O presente relatório refere-se a um sistema de sobrealimentação para motores de combustão interna que permite obter baixas temperaturas no ar de admissão no motor.

Os motores de combustão interna normalmente não utilizam nenhum artifício para aumento do fluxo de ar a não ser a aspiração natural resultante do movimento de descida do pistão no início de cada ciclo de admissão. Neste movimento o pistão gera vácuo parcial, que resulta na entrada de ar, pois a pressão no cilindro é menor que a atmosférica. Esse tipo de motor, dito de aspiração natural, não consegue preencher totalmente os seus cilindros com a mistura ar-combustível.

Sabe-se que o torque de um motor está diretamente relacionado à massa de ar que o mesmo consegue aspirar por ciclo de admissão. O uso de um compressor para sobrealimentar o motor comprime o ar antes de ser admitido pelo mesmo. Assim, dado um mesmo volume, têm-se mais massa de ar devido à compressão e, por consequência, se consegue injetar mais combustível, conseguindo mais torque do mesmo motor.

Os tipos de sobrealimentação mais comuns são a turbocompressão e o compressor mecânico. A turbocompressão tem a grande vantagem de aproveitar a energia que seria descarregada ao ambiente pelo tubo de escapamento para aumentar a massa de ar admitida pelo motor enquanto o compressor mecânico normalmente consome parte do torque do motor para o mesmo efeito..

Os compressores são regulados para trabalharem até um limite de pressão, para que não destruam os motores que estão sobrealimentando, esse controle é feito através de válvulas de alívio. Mesmo com essa limitação o ar é pressionado pelo compressor para dentro dos cilindros, onde é ainda mais comprimido pelo pistão, causando um maior risco de provocar a chamada detonação. A detonação acontece porque, à medida que o ar é comprimido, sua temperatura aumenta. A temperatura pode aumentar o suficiente para dar ignição à parte da mistura ar- combustível que ainda não queimou, estando a combustão em andamento e quanto maior for sua pressão e a temperatura de entrada do ar no cilindro maior é o risco de haver detonação. Carros com compressor frequentemente necessitam diminuir a taxa de compressão e o avanço da ignição ou ainda de combustível com maior octanagem para evitar a detonação.

Um artifício usado para minimizar a detonação são os arrefecedores intermediários, chamados intercoolers. O intercooler é um permutador de calor, tal como o radiador de um veículo, cuja a função é diminuir a temperatura do ar comprimido, aumentando sua densidade e diminuindo sua temperatura e a possibilidade de ocorrer a detonação.

Porém a temperatura de admissão é ainda bem mais alta que a do ar ambiente e para os motores de combustão interna, especialmente os de combustão por centelha, quanto mais baixa a temperatura de admissão melhor o seu funcionamento. Para diminuí-la em um motor sobrealimentado é proposto esse novo sistema.

Os motores turbocomprimidos usam normalmente sistemas de regulagem de pressão. Em turbo compressores o mais comum é a válvula wastegate, que permite que parte do gás de escape não passe pela turbina e, portanto, não aumente a energia cedida ao compressor. Outro que pode ser usado tanto em turbo compressores quanto em compressores mecânicos é a válvula pop-off, que elimina o excesso de pressão do sistema depois do compressor provocando uma espécie de vazamento no sistema quando atinge a pressão pré-determinada.

Porém, em todos sistemas de regulagem, a pressão dentro do sistema, da saída do compressor até as válvulas de admissão do motor, é mantida praticamente constante. No sistema proposto isso não acontece. Ele é esquematicamente mostrado na figura 1 , onde aparece um motor de combustão interna (4) superalimentado pelo compressor (1 ), a ar comprimido pelo compressor tem sua temperatura rebaixada pelos sistema de arrefecimento (2) mas a pressão só é regulada para não ultrapassar a máxima admitida pelo motor na válvula de regulagem (3). Existe ainda uma válvula de alívio (A) para limitar a pressão do sistema entre a máxima programada para o motor e a máxima admitida para os componentes anteriores ao trecho de admissão (P3);

O sistema proposto funciona da seguinte forma:

Sabe-se que a temperatura de um gás é proporcional a sua pressão, ou seja: (Pi / Pf) ⁽ⁿ - ⁾ = (Ti / Tf) ⁿ onde:

P (i,f) = Pressão

T(i,f) = Temperatura absoluta inicial e final (em K)

n = coeficiente politrópico

Portanto num sistema que ocorra uma variação de pressão ocorrerá também uma variação de temperatura.

Um motor de combustão interna (4) sobrealimentado, equipado com o sistema proposto, funcionará normalmente até o momento em que o compressor (1) passe fornecer a pressão máxima de trabalho admitida pelo motor. A diferença ocorre a partir desse momento, quando a pressão gerada pelo compressor (1) na admissão (trecho P3) deveria ser aliviada até um nível pré-estabelecido para não prejudicar o motor (4). Como já dito, nos motores superai imentados tradicionais isso ocorre normalmente através de válvulas de alívio, mas para essa faixa de operação o sistema de controle proposto permite que a pressão e a temperatura sejam aumentadas acima desse limite entre o compressor (1 ) e a válvula de regulagem de pressão (3), isto é, até logo antes da admissão do motor (trecho P3), para com isso se obter um efeito semelhante ao de um sistema de refrigeração, como por exemplo o de um ar-condicionado.

Num sistema de refrigeração o gás de trabalho é comprimido, resfriado e expandido para se obter temperaturas inferiores a original do gás.

No sistema proposto ocorrerá o mesmo. Com o compressor (1) liberado para gerar uma maior pressão que a que será usada no motor, se obterá uma maior temperatura no trecho P1 , quanto maior for essa temperatura, maior será a cessão de calor do sistema para o ambiente e consequentemente se terá no trecho P2 o ar ainda a alta pressão, mas a uma temperatura menor que a do trecho P1. Obviamente que a quantidade de calor cedido dependerá das características do sistema de troca de calor (2) usado, todavia, para uma mesma instalação, nas mesmas condições de operação a maior temperatura provocará uma perda maior de calor que a que ocorre num compressor que teve sua pressão limitada num nível inferior.

Para chegar a pressão de trabalho determinada o ar será expandido através de uma válvula de reguladora de pressão (3), automática ou manual, para o valor estabelecido para o bom funcionamento do motor. Como esse ar já perdeu calor após ser comprimido, terá, no trecho P3, sua temperatura rebaixada a valores inferiores aos obtidos pelas montagens tradicionais, algo extremamente desejável, pois permite aumento da taxa de compressão e/ou avanço do ponto de ignição, melhorando o rendimento global do motor.