UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus guarapuava engenharia mecânica bárbara dacal de azevedo máquinas de fluxo: turbocompressor guarapuava 2015 bárbara dacal de azevedo máquinas de fluxo: turbocompressor Trabalho referente à primeira nota apresentada como requisito parcial à aprovação na disciplina de Máquinas de Fluxo do curso de Engenharia Mecânica, do Campus Guarapuava da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Professor: Raquel da Cunha Ribeiro da Silva Guarapuava 2015 Resumo AZEVEDO, Bárbara Dacal de. Máquinas de Fluxo: Turbocompressor. 2015. 18 folhas. Trabalho referente à primeira nota da disciplina de Máquinas de Fluxo em Engenharia Mecânica - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Guarapuava, 2015. Turbocompressor inventado pelo suiço Alfred Büchi em 1905. Primeira utilização em locomotivas a diesel em 1920. A partir de 1940, largamente utilizado em aviões militares e depois na área automotiva, aeronáutica e geração de energia. É um componente que torna o motor mais potente, sem aumentar seu tamanho e peso. Fornece maior quantidade de ar ao motor, fazendo com que o combustível seja queimado de maneira mais eficiente, com melhor aproveitamento e consequente aumento de potência. Formado por uma turbina e um compressor acoplados por um eixo, seu intuito é utilizar a energia dos gases de escape do motor através da turbina para comprimir o ar aspirado da atmosfera através do compressor e o compressor adicionar ar ao motor para posterior queima com o combustível, formando assim o ciclo do turbocompressor. Equipamento largamente utilizado atualmente em automóveis, caminhões, ônibus, equipamentos de agricultura, embarcações, aeronaves e têm muitas outras aplicações para transformação de energia. Apresentam solução segura para questões sobre emissões de poluentes e economia de combustível. Palavras-chave: Turbocompressor. Turbina. Compressor. Ar. Potência. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1- Turbocompressor em corte 6 Figura 2– Vista explodida de um turbocompressor 7 Figura 3 – Corte de um turbocompressor 8 Figura 4 – Funcionamento do turbocompressor 9 Figura 5 - Funcionamento em corte de um turbocompressor 10 Figura 6 - Smart ForTwo 12 Figura 7 - UP! TSI Speed 12 Figura 8 - Turbocompressor ABS HST 13 Figura 9 - BOEING B-52 STRAFORTRESS 13 sumário 1 introdução 5 1.1 fundamentação teórica 5 2 funcionamento do turbocompressor 6 3 aplicações e exemplos de instalação 11 3.1 exemplos de instalação 12 4 vantagens e desvantagens 15 5 conclusão 17 REFERÊNCIAS 18  introdução Este trabalho tem como objetivo o estudo de alguma máquina de fluxo como método de avaliação para a primeira nota parcial da disciplina de Máquinas de fluxo. O tema escolhido foi o turbocompressor, devido ao fato dessa máquina de fluxo estar relacionada com outras duas disciplinas estudadas no semestre, Hidráulica e Pneumática e Máquinas Térmicas, englobando assim o estudo de uma forma geral. fundamentação teórica Turbocompressor, superalimentador de ar, kit turbo e turbina são apenas alguns dos nomes mais utilizados para o sistema que foi inventado pelo suíço Alfred Büchi em 1905, na busca por melhorar a performance de motores a combustão interna. A primeira utilização do motor turbo foi em locomotivas a diesel e, em 1920, a companhia norte-americana General Eletric passou a aplicar a tecnologia em aviões com motores Pratt&Whitney, evidenciando o desenvolvimento de equipamentos militares. A partir da década de 30, vários outros motores de aviões militares passaram a utilizar o turbocompressor, o que permitiu vôos mais altos, antes impossibilitados justamente pela falta de pressão do ar. (MOTOR SA, 2015) De acordo com a fabricante Garrett, um turbocompressor é um componente que torna o motor mais potente, sem aumentar seu tamanho e peso. A potência do motor está limitada a quantidade de ar que ele pode aspirar. O turbocompressor fornece maior quantidade de ar ao motor, fazendo com que o combustível seja queimado de maneira mais eficiente, com melhor aproveitamento e consequente aumento de potência. funcionamento do turbocompressor O turbocompressor é um componente basicamente formado por uma turbina e um compressor acoplados por um eixo. O intuito do turbocompressor é utilizar a energia dos gases de escape através da turbina para comprimir o ar aspirado da atmosfera através do compressor. Assim a maior vantagem do turbocompressor é utilizar uma energia que antes seria desperdiçada, a energia cinética dos gases de escape. Figura SEQ Figura \* ARABIC 1- Turbocompressor em corte Fonte: Clube do Diesel (2008) Figura SEQ Figura \* ARABIC 2– Vista explodida de um turbocompressor Fonte: MasterPower (2008) Figura SEQ Figura \* ARABIC 3 – Corte de um turbocompressor Fonte: MasterPower (2008) O turbocompressor é parafusado ao coletor de escapamento do motor. O fluxo dos gases queimados que sai dos cilindros gira a turbina, que funciona como um motor de turbina a gás. A turbina é conectada por uma árvore ao compressor localizado entre o filtro de ar e o coletor de admissão. O compressor pressuriza o ar que vai para os cilindros. Os gases de escapamento, ao deixar os cilindros, passam pelas palhetas da turbina, fazendo-a girar. Quanto mais gases passam pelas palhetas, mais rapidamente elas giram. Do outro lado da árvore à qual a turbina está conectada, o compressor bombeia ar para dentro dos cilindros. O compressor é um tipo de bomba centrífuga que suga o ar para dentro no centro de suas palhetas e lança-as para fora à medida que gira. Para aguentar velocidades de até 150000 RPM, a árvore da turbina tem que estar cuidadosamente sustentada. A maioria dos rolamentos explodiria a velocidades como essa, portanto, a maioria dos turbocompressores utiliza um mancal fluido. Esse tipo de mancal mantém a árvore em uma fina camada de óleo que é constantemente bombeada em torno dela. Isso serve a dois propósitos: resfria a árvore e algumas das outras peças do turbocompressor e permite que o eixo gire sem muito atrito. Podemos visualizar o funcionamento na Figura 4 a seguir, onde são enumerados os componentes envolvidos para o funcionamento de um motor com turbocompressor. Figura SEQ Figura \* ARABIC 4 – Funcionamento do turbocompressor Fonte: Garret (2008) Do compressor o ar comprimido atravessa um intercooler em (3) na Figura 4, caso este exista, para diminuir a temperatura do ar admitido e melhorar a eficiência do sistema e ruma para o cabeçote e posteriormente a câmara de combustão. Na câmara de combustão, entre (4) e (5), ocorre uma queima mais limpa e homogênea devido à maior pressão e turbulência existente na câmara, em relação ao motor aspirado, gerando economia de combustível e maior potência. As solicitações na câmara são superiores e existe uma PCP (pico de pressão na câmara) maior, gerando menor durabilidade. É possível notar que em um motor com turbocompressor adaptado com o dobro de potência do motor original o pico de pressão na câmara é 30% maior que o PCP do motor aspirado, porém devido à maior quantidade de mistura o trabalho útil de expansão dos gases é maior e mais prolongado utilizando o ângulo de virabrequim como referencial, proporcionando o dobro da potência com apenas 30% a mais de PCP. Com a mistura queimada após o ciclo de combustão, os gases passam pela válvula de escape em (5), onde podem atingir até 1200ºC. Assim devem-se evitar longos períodos com carga plena em motores com turbocompressor adaptado, sob pena de fadigar termicamente este componente. Após sair do cabeçote a mistura entra na turbina, em (6), a temperaturas de até 1000ºC, liberando entalpia que se transformará em energia mecânica e alimentará o compressor. Após a turbina, em (7) os gases queimados são liberados à atmosfera. Figura SEQ Figura \* ARABIC 5 - Funcionamento em corte de um turbocompressor Fonte: Garret (2008) aplicações e exemplos de instalação A conversão de motores originais de fábrica para motores turbinados é, hoje, uma das mais procuradas preparações de motor para veículos de rua. A principal razão disso é o fato de que essa conversão tem o melhor custo - beneficio se comparada a outros tipos de preparação, por isso a procura vem aumentando dia a dia. Tudo começou em 1905. Observando algumas regras básicas da dinâmica gasosa, o Dr. Alfred J. Buchia, na Suíça, desenvolveu os primeiros estudos sobre o turbocompressor, mas somente de 1909 a 1912 surgiram no mundo os primeiros motores equipados com turbo. Nas décadas de 30 e 40, as pesquisas do Dr. Buchia foram retomadas e passaram a ser aperfeiçoadas, pois existiam muitos problemas a serem solucionados. O objetivo era fazer com que a produção de turbocompressores passasse a ter economia de escala. Isto ocorreu primeiramente na Europa e depois nos EUA. Na segunda grande guerra, a General Eletric desenvolveu os turbocompressores para aplicação em aviões militares, dando ao sistema o status de importante recurso para a aviação de guerra. Atualmente, os turbos são utilizados em automóveis, caminhões, ônibus, equipamentos de agricultura, embarcações, aeronaves e têm muitas outras aplicações para transformação de energia. Até há pouco tempo, a estrutura utilizada em carros turboalimentados dificultava seu funcionamento em baixas rotações além da partida a frio. Isso porque o sistema utilizado era instalar o carburador na admissão da turbina, dificultando a passagem de combustível no momento da partida do motor e inviabilizando sua instalação para uso nas ruas. Para sanar este problema, foram feitas novas adaptações. Assim, o carburador passou a ser instalado após a turbina sanando o problema e permitindo o aumento da procura pela instalação de turbos. exemplos de instalação Figura 6 - Smart ForTwo Fonte: Extra Globo (2015) Smart Fortwo com versão de entrada de três cilindros, 1.0, 71 cv e 9,3 kgfm. Já a versão top de linha contém o turbocompressor e com ele, a potência sobe para 84 cv e o torque para 12,2 kgfm. Figura 7 - UP! TSI Speed Fonte: G1 (2015) Up! TSI Speed com 3 cilindros, 1.0 e 105 cv. Figura SEQ Figura \* ARABIC 8 - Turbocompressor ABS HST Fonte: Sulzer (2015) O moderno e silencioso turbocompressor HST possui um design avançado com uma tecnologia de rolamentos magnéticos e motor de alta velocidade, acionado por um inversor de frequência embutido. Os turbocompressores modelo ABS são amplamente utilizados em estações de tratamento de águas residuais e outros processos industriais de baixa pressão. Figura 9 - BOEING B-52 STRAFORTRESS Fonte: Aeromagazine (2013) Aeronaves que utilizam turbojatos, que nada mais são do que turbocompressores em aviões. Este exemplo da Figura 9 é um bombardeiro estratégico subsônico de longo raio de ação, equipado com oito turbojatos. Entrou em serviço em 1955, mas a sua vida operacional se estendeu muito para além do projetado, usufruindo da pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias de armas e sistemas de propulsão, modificações estruturais, equipamento eletrônico e informático, melhoria das técnicas de voo e o esforço das equipes de manutenção. vantagens e desvantagens Uma das vantagens do turbocompressor é que em vez de desperdiçar energia térmica através do escape, pode-se fazer uso dessa energia para aumentar a potência do motor. Ao dirigir os gases de escape para girar uma turbina, que aciona outra turbina para bombear ar fresco nas câmaras de combustão com uma pressão superior à atmosfera normal, um motor de pequena capacidade pode debitar uma potência comparável à de concorrentes muito maiores. Outra vantagem está nas legislações de consumo de combustível por média do fabricante (CAFE), nos EUA, e de emissões de gás carbônico (CO2), na Europa. Ambos os quesitos são analisados em parâmetros de direção relativamente brandos, com menor demanda de potência do que grande parte da utilização prática dada pelos compradores, o que acaba por favorecer os motores turboalimentados. Essa maior eficiência não vem da simples aplicação do turbo, mas de um redimensionamento do motor em termos de cilindrada e até do número de cilindros, o chamado downsizing, termo genérico para redução de tamanho. Pistões de menor diâmetro são mais leves e têm menor área de atrito. Se percorrem um curso mais curto, o motor tende a obter funcionamento mais suave, com menor tendência a vibrar. Em ambos os casos o bloco pode ser também mais compacto e leve. Caso se possam eliminar cilindros, as reduções de peso, tamanho e atrito são ainda mais efetivas. Outro benefício ocorre com o fato de os motores aspirados dependerem apenas da pressão atmosférica para admitir ar, por isso se fala em aspiração natural, mas essa pressão diminui conforme aumenta a altitude. Neles, a perda de potência gira em torno de 1% a cada 100 metros acima do nível do mar, o que significa que um motor de 100 cv nominais chega a Campos do Jordão, SP, por exemplo, com cerca de 85 cv. O turbo, por outro lado, usa tanto a pressão atmosférica quanto a superalimentação para empurrar ar cilindros adentro, o que reduz em muito aquela perda. Quanto maior a altitude, maior sua vantagem. Em relação às desvantagens, 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 alcançar 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, ou seja, apresentam menor “turbo lag”, porém já não aumentam tanto a potência na faixa final de rpm. Outro ponto negativo é o aumento da complexidade. A Central Eletrônica 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 30-40 psig de boost, que a maioria dos motores não aguenta. Outras desvantagens são quanto à instalação, a qual é um componente-chave na eficácia de um turbocompressor, e nem todos os mecânicos são capazes de instalar uma corretamente. Se o mecânico faz mesmo um pequeno erro, ele não só irá fazer o turbocompressor ineficaz, mas pode causar danos no motor. Também em relação ao sistema, que em alguns veículos pode não ser capaz de lidar com um turbocompressor e pode causar a avaria do sistema e quebrar. Isso é muitas vezes causado pela relação de combustível-oxigénio insuficiente. Um mecânico profissional precisa fazer as modificações para o motor e aumentar a proporção de combustível para garantir o máximo benefício do turbocompressor. Turbocompressores também podem causar o desgaste do motor e também pode exigir um motor para ser substituído mais cedo do que o esperado. Também o custo, pois turbocompressores são bastante caros, e é importante para determinar se as vantagens valem o custo. Ao calcular o custo de um turbocompressor, também é importante incluir a taxa de serviço e instalação. Turbocompressores geralmente custam entre US $ 2.000 e US $ 5.000 a partir de 2010. E ainda quanto à condução, como os veículos turbo viajam em altas velocidades, qualquer mau funcionamento pode levar a situações perigosas. Enquanto um turbocompressor pode ser benéfico para aqueles que vivem nas montanhas e ter que subir morros íngremes, viajando em alta velocidade pode causar um motorista a desviar para fora da estrada ou bater em outro veículo. Dirigir em alta velocidade pode ser perigoso em estradas comerciais e levar a acidentes ou a suspensão da licença. conclusão Através desse trabalho, foi possível aplicar alguns conhecimentos aprendidos em sala de aula e pode-se concluir que os turbocompressores geram um maior desempenho com menor consumo de combustível. Quando utilizado em automóveis comuns não apresenta uma vida útil muito longa, a não ser em carros projetados para seu uso, como os esportivos. É um componente caro e que deve ser utilizado com moderação, pelo fato de atingir altas velocidades, podendo colocar em risco a vida dos passageiros. Apesar desses fatos, os turbocompressores são uma evolução para as tecnologias, principalmente na indústria automotiva. Motores menores com turbocompressores são uma solução segura para fabricantes que buscam cumprir as regulamentações globais cada vez mais rígidas sobre emissões e economia de combustível e a demanda dos clientes por veículos com melhor desempenho. Além de aumentar a economia de combustível, motores menores com turbocompressores também reduzem as emissões nocivas no sistema de exaustão. REFERÊNCIAS RIBEIRO JUNIOR. Elson Heraldo; PENTEADO, Rosangela de Fatima Stankowitz. Modelo para formatação de trabalhos acadêmicos da UTFPR. Ponta Grossa, 2011. BICKERSTAFFE, Simon. Highly charged debate: downsizing is an extremely effective method of reducing fuel consumption but selection and integration of the best boosting system is complex. Leading experts explain how to engineer the right solutions.(Gasoline). Automotive engineer [0307-6490], ano: 2013 pág: 32 <http://motorsa.com.br/motor-turbo-a-historia-do-turbo-compressor/> Acesso em 4 de out 2015. <http://www.automotiva-poliusp.org.br/wp-content/uploads/2013/02/nakano_danillo.pdf Acesso em 4 de out 2015. <https://www.spaturbo.com.br/loja/content/view/107/164/> Acesso em 4 de out 2015. <http://motordream.uol.com.br/noticias/ver/2013/01/04/teste-smart-fortwo-traz-um-luxo-solitario> Acesso em 4 de out 2015. <http://aeromagazine.uol.com.br/artigo/100-aeronaves-para-celebrar-os-19-anos-de-aero-magazine_968.html> Acesso em 5 de out 2015. <http://bestcars.uol.com.br/bc/informe-se/colunas/editorial/449-vantagens-levam-motor-turbo-a-tomar-conta-do-mercado/> Acesso em 5 de out 2015. <http://www.prnewswire.com/news-releases/previsoes-mundiais-sobre-turbocompressores-da--honeywell-estimam-vendas-de-49-milhoes-de-veiculos-com-turbocompressores-por-ano-ate-2019-277472231.html> Acesso em 5 de out 2015. <http://munin.pt/prov/turbo.html> Acesso em 5 de out 2015. 15