turbo lag

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TURBOCOMPRESSÃO
Os turbocompressores aumentam significativamente a potência do motor com muito pouca adição de peso.
Eles comprimem o ar e forçam este ar comprimido para o coletor de admissão. O compressor é acionado por
uma turbina que está acoplada na outra extremidade do eixo comum aos dois. Já a turbina gira devido à
passagem dos gases de escape que deixam o motor.
TURBOCOMPRESSÃO
Os turbocompressores aumentam significativamente a potência do motor com muito pouca adição de peso,
porém há poucos pontos negativos:
Um ponto negativo frequentemente citado é o “turbo lag”. A baixas rotações não há fluxo de ar através do
motor suficiente para que a turbina crie significativa quantidade de boost. Como resultado, motores
turbinados normalmente não têm muito torque abaixo de 2500-3000 rpm (a menos que o turbo tenha sido
dimensionado muito pequeno para o deslocamento do motor). Quando o acelerador é pressionado, leva
algum tempo para que a turbina “acelere” e rode rápido para produzir maior boost e atender à demanda do
motor. Os turbocompressores maiores normalmente “aceleram” mais lentamente e precisam de maiores
velocidades do motor para alcançarem o boost desejado, porém, são menos restritivos aos gases de escape e
podem fornecer mais potência na faixa de altas rotações do motor. O oposto é válido para os turbos
menores (apresentam menor “turbo lag” porém já não aumentam tanto a potência na faixa final de rpm).
Um outro ponto negativo é o aumento da complexidade. A Central Eletrônica - ECU - terá de monitorar a
pressão de admissão, e então injetar mais combustível, controlar o tempo de ignição, e restringir o nível de
boost para evitar detonação e pré-ignição. Sem esse controle, os turbocompressores irão criar acima de 3040 psig de boost, que a maioria dos motores não aguentam.
De forma geral, o estilo de direção (competição x trânsito urbano) é que irá ditar a escolha do tipo de turbo a
ser usado no motor. Um parâmetro importante na escolha de um turbo é a relação Área/Raio da Turbina
(Turbine A/R) , que é a relação entre a área da entrada da carcaça da turbina e o seu raio, conforme mostrado
na figura.
Uma alta razão A/R significa que a carcaça da turbina é grande em relação ao tamanho da “roda” (wheel size).
Enquanto que uma pequena relação A/R significa que a carcaça é pequena em relação ao tamanho da roda, ou
seja, há menos espaço entre a roda e a carcaça. Consequentemente, para uma turbina com uma carcaça de um
certo tamanho, uma roda maior produz uma relação A/R menor, e uma roda menor resulta em uma relação
A/R maior. E, como trata-se de uma razão matemática, dois turbos podem ter a mesma razão A/R e terem
tamanhos completamente diferentes ( por exemplo, 1/2 = 5/10).
Um turbocompressor com uma menor relação A/R irá “acelerar”mais cedo e velozmente que um outro turbo
com uma A/R maior, se todo o restante permanecer constante.
Quanto menor a relação A/R da turbina, mais rapidamente os gases de exaustão escoarão através dela. Por
outro lado, quanto maior A/R, mais lentamente se dará esse escoamento. Então, em geral, turbos menores são
“acelerados” mais rapidamente e mais cedo na faixa de rpm do motor (menor turbo lag). O ponto negativo dos
turbos menores é que o seu menor tamanho tende a inibir o escoamento do ar (e potência) a altas rotações
(5000+ rpm), causando o sufocamento do motor caso haja alguma restrição no corpo de borboleta.
Enquanto turbos maiores não sufocam a admissão de ar nos motores a altas rpm, o movimento mais lento dos
gases de exaustão retarda a rotação da roda da turbina e a produção de boost, e consequentemente de potência,
significando que se você “pisa” a baixa rpm, há um retardo significante até que o turbo esteja produzindo boost
suficiente. Em resumo, aumenta o turbo lag, mas, se o que interessa é a produção de alta potência na faixa
final de rpm, é necessário um turbo maior.
Uma forma de fazer com que os turbos maiores “acelerem” mais rapidamente, ou seja, diminuir o seu turbo
lag, é pela utilização de mancais de rolamentos de esferas. Estes mancais permitem uma “aceleração bem
mais rápida que os mancais de deslizamento (de 15 a 25% mais rápido). Os mancais de rolamento também
requerem menos óleo, então, ao fazer a substituição deve-se usar uma restrição na linha de suprimento de óleo
ao turbo.
Um parâmetro importante no dimensionamento de turbocompressores é a relação do compressor
(compressor trim):
O tamanho do indutor (inducer) é o diâmetro das lâminas do compressor na entrada. Já o exducer size
é o diâmetro das lâminas do compressor na saída.
trim 
inducer 2
exducer 2
 100
Então, para um compressor com inducer de 61 mm e exducer de 82 mm, a relação é igual a 55.
Como regra geral, quanto maior o trim, mais ar vai escoar pelo turbocompressor, enquanto
turbocompressores menores “aceleram” mais cedo, assumindo que todos os outros parâmetros não
mudem. Ou seja, se você tem dois turbocompressores idênticos, um com um trim de 60, e outro com
trim de 50, irá escoar mais ar pelo primeiro.
Durante os picos de boost, o eixo de conexão da roda da turbina com a roda do compressor atinge marcas
astronômicas de 150000+ rpm. Os mancais nos quais o eixo gira necessitam de um constante suprimento de
óleo. O óleo é o sangue que mantém a turbina. Ele lubrifica e, mais importante, ajuda na retirada da
quantidade extremamente excessiva de calor liberado pelo turbo. A maioria dos turbocompressores são
resfriados apenas por óleo, mas alguns turbos, especialmente aqueles de alta performance são refrigerados
também por água.
A maioria dos fabricantes apresentam mapas de escoamento (flow maps) que mostram quanto escoamento de ar
o turbo pode suportar em vários níveis de boost, em função da velocidade de rotação aproximada (wheel rpm) e
da eficiência global. Por exemplo, a figura mostra um flow map de um turbo relativamente pequeno da Garret GT2860R:
O eixo-X apresenta o escoamento de massa de ar
(lb/min).
As curvas que começam na horizontal e se curvam
para baixo na medida em que avançam para a
direita informam a rpm das rodas da turbina e
compressor. As velocidades variam entre 80.000 a
~ 180.000 rpm para normal boost.
A área da direita, além da última curva do gráfico
representa uma região de grande ineficiência do
turbo, onde a roda do compressor aquece
excessivamente o ar quando o comprime.
O limite à esquerda é chamado de “surge line”
(linha de surto, em uma tradução direta), e devese evitar ao máximo rodar o turbo à esquerda
deste limite, pois é muito prejudicial ao turbo e
pode levá-lo a uma quebra prematura.
O gráfico é limitado à esquerda pela surge line. Mais a esquerda dessa linha acontece o retardamento do
fluxo de ar na entrada do compressor. Com uma vazão muito pequena e uma razão de pressão muito alta, o
ar deixa de aderir ao lado de sucção das paletas do compressor resultando na interrupção do processo de
descarga do compressor. O ar através do compressor é revertido até alcançar uma razão de pressão estável
com fluxo positivo do ar, a pressão aumenta novamente e o ciclo se repete. Esta instabilidade do escoamento
continua em uma certa frequência e provoca um ruído conhecido como “surging”.
A máxima vazão alcançada por um compressor centrífugo é geralmente limitada pela área de seção na
entrada do compressor (inducer). Quando o escoamento alcança velocidade sônica, não é possível nenhum
aumento de vazão adicional. Este limite é caracterizado pela choke line vista no gráfico.
O eixo-Y apresenta a razão de pressões que indica
o quanto maior é a pressão na saída do
compressor do que na entrada. Uma razão de
pressões igual a 2 indica que a pressão na saída do
compressor é duas vezes a pressão na entrada.
Quando falamos em 10 psig de boost, a pressão
de ar real no coletor de admissão é de 24,7 psia
(14,7 psia da pressão atmosférica + 10 psig) ao
nível do mar. Portanto, 1 bar de boost
corresponde a aproximadamente 2 bar de pressão
absoluta no interior do coletor.
Partindo de algumas premissas que simplificam o
processo, é fácil calcular o fluxo de massa:
Atmosfera padrão: ρar = 0.002645lb/L
Eficiência volumétrica do motor constante e igual
a 95% (válvula borboleta totalmente aberta).
Perdas de pressão no intercooler, tubos e filtro de
ar são desprezíveis (o que é uma aproximação).
m ar   ar  V d 
rpm
2
  vol  PR
ρar = densidade do ar
Vd = volume deslocado do motor (cilindrada)
ηvol = Eficiência volumétrica
PR = pressure ratio
Por exemplo, um motor 2.3L, a 6000 RPM com 10
psig de boost:
m ar   ar  V d 
PR 
10 psig
 14 , 7 psia

rpm
2
  vol  PR
 1, 68
14 , 7 psia
m ar  0 , 002645
lb
L
 2 ,3 L  6000
rpm
2
 0 ,95  1, 68  29 ,12
lb
min
Como pode-se ver, está fora da faixa de
eficiência do turbo. Enquanto aparentemente o
turbo possa comprimir essa grande quantidade
de ar com este ganho de pressão, o ar será
excessivamente
aquecido
no
processo,
submetendo o intercooler a uma alta demanda
e aumentando a pressão de retorno para o
motor (backpressure) em níveis excessivos.
Deve-se selecionar um turbo maior, mas isto
deve ser feito cuidadosamente.
Primeiro, quanto maior o turbo, mais ar ele
pode comprimir.
Segundo, turbos maiores levam mais tempo e
precisam de mais fluxo de massa de ar para
“acelerar”, ou seja, maior turbo lag.
Terceiro, e possivelmente o mais importante,
mas sempre negligenciado, é que é necessário
ter certeza de que não se deve ultrapassar a
“surge line” do turbo. Isto pode ser evitado
quando a válvula borboleta é subitamente
fechada, utilizando-se uma válvula de bypass
do compressor – CBV ou uma válvula blowoff –
BOV, mas deve-se ter certeza também que o
turbo não é grande o suficiente para que o
compressor ultrapasse a surge line sob
moderadas solicitações (baixos air flow) com alto
boost.
Como o modelo avaliado (GT2860R) pareceu ser muito
pequeno para o motor em questão, vejamos o que acontece
com um turbo imediatamente maior na linha de produção do
mesmo fabricante (GT3071R).
Este turbo pode realmente estar um pouco
superdimensionado para o motor em questão,
mas permite a opção de aumentar muito o boost
sem “deixar de respirar”.
Deve-se apenas ter cuidado para não alcançar o
limite “surge line” a baixas rotações, caso este
turbo seja escolhido.
Um cuidadoso controle do boost por meio de um
wastegate e controle eletrônico dará conta do
recado.
A válvula wastegate permite que uma parcela do
fluxo de gás de escape escoe por uma passagem
(bypass) sem forçar a turbina a girar. Isto permite
a compressão de bastante ar para o motor sem
forçar as rodas do turbo a girarem a plena
velocidade todo o tempo. Normalmente a wastegate
encontra-se fechada abaixo de um certo nível de
boost. Ultrapassado este nível, abre lentamente
para controlar a quantidade de pressão que o
compressor gera.
Isto também reduz um pouco a contrapressão do
motor, que sempre é uma coisa boa.
O solenoide trabalha para controlar a carga de pressão que aciona o atuador do wastegate. Isto proporciona
uma carga de pressão de admissão no motor que otimiza as condições de funcionamento do motor.
A Central Eletrônica - ECM coloca o transistor de potência da unidade em ON, proporcionando a abertura
completa do solenoide. Isto proporciona um vazamento na carga de pressão sobre o atuador da wastegate. Então, a
menos que a pressão de admissão suba a valores acima da pressão proporcionada pela mola do atuador, a válvula
wastegate do turbo não abrirá. Por outro lado, quando o solenoide está completamente fechado não há vazamento
da pressão de admissão. Então, quando a pressão de admissão ultrapassa a da mola do atuador, a válvula
wastegate irá abrir.
Combinando a operação dos dois solenoides, a ECM é capaz de controlar uma larga faixa de pressões de
admissão.
A eficiência de um turbocompressor é dada pela razão entre quanto trabalho ele consegue transformar em
compressão do ar e quanto trabalho ele recebe da turbina. Em um compressor ideal esta razão seria igual a
1.
Porém, turbulência, transmissão de calor entre as pás e o ar, efeitos acústicos, e outros fenômenos ocorrem
no mundo real.
Turbos mais modernos são geralmente mais eficientes que os mais antigos, graças a melhorias tecnológicas,
melhores projetos, melhores rolamentos e materiais mais fortes.
A eficiência dos turbos realmente influenciam em dois itens:
• Temperatura do ar de admissão depois da roda do compressor;
• Pressão dos gases de exaustão imediatamente antes da entrada da turbina (backpressure ou
contrapressão).
É muito importante manter estes dois itens os mais baixos possíveis.
Para realizar cálculos da temperatura do ar que sai do compressor (To) é preciso
definir outros 4 itens:
Ti = Temperatura absoluta na entrada do compressor
Pi = Pressão absoluta na entrada do compressor
Po = Pressão manométrica na saída do compressor
η = eficiência do compressor (normalmente na faixa de 0,6 a 0,7).
PR 
 Po  Pi 
Pi
A equação usada para a temperatura na saída do compressor To é:
To 
T
i
 PR
0 , 283
 T

i
 Ti
Portanto, se tivermos em um automóvel um compressor com Ti = 27oC, Pi = 101,3 kPa, Po = 71,3 kPa e η =
0,70:
PR 
101 ,3  71 ,3
 1, 704
101 ,3
To
27  273 ,15   1, 704

0 , 70
0 , 283
  T  27  273 ,15   370 K
i
 97 C
o
O que parece bastante quente.
Ficará mais quente com mais boost e em compressores menos eficientes. É por isso que se usa o
intercooler!
Os cálculos envolvidos com a queda de temperatura através do intercooler são muito complexos devido a
natureza da geometria do equipamento e depende de parâmetros como comprimento de aletas, espessura e
material da tubulação, resistência térmica de paredes e outras. Pode-se calcular a temperatura de saída do
intercooler a partir da velocidade do fluxo de ar dentro do intercooler, a velocidade do intercooler através do
ar, envolvendo muita geometria, mas o resultado continua sendo uma estimativa.
Então, para escolher um intercooler o melhor é pegar o maior que caiba dentro de sua área de trabalho no
interior do compartimento do motor. Os intercoolers maiores podem remover mais calor e normalmente
apresentam uma menor queda de pressão ao longo do percurso do ar, permitindo ao turbocompressor
executar menos trabalho para chegar na mesma pressão no coletor de admissão. É bom lembrar que quanto
mais volume o intercooler tenha, mais ar deve ser recolocado quando o boost aumenta (leia-se: tempo de
resposta à válvula borboleta aumenta).
No TOPO:
São localizados acima do motor e usam uma
abertura no capô para direcionar o ar sobre o
intercooler. Permite a instalação com pequena
tubulação o que contribui para diminuir o turbo
lag.
FRONTAL:
Permite a instalação de intercoolers maiores. O ar
admitido deve sair do compressor do turbo para a
frente do carro e então voltar para o coletor de
admissão, o que pode agravar o problema do
“turbo lag”.
LATERAL:
São usados quando há restrições de espaço no
compartimento do motor e na frente do carro.
Trazem a mesma má influência no turbo lag, que
os intercoolers frontais também proporcionam.
Precauções na instalação da tubulação do intercooler:
Quanto maior o diâmetro, menor a restrição ao escoamento, porém maior o
volume.
Usar o mínimo de curvas possível e construí-las com o maior raio permitido.
O objetivo é permitir que o ar escoe o mais facilmente possível sem aumentar
muito o volume, o que aumenta o turbo lag.
Como visto para a tubulação do intercooler: quanto menor for a restrição ao escoamento, maior
será o aumento de potência (boost).
O mesmo vale para a tubulação de escapamento, pois maiores restrições causarão aumento da
contrapressão (que causa perda de potência) e aumento na temperatura dos gases de escape.
Substituição de tubulação por outra de diâmetro maior.
VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS:
Para prevenir danos definitivos ao motor turbinado, alguns pontos devem ser considerados:
•Tempo de ignição;
•Razão Ar/Combustível;
•Razão de compressão;
•Controle de boost.
VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS:
A principal consequência danosa que pode advir da turbocompressão é a pré-ignição ou detonação.
Quando a pré-ignição ocorre, acontece a detonação em vez de, ou em adição à combustão normal,
provocando picos de pressão muito mais altos (antes do PMS) que o desejado, o que pode trazer
sérios danos ao motor.
A principal causa é a temperatura excessiva.
VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS:
As altas temperaturas podem ser causadas por vários motivos: temperatura da mistura admitida
muito alta, razão de compressão muito alta, pistões e cilindros muito quentes. Combustíveis de
baixa octanagem também contribuem para a ocorrência de detonação. Por isso é recomendado o
uso de gasolina aditivada.
VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS:
A primeira forma de reduzir detonação é retardando o tempo de ignição.
A curva no gráfico mostra a pressão no interior do cilindro, o pico de pressão acontece após a
ignição, um pouco depois do PMS, e acontece uma queda repentina depois da abertura da válvula
de descarga. Com o atraso da ignição, os gases quentes da combustão permanecem menos tempo
no cilindro, reduzindo a temperatura. Isto implica em que caso a detonação persista, o pico de
pressão acontece mais tarde enquanto o pistão já está no seu curso descendente, diminuindo a
intensidade desse pico. Caso o atraso seja demasiado vai haver perda de pressão, então deve ser
encontrado um tempo ótimo para dada rpm. Normalmente, este tempo varia entre 40 a 60º antes
do PMS, dependendo da geometria do cilindro e cabeçote.
VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS:
A primeira forma de reduzir detonação é retardando o tempo de ignição.
A curva no gráfico mostra a pressão no interior do cilindro, o pico de pressão acontece após a
ignição, um pouco depois do PMS, e acontece uma queda repentina depois da abertura da válvula
de descarga. Com o atraso da ignição, os gases quentes da combustão permanecem menos tempo
no cilindro, reduzindo a temperatura. Isto implica em que caso a detonação persista, o pico de
pressão acontece mais tarde enquanto o pistão já está no seu curso descendente, diminuindo a
intensidade desse pico. Caso o atraso seja demasiado vai haver perda de pressão, então deve ser
encontrado um tempo ótimo para dada rpm. Normalmente, este tempo varia entre 40 a 60º antes
do PMS, dependendo da geometria do cilindro e cabeçote.
VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS:
Uma outra forma fácil de reduzir a detonação é aumentando a razão Ar/Combustível.
Quando há mais combustível presente, a temperatura final da exaustão é maior, porém, o
combustível extra atua como um amortecedor térmico, desde que ele requer mais energia para
aquecer mais combustível durante a compressão. A temperatura na compressão é a que determina
se há ou não detonação. Por outro lado, enriquecer demais a razão A/F causará diminuição de
potência e aumento do consumo de combustível.
VIDA ÚTIL DE MOTORES TURBINADOS:
Outra forma de permitir o máximo de boost sem detonação é reduzindo a taxa de compressão. Isso
reduz a pressão final dentro do cilindro, prevenindo a detonação. Por isso, a maioria dos motores
turbinados apresentam taxas de compressão bem baixas em relação aos motores naturalmente
aspirados.
TURBINA COM GEOMETRIA VARIÁVEL
Pesquisas vêm sendo efetuadas no intuito de melhorar o projeto das turbinas convencionais visando eliminar o turbo lag.
Desta forma as turbinas utilizam os gases de escape de forma mais eficiente possível fornecendo boost instantaneamente.
Isto começa a ser conseguido com as Turbinas de Geometria Variável. Esta tecnologia emprega paletas móveis que otimizam
a área de escoamento dos gases de escape pela turbina. A roda da turbina é capaz de operar em alta eficiência em uma
ampla faixa de rpm do motor. A Turbina de Geometria Variável elimina a necessidade da wastegate que controla o boost das
turbinas convencionais. Em vez disso, as paletas móveis ajustam automaticamente a área de escoamento e a contrapressão
para que as condições de torque requeridas pelo compressor sejam alcançadas para produzir o boost desejado.

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