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Papo de Garagem Técnica

Sobrealimentação de motores: tudo sobre superchargers e compressores centrífugos

Depois dos queridinhos da atualidade é hora de tratarmos da preparação old School. Os superchargers estão ligados a historia automotiva há mais de um século. E quando falamos neles a primeira imagem que vem a cabeça são os Top Fuel com suas admissões gigantes querendo engolir o mundo. Mas a coisa nem sempre foi assim. A história dos superchargers não começou exatamente no mundo automotivo. E é sobre isso e otras cositas que iremos conversar. Prontos?

 

Detalhando os superchargers

Foto I

Para entender as características de trabalho dos blowers temos que ir até a “raiz” (que trocadilho ruim) desses equipamentos. Os Roots são bombas de deslocamento positivo, ou seja, eles transferem “pacotes” da admissão para a descarga.  Os irmãos Roots procuravam uma solução para alimentar fornalhas em siderúrgicas. E como era necessário o deslocamento de grandes volumes de ar eles desenvolveram e patentearam uma bomba de lóbulos.

Vejam o vídeo acima, podemos observar os eixos lobulares, as engrenagens que transmitem o movimento entre os eixos, os rolamentos e anéis de vedação. Todos usinados e instalados com a devida precisão e cuidado. Uma verdadeira poesia mecânica. Mas o que eu realmente quero que vocês prestem atenção é o momento de teste e inspeção final. Aproximadamente aos 3 minutos o homem responsável por toda a montagem checa as folgas entre os lóbulos, bem como entre estes e a carcaça do soprador. Não pode haver contato entre as faces. Aos 3:20 minutos a imagem muda e os lóbulos aparecem girando sincronizados, mas em sentidos opostos. É esse movimento que desloca o ar. A rotação abre cavidades temporárias, para onde o ar é puxando quando os rotores estão em movimento. Este ar fica preso na câmara formada entre os lóbulos e a carcaça e é conduzido até a descarga do soprador.

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Então o ar é deslocado em “pacotes”, da mesma forma que acontece com você quando passa pela porta giratória de um banco. As câmaras formadas não mudam de volume, então não há compressão durante o deslocamento entra a admissão e a descarga. Por isso os supercharger do tipo Roots são chamados de sopradores. Então como a compressão acontece?

Vamos continuar com o exemplo da porta giratória para explicar de forma bem simples o que acontece. Dentro de uma agência bancária estão os caixas e gerentes fazendo o atendimento.  Imaginem que a capacidade de atendimento da agência é de 20 clientes por hora, e o fluxo de entrada pela porta também é de 20 clientes por hora. Nessa condição a quantidade de pessoas que entra é a mesma que sai após o seu atendimento. Então o número de pessoas dentro da agência sempre será igual. Mas numa condição de pico (como dias de pagamento, etc), a quantidade de clientes que passam pela porta é maior que a capacidade de atendimento. Isso irá aumentar a quantidade de pessoas dentro da agência, diminuindo o espaço disponível entre elas.

Foto II

 

Agora faça uma correlação entre esse banco e o seu motor. Aí está a compressão. O supercharger desloca um volume maior que a capacidade de admissão do motor. Então o excedente é comprimido no coletor de admissão, sendo engolido forçosamente pelo próximo cilindro que abrir as suas válvulas.

Essa solução foi usada comercialmente pela GM em seus motores Detroit Diesel. Aumente o volume e se deliciem com um Detroit 6/71 subindo a Serra das Araras.  A grande vantagem dos blowers estava em gerar resultados desde as rotações mais baixas, fator essencial para utilitários que necessitam de muito torque desde a arrancada. Obervem na foto abaixo como o manovacuômetro mostra uma depressão de 2 PSI durante a marcha lenta. Motores que não sofreram modificações normalmente apresentam valores entre 7 e 10 PSI.

Foto III

Outra característica dos superchargers é a linearidade da sobrealimentação. Em teoria p volume de ar despejado na descarga é constante. Então a pressão no coletor também seria. Mas na realidade a folga entre os lóbulos e também entre estes e a carcaça permite uma pequena recirculação do ar, fazendo a pressão no coletor ser menor no início da faixa. Além disso, a própria eficiência volumétrica do motor varia durante a sua operação, o que também interfere na pressão do coletor. Pois quanto maior for a capacidade de ingestão do motor, menor será a restrição. E quanto menos restrição para o fluxo, menor é a pressão medida. Então no caso dos superchargers pressão não significa maior ganho em volume comprimido. Na verdade quando estamos falando dos Roots, a pressão excessiva é um mal. E deve ser evitado.

Foto IV

Mas não são só os Roots que fazem a fama dos blowers, há também os compressores de parafuso. Estes são muito parecidos com os roots externamente, mas as grandes diferenças estão dentro da carcaça. Como o próprio nome já indica, há dois fusos (um macho e outro fêmea) substituindo os eixos lobulares. Estes fusos não são simétricos e sua relação pode ser 3 para 5 ou 4 para 6.

Foto V

Porém entre todas essas diferenças a mais significativa é o sentido de giro. Enquanto os Roots giram indo de encontro à carcaça para aprisionar o ar, nos Lysholm os fusos vão de encontro um ao outro. Assim o ar é aprisionado entre os fusos e as câmaras reduzem de volume durante o seu giro, assim o ar é comprimido antes de chegar à descarga. Por essa característica os compressores de parafuso possuem folgas muito menores que os blowers. E também por conta destas estes transferem menos calor durante a compressão, ou seja, são mais eficientes.

 

Quando a pressão deixa de ser uma boa referência

Foto VI

Quinta à noite, encontro de amigos num estacionamento e o assunto é sobrealimentação. Não importa qual o carro, motor, ou o que seja. Relacionar cavalos à pressão é praticamente uma unanimidade. Sim, nessa linha de pensamento, uma maior pressão de trabalho determina uma maior densidade do ar que está sendo admitido. E com mais ar dentro dos cilindros, mais potência pode ser gerada. Mas no mundo real a coisa não é simples assim. Como já explicamos aqui, a quantidade de calor adicionado ao fluxo de ar determina a eficiência do compressor. Quanto menos eficiente ele for, mais quente o ar vai sair. Isso significa que ele será menos denso. Ou seja, o ar que teria densidade de 1,24 kg/m³ a 60°C passa a ter 1,16 kg/m³ a 91°C. Isso significa perda de potência, risco de pré-detonação e dano ao motor.

Foto VII

Como os blowers inicialmente foram desenvolvidos para deslocar o ar sem restrições, sob condições de pressão positiva eles são pouco eficientes e podem elevar a temperatura do ar além dos 180°C quando a razão de compressão ultrapassa 1,8. E além do risco para o motor também podemos danificar o próprio supercharger. O calor transferido para a carcaça e rotores causa expansão que aumenta as folgas e consequentemente o desgaste de mancais, rolamentos, selos e engrenagens. O óleo da caixa de transmissão tende a se degradar mais rapidamente. Os rotores podem se tocar com a expansão, e você sabe que isso não é nada bom.

Foto VIII

Mas o que faz os chargers serem tão ineficientes? O principal vilão nesse caso é a geometria construtiva do blower. Observem a imagem acima, ela mostra o momento em que o ar aprisionado à pressão atmosférica encontra o ar pressurizado do coletor de admissão. Neste momento acontece uma reversão de fluxo, e o ar do coletor migra para dentro da carcaça fazendo as pressões destes dois pontos se equalizarem. Essa reversão extremamente rápida causa alta fricção entre as moléculas de ar e fricção sempre gera calor. Então quando maior o diferencial entre a admissão e a descarga, maior será a velocidade reversão e maior será a temperatura. Mas essa mesma geometria “ruim” é responsável por uma característica que leva muitos a virar os olhinhos tendo orgasmos auditivos. Como as notas emitidas pelos furos de uma flauta ao atravessar a carcaça o ar emite um silvo.Alguns dizem que parece o miado de um gato, ou o grito de uma rapoza. Eu acho que parece o zumbido de mil vespas emputecidas por você ter mexido em sua colmeia. Não sabe como é esse som? Então aumente o volume e ouça essa besta fritadora de pneus.

Para minimizar essa perda de eficiência os fabricantes criaram diversos artifícios que eu vou listar aqui:

  • Mudança dos eixos lobulares:

Foto IX

Os eixos inicialmente ganharam mais um lóbulo passando para três em cada eixo e estes foram torcidos em 60°, tornando o fluxo híbrido (axio-radial). Essas mudanças diminuíram o volume das câmaras e a pulsação dor ar, tornando o fluxo menos turbulento.

Foto X

A segunda mudança da configuração dos eixos ocorreu em 2006. A Eaton adicionou mais um lóbulo a cada um dos seus eixos e os torceu mais um pouquinho, chegando aos cento e sessenta graus.

  • Portas de reversão:

Foto XI

Para tornar a transição entre as zonas de pressão ainda mais suave os fabricantes criaram pequenos furos oblongos denominados portas de reversão. Durante o giro do eixo as câmaras helicoides têm contato primeiramente com estas portas, então a equalização das pressões acontece a partir delas. Assim quando as câmaras abrirem-se efetivamente para a descarga o diferencial será mínimo. Esse artifício também ajudou a reduzir o nível de ruído emitido, bem como reduzir a potência consumida pelo supercharger.

  • Admissão aerodinâmica e descarga em V

Foto XII

Partindo do mesmo princípio de suavização do fluxo, as análises computacionais mostraram que um formato aerodinâmico que permitisse ao fluxo acompanhar o sentido de giro dos lóbulos geraria menos turbulência durante todo o deslocamento. Para a descarga o perfil em v num ângulo menor que o passo dos lóbulos permite uma abertura gradual das câmaras em relação à descarga. O que também suaviza a saída do ar.

Todas essas melhorias levaram os blowers a operarem com eficiência acima de 70%.

 

Superchargers para as pistas

Foto XIII

Mesmo com as melhorias que vimos acima, as folgas dos rotores e carcaça permitem a passagem do ar para as zonas de baixa pressão. O que gera turbulência, fricção e tudo mais que já falamos. Os fabricantes passaram a aplicar camadas de proteção cerâmica nos rotores para diminuir ainda mais o gap entre as peças rotativas e estáticas. Mas quando a brincadeira fica séria de verdade e os blowers são usados em monstros como os Top Fuel e Funny Cars qualquer vazamento de pressão significa perda de cavalos.

Foto XIV

Com pressões de trabalho que chegam a 4,5 bar era necessário um meio de selar completamente as câmaras. A solução veio com a aplicação de cordões nas extremidades dos lóbulos. Inicialmente o material utilizado era o Teflon, mas testes mostraram o Nylatron como material mais apropriado para a vedação. Mas como é feito o processo de aplicação dos cordões?

Primeiro são feitos três sulcos em cada lóbulo. Então os cordões são instalados com interferência e ajustados de modo a terem uma pequena face de contato com os lóbulos do outro eixo e também com a carcaça.

Assim os blowers conseguem chegar às pressões desejadas, mas o desgaste desse tipo de selo é rápido. Normalmente eles devem ser substituídos a cada duas provas, ou seja, de 4 a 8 puxadas. Então essa não é uma solução muito viável para as ruas. Além do mais, os superchargers encontrados atualmente no mercado atendem a contento a maioria dos projetos que você pode querer.

 

Hora de fazer contas

Foto XV

Beleza, já vimos como os blowers funcionam, as características construtivas e suas deficiências. Agora vamos escolher o melhor supercharger para cada projeto, descobrir qual a pressão de trabalho aproximada bem como o cálculo reverso disso.

A primeira informação que nós precisamos é o limite de rotação do supercharger. Por exemplo, grande parte dos blowers fabricados pela Eaton tem limite de rotação em 18 mil rpm para picos e 15 mil rpm para uma velocidade angular constante. A segunda informação que precisamos é o limite de rotação pretendido para o motor. E finalmente o tamanho da polia motora. A polia motora é aquela que vai fornecer movimento para a polia do charger. Normalmente a polia do virabrequim é usada como polia motora de todos os acessórios do motor, mas se o seu projeto considerar que a correia do charger estará ligada a outro equipamento (a polia da bomba d’água por exemplo), o diâmetro desta polia que deve ser considerado no cálculo da polia motora.

Vamos supor que o limite de rotação do meu motor seja de 6500 rpm, que o limite do meu supercharger seja de 15500 rpm, e que a polia motora tenha 125 mm de diâmetro. Então vamos encontrar a razão para os limites de rotação.

Fórmula I

Tendo a razão máxima entre polias, podemos calcular o tamanho da menor polia que pode ser usada com esse charger.

Fórmula II

Agora já sabemos qual é o limite mínimo para o diâmetro da polia. Mas com essa polia qual seria a pressão gerada no coletor? Para obter esse dado nós precisamos das seguintes informações iniciais. Deslocamento do motor, valor de overlap do comando de válvulas e o deslocamento do charger a cada rotação. Se você está em dúvidas sobre o overlap e outras informações do seu comando de válvulas dê uma lida aqui.

Foto XVI

Os fabricantes de superchargers normalmente informam os valores de deslocamento em suas folhas de dados, mas alguns modelos trazem nos códigos de identificação o seu volume deslocado. Exemplo disso são os Eaton de quinta geração e os TVS, vejam só:

  • M24 → 24 pol³ → 393 cm³
  • M45 → 45 pol³ → 737 cm³
  • M62 → 62 pol³ → 1016 cm³
  • M90 → 90 pol³ → 1475 cm³
  • M112 → 112 pol³ → 1835 cm³
  • R410 → 410 cm³
  • R900 → 900 cm³
  • R1050 → 1050 cm³
  • R1320 → 1320 cm³
  • R1650 → 1650 cm³
  • R 1900 → 1900 cm³
  • R2300 → 2300 cm³

O valor de cruzamento de válvulas é importante para que nós possamos saber a perda de pressão devido ao curto circuito da câmara devido à depressão causada pela saída dos gases de escape somada a pressão positiva na admissão quando as válvulas abrem. De uma forma bem simples a cada 10° de cruzamento a perda de pressão é de aproximadamente 5%. Ou seja, num motor que tem o comando com cruzamento de 25° a perda de pressão será de 12,5%. Então teremos apenas 87,5% do valor de pressão encontrado inicialmente. Para os cálculos vamos considerar um motor de 1600 cm³ e um compressor de 737 cm³ de deslocamento. E para demonstração os valores de eficiência volumétrica de ambos serão considerados ideais. Então:

Fórmula III

Ok agora vamos checar o mapa de eficiência do compressor para sabermos em que faixa do mapa essa pressão de descarga se localiza.

Foto XVII

Podemos observar que essa pressão de trabalho está no limite superior do mapa onde a eficiência é de 55%. Digamos que esse projeto seja para uso diário em área urbana, portanto mais civil. E nosso interesse seja operar na faixa dos 60% nos regimes mais baixos e medianos do motor, assim teríamos uma temperatura menor de descarga. Então a nossa faixa de trabalho estaria próxima de 1,7 para a razão de compressão. O que nos da uma pressão de descarga aproximada de 0,75 kgf/cm². Mas como determinar a razão entre as polias (e consequentemente o tamanho) para que o blower opere nesta faixa de pressão? Usaremos basicamente os mesmos dados da fórmula anterior. Porém alterando a ordenação. Vejam só:

Fórmula IV

O cálculo de temperatura de na descarga baseado no mapa de eficiência você pode conferir no post anterior dessa série. Você dever verificar todas as variações de eficiência dentro da faixa de trabalho para poder calcular as temperaturas de descarga.

 

Compressores centrífugos

Foto XVIII

Além dos Roots e dos Lysholm existe outro tipo de supercharger bastante empregado. O centrífugo. Este tipo de charger, como o próprio nome já indica, utiliza um compressor centrífugo semelhante aos encontrados nos turbocompressores. Ele estaria num meio termo entre os blowers, devido a sua linearidade, e os turbos pela sua eficiência de compressão. A sua configuração normalmente conta com uma polia que move o eixo principal. Este eixo possui uma engrenagem que move outra menor que está ligada ao rotor.

Foto XIX

Por conta dessa configuração os centrífugos normalmente operam com velocidades angulares mais baixas, se comparados aos turbos. Pois a relação de multiplicação deles dificilmente ultrapassa razões de 1:3,6. Essa relação de engrenagens somada à encontrada entre as polias fica na casa de 1:5. Isso significa que para deslocar volumes significativos de ar estes compressores necessitam de grandes rotores.

Foto XX

Porém um fabricante passou a usar um conjunto de planetárias para aumentar a relação de seus compressores. Essa configuração pode criar relações entre 1:7,5 a 1:12,5. Isso significa velocidades angulares entre 90 e 240 mil RPM. Com isso os compressores têm dimensões muito menores que as normalmente encontradas, além de ótimos valores para a eficiência de compressão em uma ampla faixa.

 

Escolhendo um compressor centrífugo

Foto XXI

O modo de operação desse compressor é semelhante ao dos outros superchargers, por isso cada modelo de compressor possui uma faixa de vazão mássica em que ele pode trabalhar. Mas por usar um compressor do mesmo tipo que encontramos num turbo, seus cálculos não são simples como vimos lá em cima. Nesse post eu vou fazer os cálculos sem muito detalhamento, pois toda a explicação sobre cada passo você pode encontrar aqui.

Foto XXII

Vamos considerar um motor de 1597 cm³ com eficiência volumétrica de 0,85. Queremos alcançar os 250 pôneis malditos (183,87 kW) a 6000 RPM. Vamos usar o etanol como combustível. Então em condições ótimas:

Fórmula V

Com a vazão mássica podemos verificar qual modelo de supercharger que melhor atende a nossa necessidade. Devemos lembrar que quanto mais à esquerda da linha central estiver o valor de vazão, maior será o risco de ocorrência do surge. Já se o valor estiver na extrema direita, nos aproximamos do risco de estrangulamento e dano por sobrevelocidade. Então o ideal é que o ponto esteja a direita da linha central, porém não além de 75% da capacidade máxima de vazão do compressor. Agora vamos determinar a pressão de descarga e a razão de compressão para podermos chegar ao ponto de operação máximo.

Fórmula VI

Fórmula VII

Assim podemos plotar no mapa o ponto operacional máximo e então verificar a velocidade angular do compressor. Caso o valor esteja entre duas linhas de velocidade o valor desta pode ser calculado por interpolação.

Foto XXIII

Podemos verificar que o rotor está girando a aproximadamente 135 mil (!!!) rpm. Este supercharger tem uma relação de multiplicação interna de 1:12,67. Então dividindo a velocidade do rotor (velocidade de saída) pela relação, temos uma velocidade de entrada de 10655 rpm. Daí fazemos o cálculo de relação entre polias. Se temos uma polia motora que gira a 6000 rpm, então:

Fórmula VIII

Com essa relação em mãos e sabendo que a polia motora tem 130 mm de diâmetro, precisaremos de uma polia movida de:

Fórmula IX

Assim encontramos o diâmetro da polia que deve ser instalada no supercharger para alcançarmos a necessária.

Foto XXIV

Mas se o uso desse compressor não for para as ruas, mas sim para o automobilismo, onde respostas mais agressivas sejam necessárias? Segredo está em usar um compressor de maior capacidade que aquela ideal para o deslocamento do motor. E então fazer o controle da pressão no coletor de admissão através de uma válvula wastegate. Assim quando o set de pressão for alcançado a válvula fará o controle de fluxo, desviando o excesso de ar de volta para a admissão do compressor. Com esta configuração a taxa de potência por rotação será maior que numa configuração usual. Além disso podemos usar um boost control da mesma forma que fazemos com os turbos. Criando degraus de pressão e consequentemente de potência.

Foto XXV

Na foto acima podemos observar a configuração que acabamos de falar. A wastegate está instalada junto da blow-off. Este motor é um Honda K24 usado em um CRX que participa do World Time Attack Challenge. Ele opera com 240 hp nas marchas mais baixas para um melhor controle e tração, já nas marchas mais altas a ECU controla uma solenóide de 3 vias que eleva o set de pressão para 18 PSI (1,24 kgf/cm²) liberando 480 hp.

 

As inovações

Foto XXVI

Os fabricantes estão investindo em superchargers híbridos, com motores elétricos que podem levar o rotor a 130 mil rpm sem que a polia principal seja acionada. Além disso há um controle da relação entre polias que permite infinitas razões. Assim o charger poderá sempre operar em seu ponto ótimo, ou em um set determinado pelo usuário. Mas esta tecnologia ainda está em desenvolvimento para modelos de maior porte.

 

O que vem por aí

Foto XXVII

Depois de vermos os meios mais quentes de sobrealimentação, que tal aprendermos a esfriar as coisas para tudo ficar legal?

Vamos falar sobre intercooler, injeção de água e metanol e outros métodos de resfriamento do ar admitido.

Até a próxima!

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