Como funcionam os turbocompressores e superalimentadores em motores de pistão?

Mar 09, 2024

Muitos já ouviram os termos; hoje nós os dividimos.

Os motores produzem energia queimando ar e combustível. O ar e o combustível juntos são conhecidos como uma mistura, às vezes chamada de carga. Em um motor a pistão, a potência do motor depende da quantidade ou peso da carga que pode ser aceita pelos cilindros do motor.

O peso da mistura, que pode ser sugada para dentro dos cilindros pelos pistões, depende em grande parte de sua temperatura e pressão. À medida que uma aeronave sobe, a densidade reduzida do ar resulta na redução da pressão do ar e, em última análise, menos oxigênio entrará nos cilindros. Por esta razão, um motor normalmente aspirado perde potência com o aumento da altitude.

Para aumentar a potência de um motor a pistão, ele pode ser turboalimentado ou sobrealimentado.

Um turbocompressor compreende uma turbina e um conjunto de compressor. A turbina e o compressor são montados no mesmo eixo; assim, quando a turbina gira, o compressor também gira.

O compressor do turboalimentador está diretamente conectado ao sistema de admissão dos cilindros, enquanto a turbina está conectada ao sistema de escapamento. O compressor também fica exposto à entrada de ar do motor.

Os turbocompressores podem aumentar a potência do motor para a decolagem e permitir que as aeronaves subam a altitudes mais elevadas. Um motor normalmente aspirado só pode produzir uma pressão ao nível do mar de 29,92 polegadas de Mercúrio. À medida que sobe, a pressão diminui devido à redução da densidade do ar. Com um turboalimentador, um motor pode gerar muito mais potência. Por exemplo, um dos motores de pistão mais potentes já construídos, o Pratt & Whitney R-4360, que é sobrealimentado, pode produzir uma pressão múltipla de 60 polegadas de Mercúrio na decolagem, pouco mais do que o dobro da pressão atmosférica normal.

Quer o motor seja turboalimentado ou não, ele ainda perderá potência à medida que a aeronave sobe. No entanto, com um motor turboalimentado ou sobrealimentado, o motor perde potência a uma taxa muito menor. Isso facilita altitudes mais elevadas e a obtenção de velocidades maiores.

Quando um turbocompressor gira, o ar flui para dentro do compressor, aumentando a pressão do ar. Os compressores usados ​​em turbocompressores são em sua maioria centrífugos e são feitos de duas partes principais: um impulsor e um difusor. À medida que o ar atinge o impulsor, ele é acelerado e lançado para fora do impulsor. Do impulsor, o ar, que agora ganhou energia cinética significativa, passa para o difusor. O difusor consiste em palhetas que formam passagens divergentes. Quando o fluxo de ar passa por essas passagens, o aumento da área diminui a velocidade do ar, aumentando sua pressão. É uma simples conversão de energia cinética (velocidade) em energia potencial (pressão).

O conjunto da turbina de um turboalimentador é o que aciona o compressor. Para isso, os gases de escape do escapamento do motor são direcionados para a turbina, fazendo com que ela gire. A quantidade de gases de escape que podem fluir para a turbina é controlada por algo chamado wastegate.

Esta é a parte mais essencial de um turbocompressor, pois controla sua velocidade ou rotação. A wastegate é essencialmente um mecanismo de válvula que controla a quantidade de exaustão que flui para a turbina do turboalimentador. Quando a válvula de descarga está totalmente fechada, quase todos os gases de escape do motor são direcionados para a turbina. Isto aumenta a velocidade de rotação da turbina e do turbocompressor.

A válvula de descarga precisa ser adequadamente controlada para evitarimpulso excessivo situação. Overboosting é uma condição em que o motor sofre muita pressão, causando danos graves. Existem dois métodos pelos quais a wastegate pode ser controlada. Uma é dar o controle da wastegate ao piloto, e a outra (que é o método mais preferível) é ter um mecanismo automático para controlá-la.

O Controlador de Pressão Absoluta (APC) controla a válvula de descarga automaticamente para evitar um impulso excessivo. O APC contém uma cápsula aneróide que pode detectar a pressão na saída do compressor do turboalimentador. Ele utiliza a pressão do óleo da lubrificação do motor para controlar o atuador da válvula de descarga, que possui um mecanismo de mola. Quando muita pressão é detectada na saída do compressor, o APC drena o óleo do atuador da válvula de descarga, fazendo com que o mecanismo de mola abra a válvula de descarga, permitindo que alguns dos gases de exaustão escapem para a atmosfera. Quando o motor precisa de energia, o óleo é enviado para o atuador da válvula de descarga quando comandado pelo APC, fechando-o e redirecionando a exaustão para a turbina.