Indução forçada - Forced induction
A indução forçada é o processo de entrega de ar comprimido à entrada de um motor de combustão interna . Um motor de indução forçada usa um compressor de gás para aumentar a pressão, temperatura e densidade do ar . Um motor sem indução forçada é considerado um motor naturalmente aspirado .
Introdução
A indução forçada é usada na indústria automotiva e de aviação para aumentar a potência e a eficiência do motor. Um motor de indução forçada consiste essencialmente de dois compressores em série. O curso de compressão do motor é a principal compressão que todo motor possui. Um compressor adicional alimentando a entrada do motor causa indução forçada de ar. Um compressor alimentando a pressão em outro aumenta muito a taxa de compressão total de todo o sistema. Essa pressão de entrada é chamada de impulso. Isso ajuda particularmente os motores de aviação, pois eles precisam operar em altitudes mais elevadas com densidades de ar mais baixas.
Os motores de compressão mais alta têm o benefício de maximizar a quantidade de energia útil desenvolvida por unidade de combustível. Portanto, a eficiência térmica do motor é aumentada de acordo com a análise do ciclo de potência do vapor da segunda lei da termodinâmica. O motivo pelo qual todos os motores não têm compressão mais alta é porque, para qualquer octanagem, o combustível detonará prematuramente com uma taxa de compressão mais alta do que o normal. Isso é chamado de pré-ignição , detonação ou detonação e pode causar danos graves ao motor. A alta compressão em um motor naturalmente aspirado pode atingir o limite de detonação com bastante facilidade. Porém, um motor de indução forçada pode ter uma compressão total maior sem detonação porque a carga de ar pode ser resfriada após o primeiro estágio de compressão, usando um intercooler .
Uma das principais preocupações nas emissões de combustão interna é um fator chamado fração de NOx , ou a quantidade de compostos de nitrogênio / oxigênio que o motor produz. Este nível é regulamentado pelo governo para as emissões comumente vistas em estações de inspeção. A alta compressão causa altas temperaturas de combustão. Altas temperaturas de combustão levam a emissões de NOx mais altas, portanto, a indução forçada pode resultar em frações de NOx mais altas.
Tipos de compressores
Dois compressores de indução forçada comumente usados são turbocompressores e supercompressores . Um turbocompressor é um compressor centrípeto acionado pelo fluxo de gases de exaustão. Os compressores usam vários tipos diferentes de compressores, mas todos são movidos diretamente pela rotação do motor, geralmente por meio de uma correia. O compressor pode ser centrífugo ou do tipo Roots para compressão de deslocamento positivo. Um exemplo de compressor interno é um superalimentador do tipo parafuso ou um compressor de pistão.
Turbocompressores
Um turbocompressor depende do volume e da velocidade dos gases de escape para girar (enrolar) a roda da turbina, que está conectada à roda do compressor por meio de um eixo comum. A pressão de alimentação realizada pode ser regulada por um sistema de válvulas de escape e controladores eletrônicos. O principal benefício de um turbocompressor é que ele consome menos energia do motor do que um supercompressor; historicamente, a principal desvantagem é que a resposta do motor sofre muito porque leva tempo para que o turboalimentador ganhe velocidade (bobine). Esse atraso na entrega de energia é conhecido como turbo lag . Qualquer projeto de turbo é inerentemente um compromisso; um turbo menor irá enrolar rapidamente e fornecer pressão de alimentação total em baixas rotações do motor, mas a pressão de alimentação sofrerá em altas RPMs do motor. Um turbo maior, por outro lado, fornecerá desempenho de alta rotação aprimorado em detrimento da resposta de baixo custo. Outros problemas comuns de projeto incluem vida útil limitada da turbina, devido às altas temperaturas de exaustão que ela deve suportar e o efeito restritivo que a turbina tem sobre o fluxo de exaustão. Como os turboalimentadores podem melhorar drasticamente a eficiência do motor, eles se tornaram cada vez mais comuns nos motores de automóveis convencionais; turbocompressores de geometria variável e outras tecnologias foram introduzidas em um esforço para reduzir o turbo lag e melhorar a dirigibilidade.
Superchargers
Os compressores quase não têm retardo para aumentar a pressão porque o compressor está sempre girando proporcionalmente à rotação do motor. Eles não são tão comuns quanto os turboalimentadores porque usam o torque produzido pelo motor para operar. Isso resulta em alguma perda de potência e eficiência. Um superalimentador do tipo Roots usa pás em dois tambores giratórios para empurrar o ar para a entrada. Por ser um dispositivo de deslocamento positivo, esse compressor tem a vantagem de produzir a mesma relação de pressão em qualquer rotação do motor. Um superalimentador do tipo parafuso também é um dispositivo de deslocamento positivo , como um supercompressor do tipo Roots. Os supercompressores do tipo parafuso são mais complexos de fabricar do que os supercompressores do tipo Roots, mas são mais eficientes de operar, produzindo uma saída de ar mais frio. Um superalimentador do tipo centrífugo não é um dispositivo de deslocamento positivo e geralmente terá melhor eficiência térmica do que um supercompressor do tipo Roots. Os supercompressores centrífugos também são mais compactos e fáceis de usar com um intercooler.
Intercooler
Um efeito colateral inevitável da indução forçada é que o ar comprimido aumenta sua temperatura. Como resultado, a densidade de carga é reduzida e os cilindros recebem menos ar do que a pressão de alimentação do sistema prescrita. O risco de detonação, ou " detonação ", aumenta muito. Essas desvantagens são contrabalançadas pelo resfriamento por ar de carga, que passa o ar que sai do turbocompressor ou sobrealimentador por meio de um trocador de calor normalmente chamado de intercooler . Isso é feito resfriando o ar de admissão com um fluxo ambiente de ar (intercooler ar-ar) ou líquido (intercooler líquido-ar). A densidade do ar de carga é aumentada e a temperatura é reduzida. Dessa forma, um intercooler pode aumentar muito a capacidade de operar taxas de compressão absolutas mais altas e aproveitar ao máximo o uso de compressores em série. As únicas desvantagens do resfriamento intermediário são o tamanho do intercooler (normalmente próximo ao tamanho de um radiador) e o encanamento e a tubulação associados.
Injeção de água
A injeção de água é outro meio eficaz de resfriar o ar de admissão para evitar a detonação . O metanol é misturado com a água para evitar o congelamento e atuar como um combustível de queima mais lenta. A injeção de água, ao contrário do óxido nitroso ou da indução forçada, não adiciona muita potência ao motor por si só, mas permite que mais potência seja adicionada com segurança. Ele funciona sendo pulverizado na carga de ar comprimido. A água absorve o calor à medida que evapora para resfriar a carga e reduzir as temperaturas de combustão. O álcool também é um combustível na carga que queima mais devagar e mais frio do que a gasolina. Devido às temperaturas de admissão mais baixas e à carga de ar mais densa, mais pressão de turbo e avanço de tempo podem ser adicionados com segurança, sem usar combustível de alta octanagem. É mais frequentemente usado em aplicações de corrida, no entanto, também se mostrou prático para uso prolongado.
Motores a diesel
Quatro tempos
Os motores a diesel não apresentam problemas de pré-ignição porque o combustível é injetado no final do curso de compressão, portanto, uma compressão mais alta é usada. A maioria dos motores a diesel modernos usa um turboalimentador. Isso ocorre porque o escapamento de um diesel é excepcionalmente forte, tornando-o excelente para alimentar um turbo. A faixa de rotação do motor é mais estreita, permitindo que um único turbo dê potência total a toda a faixa do motor. Os turbocompressores também podem atingir uma pressão de impulso mais alta do que os turbocompressores, o que é necessário para a maioria dos motores diesel.
Dois tempos
Os dois tempos a diesel funcionam de maneira diferente dos a gasolina e devem ter alguma forma de indução forçada - geralmente um superalimentador - para funcionar.
Considerações de design
O design dos motores a gasolina e a taxa de compressão afetam o impulso máximo possível. Para obter mais potência de níveis de impulso mais altos e manter a confiabilidade, muitos componentes do motor precisam ser substituídos ou atualizados em relação aos conjuntos de força naturalmente aspirados. As considerações de projeto incluem a bomba de combustível, injetores de combustível, pistões, bielas, virabrequins, válvulas, junta de cabeça e parafusos de cabeça. O aumento máximo possível depende da taxa de octanagem do combustível e da tendência inerente de qualquer motor específico à detonação . A gasolina premium ou a gasolina de corrida podem ser usadas para evitar a detonação dentro de limites razoáveis. Etanol, metanol, gás liquefeito de petróleo (GLP) e gás natural comprimido (GNV) permitem maior boost do que a gasolina, devido à sua maior resistência à autoignição (menor tendência ao knock). Os motores a diesel também podem tolerar níveis muito mais altos de pressão de turbo do que os motores do ciclo Otto , porque apenas o ar é comprimido durante a fase de compressão e o combustível é injetado posteriormente, eliminando totalmente o problema de detonação.
Motocicletas
As considerações de design exclusivo para motocicletas incluem entrega de energia tratável; e embalagem para remoção de calor, conservação de espaço e centro de gravidade desejado .