerca

de 75% do valor de tenso no motor aspirado passando para 62,5% do valor no

motor turbinado. Porm plotando os grficos conjuntamente:

44

Somando as foras inerciais e de combusto, notamos que nos pontos onde a fora

de combusto alta, temos seu efeito compensado pelas foras inerciais, obtendo

foras que esto abaixo dos pontos de mxima compresso e trao, pontos estes

dados pelas foras inerciais.

Portanto a biela no deve ser um problema para um aumento moderado de potncia

com a adaptao do turbocompressor. Porm importante notar que este

componente sofrer com o aumento na rotao do motor, logo importante

dimensionar os componentes de forma a no exceder a rotao mxima do motor

(levando em conta padres do fabricante). Ressalto que diferentes motores tm resistncias diferentes para cada componente.

Um exemplo so os motores GM Fam I 1,8L que no suportam altas rotaes e

grandes aumentos de torque, devido fragilidade de suas bielas. Nestes casos seria

interessante a troca do componente por outro de maior resistncia.

-60000

-40000

-20000

0

20000

40000

60000

0 90 180 270 360 450 540 630 720

F Inercial Aspro Turbo Aspro Somada Turbo Somada

Grfico 05 - Esforo de foras somadas na Biela

+Fmx

-Fmx

45

As falhas das bielas so mais comuns em sua alma, que pode ocasionar o

rompimento desta regio no caso de trao, ou flambagem inelstica (curvamento) da mesma no caso de compresso. Outra regio crtica so os parafusos que fixam

o colo da biela. Este componente necessita a devida ateno em seu torque, e no

caso de substituio, procurar por modelo com alta resistncia.

4.2 Durabilidade e testes de longa durao ou dinammetro

Um aspecto levantado por engenheiros e entusiastas est ligado durabilidade do

motor no caso de testes de longa durao ou dinammetros, onde o motor fica por

muito tempo (horas) ciclando entre torque mximo e potncia mxima para certificao de durabilidade, nos moldes de uma OEM onde, por exemplo, os

motores ficam 50h rodando ininterruptamente, ciclando entre torque mximo e

potncia mxima (BOSCH, 2004). No so claros os limites de durabilidade de um motor com turbocompressor

adaptado, com ganhos maiores que 30% em testes como estes. Isto, pois testes

deste modo no refletem a maneira na qual o veculo ser utilizado. Faamos um

exerccio de abstrao para vermos que estes testes no se aplicam realidade

deste estudo:

Imagine um automvel sedan mdio com massa ao redor de 1300kg com sua

potncia original ao redor de 130cv. Com um turbocompressor acertado para um

ganho de 70% teramos um veculo com cerca de 220cv. Assim um veculo deste

original aps 30s em WOT, saindo do zero, estaria com velocidade estimada em

150km/h enquanto o mesmo veculo aps a adaptao do turbocompressor estaria a

uma velocidade estimada perto de 200km/h.

46

Portanto irreal pensarmos em um veculo com turbocompressor adaptado

conforme sugerido e apresentado neste estudo sob condies de teste to severas

quanto as de validao de um motor por um OEM, j que este motor nunca se encontrar sob estas condies, sem contar dos riscos vida e penalidades pelas

leis vigentes no pas para o uso sob tais condies.

Caso o uso do veculo seja para um prova de longa durao, como uma competio automotiva, uma srie de outras adaptaes e adequaes so necessrias, para a

segurana do motorista/piloto e durabilidade do sistema.

47

5. ESTUDO DOS SISTEMAS E SUBSISTEMAS

Ao instalar um turbocompressor, ou qualquer outro sistema de sobrealimentao em

um motor naturalmente aspirado, certos componentes e sistemas sero alterados.

Este captulo visa analisar os componentes que sero alterados, ou sofrero um

aumento sensvel de estresse.

fundamental notar que existiro variaes entre os resultados para diferentes veculos e que o nvel de estresse usualmente est diretamente relacionado ao

ganho de potncia ajustado pelo sistema.

5.1 Sistema de exausto de gases - Escapamento

O sistema de exausto de gases, popular escapamento, uma parte muito

importante do trem de fora, pois o responsvel por basicamente trs funes:

Retirar os gases residuais da exausto, junto do calor, para longe do motor, de forma a manter o cofre do motor com uma temperatura adequada;

Equalizar a perda de carga e o fluxo dos gases de forma a garantir um motor

com funcionamento linear, suave e gerar os ganhos por bombeamento nas

rotaes corretas;

Diminuir os rudos provenientes da energia dos gases de exausto, atravs da

utilizao de abafadores e silenciadores.

A tecnologia envolvida para o projeto do sistema de exausto de gases bastante complexa, por tratar de um fluido compressvel, a altas temperaturas, com as

temperaturas variando ao longo do tubo de escape e em um escoamento pulsante e

transiente. O dimensionamento deve evitar restries ao escoamento assim como

gerar contra-presso (backpressure) para o coletor de escape.

48

Fig. 07 Escapamento 2,0pol para GM corsa com um abafador traseiro

Devido dificuldade em se projetar o sistema de exausto dos gases, vamos utilizar algumas regras que tem gerado bons resultados, segundo BELLS, 1997. As regras:

Seguir grfico 06 como indicativo para dimetro da tubulao de escapamento6;

22,252,5

2,753

3,253,5

3,754

200 300 400 500 600 700 800 900 1000Potncia (cv)

Di

met

ro (p

ol)

Polinmio (Um Tubo) Polinmio (Dois Tubos)

Grfico 06 Dimetro de escapamento x potncia desejada (BELLS, 1997)

49

ROTHBART, 1995 sugere a utilizao de um tubo com dimetro 10% superior ao

dimetro de sada da turbina (caixa quente);

GM SPORT sugere que a velocidade mxima dos gases de escape fique em

75m/s tomando por referncia o volume de gases de admisso (23C e 1,0atm). Vejamos um exemplo:

3

1,6 @6600 @ 2 ( )1

1,6 3 660060

escapamento

Vv

Av velocidade dos gases

Volume dos gases de admissoVtempo

A rea do tubo de escapamentoD Dimetro do tubo de escapamento

V L rpm bar absolutorotao

se m rpmrpm

=

=

=

=

=

= =

=

3

2 22 2 2

3

2

1 2 0,1762

(2, 25) 25, 4 32,25 3,14 3,974 ( ) 2,56 34 1

0,17668,64 75

2,56 3

escapamento

ciclo bar mrotao bar s

pol e mD pol A pol e mpol

m

m msve m s s

=

= = = =

= =

Dentre as trs opes acima, sugiro o grfico como melhor opo, seguido do

clculo e por ltimo o simples opo pelo aumento de dimetro, conforme a

sada da turbina;

Utilizao de dois (ou pelo menos um) abafadores do tipo oco7. A utilizao de flange e escape original no recomendada devido s restries ao fluxo que

esta configurao gera. A utilizao de um sistema sem abafadores seria invivel

para o dia-a-dia pelo nvel de rudo do motor geraria. Lembramos que a

legislao brasileira exige o uso de pelo menos um abafador, segundo CONAMA,

1993;

50

Evitar curvas acentuadas nos tubos de escapamento. Cada vez que os gases

tm a direo de seu escoamento alterada, isto gera uma perda de carga

singular. Para minimizarmos esta perda, devemos projetar o mnimo de curvas e as que forem necessrias que sejam suaves;

Com a utilizao destas regras bsicas, se consegue um bom projeto de escape. interessante notar que existem oficinas onde o projeto do tubo de escapamento j bem desenvolvido, como no ADA SCAP, oficina paulistana de escapamentos

especiais. Neste caso basta levar o veculo para estes locais e efetuar a adaptao

de um sistema, conforme o nmero de abafadores desejado, e o dimetro de tubo escolhido.

O escapamento o responsvel, junto da turbina em um motor turboalimentado pelo controle da backpressure8 que a contra-presso no coletor de escape. Esta

presso funo da soma da turbina e sistema de escapamento restringindo o fluxo.

Assim para garantir presses adequadas, deve-se ter uma baixa restrio. Logo a

troca do sistema de escape necessria, j que este tem altas restries para o novo volume de gases. Para presses no coletor de admisso menores que 0,4bar,

pode-se utilizar uma flange e o sistema de escape original, pois assim a

backpressure ser baixa, j que o fluxo de gases no escapamento baixo. O controle da backpressure importante j que uma baixa backpressure manter a cmara de combusto em menores temperaturas, devido a uma boa lavagem da

cmara9, segundo TAYLOR, 1985. A diminuio no backpressure uma maneira

bastante eficiente de se liberar potncia de um motor turboalimentado,

principalmente em altas rotaes.

Outro modo de se diminuir a backpressure o aumento do A/R10 da turbina. O

inconveniente deste mtodo a possibilidade de aumentar o ponto de pegada do

51

turbocompressor, devido menor velocidade de entrada dos gases. Este assunto

ser discutido em detalhes no estudo do turbocompressor seco 5.17.

5.2 Sistema de admisso de ar

O sistema de admisso tem por funo levar o ar at o motor, depois deste ter

passado pelo compressor. Aps o ar ter sido admitido pelo compressor, sua

temperatura aumentada. Para estimativas deste aumento de temperatura,

adotaremos que a compresso ocorre em processo adiabtico reversvel, que no

h transferncia de calor da turbina para o compressor e as fronteiras esto

fechadas. Logo:

=

kk

pp

TT

1

2

1

2

1

com: p1 = 0,1MPa

T1 = 27C=300K

k = 1,4 (adotando ar como fluido) teremos: Casos Caso a Caso b Caso c Caso d

P2 = 0,16MPa=>0,6bar 0,18MPa=>0,8bar 0,20MPa=>1,0bar 0,22MPa=>1,2bar

T2 = 70C 82C 93C 103C

Com isto percebemos que para presses de at 0,6bar, utilizando-se o lcool como

combustvel, podemos trabalhar sem a presena de um intercooler, j que as temperaturas na admisso no sero demasiadamente altas e tendero a diminuir,

devido ao calor necessrio para a vaporizao do lcool. Mas para presses acima

de 0,6bar teremos que utilizar o intercooler, pois as temperaturas sero muito altas e

podero gerar pr-ignio da mistura ao ser comprimida nos cilindros domotor.

52

importante ressaltar que a temperatura na qual o ar admitido no motor ser menor

que esta encontrada no clculo, devido ao lcool absorver energia ao ser

vaporizado, baixando a temperatura da mistura e devido a perdas de energia para

as fronteiras, j que as tubulaes trocam energia com o meio externo. Aqui no foi equacionado o fato de o compressor no ser adiabtico.

Devido necessidade da turbina

ficar alocada junto ao coletor de escape do motor, necessrio que

o compressor fique ao lado da

turbina. Com isto necessria toda

uma tubulao levando o ar

comprimido pelo compressor at a

borboleta e posteriormente o coletor

de admisso do motor, conhecida

popularmente como pressurizao. Alguns kits turbo j vem com a pressurizao, como exemplo a paulistana SPA, mas a maioria requer que esta tubulao seja feita sob encomenda. Para isto basta procurar uma loja de escapamentos especiais, que estas faro este trabalho, como a paulistana ADA SCAPES.

importante ressaltar que devido ao sistema de admisso trabalhar sob presso positiva, e este sistema no ter sido projetado para isto, alguns cuidados so necessrios. Na tubulao deve-se procurar usar o mximo de metal possvel, como

os tubos de ao carbono ou inox, evitando a utilizao de tubos de borracha ao

mnimo possvel, pois estes tendem a rachar e rasgar com as solicitaes impostas.

Portanto limita-se a utilizao de tubos de borracha apenas nas junes entre tubos de metal, de forma a garantir a vedao do sistema. Existem modelos prontos desta

Fig. 08 Tubulao de admisso

53

tubulao em borracha para as adaptaes em lojas especializadas em equipamentos de para preparao de motores, como na paulistana SPA. A perda de

presso pelo sistema de admisso costuma ser uma falha muito comum em

adaptaes de sistemas de sobrealimentao e sua maior causa costuma ser falhas

na vedao do sistema.

Para clculo do dimetro da tubulao recomenda-se que a velocidade de

escoamento do sistema seja inferior a (Mach) M

54

Note que este modelo no leva em conta o aumento de presso do ar realizada pelo

compressor, j que estudos mostram pouca correlao entre o aumento de presso e o aumento de arrasto. O modelo acima no leva em conta o aumento de

temperatura do ar pelo compressor, j que este ir por conseqncia aumentar o valor do nmero de Mach, sendo, portanto, um modelo conservador.

5.3 Intercooler

O intercooler apesar de ser parte integrante do sistema de admisso de ar, um

componente muito importante, de modo a ser analisado em separado do resto do

sistema neste estudo, conforme BELLS, 1997 em Maximum Boost.

A funo do intercooler resfriar o ar que foi aquecido durante o processo de

pressurizao pelo compressor. Como se sabe todo compressor, ao pressurizar,

gera o aquecimento do fluido por este ser comprimido.

Neste item, estaremos tratando do intercooler do tipo ar-ar de fluxo cruzado, comum

nestas aplicaes.

Um bom intercooler tem que ser capaz de resfriar eficientemente o ar e ao mesmo

tempo causar uma baixa perda de carga. Para tanto, algumas caractersticas so

importantes:

Baixa perda de carga, afinal no faz sentido aquecer o ar enquanto se

pressuriza, para depois perder presso por um intercooler ineficiente;

Alta eficincia na capacidade de resfriar ar;

Instalao em local adequado, onde haja corrente de ar abundante para que a troca de calor seja eficiente.

55

Para um intercooler ter baixa perda de carga

necessrio verificar se existe rea suficiente

para a passagem do fluido pressurizado por

este, de maneira eficiente. Desta forma j se elimina os intercoolers com pequena rea

lateral e longo comprimento, pois sua

construo j favorece altas perdas de carga. A eficincia de um intercooler ditada pela sua capacidade de resfriar o ar

pressurizado segundo formula abaixo. recomendvel um intercooler com eficincia mnima de 60% com perda de carga inferior a 0,15bar (15kPa). Vamos verificar o que isto significa:

CdefoiatemperaturdeiaoaAssimCKT

ETTTT

bareficinciacomcompressorKCCCTKCT

Ecomercoolerumpara

TTTT

E

KelvinemabsulutasastemperaturutilizarsemprendeaTemperaturTercoolerdoEficinciaE

depoisdopressuriza

iambienteantes

dopressurizaantes

dopressurizadepois

dopressuriza

antesdopressuriza

ambiente

i

ambienteantes

dopressuriza

depoisdopressuriza

antesdopressuriza

i

n

i

===

===

==+=

=+==

=

=

=

=

58var72273345345

%60*)293423(423)()1@%60(42313010525

2932527325%60

:int

)......(.int

Grosseiramente se adotarmos a variao de densidade do ar como o ganho de

potncia pelo uso do intercooler, mantendo a presso constante teria:

%8,161273582731301 =

+

+=

=

=

finalabsolutaaTemperaturinicialabsolutaaTemperatur

densidadedeVariao

Porm se adotarmos uma perda de carga de 15kPa e utilizarmos o mesmo

raciocnio:

Fig. 09 Intercooler

56

%5,71)11()15,011(1

PrPr

arg

=

+

+=

=

==

atm

atm

inicialessofinalesso

p

potnciadeVariaoPacdeVariaop

Sendo assim quase metade dos ganhos do intercooler foi perdida nesta simulao,

devido perda de carga do intercooler.

O modo correto de lidarmos com este problema seria uma abordagem experimental,

onde:

i. o sistema acertado com uma presso de trabalho, medida aps a borboleta (e consequentemente o compressor) porm sem o intercooler. So medidos temperatura na borboleta e presso.

ii. colocado o intercooler. Ajusta-se a regulagem do sistema para termos exatamente a mesma presso aps a borboleta. medida a temperatura no mesmo ponto que o anterior.

Com a variao da temperatura, teremos a eficincia real do intercooler no sistema,

e no como um componente isolado. Com esta medio ser possvel avaliar os

ganhos reais no sistema.

Medindo as presses no compressor para a situao i e ii conseguiremos medir a

diferena entre estas, e a perda de carga no intercooler, devido diminuio da

temperatura pelo intercooler, e a perda de carga deste componente conjuntamente. Para fins prticos no interessante desassociar os efeitos (caso haja interesse em analisar a perda de carga sozinha, basta simular o intercooler com o ar pressurizado

temperatura ambiente, no havendo desta forma troca lquida de calor), anlise baseada em INCROPERA, 2003.

Relativo localizao do intercooler, sugerimos a instalao deste componente em

local com alta presso, como na frente do veculo, ou junto caixa de rodas (BELLS, CORKY, 1997). Isto primordial para que o intercooler receba fluxo de ar ambiente

57

e possa trocar calor com o ambiente. No aconselhamos a instalao do intercooler

dentro do cofre do motor, pois este local no tem bom fluxo de ar e o ar ambiente

dentro desta regio de alta temperatura, diminuindo a possibilidade de troca de

calor pelo intercooler.

5.4 Coletor de escape

O coletor de escape a tubulao que conduz os gases de escape para a turbina,

que da turbina iro para o sistema de escapamento.

O coletor de escape de veculos com grande volume de vendas j possuem modelos prontos, em ferro fundido. Os veculos com menor procura necessitam da construo

do coletor de escape em tubos.

Algumas recomendaes so feitas em relao ao coletor de escape:

Fig. 10 Coletor de escape com turbocompressor e wastegate

58

Deve ser o mais curto possvel, para evitarem a perda de energia para o

ambiente antes dos gases passarem pela turbina;

Devem ter dutos de comprimento igual, para que efeitos como ressonncia entre

outros ocorram mesma freqncia;

O dimetro do duto deve seguir o do cabeote, nunca sendo menor. Isto evitar

diminuio ou aumento de velocidade do fluxo. Caso deseje atrasar a entrada do turbocompressor, pode-se optar por um tubo com dimetro levemente superior

ao do cabeote, mas devido complexidade do assunto, sugere-se evitar esta

medida;

Evitar curvas acentuadas para no haver mudanas repentinas no fluxo e

conseqente perda de carga e estresse localizado no material;

Sugerimos a utilizao de isolao por meio de mantas trmicas e similares, pois

a energia em forma de calor neste componente tende a aumentar

consideravelmente a temperatura no cofre do motor, alm de ser uma energia

que no ser utilizada na movimentao das ps da turbina.

Um aspecto a ser considerado com o coletor de escape que o desenho deste deve

possibilitar o correto posicionamento e manuteno do turbocompressor (GM SPORT, 2004). Alguns modelos existentes no mercado ainda no tm o refinamento necessrio para uma correta adaptao e posicionamento.

5.5 Conjunto de embreagem e plat O conjunto de embreagem e plat tem por funo efetuar o acoplamento do volante do motor ao cmbio. O parmetro mais crtico para o dimensionamento de uma

embreagem o torque a ser transmitido.

59

Fig. 11 e 12 Embreagem de modelo com pastilhas de cermica e tradicional

Em um motor turbinado o meio de aumentar a potncia o aumento do torque,

conforme visto na seco 1.2. Assim, a embreagem passa a ter sua durabilidade

muito comprometida, havendo casos onde a embreagem no consegue se manter

acoplada com o novo torque gerado.

Para aumentar a capacidade de transmisso de torque da embreagem existem

algumas tcnicas:

Aumentar a rea de contato da onde ser transmitido torque. Est tcnica difcil

de aplicar, pois a rea j foi otimizada pelo fabricante da embreagem, portanto o aumento da rea teria de ser interno, pois externamente este seria limitado pela

carcaa do cmbio.

O aumento da carga das molas seria um mtodo muito interessante, porm este

mtodo aumenta muito o desgaste do material de contato da embreagem, por

aquec-la demasiadamente diminuindo muito a vida til da embreagem. Para

pequenos acrscimos de potncia este mtodo seria muito interessante, mas

para nossa meta de ganho, mas no o recomendado.

Recomendamos a troca da embreagem e plat por um sistema com material de

contato em pastilhas de cermica sinterizada com molas para diminuir a vibrao

60

durante o acoplamento junto da utilizao de uma carga mais alta nas molas do plat, segundo orientao do fabricante. Este mtodo tem uma boa vida til,

custo pouco acima do original porm tem trs grandes desvantagens:

o com o aumento na carga do plat (em mdia 900lb) o pedal fica pesado para o acionamento;

o as pastilhas no permitem a utilizao de uma mola entre o disco de

embreagem e o material de contato/desgaste, como as embreagens de

lona tradicionais, o que torna o acoplamento da embreagem muito brusco

e gera trepidaes, causando desconforto aos ocupantes o veculo;

o o acoplamento brusco da embreagem pode causar danos em coxins do

motor e cmbio alm de possibilitar problemas no cmbio por micro

fissuras nas engrenagens gerados pelo tranco do motor.

importante frisar que a embreagem deve ter sua carga dimensionada pelo fabricante do novo sistema de forma a transmitir todo o torque necessrio, mesmo

quando a temperatura de funcionamento aumenta com o uso constante, porm no

deve gerar acoplamentos muito bruscos, j que estes danificam o cmbio.

5.6 Bomba de Combustvel

Devido a necessidade de trabalhar com lcool, que naturalmente j exige maior vazo (j que a proporo estequiomtrica de 8,4:1 enquanto a gasolina de 13,5:1) e devido maior presso a qual a bomba submetida quando existe presso positiva no coletor, h a necessidade de se trocar a bomba original do

veculo por uma de maior vazo, caracterizando uma alterao necessria.

Para veculos nacionais com turbocompressor adaptado, recomenda-se a utilizao

da bomba eltrica original do gol GTI. Esta bomba interessante devido a sua

61

capacidade de suportar a oxidao gerada pela utilizao de lcool e devido a seu

dimensionamento suportar os novos regimes de trabalho do motor. Testes em

campo tem demonstrado que esta bomba capaz de alimentar motores de at

250cv, trabalhando a 3bar. A bomba de combustvel da GM Blazer 6cilindros uma

alternativa vivel com menor custo. Bombas de combustvel de carros originalmente

a lcool seriam hipteses a se testar, principalmente com o advento dos motores bi-

combustveis. Existem testes em campo onde se utiliza a bomba do Fox Flex, mas

como ainda no temos conhecimento suficiente para tratar sobre estes modelos,

logo deixamos em aberto.

Fig. 13 Bomba de combustvel (DINAMICA BOMBAS, 2004)

Devem-se evitar presses muito altas, como acima de 5bar, quando com presso

positiva no coletor devido diminuio vertiginosa da vida til da bomba eltrica de

combustvel ao operar com presses elevadas (DINAMICA BOMBAS, 2006). A utilizao de alta presso na linha o motivo mais comum na qual a bomba

apresenta defeito, sendo seguida pelo superaquecimento da bomba por aspirao

de ar, ou pela pouca quantidade de combustvel, sendo que a mistura em

quantidades altas de gua tambm causa uma falha bomba de combustvel. Caso

62

seja necessria uma alta presso na linha de combustvel, recomendamos a utilizao de duas bombas em srie.

Presses abaixo de 1,5bar, mesmo em regimes parciais, no so recomendadas

devido possibilidade do bico injetor no pulverizar o combustvel e gerar o gotejamento, que a m pulverizao do combustvel, gerando gotas de grande tamanho, que ocasionam uma combusto incompleta dentro da cmara j que as molculas de combustvel no conseguem se misturarem adequadamente com as

de oxignio para gerar uma combusto completa.

5.7 Bico injetor de combustvel Os bicos injetores de combustvel so orifcios fechados por uma agulha, onde a dosagem da quantidade de combustvel se d pela regulagem do tempo de abertura

da agulha do bico injetor e pela presso da linha de combustvel por ciclo do motor.

Fig. 14 e 15 Bico injetor de combustvel

Como os bicos originais costumam ser a gasolina temos que troc-los por bicos a

lcool com cerca de 50% a mais de vazo para o correto funcionamento do motor

63

trabalhando com lcool (mantendo a presso de trabalho constante). Devem-se procurar bicos originais de motores a lcool com a mesma impedncia (em geral 16 para bicos multiponto, dependendo do fabricante do motor) e a vazo prxima desejada, e o acerto fino da mistura se dar pela regulagem da presso da linha de combustvel, que deve ser prxima da condio original do motor. Desta forma

estaremos suprindo o motor com a quantidade necessria de combustvel durante

sua fase aspirada.

Para a alimentao o motor da quantidade extra de combustvel necessria quando

o compressor inicia a presso positiva no coletor temos duas solues:

i. Aumento da presso na linha quando houver presso positiva no coletor de

modo a suprir a demanda maior de combustvel. Esta tcnica necessita de um

dosador de combustvel que faa a leitura da presso no coletor e a relacione

com o aumento de presso na linha;

ii. Instalao de um ou mais bicos extras que entraro em atuao quando o

motor passar a ter presso positiva no coletor;

Cada mtodo tem suas vantagens e desvantagens que sero discutidas

posteriormente nas seces 5.13 e 5.18, mas j vlido adiantar que o mtodo com bico suplementar permite maior flexibilidade, mas tem um custo superior.

5.8 Dosador de combustvel

O dosador de combustvel tem por funo manter a linha de combustvel

pressurizado, a uma dada presso, e manter um diferencial entre a presso no

coletor e a linha de combustvel. Assim no importa se a borboleta est aberta

(presso atmosfrica no coletor) ou fechada (presso negativa no coletor) teremos sempre o mesmo diferencial entre os bicos injetores e o coletor (em geral este

64

diferencial para motores com um injetor para cada cilindro de 2,0bar, logo com borboleta aberta a presso na linha deve ser de 3,0bar), para motores originais de fbrica.

Fig. 16 Dosador de combustvel 1:1 com regulagem (SPA, 2006)

5.8.1 Utilizao de um ou mais bicos auxiliares

Para a alimentao do motor seja pelo uso de um ou mais bicos auxiliares, necessrio um dosador que tenha a presso inicial regulvel, para um ajuste fino nos bicos de baixa (ou regime aspirado) e um bom controlador para o(s) bico(s) auxiliar. Dependendo da vazo de combustvel requerida, ser preciso o uso de uma

linha extra somente para o(s) bico(s) auxiliar com seu prprio dosador.

5.8.2 Utilizao de dosador HPi na linha

Caso a escolha para a alimentao seja pelo uso de um dosador HPi, ser necessrio o acerto deste dosador, de forma a regular uma proporo entre o ganho

de presso na linha e a subida de presso pelo compressor.

65

Fig. 17 Dosador de combustvel HPi (SPA, 2006)

O dosador HPi substituir o dosador original do motor. Ele ter:

Entrada de combustvel para o dosador: Que onde se conecta a linha de

combustvel aps a flauta;

Retorno para o tanque de combustvel: Onde se conecta a linha de retorno do

combustvel ao tanque;

Tomada de presso no coletor: A tomada de presso do coletor ser conectada

ao coletor para indicar como ser o ganho de presso na linha, em funo da

presso no coletor;

Ajuste da presso inicial do dosador: Tem funo de ajustar a presso da linha de combustvel a certo patamar. Um sistema bem ajustado tem a presso inicial perto da presso inicial de um veculo original;

Ajuste do ganho proporcional: vlvula que ajusta o ganho na qual o dosador ir trabalhar. Em geral pode-se ajustar de 1:1 at mesmo 5:1;

O ajuste do combustvel pelo HPi relativamente simples.

Ajuste do ganho proporcional

Ajuste da presso inicial (pr-tenso) do dosador

Tomada de presso do coletor

Retorno para o tanque de combustvel

Entrada de combustvel para o dosador

66

i. Com a pressurizao desconectada, de forma a no haver presso positiva no

coletor se ajusta a presso inicial do sistema, de forma ao veculo ter o mximo de desempenho com linearidade para o regime aspirado do motor.

ii. Com a pressurizao conectada se ajusta o ganho do HPi para ter uma mistura adequada quando houver presso positiva no sistema.

A utilizao do HPi bastante interessante, desde que no se ultrapasse algumas

limitaes de projeto:

Os bicos no funcionam corretamente com altas presses de linha. Logo se deve

evitar uma presso diferencial (entre linha de combustvel e coletor) maior que 5bar, pois o tempo de abertura e fechamento do bico passa a ser afetado;

A presso inicial no deve ser excessivamente baixa, pois o combustvel no

conseguir um bom leque e no haver uma boa vaporizao, gerando uma

queima incompleta e aumento no consumo de combustvel;

A presso na linha no deve ser excessivamente alta, pois as mangueiras e

conexes podem apresentar problemas de vazamento, gerando um grave risco

segurana, e a bomba ir apresentar problemas muito cedo, pois existe um alto

desgaste da bomba com altas presses;

Cuidado com variaes climticas, pois a regulagem do dosador sensvel. Logo

recomenda-se uma regulagem conservadora.

Assim percebemos que o uso do HPi indicado para veculos onde a presso do

turbocompressor baixa (de 0,6bar para menos), havendo uma baixa necessidade de aumento no consumo de combustvel.

Para casos onde se deseja presses de turbocompressor alta, recomendada a utilizao de outras metodologias para a alimentao do motor.

67

5.9 Linha de combustvel

A linha de combustvel tem por funo levar o combustvel do tanque para o motor, e

efetuar a volta do excesso de combustvel para o tanque (linha de retorno). A utilizao da linha de combustvel original possvel, mas no recomenda devido o

Fig. 18 Linha de combustvel e retorno adaptado a tanque de combustvel

aumento de presso de trabalho na linha e o maior volume de combustvel

necessrio por se trabalhar com lcool. Lembrar que ao existir presso positiva no

coletor o dosador HPi estrangula o retorno da linha, aumentando a presso na linha

e possibilitando a ocorrncia de vazamentos. Para evitar este problema, troca-se a

linha original por uma de maior dimetro e resistente a presses de at 10bar, que

possibilita maior vazo, e conseqentemente menores perdas de carga, exigindo

menos esforo da bomba de combustvel.

Linha de combustvel

Linha de retorno do combustvel

68

Em relao ao dimetro da linha de combustvel, algo com 50% a mais de dimetro

que o original ser o suficiente para uma presso no coletor de 0,6bar. Uma

metodologia para o clculo do dimetro da linha seria:

1, 2 1

:

6,0

1,0

1, 2 6,0 1 1 10

n

turbo original positiva coletor

original

positiva coletor

turbo

D Dimetro da mangueira n

D D p

ExemploD mm

p bar

D mm

=

= +

=

= +

= + =

Apesar da simplicidade da substituio da linha de combustvel necessrio

cuidado, pois qualquer vazamento pode causar at fogo no veculo, sendo este um

componente bastante crtico. Seja bastante criterioso na escolha dos materiais e na execuo do servio.

5.10 Vlvula de alvio

A vlvula de alvio tem a funo de regular a presso mxima que o compressor ir

pressurizar o coletor. Seu funcionamento atravs do desvio para a atmosfera ou

escapamento dos gases de escape antes destes passarem pela turbina (rotor quente) de modo a limitar a presso gerada no coletor pelo compressor (ver seco 1.2). O uso da vlvula de alvio necessrio para impedir o aumento descontrolado da

presso no coletor de admisso do motor. Este controle muito importante para a

durabilidade e funcionamento do motor.

69

Fig. 19 e 20 Vlvula de alivio externa e integrada

A vlvula de alvio tem uma tomada de presso, em geral na sada do compressor, e

uma regulagem para a correta seleo da presso na qual ela desviar parte dos

gases de escape criando um bypass entre o coletor de escape e o escapamento.

Basicamente temos dois tipos de vlvulas de alvio:

Integradas: onde estas so parte da caixa quente;

Externas: onde a vlvula posicionada no coletor;

As vlvulas externas tm tido resultados mais adequados, porm as vlvulas

integradas (ou integrais) costumam ocupar menos espao, facilitando a instalao. A vlvula de alvio um componente bastante robusto, mas uma falha neste

componente poder provocar a quebra do motor por excesso de esforos. Logo um

manmetro de presso no coletor fundamental para monitorar o funcionamento

desta vlvula.

5.11 Vlvula de prioridade

Na operao do motor quando a borboleta do acelerador se fecha e o sistema de

admisso est pressurizado, a presso entre o compressor e a borboleta pode subir

70

muito e danificar o sistema devido inrcia do compressor, j que o compressor entra em surge, que uma regio de operao instvel. Para isto se utiliza a vlvula

de prioridade, que alojada entre o compressor e a borboleta de admisso. Ela a responsvel pelo conhecido assobio quando se alivia o p do acelerador, conhecido

popularmente por espirro da turbina.

Fig. 21 Vlvula de prioridade

A vlvula pode ser por membrana ou pisto. As de pisto costumam ter um melhor

desempenho e so mais custosas.

A vlvula de alvio tem uma tomada de vcuo, que ir auxiliar a vlvula a abrir

quando houver vcuo no coletor e presso na pressurizao. importante a tomada de vcuo estar funcionando perfeitamente, caso contrrio a vlvula no funcionar.

A no abertura da vlvula de prioridade gera um rudo alternado de mdia

freqncia na boca do compressor.

Deve ser posicionada perto da borboleta ou no intercooler.

71

5.12 Controlador de Bico Auxiliar

Para a alimentao da quantidade extra de combustvel necessria com o

turbocompressor, a utilizao de um ou mais bicos extra de combustvel uma

metodologia eficaz.

Alm do bico injetor de combustvel necessrio um controlador para o bico extra capaz de entregar a quantidade correta de combustvel ao motor, conforme sua

necessidade momentnea quando com presso positiva no coletor.

Assim como a alimentao do motor via um dosador HPi, a utilizao de um

controlador de bico extra tem algumas caractersticas prprias com seus prs e

contras:

Maior versatilidade e possibilidade de ajustes (possibilidade de utilizao de maior presso no coletor, sem a desvantagem de baixa presso inicial na linha

de combustvel, como no HPi);

Maior quantidade de ajustes;

Maior complexidade com mais componentes sujeitos a falhas;

Maior custo, devido a maior nmero de componentes e complexidade.

Como o objetivo do controlador de bico extra um ajuste adequado da quantidade extra de combustvel necessria para o motor quanto com presso positiva no

coletor necessrio que seu funcionamento bsico seja uma funo da presso no coletor e rotao.

( ;Pr )Tempo de injeo f Rotao esso no coletor = Logo o controlador dever ajustar a quantidade correta de combustvel, de modo que o motor trabalhe nas condies desejadas (seja ela para mxima potncia, temperatura de escape ou outra). Para este controle existem controladores digitais e analgicos.

72

Os controladores analgicos possuem menor quantidade de rECUrsos, porm

costumam ser bastante simples de operar. Seu funcionamento baseia-se na

extrapolao de uma curva terica de consumo de combustvel em funo da

rotao do motor e presso no coletor. Com trs ajustes bsicos consegue-se um bom resultado para a alimentao do motor:

- Incio da presso na qual o bico ir pulsar (ex. pulsar a partir de 0,2bar); - Ajuste da baixa, que o ajuste do tempo de abertura do bico para baixa rotao e baixa presso positiva no coletor (ex. pulsar 0,02ms por ciclo a 2000rpm e 0,3bar); - Ajuste da alta, que o ajuste do tempo de abertura do bico ara alta rotao e alta presso positiva no coletor (ex pulsar 4,0ms por ciclo a 6000rpm e 1,5bar). Assim se consegue acertar a quantidade de combustvel conforme a necessidade do

motor em carga e rotao.

Um controlador como o acima capaz de um bom ajuste da quantidade necessria de combustvel no motor, em geral melhor que com um dosador HPi, que tem sua

regulagem bastante sensvel a condies do ambiente (temperatura, presso, umidade, etc). Porm se um ajuste maior for desejado existem sistemas mais complexos. Como estes sistemas so em sua maioria digitais, citaremos aqui suas caractersticas mais

comuns, segundo informaes dos fabricantes:

- Correo por mapa presso x rotao;

- Mapa construdo ponto a ponto, e no por ajuste de curva bsica. - Realimentao e correo por sonda lambda;

- Correo por temperatura da gua;

- Correo por variao na voltagem;

- Correo por temperatura do ar ambiente.

73

Existem outras correes possveis, mas estas so as bsicas. As correes so

importantes, sendo uma das fundamentais a por sonda lambda, apesar de sua

utilizao requerer cuidados com perigo de obtermos altas temperaturas no escape

e possibilidade de quebras, se mal ajustado. Porm o maior diferencial dos controladores digitais dos analgicos est na possibilidade de construo do mapa

presso x rotao ponto a ponto. Ao possibilitar uma maior liberdade ao tcnico

responsvel pelo ajuste este controlador possibilita um ajuste mais fino do sistema. Do mesmo modo a complexidade e possibilidade de erro no ajuste tambm crescem. Logo importante pesar entre um sistema mais simples e outro mais

complexo e verificar se o excesso de alternativas no levar a erro ou ajuste errado. No mercado existem diversos modelos, cada um com maior ou menor complexidade

e custo. Recomenda-se a procura por modelos j consagrados com bom suporte tcnico pelo fabricante, para facilitar a instalao e ajuste do controlador.

5.13 O Bico Auxiliar

O bico auxiliar trata-se de um componente para ser utilizado conjuntamente com o controlador de bico extra. Com o bico extra a metodologia de alimentao do motor

na fase turbo no est mais ligada a um aumento na presso da linha, mas sim

existncia de mais um (ou mais) bico pulsando conforme necessidade. Em um motor quatro cilindros pode-se optar por quatro bicos, um em cada cilindro.

Est seria a melhor metodologia, mas esbarra em dois problemas:

Construo do coletor de admisso com dois bicos para cada cilindro. Esta

construo trabalhosa, e nem sempre existe espao fsico suficiente. Sugere-

se esta construo para veculos onde busca-se grandes aumentos de potncia,

de modo que apenas um bico no seja suficiente;

74

Maior custo e complexidade, devido a necessidade de quatro bicos extra, ao

invs de apenas um, alm de mangueiras e nova flauta para alimentao.

Ao invs de quatro bicos no coletor de admisso utiliza-se apenas um bico mono na

pressurizao, pouco antes da borboleta. Esta metodologia tem o mrito de ser mais

fcil de instalar, porm ter o aumento de potncia limitado vazo do bico. Um bico

muito utilizado o bico do Monza monoponto a lcool. Este bico originalmente

alimentava um veculo com mais de 100cv. Assim pode-se supor que alimentar ao

menos mais 100cv, apesar de sabermos que provavelmente alimentar mais, devido

a sabermos que ao aumentar a potncia de um motor, via sobrealimentao, as

perdas internas do motor por atrito no aumentam na mesma medida que o aumento

de potncia.

Para a instalao de bicos na pressurizao recomenda-se a utilizao de bicos

monoponto (em geral 3) preferencialmente a lcool, devido a maior vazo destes bicos. Para a instalao de bicos no coletor recomenda-se a utilizao de bicos

multiponto (em geral 16 ) preferencialmente a lcool. Para aplicaes severas, com ganhos de potncia acima de trs vezes o original tem-se utilizado bicos monoponto

em paralelo com bicos multiponto no coletor, para conseguir alimentar a quantidade

necessria de combustvel que um motor como este demanda, lembrando tambm

que como motores como estes giram a rotaes muito altas, o bico acaba tendo

diminudo seu tempo de injeo. Uma das vantagens do uso de um bico extra na pressurizao est na vaporizao

do combustvel antes da cmara e conseqente diminuio da temperatura da

mistura ar-combustvel.

Vamos fazer uma simulao para vermos quanto um combustvel como o lcool

pode baixar a temperatura da mistura ar-combustvel ao ser injetado na admisso:

75

A simulao para um motor 1,6L com:

3 3

3@20 @1

3 2

@126 @1 1

1,6 1,6 1090%

6000 1001,22 /

1001,6 10 0,90 1,22 8,78 10 /2

126 ( 1 1 @ 60% )1,8

motor

v

ar C bar

ar antes

antes bico

ar C bar

V L mErpm rpm Hz

kg m

m kg s

T C Temp aps compressor bar eficincia

+

= =

=

= =

=

= =

= +

=

3

3 2

2

23

0 /1001,6 10 0,90 1,80 12,96 10 /

24,18 10 /

tan : 8 :1:

4,18 10 5,22 10 /8

1,08,

ar depois

ar

lcool

lcoolv

kg m

m kg s

m kg sAdo do relao estequiomtrica mssica ar lcoolno bico teremos

m kg s

Para t sc

= =

= =

= =

=

=

5

3

3

3 5 3

58 10 / ( @ 78,3 )2,41 10 /( )1,00 10 /( )

:

5, 22 10 8,58 10 4, 48 10

lcoollatentear

latente

lcoollcool lcool v

lcool ar depois ar d

J kg vaporiza Cc J kg Kc J kg KSupondo apenas vaporizao do lcoolQ m c JQ Q m

=

=

= = =

= =2 3 312,96 10 1,00 10 4,48 10

34,6 , :107,1

ar

epois latente

ar depois

ar

c T

T C eT C

= = = =

Assim notamos que o lcool tem papel fundamental no controle da temperatura da

Apostila TURBO

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