tudo o que vimos no post anterior se refere a geometria fixa de um turbo e eu acho que depois de tanta conversa voces ja perceberam o jogo de perde e ganha quando temos que escolher um turbo pequeno demais ele te da ganhos em baixas rotaçoes mas estrangula seu motor nas faixas mais altas grande demais ele cria um monstro devorador de tacometros mas e completamente preguiçoso em baixas rotaçoes [youtube id= k5yq_aqi_5i width= 620 height= 350 ] para resolver esse dilema os fabricantes criaram as turbinas de geometria variavel tgv em uma turbina de geometria fixa existe uma abertura em forma de bocal que se estende por quase todo o raio da voluta e ao contrario do difusor que encontramos na voluta do compressor este bocal transforma a energia pneumatica dos gases de escape em cinetica e e isso que move o rotor numa tgv existem laminas moveis que executam a funçao de bocais no video acima podemos ver a pessoa acionando manualmente as laminas variando o diametro da abertura e consequentemente a geometria do bocal dai o termo geometria variavel nas rotaçoes mais baixas os gases tem menos energia entao as laminas se fecham formando bocais de menor diametro como podemos ver na imagem acima o angulo formado pelos boçais faz o fluxo adentrar de modo tangencial consequentemente encontrar as laminas do rotor num angulo mais proximo do perpendicular isso gera uma grande quantidade de força aplicada nas rotaçoes mais altas os vanes se abrem aumentando o diametro dos bocais e tornando a entrada do fluxo mais paralela ao rotor i sso aumenta a capacidade e vazao da turbina entre esses dois pontos de angulo maximo e minimo qualquer valor pode ser ajustado atraves do atuador por conta dessa flexibilidade de controle esse tipo de turbo dispensa o uso de wastegate para o controle mas as tgv tinham uma aplicaçao restrita normalmente a motores diesel pois os materiais usados para aplicaçoes otto tem custo alto bem tinham pois como o dalmo apresentou bem aqui a volkswagen pretende massificar a aplicaçao dessas turbinas como alternativa as tgv para aplicaçao em motores otto os fabricantes passaram a produzir turbos com wastegates controladas eletronicamente essa e a grande diferença para o desempenho dos modernos motores downsized a central de gerenciamento eletronico do motor tambem faz o ajuste de abertura da valvula assim o fluxo e pressao de trabalho do turbocompressor sao ajustados de acordo com a demanda e nao somente pela pressao de descarga do compressor como acontece nos turbos convencionais esses turbos normalmente sao pequenos se considerarmos sua geometria em relaçao ao deslocamento dos motores nos quais eles sao instalados isso se deve a necessidade de respostas rapidas mesmo nas rotaçoes mais baixas alem da produçao de uma pressao significa desde o inicio da operaçao mas nos sabemos que turbos pequenos sao restritivos para as rotaçoes mais altas a soluçao para isso e permitir que a valvula controle ativamente o fluxo mantendo assim a tao conhecida plataforma de torque que vemos nos graficos de performance dos motores downsized abaixo vemos um grafico que demonstra o modo de controle do turbo usado num motor tsi a wastegate se mantem fechada na regiao vermelha do grafico para que o turbo alcance a pressao maxima imediatamente na area verde a valvula se mantem aberta visando a economia de combustivel e baixas emissoes ja que a demanda de potencia e baixa na area amarela a ecu mantem o modo de controle em abertura parcial avaliando rotaçao carga pressao de admissao e principalmente a posiçao do pedal do acelerador a posiçao e a informaçao mestra pois a sua mudança determina todo o restante por exemplo se estivermos em velocidade de cruzeiro a 3 000 rotaçoes com o pedal a 30% de abertura a wastegate estara aberta mas se repentinamente voce afunda o pedal da direita a valvula se fechara imediatamente e ficara nessa posiçao ate que a pressao maxima seja alcançada ou ate voce aliviar o pedal por conta do formato plano da valvula e pelo atuador pneumatico a ocorrencia de flutuaçao quando esta se aproximava da abertura minima criava grandes dificuldades no controle de fluxo entao os fabricantes desenvolveram um atuador eletrico com alto torque e precisao para movimentar a wastegate decimos de milimetro sem erros assim a confiabilidade e controle aumentaram por isso temos tanto sucesso nesses novos motores turbo razao de compressao eficiencia e tudo sobre os mapas agora chegamos ao bicho papao que confunde muita gente os mapas de eficiencia dos compressores esses mapas trazem informaçoes essenciais para a escolha do turbo abaixo vamos detalhar cada informaçao e sua importancia razao de compressao o eixo y mostra a razao entre as pressoes de entrada e saida do compressor a razao de compressao mostra a quantidade de energia transferida para o ar comprimido o calculo e simples divide se a pressao de descarga pela pressao de admissao porem os valores devem ser absolutos ou seja devemos considerar a mediçao a partir do vacuo completo para explicar de forma mais simples pressao absoluta nao considera o vacuo como pressao negativa por exemplo a pressao atmosferica medida de forma absoluta e de 101 325 quilopascal lembrem se que a pressao atmosferica muda de acordo com a altitude por isso consulte sempre a pressao relativa a altitude onde voce vive entao se tivermos um manometro indicando uma pressao no coletor de 75 kpa o valor absoluto e de 176 325 kpa o valor da pressao de admissao depende da restriçao que encontramos mas a queda de pressao media e de 10 kpa assim demos considerar uma pressao de admissao de 91 325 kpa considerando os valores que citamos aqui vamos calcular a razao de compressao vazao massica corrigida o eixo x mostra a vazao massica que e a quantidade de ar em massa que e despejada na descarga em funçao do tempo podemos encontrar a massa em gramas quilogramas e libras o tempo normalmente e exibido em segundos ou minutos mas porque a vazao e massica e nao volumetrica como e mais comum por conta de um principio chamado balanço de massas ele diz que a massa que entra em uma determinada maquina ou processo e a mesma que deve sair caso nada mais seja acrescentado durante o trajeto ou seja a massa de ar que entra no compressor e a mesma que deve sair ja se considerarmos o volume que entra no compressor ele nao e o mesmo na saida pois este e comprimido por exemplo se temos um volume de dois metros cubicos sob pressao atmosferica e comprimimos esse volume a duas atmosferas o volume se reduzira a um metro cubico por isso a vazao massica apresenta valores mais precisos para a analise do mapa alem disso os valores de vazao encontrados facilitam o ajuste da quantidade de combustivel que iremos adicionar a mistura posteriormente linhas de velocidade as linhas destacadas em azul mostram a velocidade de operaçao do compressor a ultima linha desenhada normalmente mostra o limite de velocidade recomendado para aquele rotor caso os pontos operacionais calculados estejam entre as linhas a velocidade daquele ponto pode ser calculada por interpolaçao ilhas de eficiencia elas representam os limites de eficiencia do compressor ela diz a quantidade de energia e transformada em calor e calor nesse caso significa desperdicio de energia pois o objetivo do compressor e transformar a energia recebida em pressao quanto mais baixo for o valor apresentado menor sera a eficiencia do compressor e consequentemente maior sera a temperatura de descarga do compressor para calcular a temperatura ideal utilizamos a formula abaixo considerando a eficiencia de 1 ou 100% para a temperatura real devemos considerar o valor da ilha de eficiencia onde o ponto operacional se encontra por exemplo o nosso ponto de operaçao em azul esta numa ilha com 0 74 de eficiencia entao consideramos o valor de є = 74% entao linha de surge a linha destacada em vermelho determina a vazao minima para uma dada razao de compressao ou se voce preferir uma razao de compressao maxima para uma determinada vazao como ja explicamos la no começo o surge e uma zona de instabilidade de fluxo que tende a reversao compressores grandes demais para a capacidade do motor ou restriçoes ao fluxo podem levar o compressor ao surge por tanto os pontos operacionais devem estar o mais distante possivel da linha de surge quanto mais a esquerda o centro maior o risco para o compressor linha de estrangulamento tambem conhecida como choke line ou stonewall line e a linha que determina o limite de vazao do compressor esse limite se deve a resistencia ao escoamento que e oferecido pelas paredes da voluta quanto maior a velocidade maior a resistencia entao a pressao deve ser elevada ou seja a quantidade de energia transferida para que a vazao aumente porem ha um limite para o escoamento em que mesmo aumentando a quantidade de energia transferida a velocidade nao aumenta este e o limite de escoamento sonico observem no mapa a linha de vazao se estende ate um ponto acima dela as linhas de velocidade do compressor continuam a crescer mas a vazao e consequentemente a velocidade do fluxo nao aumenta entao se nao ha aumento de vazao nao ha aumento de potencia para o motor fazer o compressor operar proximo ao limite de vazao so traz riscos pois o rotor sofre com uma grande força centrifuga a eficiencia de compressao cai devido ao atrito do ar com as laminas calculando os pontos de operaçao agora pegamos as agulhas velas caldeirao asa de morcego perna de sapo olho de lesma jogamos num caldeirao riscamos umas linhas no chao dizemos uns feitiços vodu e voila temos o turbo correto para os nossos motores bom escolher um turbo e um pouco mais trabalhoso mas ao menos voce nao vai ter que aprender magia negra pois como dizia o pica pau vodu e pra jacu para que possamos determinar qual turbo melhor atende as nossas necessidades antes de qualquer coisa temos que ser realistas e crus quanto ao uso do projeto se tivermos um projeto de uso diario que enfrenta o transito das cidades e eventualmente pega a estrada num feriado onde se preza por boas respostas ate as faixas medianas e ate a economia de combustivel ou se queremos um carro misto que va andar em provas para a diversao de quem esta atras do volante ha ainda os serious business dedicados exclusivamente as pistas a uma categoria especifica temos que dar grande peso a essa questao pois a base de todo esse trabalho e a satisfaçao de quem aperta o pedal direito como em qualquer calculo numerico nos vamos precisar dos dados de entrada e estes muitas vezes tambem precisam de calculos preliminares entao vou listar aqui o que precisamos rotaçao maxima do motor rpm ; deslocamento do motor normalmente encontrado em litros divida por mil para encontrar o valor em m3 ; a potencia desejada cv ; o torque original do motor e a rotaçao na qual ele ocorre n m ; temperatura e pressao do local onde normalmente o veiculo sera usado converta o valor de mmhg para kpa divida o valor encontrado por 7 5 e para transformar as escalas de temperatura de celcius para kelvin some 273 15 ao valor encontrado ; tendo estes dados precisamos dos seguintes calculos preliminares temperatura de admissao do motor k ; a temperatura de admissao influencia diretamente a temperatura de descarga entao ela e essencial para o calculo de vazao para a turbina caso seu projeto nao tenha um intercooler a temperatura de admissao sera muito proxima da temperatura de descarga do compressor o calculo dessa temperatura pode ser feito atraves da formula apresentada no item ilhas de eficiencia mais acima mas para que tenhamos um ponto de partida mais facil a faixa de temperatura da descarga e um compressor centrifugo fica entre 75° c e 170°c com um trocador de calor intercooler essa faixa cai e a queda vai depender da capacidade e eficiencia do trocador mas os valores podem variar entre 42°c e 80°c lembrando que os valores devem ser lançados na escala kelvin eficiencia volumetrica do motor є ; devido a restriçoes de escoamento o cilindro nunca tem seu volume totalmente preenchido durante a aspiraçao natural e essa deficiencia e medida pela relaçao entre o valor ideal e o real de preenchimento do cilindro como alguns de voces devem saber o pico de torque de um motor naturalmente aspirado ocorre no momento em que o motor tem sua maior pressao dentro do cilindro a eficiencia volumetrica dos motores varia de acordo com o perfil de comando geometria dos dutos coletores quantidade e diametro das valvulas sao muitos fatores mas os valores tipicos encontrados sao os seguintes de 80% a 89% para motores com duas valvulas por cilindro e de 90% a 99% para motores com quatro valvulas por cilindro ambos em condiçao oem caso voce seja chato e queira saber qual e a eficiencia maxima do seu motor eu sei cara chutar numeros nao e nada agradavel nesses casos vamos fazer umas continhas aqui para descobrir o valor real vamos partir de um motor quatro cilindros de aspiraçao natural com duas valvulas para admissao e duas para escape ele desloca 1998 8 cm³ e tem torque maximo de 187 8 n m a 4250 rpm mas por que precisamos do pico de torque e da rotaçao na qual ele acontece e simples gafanhoto o pico de torque e o momento de maior força do motor e isso se deve a maior pressao dentro do cilindro como consequencia da maior eficiencia de preenchimento a eficiencia volumetrica entao e este ponto que devemos calcular vamos começar encontrando a potencia do motor para o pico de torque com a potencia em maos agora precisamos do consumo especifico indicado tambem conhecido como indicated fuel specific consuption esse fator indica a quantidade de combustivel consumido por hora para gerar uma quantidade de potencia especifica e tambem e um dado preliminar necessario para encontrarmos os pontos operacionais do compressor para sabermos o seu valor vamos precisar estimar a eficiencia termica do motor esta nos diz o quanto da energia quimica do combustivel e transformada em trabalho motores de ciclo otto modernos naturalmente aspirados tem uma eficiencia proxima de 0 31 alem da eficiencia precisamos tambem do poder calorifico inferior lower heating value que e a quantidade de energia quimica contida no combustivel os valores para os combustiveis mais comuns sao 7 69 kw/kg para o etanol 12 kw/kg para a gasolina e os mesmos 12 kw/kg para o diesel entao tendo o consumo especifico podemos agora calcular a vazao massica pois a massa de combustivel tem dependencia direta da massa de ar admitida e essa relaçao pode ser medida atraves da razao ar combustivel vejam abaixo a tabela de relaçoes para cada combustivel a relaçao ar combustivel normalmente aplicada pelos fabricantes para a maxima potencia e de 0 85 entao para o nosso calculo consideraremos esse valor de lambda e a gasolina como combustivel sendo assim sabendo a vazao massica podemos encontrar a vazao volumetrica utilizando a densidade do ar como o ar admitido pelo motor sofre aquecimento consideraremos uma temperatura de admissao de 40°c e pressao nesse caso entao agora precisamos saber a vazao volumetrica maxima para esse motor para isso devemos considerar a eficiencia volumetrica maxima teorica como 100% alem disso temos que determinar se o nosso motor e dois ou quatro tempos pois a quantidade de revoluçoes para completar o ciclo influencia nos calculos lembrando que o motor quatro tempos gira duas vezes a cada ciclo enquanto os dois tempos gira apenas uma vez assim para um motor 4t n= 2 e para um 2t n= 1 entao agora com as duas vazoes em maos finalmente podemos chegar a eficiencia volumetrica indicada basta dividir a vazao indicada pela maxima assim temos o valor muito proximo da eficiencia real do motor em questao mas voces devem estar se perguntando pra que tantos calculos so pra encontrar a eficiencia de um motor eu sei pessoal que sao muitas informaçoes mas elas sao essenciais quando queremos dados apurados para um projeto e o que estamos fazendo aqui e um exercicio de raciocinio para entender que a escolha de um turbo nao e uma coisa simples baseada somente em poucas informaçoes para voces terem uma ideia do quao complicado e determinar a performance vamos direto aos casos mais extremos [youtube id= 1lkxgx5wjza width= 620 height= 350 ] peguem o seu balde de pipoca e dediquem quase duas horas de seu tempo para assistir a esse programa epico feito pelo chanel 4 peço desculpas aos que nao entendem o ingles nao achei uma versao dublada ou ao menos legendada mas nao deixem de assistir pois o programa trata da saga da cosworth em desenvolver um motor sobrealimentado para a lola hass na f1 o chefe barata ja havia feito uma bela materia sobre esses dois videos e eu os trago aqui de volta para mostrar um pequeno detalhe que me chamou muito a atençao por favor vao ate os 11 46 minutos onde o engenheiro de testes da a partida no motor o narrador fala sobre as caracteristicas do motor e logo em seguida ressalta o plenum de admissao gigante que serve para equalizar a distribuiçao de ar entre os cilindros ele segue falando sobre o coletor de escape que e sintonizado para que os pulsos de escape sejam aproveitados tambem ele continua ate que aos 13 57 minutos alan morris reaparece informando numeros aos seu assistente que anota tudo em uma planilha os valores podem parecer aleatorios mas sao registros de cada variavel do motor aos 14 30 minutos o narrador começa a descrever cada anotaçao carga do motor pressao de blow by pressao de escape contrapressao temperatura de admissao e exatamente aos 15 03 ele diz o tempo que cada gota de combustivel leva para cair na correte de ar 4 92 milissegundos essa e a informaçao que eu gostaria que voces observassem ela era essencial para que eles determinassem o consumo especifico de combustivel desse motor entao pessoal vejam o quanto os dados precisos sao importantes claro que nao chegaremos a esse caso mas ele serve para que voces tenham a noçao da real importancia desses calculos [youtube id= 7rcdrkkt4ds width= 620 height= 350 ] como eu nao poderia deixar passar acima esta a segunda parte do video quando o novo motor esta pronto e o controle eletronico e a grande cereja desse bolo tecnologico bem voltando a escolha do turbo em si agora que temos todos os dados preliminares podemos encontrar cada ponto operacional do compressor para chegarmos a estes valores existem diversos modelos de calculo com maior ou menor precisao mas para evitar que o entendimento seja prejudicado eu prefiro optar pela soluçao simples que tenha uma boa aproximaçao dos resultados mais precisos para as mentes mais curiosas ou que ja sejam iniciadas no mundo das turbomaquinas eu aconselho uma lida neste livro o primeiro ponto que devemos encontrar e o que determina o limite operacional do motor a partir deste ponto determinaremos todos os outros assim como podemos observar se o turbo e pequeno demais para as nossas necessidades como estamos lidando com um motor que sera sobrealimentado nao podemos considerar o valor exato de cei que encontramos para o motor oem o cei deve ter seu valor acrescido de 45 a 50% devido a mudança de combustivel e a necessidade de combustivel extra para afastar o risco de pre detonaçao assim passamos do valor de 0 252 kg/kwh para 0 378 kg/kwh vamos colocar nosso alvo de potencia em 250 cavalos que convertidos equivalem a 186 4 kw alem disso tambem consideraremos que nosso combustivel passou a ser o etanol e que o sistema possui um intercooler com eficiencia 0 76 por isso a temperatura cai dos 424 15k para 348 15k dessa forma tendo a vazao massica do primeiro ponto agora temos que encontrar a pressao absoluta necessaria para o motor alcançar a potencia que desejamos a forma mais simples de calcular e que nos permite uma boa aproximaçao dos valores reais e lançar mao da formula dos gases ideais e ajustarmos esta as nossas necessidades assim observem que o numero de mols n foi substituido pela vazao massica ṁ que acontecem em funçao do tempo essa escolha se torna correta quando usamos no divisor uma variavel que tambem existe em funçao do tempo a velocidade angular rpm assim o tempo sai da equaçao tornando o valor de pressao instantaneo agora vamos calcular a razao de compressao para finalmente plotar o dado no mapa vamos considerar que ha uma restriçao de 10 kpa e que estamos ao nivel do mar entao a pressao de admissao sera de 91 32 kpa dessa forma a razao de compressao e de ok agora sabemos que o compressor atende a vazao maxima mas e o restante da faixa de operaçao afinal de contas ninguem vai andar o tempo todo cortando giro vamos definir entao um ponto a cada mil rotaçoes ate chegarmos ao limite inferior de 2500 rpm sendo que os tres primeiros corresponderao a faixa controlada pela wastegate mantendo a mesma pressao de trabalho mais uma vez nos basearemos na equaçao de clapeyron nesse caso uma variavel em funçao do tempo e inserida somente no dividendo para que a massa instantanea se transforme em vazao dessa forma temos observem que a temperatura de descarga cai para o segundo ponto isso se deve ao deslocamento deste para uma area com maior eficiencia de compressao plotando o segundo ponto no mapa ja podemos traçar a linha de interpolaçao entre eles e agora vamos ao terceiro ponto o quarto ponto nos leva a quase metade da faixa de rotaçoes e obviamente nesse ponto a nossa pressao começa a cair na verdade estamos em ascendencia pois o calculo e feito de tras pra frente assim temos que recalcular a razao de compressao e posteriormente a vazao vamos considerar que a partir desse ponto a razao de compressao caia linearmente com taxa de 0 1 ou seja para este quarto ponto a taxa de compressao e 1 47 a temperatura de admissao aumenta porque saimos da ilha de maior eficiencia observem tambem que a eficiencia volumetrica do motor caiu isso e normal pois a capacidade de respirar do motor e mais baixa que no pico de torque vamos ao quinto ponto encerramos a plotagem dos pontos de operaçao e o quinto ponto ficou pouco antes da linha de surge esse ponto combinado a distancia do primeiro em relaçao a linha de choke mostra que o compressor escolhido e grande demais para o nosso motor por isso e recomendavel procurar outro menor provavelmente um modelo abaixo do dono deste mapa que analisamos caso voce seja como esse cara aqui e nao queira calcular tudo que foi dito acima a borgwarner disponibiliza uma pagina para voce inserir os dados e encontrar os pontos ele ate plota os pontos nos mapas da borgwarner e claro novas tecnologias dos turbos alem das tgv que sao parte de uma tecnologia ja solidificada o que podemos esperar para o futuro dos turbos a f1 como sempre e a precursora do que veremos nas ruas e nisso eu estou falando dos turbos hibridos com sistema de recuperaçao de energia termica este sistema associado a recuperaçao cinetica ja usada nos modelos atuais permitira nao so ganhos em eficiencia como tambem em reduçao do lag a magneti marelli apresentou em 2014 o modelo de turbo que seria utilizado naquela temporada onde o motor eletrico se integrava ao eixo entre a turbina e o gerador em 2015 a mercedes benz trouxe uma inovaçao para esta filosofia o eixo do turbo foi ainda mais alongado dessa forma a turbina foi posicionada atras do motor e o compressor a frente e entre as bancadas de cabeçote ficou a unidade de recuperaçao de energia termica essa inovaçao trouxe grandes ganhos em distribuiçao de peso e aerodinamica mas a grande surpresa ficou por conta da mclaren e seu motor honda ra615h esse motor era mais compacto em relaçao aos outros e declarado mais potente que alguns rivais so que o mais estranho nele e que o compressor nao era visivel a partir desse ponto jornalistas especializados engenheiros e claro inumeros espectadores começaram a especular sobre as caracteristicas daquele turbocompressor e grande parte das teorias convergiu para um ponto uma turbina radial combinada a um compressor axial esse tipo de compressor e o mesmo usado em turbinas de avioes a jato onde diversos rotores sao combinados comprimindo e elevando a pressao do ar gradualmente da mesma forma que o compressor radial essa elevaçao ocorre pela transformaçao de energia cinetica em pneumatica observem o grafico abaixo para entender o funcionamento de um compressor desse tipo vejam que a velocidade aumenta e diminui a cada estagio enquanto a pressao e consequentemente a temperatura aumenta constantemente o design mais compacto trouxe ganhos para a mclaren da mesma forma que a mercedes os obteve mas ha outras vantagens possiveis ainda como o controle do volume de ar admitido pela utilizaçao de estatores variaveis como eles temos um compressor de geometria variavel que funciona da mesma forma que a turbina analisada mais acima outra vantagem e a menor inercia rotativa do conjunto ja que este tem um raio menor que um compressor radial tudo isso se reflete num menor tempo de resposta do turbo mas como no mundo real nao existem somente vantagens a quantidade de partes moveis aumenta a complexidade do compressor o que o deixa mais suscetivel a quebras o maior comprimento do eixo aumenta a quantidade de mancais para a sua suportaçao por esse motivo esse tipo de turbo nao e muito comum bom pessoal vamos ficando por aqui nesse curtissimo papo serio peço desculpas a voces pelo texto tao longo mas o assunto realmente merecia ser esmiuçado pela relevancia do turbo para os dias de hoje alem disso grande parte dos conceitos que vimos aqui servem como base para os outros meios de sobrealimentaçao que por falar neles o proximo papo dedicaremos aos superchargers e compressores centrifugos prometo ser mais sucinto no assunto a nao ser que voces tenham gostado dessa dose cavalar de informaçoes entao ate o proximo encontro
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