Avião: Superchargers e Turbosuperchargers
Para aumentar a potência de um motor, os fabricantes desenvolveram sistemas de indução forçada chamados sistemas supercharger e turbosupercharger. Ambos comprimem o ar de admissão para aumentar sua densidade. A principal diferença está na fonte de alimentação. Um supercharger depende de uma bomba de ar ou compressor acionado pelo motor, enquanto um turbocompressor obtém sua energia do fluxo de exaustão que passa por uma turbina, que por sua vez gira o compressor. Aeronaves com esses sistemas têm um medidor de pressão do coletor, que exibe o MAP dentro do coletor de admissão do motor.
Em um dia padrão ao nível do mar com o motor desligado, o medidor de pressão do coletor indica a pressão atmosférica absoluta ambiente de 29,92 "Hg. Como a pressão atmosférica diminui aproximadamente 1 "Hg por 1.000 pés de aumento de altitude, o medidor de pressão do coletor indica aproximadamente 24,92" "Hg em um aeroporto que está 5.000 pés acima do nível do mar com condições normais de dia.
À medida que uma aeronave normalmente aspirada sobe, ela eventualmente atinge uma altitude em que o MAP é insuficiente para uma subida normal. Esse limite de altitude é conhecido como teto de serviço da aeronave e é diretamente afetado pela capacidade do motor de produzir potência. Se o ar de indução que entra no motor é pressurizado ou impulsionado por um superalimentador ou um turbosuperalimentador, o teto de serviço da aeronave pode ser aumentado. Com esses sistemas, uma aeronave pode voar em altitudes mais altas com a vantagem de velocidades reais mais altas e maior capacidade de contornar condições meteorológicas adversas.
Superchargers
Um supercharger é uma bomba ou compressor de ar acionado pelo motor que fornece ar comprimido ao motor para fornecer pressão adicional ao ar de indução para que o motor possa produzir potência adicional. Aumenta a pressão do coletor e força a mistura ar-combustível para dentro dos cilindros. Uma pressão maior no coletor aumenta a densidade da mistura ar-combustível e aumenta a potência que um motor pode produzir. Com um motor normalmente aspirado, não é possível ter uma pressão de admissão superior à pressão atmosférica existente. Um supercharger é capaz de aumentar a pressão do coletor acima de 30 "Hg.
Por exemplo, a 8.000 pés, um motor típico pode ser capaz de produzir 75% da potência que poderia produzir ao nível médio do mar (MSL), porque o ar é menos denso em altitudes mais altas. O supercharger comprime o ar a uma densidade mais alta, permitindo que um motor supercharged produza a mesma pressão de admissão em altitudes mais altas que poderia produzir ao nível do mar. Assim, um motor a 8.000 pés MSL ainda poderia produzir 25 "Hg de pressão de admissão enquanto, sem um supercharger, só poderia produzir 22" Hg. Superchargers são especialmente valiosos em altitudes elevadas (como 18.000 pés), onde a densidade do ar é 50 por cento do nível do mar. O uso de um supercharger em muitos casos fornecerá ar ao motor na mesma densidade que fazia ao nível do mar.
Os componentes de um sistema de indução superalimentado são semelhantes aos de um sistema normalmente aspirado, com a adição de um superalimentador entre o medidor de combustível e o coletor de admissão. Um supercharger é acionado pelo motor através de um trem de engrenagens em uma velocidade, duas velocidades ou velocidades variáveis. Além disso, os compressores podem ter um ou mais estágios. Cada estágio também fornece um aumento na pressão e os supercarregadores podem ser classificados como estágio único, dois estágios ou multiestágio, dependendo do número de vezes que a compressão ocorre.
Uma versão inicial de um supercharger de estágio único e velocidade única pode ser chamado de supercharger do nível do mar. Um motor equipado com este tipo de superalimentador é chamado de motor ao nível do mar. Com este tipo de superalimentador, um único impulsor acionado por engrenagem é usado para aumentar a potência produzida por um motor em todas as altitudes. A desvantagem deste tipo de superalimentador é a diminuição da potência do motor com o aumento da altitude.
Superchargers de estágio único e velocidade única são encontrados em muitos motores radiais de alta potência e usam uma entrada de ar voltada para frente para que o sistema de indução possa aproveitar ao máximo o ar de impacto. O ar de admissão passa por dutos para um carburador, onde o combustível é medido em proporção ao fluxo de ar. A carga ar-combustível é então conduzida para o compressor, ou impulsor do soprador, que acelera a mistura ar-combustível para fora. Uma vez acelerada, a mistura ar-combustível passa por um difusor, onde a velocidade do ar é trocada por energia de pressão. Após a compressão, a mistura ar-combustível de alta pressão resultante é direcionada para os cilindros.
Alguns dos grandes motores radiais desenvolvidos durante a Segunda Guerra Mundial têm um superalimentador de estágio único e duas velocidades. Com este tipo de superalimentador, um único impulsor pode ser operado em duas velocidades. A baixa velocidade do impulsor é muitas vezes referida como a configuração baixa do ventilador, enquanto a alta velocidade do impulsor é chamada de configuração alta do ventilador. Em motores equipados com um supercharger de duas velocidades, uma alavanca ou interruptor na cabine de comando ativa uma embreagem operada a óleo que muda de uma velocidade para outra.
Em operações normais, a decolagem é feita com o supercharger na posição de baixa ventoinha. Neste modo, o motor funciona como um motor impulsionado pelo solo e a potência de saída diminui à medida que a aeronave ganha altitude. No entanto, uma vez que a aeronave atinge uma altitude especificada, é feita uma redução de potência e o controle do supercharger é comutado para a posição de alta ventoinha. O acelerador é então redefinido para a pressão desejada no coletor. Um motor equipado com este tipo de superalimentador é chamado de motor de altitude.
Turbocompressores
O método mais eficiente de aumentar a potência de um motor é usando um turbocompressor ou turbocompressor.
Instalado em um motor, este booster usa os gases de escape do motor para acionar um compressor de ar para aumentar a pressão do ar que entra no motor através do carburador ou sistema de injeção de combustível para aumentar a potência em altitudes mais altas.
A principal desvantagem do superalimentador acionado por engrenagem – o uso de uma grande quantidade de potência do motor para a quantidade de aumento de potência produzida – é evitada com um turbocompressor porque os turbocompressores são alimentados pelos gases de escape de um motor. Isso significa que um turbocompressor recupera energia dos gases de escape quentes que, de outra forma, seriam perdidos.
Uma segunda vantagem dos turbocompressores sobre os supercompressores é a capacidade de manter o controle sobre a potência nominal do motor ao nível do mar desde o nível do mar até a altitude crítica do motor. A altitude crítica é a altitude máxima na qual um motor turboalimentado pode produzir sua potência nominal. Acima da altitude crítica, a potência começa a diminuir, como acontece com um motor normalmente aspirado.
Os turbocompressores aumentam a pressão do ar de indução do motor, o que permite que o motor desenvolva o nível do mar ou maior potência em altitudes mais altas. Um turbocompressor é composto por dois elementos principais: um compressor e uma turbina. A seção do compressor abriga um impulsor que gira em alta velocidade. À medida que o ar de indução é aspirado pelas pás do impulsor, o impulsor acelera o ar, permitindo que um grande volume de ar seja aspirado para dentro da carcaça do compressor. A ação do impulsor subsequentemente produz ar de alta pressão e alta densidade que é fornecido ao motor. Para girar o impulsor, os gases de escape do motor são usados para acionar uma roda de turbina que é montada na extremidade oposta do eixo de acionamento do impulsor. Ao direcionar diferentes quantidades de gases de escape para fluir sobre a turbina, mais energia pode ser extraída, fazendo com que o impulsor forneça mais ar comprimido ao motor. A válvula de descarga, essencialmente uma válvula borboleta ajustável instalada no sistema de exaustão, é usada para variar a massa de gás de exaustão que flui para a turbina. Quando fechado, a maioria dos gases de escape do motor é forçada a fluir através da turbina. Quando aberto, os gases de escape podem contornar a turbina fluindo diretamente através do tubo de escape do motor.
Como a temperatura de um gás aumenta quando ele é comprimido, a turboalimentação faz com que a temperatura do ar de indução aumente. Para reduzir essa temperatura e diminuir o risco de detonação, muitos motores turboalimentados usam um intercooler. Este pequeno trocador de calor usa ar externo para resfriar o ar comprimido quente antes de entrar no dispositivo de medição de combustível.
Operação de sistema
Na maioria dos motores turboalimentados modernos, a posição da válvula de descarga é governada por um mecanismo de controle de sensor de pressão acoplado a um atuador. O óleo do motor direcionado para dentro ou para fora deste atuador move a posição da válvula de descarga. Nesses sistemas, o atuador é posicionado automaticamente para produzir o MAP desejado simplesmente alterando a posição do controle do acelerador.
Outros projetos de sistema de turboalimentação usam um controle manual separado para posicionar a válvula de descarga. Com o controle manual, o manômetro do manifold deve ser monitorado de perto para determinar quando o MAP desejado foi alcançado. Os sistemas manuais são frequentemente encontrados em aeronaves que foram modificadas com sistemas de turboalimentação de reposição. Esses sistemas requerem considerações operacionais especiais. Por exemplo, se a válvula de descarga for deixada fechada após descer de uma grande altitude, é possível produzir uma pressão no coletor que excede as limitações do motor. Essa condição, chamada de overboost, pode produzir detonação severa devido ao efeito de inclinação resultante do aumento da densidade do ar durante a descida.
Embora seja menos provável que um sistema de wastegate automático experimente uma condição de overboost, isso ainda pode ocorrer. Se a potência de decolagem for aplicada enquanto a temperatura do óleo do motor estiver abaixo de sua faixa operacional normal, o óleo frio pode não sair do atuador da válvula de descarga com rapidez suficiente para evitar um overboost. Para ajudar a evitar o overboost, avance o acelerador com cuidado para evitar exceder os limites máximos de pressão do coletor.
Um piloto pilotando uma aeronave com turbocompressor deve estar ciente das limitações do sistema. Por exemplo, uma turbina e um impulsor de turbocompressor podem operar em velocidades de rotação superiores a 80.000 rpm enquanto em temperaturas extremamente altas. Para atingir alta velocidade de rotação, os rolamentos dentro do sistema devem ser constantemente abastecidos com óleo de motor para reduzir as forças de atrito e a alta temperatura. Para obter uma lubrificação adequada, a temperatura do óleo deve estar na faixa de operação normal antes que os ajustes altos do acelerador sejam aplicados. Além disso, deixe o turbocompressor esfriar e a turbina desacelerar antes de desligar o motor. Caso contrário, o óleo restante na carcaça do mancal irá ferver, causando a formação de depósitos de carbono duro nos mancais e no eixo. Esses depósitos deterioram rapidamente a eficiência e a vida útil do turbocompressor.
Desempenho em alta altitude
À medida que uma aeronave equipada com um sistema de turboalimentação sobe, a válvula de descarga é gradualmente fechada para manter a pressão máxima permitida no coletor. Em algum momento, a válvula de descarga está totalmente fechada e aumentos adicionais na altitude fazem com que a pressão do coletor diminua. Esta é a altitude crítica, que é estabelecida pelo fabricante da aeronave ou do motor. Ao avaliar o desempenho do sistema de turboalimentação, esteja ciente de que, se a pressão do coletor começar a diminuir antes da altitude crítica especificada, o motor e o sistema de turboalimentação devem ser inspecionados por um técnico de manutenção de aviação (AMT) qualificado para verificar se o sistema está funcionando corretamente.
