Glauco Diniz Duarte – Supercharger ou compressor

Segundo o Dr. Glauco Diniz Duarte, os superchargers estão ligados a história automotiva há mais de um século. E quando falamos neles a primeira imagem que vem à cabeça são os Top Fuel com suas admissões gigantes querendo engolir o mundo. Mas a coisa nem sempre foi assim. A história dos superchargers não começou exatamente no mundo automotivo. E é sobre isso e otras cositas que iremos conversar. Prontos?

Detalhando os superchargers

Para entender as características de trabalho dos blowers temos que ir até a “raiz” (que trocadilho ruim) desses equipamentos. Os Roots são bombas de deslocamento positivo, ou seja, eles transferem “pacotes” da admissão para a descarga.  Os irmãos Roots procuravam uma solução para alimentar fornalhas em siderúrgicas. E como era necessário o deslocamento de grandes volumes de ar eles desenvolveram e patentearam uma bomba de lóbulos.

Vejam o vídeo acima, podemos observar os eixos lobulares, as engrenagens que transmitem o movimento entre os eixos, os rolamentos e anéis de vedação. Todos usinados e instalados com a devida precisão e cuidado. Uma verdadeira poesia mecânica. Mas o que eu realmente quero que vocês prestem atenção é o momento de teste e inspeção final. Aproximadamente aos 3 minutos o homem responsável por toda a montagem checa as folgas entre os lóbulos, bem como entre estes e a carcaça do soprador. Não pode haver contato entre as faces. Aos 3:20 minutos a imagem muda e os lóbulos aparecem girando sincronizados, mas em sentidos opostos. É esse movimento que desloca o ar. A rotação abre cavidades temporárias, para onde o ar é puxando quando os rotores estão em movimento. Este ar fica preso na câmara formada entre os lóbulos e a carcaça e é conduzido até a descarga do soprador.

Então o ar é deslocado em “pacotes”, da mesma forma que acontece com você quando passa pela porta giratória de um banco. As câmaras formadas não mudam de volume, então não há compressão durante o deslocamento entra a admissão e a descarga. Por isso os supercharger do tipo Roots são chamados de sopradores. Então como a compressão acontece?

Vamos continuar com o exemplo da porta giratória para explicar de forma bem simples o que acontece. Dentro de uma agência bancária estão os caixas e gerentes fazendo o atendimento.  Imaginem que a capacidade de atendimento da agência é de 20 clientes por hora, e o fluxo de entrada pela porta também é de 20 clientes por hora. Nessa condição a quantidade de pessoas que entra é a mesma que sai após o seu atendimento. Então o número de pessoas dentro da agência sempre será igual. Mas numa condição de pico (como dias de pagamento, etc), a quantidade de clientes que passam pela porta é maior que a capacidade de atendimento. Isso irá aumentar a quantidade de pessoas dentro da agência, diminuindo o espaço disponível entre elas.

Agora faça uma correlação entre esse banco e o seu motor. Aí está a compressão. O supercharger desloca um volume maior que a capacidade de admissão do motor. Então o excedente é comprimido no coletor de admissão, sendo engolido forçosamente pelo próximo cilindro que abrir as suas válvulas.

Essa solução foi usada comercialmente pela GM em seus motores Detroit Diesel. Aumente o volume e se deliciem com um Detroit 6/71 subindo a Serra das Araras.  A grande vantagem dos blowers estava em gerar resultados desde as rotações mais baixas, fator essencial para utilitários que necessitam de muito torque desde a arrancada. Obervem na foto abaixo como o manovacuômetro mostra uma depressão de 2 PSI durante a marcha lenta. Motores que não sofreram modificações normalmente apresentam valores entre 7 e 10 PSI.

Outra característica dos superchargers é a linearidade da sobrealimentação. Em teoria p volume de ar despejado na descarga é constante. Então a pressão no coletor também seria. Mas na realidade a folga entre os lóbulos e também entre estes e a carcaça permite uma pequena recirculação do ar, fazendo a pressão no coletor ser menor no início da faixa. Além disso, a própria eficiência volumétrica do motor varia durante a sua operação, o que também interfere na pressão do coletor. Pois quanto maior for a capacidade de ingestão do motor, menor será a restrição. E quanto menos restrição para o fluxo, menor é a pressão medida. Então no caso dos superchargers pressão não significa maior ganho em volume comprimido. Na verdade, quando estamos falando dos Roots, a pressão excessiva é um mal. E deve ser evitado.

Mas não são só os Roots que fazem a fama dos blowers, há também os compressores de parafuso. Estes são muito parecidos com os roots externamente, mas as grandes diferenças estão dentro da carcaça. Como o próprio nome já indica, há dois fusos (um macho e outro fêmea) substituindo os eixos lobulares. Estes fusos não são simétricos e sua relação pode ser 3 para 5 ou 4 para 6.

Porém entre todas essas diferenças a mais significativa é o sentido de giro. Enquanto os Roots giram indo de encontro à carcaça para aprisionar o ar, nos Lysholm os fusos vão de encontro um ao outro. Assim o ar é aprisionado entre os fusos e as câmaras reduzem de volume durante o seu giro, assim o ar é comprimido antes de chegar à descarga. Por essa característica os compressores de parafuso possuem folgas muito menores que os blowers. E também por conta destas estes transferem menos calor durante a compressão, ou seja, são mais eficientes.

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Quando a pressão deixa de ser uma boa referência

Quinta à noite, encontro de amigos num estacionamento e o assunto é sobrealimentação. Não importa qual o carro, motor, ou o que seja. Relacionar cavalos à pressão é praticamente uma unanimidade. Sim, nessa linha de pensamento, uma maior pressão de trabalho determina uma maior densidade do ar que está sendo admitido. E com mais ar dentro dos cilindros, mais potência pode ser gerada. Mas no mundo real a coisa não é simples assim. Como já explicamos aqui, a quantidade de calor adicionado ao fluxo de ar determina a eficiência do compressor. Quanto menos eficiente ele for, mais quente o ar vai sair. Isso significa que ele será menos denso. Ou seja, o ar que teria densidade de 1,24 kg/m³ a 60°C passa a ter 1,16 kg/m³ a 91°C. Isso significa perda de potência, risco de pré-detonação e dano ao motor.

Como os blowers inicialmente foram desenvolvidos para deslocar o ar sem restrições, sob condições de pressão positiva eles são pouco eficientes e podem elevar a temperatura do ar além dos 180°C quando a razão de compressão ultrapassa 1,8. E além do risco para o motor também podemos danificar o próprio supercharger. O calor transferido para a carcaça e rotores causa expansão que aumenta as folgas e consequentemente o desgaste de mancais, rolamentos, selos e engrenagens. O óleo da caixa de transmissão tende a se degradar mais rapidamente. Os rotores podem se tocar com a expansão, e você sabe que isso não é nada bom.

Mas o que faz os chargers serem tão ineficientes? O principal vilão nesse caso é a geometria construtiva do blower. Observem a imagem acima, ela mostra o momento em que o ar aprisionado à pressão atmosférica encontra o ar pressurizado do coletor de admissão. Neste momento acontece uma reversão de fluxo, e o ar do coletor migra para dentro da carcaça fazendo as pressões destes dois pontos se equalizarem. Essa reversão extremamente rápida causa alta fricção entre as moléculas de ar e fricção sempre gera calor. Então quando maior o diferencial entre a admissão e a descarga, maior será a velocidade reversão e maior será a temperatura. Mas essa mesma geometria “ruim” é responsável por uma característica que leva muitos a virar os olhinhos tendo orgasmos auditivos. Como as notas emitidas pelos furos de uma flauta ao atravessar a carcaça o ar emite um silvo. Alguns dizem que parece o miado de um gato, ou o grito de uma rapoza. Eu acho que parece o zumbido de mil vespas emputecidas por você ter mexido em sua colmeia. Não sabe como é esse som? Então aumente o volume e ouça essa besta fritadora de pneus.

Para minimizar essa perda de eficiência os fabricantes criaram diversos artifícios que eu vou listar aqui:

• Mudança dos eixos lobulares:

Os eixos inicialmente ganharam mais um lóbulo passando para três em cada eixo e estes foram torcidos em 60°, tornando o fluxo híbrido (axio-radial). Essas mudanças diminuíram o volume das câmaras e a pulsação dor ar, tornando o fluxo menos turbulento.

A segunda mudança da configuração dos eixos ocorreu em 2006. A Eaton adicionou mais um lóbulo a cada um dos seus eixos e os torceu mais um pouquinho, chegando aos cento e sessenta graus.

• Portas de reversão:

Para tornar a transição entre as zonas de pressão ainda mais suave os fabricantes criaram pequenos furos oblongos denominados portas de reversão. Durante o giro do eixo as câmaras helicoides têm contato primeiramente com estas portas, então a equalização das pressões acontece a partir delas. Assim quando as câmaras se abrirem efetivamente para a descarga o diferencial será mínimo. Esse artifício também ajudou a reduzir o nível de ruído emitido, bem como reduzir a potência consumida pelo supercharger.

• Admissão aerodinâmica e descarga em V

Partindo do mesmo princípio de suavização do fluxo, as análises computacionais mostraram que um formato aerodinâmico que permitisse ao fluxo acompanhar o sentido de giro dos lóbulos geraria menos turbulência durante todo o deslocamento. Para a descarga o perfil em v num ângulo menor que o passo dos lóbulos permite uma abertura gradual das câmaras em relação à descarga. O que também suaviza a saída do ar.

Todas essas melhorias levaram os blowers a operarem com eficiência acima de 70%.

Superchargers para as pistas

Mesmo com as melhorias que vimos acima, as folgas dos rotores e carcaça permitem a passagem do ar para as zonas de baixa pressão. O que gera turbulência, fricção e tudo mais que já falamos. Os fabricantes passaram a aplicar camadas de proteção cerâmica nos rotores para diminuir ainda mais o gap entre as peças rotativas e estáticas. Mas quando a brincadeira fica séria de verdade e os blowers são usados em monstros como os Top Fuel e Funny Cars qualquer vazamento de pressão significa perda de cavalos.

Com pressões de trabalho que chegam a 4,5 bar era necessário um meio de selar completamente as câmaras. A solução veio com a aplicação de cordões nas extremidades dos lóbulos. Inicialmente o material utilizado era o Teflon, mas testes mostraram o Nylatron como material mais apropriado para a vedação. Mas como é feito o processo de aplicação dos cordões?

Primeiro são feitos três sulcos em cada lóbulo. Então os cordões são instalados com interferência e ajustados de modo a terem uma pequena face de contato com os lóbulos do outro eixo e também com a carcaça.

Assim os blowers conseguem chegar às pressões desejadas, mas o desgaste desse tipo de selo é rápido. Normalmente eles devem ser substituídos a cada duas provas, ou seja, de 4 a 8 puxadas. Então essa não é uma solução muito viável para as ruas. Além do mais, os superchargers encontrados atualmente no mercado atendem a contento a maioria dos projetos que você pode querer.

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