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Estimando ganhos de Potências com Turbo

Artigos e dicas sobre preparação de motores e automóveis.

Estimando ganhos de Potências com Turbo

Mensagempor J2K » Ter 11 Jan, 2005 12:17 pm

Estimando ganhos de Potências usando turbo

Como estimar ganhos de potência com a instalação de turbo? Esta pergunta é recorrente em grupos de discussão pela internet e em rodas de amigos por todo canto do mundo. Muito se fala, às vezes com base científica, outras vezes na base do chute. Tentarei neste pequeno artigo mostrar como funciona a sobrealimentação de um motor na matemática de forma bem objetiva e utilizando termos simples, que a maioria das pessoas conhece. Este texto é para ser utilizado como um manual para a planilha que se encontra no final dessa página.

Introdução:
Em termos práticos um motor é uma máquina térmica que produz trabalho através da queima de combustível. Para queimar combustível é necessário um comburente, no caso em questão, o oxigênio que está disponível no ar. Um motor de aspiração natural suga para sua câmara de combustão uma quantidade de ar e combustível que é então comprimida. Após a compressão uma faísca dá início à queima da mistura na forma de uma explosão controlada. Esta explosão, ou a pressão por ela gerada empurra o cilindro para baixo gerando o trabalho. Portanto quanto mais forte for esta explosão maior será o trabalho e a potência gerada pelo motor.

Na prática:
Na prática vamos ver alguns conceitos principais para a determinação da potência de um motor de carros como conhecemos hoje.

Eficiência volumétrica – é a eficiência que um motor tem de preencher seus cilindros a cada ciclo do motor. A eficiência volumétrica de um motor é sempre menor do que 100% (antes que alguém questione, isso em casos de aspiração estática). Para motores com 2 válvulas por cilindro a VE fica em cerca de 65-75% e em motores mais modernos com 4 ou 5 válvulas por cilindro, 80-85% é uma boa estimativa. A VE varia com os giros do motor e é justamente onde um comando atua. Um comando mais bravo desloca e/ou melhora a VE para giros mais altos. Como exemplo, podemos entender a VE como sendo o quanto os cilindros admitem de mistura a cada ciclo dada sua capacidade. Um carro de 2.0 litros com VE de 80% ingere 1,6 litros a cada ciclo.

BSFC – é a Brake Specific Fuel Consuption, ou o quanto de combustível é necessário para cada cavalo produzido. Para motores modernos pode-se estimar o BSFC em cerca de 0,5 utilizando gasolina e 0,75 utilizando álcool. Estes valores são difíceis de se estimar, mas como a potência do motor é diretamente proporcional à VE e inversamente ao BSFC, fica fácil ajustar apenas um deles para se achar a potência teórica como veremos em exemplos mais para frente.

Capacidade cúbica – é a capacidade total do motor somando-se a capacidade de todos os cilindros. Um motor de 1 litro tem 1 litro de capacidade cúbica.

Eficiência do compressor - Os compressores utilizados nos turbocompressores automotivos funcionam como bombas. Eles aumentam a pressão do ar entre sua entrada e saída. Para realizar este trabalho, cada compressor tem uma eficiência em função da vazão de ar que está passando pelo compressor e do aumento de pressão. Nos compressores modernos o ideal de eficiência fica entre 65%-75%.

Para aumentarmos a potência do motor deve-se aumentar sua capacidade de admitir ar e combustível. Vamos ver dois exemplos de como podemos fazer isto.
Primeiramente imaginemos um motor de 1800 cilindradas com BSFC de 0.5 e VE de 70% e que isto ocorra às 5500rpm e temperatura de 20ºC. Este sendo seu pico de potência, estimamos em 98cv.
Para aumentarmos sua potência aspirado, sem aumentar sua capacidade cúbica podemos melhorar e/ou deslocar seu VE para giros mais altos, fazendo com que mais mistura seja admitida por unidade de tempo. Podemos imaginar que com um comando mais bravo, polimento dos coletores de admissão e escape, molas mais fortes para as válvulas podemos conseguir um VE de 68% só que às 6500rpm. Agora o motor passa a gerar estimados 112cv.
Outra alternativa é turbinar o motor. Com isto geramos uma pressão positiva no coletor de admissão e cada vez que as válvulas de admissão se abrem, ao invés do motor sugar a mistura de ar e combustível para seus cilindros, a mistura é empurrada para lá. Com isto há um incremento da VE de forma artificial e no mesmo regime de rotação ao do motor original. Vamos imaginar que a pressão de sobrealimentação aumente em 1 (uma) atmosfera, ou como é mais conhecido 1 bar. Considerando todos os outros dados fixos isso significa (com todos os outros dados fixos) que o mesmo motor admitiria 70%*1 bar + 70%*1bar ou 2 vezes a potência original. Daí vem a fórmula simplificada que a potência dobra para cada bar de pressão de turbo. O problema é que quando se comprime o ar ele esquenta, e esquentando ele se torna menos denso, com menos moléculas de oxigênio para um mesmo volume. Aí é onde a eficiência do compressor entra.
Um compressor que trabalhe com 70% de eficiência transforma 30% de sua energia em calor. Calor este que esquenta o ar admitido e o deixa menos denso. Refazendo os cálculos para o mesmo motor, às 5500rpm, 70% de VE, mas agora com 1 bar de sobrealimentação com compressor operando com 70% de eficiência temos 149cv. Bem menos do que os 196cv esperados. É o calor!!! Quanto mais se aumenta a pressão, mais calor é gerado e menor o ganho proporcional ao aumento de pressão. Para resolver este problema, Intercooler é a solução. O Intercooler é um trocador de calor que fica entre o compressor e o coletor de admissão e serve para diminuir a temperatura do ar admitido. Isto faz com que o ar fique mais denso e também minimizando as chances de batida-de-pino devido a altas temperaturas na câmara de combustão. O Intercooler também tem uma eficiência medida pela sua capacidade de esfriar o ar comprimido em função da temperatura ambiente e sua perda de carga (atrapalha a passagem do ar). Uma estimativa razoável para um Intercooler é cerca de 65%-70% para os modelos originais de fábrica como os do A3/Golf, Marea e Gol, até 90% em modelos de competição.
Recalculando a potência estimada para nosso motor, utilizando agora um Intercooler com 70% de eficiência temos 172cv. Desta forma vemos a importância do Intercooler como ferramenta eficiente não só como proteção do motor como muitos o utilizam, mas como eficiente peça na extração de potência.
Alterando a temperatura ambiente também provoca grandes mudanças na potência estimada.

A planilha serve principalmente para estimar aumentos de potência quando da instalação de turbocompressores em carros aspirados. Para isso coloque a potência do carro nos rpm do carro original, com zero de sobrealimentação e eficiência do Intercooler. Desta forma pode-se mudar os parâmetros a vontade e ver o resultado de sua preparação. Os valores para a eficiência do compressor devem ser baseados nos mapas disponíveis ou utilizar algo como 65%-75% algo normal para pressões ao redor de 1 bar. Para pressões muito superiores algo como 60% é mais adequado.
Coloquei como dado a potência produzida pelos gases de escape e o back-pressure que serve para a escolha dos turbos para cada preparação desejada. Também como dado de saída, a planilha estima dados de torque e a potência caso o combustível utilizado seja álcool.
Outro dado muito interessante é a vazão da turbina. Com este dado e o mapa da sua turbina em mãos pode-se estimar se é possível atingir a preparação desejada. Se uma turbina tem vazão máxima de 150gm/s não adianta colocar 2bar que a turbina não vai fornecer mais ar e só irá aquecê-lo ainda mais, além de diminuir em muito a vida útil da turbina.

Espero que a planilha seja útil a todos e que sirva como desmistificador das potências absurdas que muitas vezes os preparadores dizem que extraem. Mesmo sendo estimativas sem levar em consideração mudança de ponto de ignição e taxa de compressão dinâmica este modelo pode ser considerado bastante preciso dentro de suas limitações.

Planilha em formato Microsoft Excel
Compactação: nenhuma
Formato: Excel
Tamanho: 108,0 KB

Download:
http://www.xpeedclub.com.br/xtechlib/turbocalc.xls
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