Para saber como dimensionar uma turbina para aplicações em motores diesel, comece pela vazão de ar e pelo ciclo de trabalho; depois, verifique se os dois lados do turbocompressor atendem à aplicação.
Mesmo que um turbo tenha encaixe direto ou uma classificação de potência compatível, ele ainda pode ser inadequado para reboque prolongado, aceitação de carga em geradores ou uma remotorização. Para saber como escolher uma turbina para motor diesel, é preciso verificar em conjunto o suprimento de ar, a energia dos gases de escape e os limites de operação. Comece pelo trabalho que o motor precisa realizar; o diâmetro do rotor vem depois.
Por onde começa o dimensionamento de um turbo diesel?
Registre a cilindrada, as rotações de operação, o torque ou a potência pretendidos, a vazão de combustível, a altitude e a temperatura de admissão. Estabeleça os limites permitidos de pressão nos cilindros, temperatura dos gases de escape e rotação do turbo com base nas especificações aplicáveis do motor e do turbocompressor. A pressão de sobrealimentação, por si só, não define esses limites.
Na seleção de um turbo diesel, o ciclo de trabalho determina quais pontos merecem prioridade:
| Aplicação | Pontos a compatibilizar | Prioridade prática |
|---|---|---|
| Caminhão ou equipamento móvel | Varredura de rpm em plena carga e operação sob carga elevada em baixa rotação | Suprimento de ar durante a demanda de torque |
| Gerador de rotação fixa | Cargas desde a operação leve até a potência nominal | Eficiência em operação contínua e resposta a degraus de carga |
| Propulsão naval com hélice de passo fixo | Pontos ao longo da curva real de carga da hélice | Operação sustentada e aceleração |
Defina os requisitos com base nestes pontos de verificação:
- Inclua a menor rotação em que o motor precisa suportar carga elevada.
- Inclua os pontos normais de trabalho, além da potência nominal.
- Inclua as condições previstas de calor, altitude e variação de carga.
Estime a vazão de ar a partir da admissão e da dosagem de combustível
Para estimar a vazão de ar necessária para o turbo em um motor de quatro tempos, calcule a vazão volumétrica na admissão, em litros por segundo, multiplicando a cilindrada em litros pela rotação em rpm e pela eficiência volumétrica e dividindo o resultado por 120. O divisor considera um curso de admissão a cada duas rotações do virabrequim e converte minutos em segundos.
Essa é a vazão volumétrica nas condições do coletor de admissão. Multiplique-a pela densidade do ar no coletor para obter a vazão mássica; a densidade depende da pressão absoluta e da temperatura. Defina a eficiência volumétrica com base nessas mesmas condições, para não aplicar duas vezes uma correção pela pressão de sobrealimentação.
Confira o resultado com base na dosagem de combustível: a vazão mássica de ar fresco necessária é a vazão mássica de combustível multiplicada pela relação ar-combustível desejada, em massa. Use a vazão de combustível medida ou uma estimativa baseada na potência e no consumo específico de combustível ao freio. A cilindrada, por si só, não determina a vazão de combustível nem a pressão de sobrealimentação necessária.
Defina a relação ar-combustível desejada a partir de dados validados do motor e dos requisitos de combustão. Ela não é um ajuste universal para eliminar a fumaça. Esta abordagem simples pressupõe um motor de quatro tempos sem EGR; a recirculação dos gases de escape e a lavagem dos cilindros em motores de dois tempos exigem considerações adicionais no cálculo.
Converta a pressão no coletor em relação de pressão do compressor
O compressor precisa vencer as perdas no filtro, na tubulação de entrada, no intercooler e na tubulação de descarga. Sua relação de pressão é a pressão absoluta na saída dividida pela pressão absoluta na entrada, usando as definições de pressão especificadas para o mapa.
- Some a perda de pressão do sistema de sobrealimentação à pressão absoluta necessária no coletor de admissão.
- Subtraia a perda de pressão na entrada da pressão absoluta ambiente.
- Divida o primeiro resultado pelo segundo.
A pressão manométrica de sobrealimentação tem como referência a pressão ambiente local. Em altitude, manter a mesma pressão absoluta no coletor de admissão exige uma relação de pressão maior no compressor. Verifique também a temperatura de entrada e a rotação do turbo.
Eixo horizontal: vazão mássica de ar corrigida.
Eixo vertical: razão de pressões absolutas.
Limite de baixa vazão: surge.
Contornos: ilhas de eficiência no mapa.
Limite de alta vazão: região de bloqueio.
Esquema qualitativo; não representa dados de ensaio nem limites de operação.
Exemplo de cálculo: dimensionamento de um turbo para remotorização diesel
Os números abaixo são valores redondos hipotéticos para um motor imaginário, não uma calibração recomendada nem uma indicação de compatibilidade de instalação de um turbo:
- Motor diesel de quatro tempos, com 6.0 litros, a 2,200 rpm e com 90% de eficiência volumétrica.
- Vazão de combustível: 36 kg/h; relação ar-combustível escolhida: 24:1 em massa.
- Temperatura do ar no coletor de admissão: 330 K, aproximadamente 57°C.
- Pressão ambiente: 100 kPa absolutos; entrada do compressor: 95 kPa absolutos a 300 K (um filtro de ar com bastante sujeira acumulada; um sistema limpo oferece menos restrição).
- Perda de pressão no intercooler e na tubulação de descarga: 15 kPa.
A vazão volumétrica de admissão é 6.0 × 2,200 × 0.90 ÷ 120 = 99 litros/segundo, ou 0.099 metros cúbicos/segundo. A dosagem de combustível exige 36 × 24 = 864 kg/h de ar: 0.240 kg/s, aproximadamente 32 lb/min.
Dividir 0.240 por 0.099 resulta em uma densidade necessária no coletor de admissão de cerca de 2.42 kg por metro cúbico. Aplicando a equação dos gases ideais a 330 K, obtém-se uma pressão absoluta no coletor de aproximadamente 230 kPa, ou 130 kPa de pressão manométrica de sobrealimentação na pressão ambiente considerada: cerca de 19 psi.
Somar a perda de 15 kPa resulta em cerca de 245 kPa na saída do compressor. Dividir pela pressão de entrada de 95 kPa resulta em uma relação de pressão necessária de aproximadamente 2.58.
Em um mapa ilustrativo referenciado a 300 K e 100 kPa, com a entrada também considerada a 300 K, a vazão corrigida é a vazão real multiplicada por 100/95. Outras temperaturas de entrada exigem também a correção de temperatura especificada para o mapa.
Adicione dois pontos hipotéticos de dosagem de combustível em rotações mais baixas, mantendo as demais premissas constantes:
| Rotação do motor, rpm | Combustível, kg/h | Vazão real de ar, kg/s | Vazão corrigida de ar, kg/s | Relação de pressão, arredondada |
|---|---|---|---|---|
| 1,400 | 24 | 0.160 | 0.168 | 2.69 |
| 1,800 | 30 | 0.200 | 0.211 | 2.62 |
| 2,200 | 36 | 0.240 | 0.253 | 2.58 |
Esses são pontos de demanda que precisam ser atendidos. Eles não comprovam que um turbocompressor em avaliação consegue atendê-los. A eficiência volumétrica real, a temperatura e as perdas na tubulação variam conforme as condições de operação.
Se a temperatura real do ar de sobrealimentação for maior, atingir a mesma vazão mássica exigirá mais pressão no coletor de admissão. Se o enchimento dos cilindros diminuir devido à contrapressão, a pressão necessária aumentará novamente. Recalcule, sem presumir que o ponto inicial permanece fixo.
Trace linhas de operação, não apenas um ponto ideal
Marque a vazão de ar corrigida no eixo horizontal e a relação de pressão no eixo vertical do mapa do compressor em avaliação. Use as condições de referência e as unidades do mapa daquele fabricante; um valor de vazão sem correção pode colocar o ponto no lugar errado.
Solicite o mapa da combinação exata de rotor e carcaça do compressor; o mapa de um modelo semelhante não o substitui.
A tabela do exemplo representa uma linha hipotética de demanda em plena carga conforme a rotação do motor varia. O ponto de menor rotação exige quase a mesma pressão com uma vazão muito menor, o que pode revelar um problema de surge oculto no ponto de potência nominal.
Trace varreduras de carga separadas para um gerador operando na rotação regulada. Sua vazão mássica continua variando conforme mudam a pressão de sobrealimentação e a temperatura de admissão. Uma hélice de passo fixo segue uma curva de carga diferente, com a potência absorvida frequentemente aumentando, de forma aproximada, com o cubo da rotação. A propulsão com hélice de passo variável e as máquinas móveis precisam de um envelope de operação mais amplo.
Priorize a boa eficiência nos pontos em que o motor passa suas horas de trabalho. Mantenha margens respaldadas pelo fornecedor em relação ao surge, ao choke e aos limites de rotação em todo o envelope de operação. Não existe um percentual universal de margem de surge que garanta uma instalação adequada.
Verifique o comportamento transitório separadamente: um mapa em regime permanente não consegue prever todas as acelerações ou todos os degraus de carga de um gerador.
Verifique a turbina do lado quente antes de concluir o dimensionamento
Neste exemplo sem EGR, a vazão mássica total dos gases de escape é aproximadamente a soma das vazões de ar e de combustível: 0.250 kg/s na potência nominal. Uma wastegate pode desviar parte dessa vazão, sem que ela passe pelo rotor da turbina.
A seleção da turbina também exige considerar a temperatura dos gases de escape, a relação de expansão, a eficiência e a restrição do sistema de escape a jusante. Solicite dados de vazão da turbina ou uma configuração respaldada pelo fornecedor para o regime de trabalho proposto. O mapa do compressor, sozinho, não mostra se a turbina consegue fornecer a potência necessária no eixo.
Uma turbina restritiva pode fornecer a pressão de sobrealimentação solicitada e, ao mesmo tempo, gerar pressão excessiva no coletor de escape e perdas por bombeamento. Uma área de passagem excessivamente grande pode deixar a potência no eixo insuficiente em baixa rotação. Valide tanto a potência em regime permanente quanto a resposta.
Turbina grande demais ou pequena demais: quais são os problemas?
| Dimensionamento inadequado | Problema provável | Implicação para o dimensionamento |
|---|---|---|
| Compressor superdimensionado | A demanda em baixa vazão se aproxima do surge na relação de pressão necessária. | Verifique os pontos de carga elevada em baixa rotação. |
| Compressor subdimensionado | Os pontos de alta vazão se aproximam do choke, de regiões de baixa eficiência ou dos limites de rotação. | Verifique a potência nominal e a demanda em altitude. |
| Área de passagem da turbina superdimensionada | Baixa pressão de sobrealimentação em baixa rotação e resposta mais lenta. | Verifique a energia disponível nos gases de escape durante a aplicação de carga. |
| Área de passagem da turbina subdimensionada | Pressão excessiva no coletor de escape e vazão limitada em alta carga. | Verifique a pressão de escape e os limites de operação contínua. |
O tamanho do rotor, por si só, não permite diagnosticar o dimensionamento inadequado. Um compressor maior e uma turbina restritiva podem combinar mau comportamento em baixa rotação com pressão excessiva de escape na carga nominal.
Ajuste o tamanho da carcaça ou do bocal com um objetivo claro
Dentro de uma família compatível de turbinas, uma carcaça com A/R menor ou um bocal com garganta menor pode melhorar a resposta em baixa rotação, mas pode aumentar a restrição no escape em alta carga. Uma passagem maior pode melhorar a capacidade de vazão, mas enfraquecer a resposta em baixa rotação. Valores de A/R de famílias diferentes de turbinas não permitem comparar diretamente a capacidade.
Use combinações de carcaça e bocal com respaldo técnico. Alterar a geometria da turbina desloca os pontos de operação, mas não amplia o mapa do compressor. O controle VGT e os ajustes da wastegate devem permanecer dentro dos limites validados; eles não compensam uma capacidade insuficiente do compressor.
Saiba quando manter a especificação OE
Se a dosagem de combustível, a potência, os controles e o regime de trabalho permanecerem originais, o número de peça OE ou um código substituto confirmado costuma ser a escolha mais adequada. A configuração original considera muito mais do que o encaixe dos flanges, principalmente nos turbocompressores com controle eletrônico.
Se a aplicação tiver mudado, valide a configuração proposta sob carga representativa antes de considerar a seleção concluída:
- Meça a pressão de sobrealimentação, a temperatura de admissão, a pressão no coletor de escape e a temperatura dos gases de escape em pontos definidos.
- Compare a rotação do turbo com o limite do fabricante quando houver meios de medi-la.
- Confirme a aceitação de carga, o comportamento da emissão de fumaça e o funcionamento dos controles em todo o regime de trabalho previsto.
Sem mapas, limites ou dados de teste adequados, um turbo que não seja OE continua sendo uma escolha não verificada.
Perguntas frequentes sobre como dimensionar uma turbina
Mais pressão de sobrealimentação sempre significa mais ar disponível?
Não necessariamente. O ar de admissão mais quente é menos denso, e o aumento da restrição no escape pode reduzir o enchimento dos cilindros. Compare a vazão mássica de ar, a temperatura do ar de sobrealimentação e a pressão no coletor de escape no mesmo ponto de operação.
Meu turbo é grande demais para trabalhar em baixa rotação?
Verifique os pontos de demanda em baixa rotação. O compressor pode operar muito perto do surge na relação de pressão necessária, enquanto uma turbina grande pode ter dificuldade para gerar potência no eixo rapidamente. Dimensione cada lado separadamente.
Uma carcaça de turbina menor pode corrigir um compressor superdimensionado?
Ela pode melhorar a resposta, mas não altera o mapa do compressor. Se a vazão de ar e a relação de pressão necessárias estiverem fora desse mapa, a troca da carcaça não tornará o compressor adequado à aplicação.
Um gerador precisa da mesma configuração de turbo que um caminhão?
Não necessariamente. Um gerador de rotação fixa precisa de eficiência sob carga constante e de uma resposta aceitável a degraus de carga. Um caminhão precisa de suprimento de ar em uma faixa de rotação mais ampla, inclusive com alta vazão de combustível em baixa rotação.
Quando devo manter o turbocompressor OE?
Mantenha a especificação OE quando o motor, a dosagem de combustível, os controles e o regime de trabalho permanecerem originais. Considere outra configuração quando os requisitos operacionais documentados mudarem e for possível validar o sistema completo.
É possível dimensionar um turbo diesel apenas pela potência?
A potência é um ponto de partida. Também são necessários a vazão de combustível, a rotação de operação, a vazão de ar desejada, a relação de pressão e o ciclo de trabalho. Dois motores que entregam a mesma potência podem precisar de combinações diferentes de compressor e turbina.
Qual o tamanho certo da turbina de reposição?
Mantenha a especificação OE quando o motor, a dosagem de combustível, os controles e o regime de trabalho permanecerem originais. Se os requisitos mudarem, selecione um turbo que atenda à vazão de ar e à relação de pressão em todo o ciclo de trabalho e valide os dois lados do turbocompressor.
Entre em contato com a LeadTurbo e informe o número de peça do turbocompressor, os dados do motor e o regime de trabalho previsto para conversar sobre as opções de reposição.
