Um mapa de compressor ajuda a verificar se ele consegue fornecer a vazão de ar e a pressão de sobrealimentação exigidas pelo motor com eficiência em toda a faixa de operação.
Para quem busca um upgrade e está aprendendo como ler um mapa de compressor de turbina, a pergunta relevante é se o compressor atende ao motor desde a rotação em que se pretende começar a gerar pressão de sobrealimentação até a rotação máxima de operação. Um único ponto favorável de potência máxima não responde a essa pergunta.
Para o mecânico que está substituindo um turbocompressor original, a compatibilidade com a aplicação geralmente importa mais do que comparar mapas. Comece pelas orientações sobre como verificar a compatibilidade da turbina antes de comprar e use a análise do mapa quando modificações alterarem as exigências do motor.
Mapa de compressor de turbina: vazão de ar na horizontal, razão de pressão na vertical
A maioria dos mapas de compressores automotivos apresenta a vazão mássica corrigida no eixo horizontal e a razão de pressão do compressor no eixo vertical. Confira as indicações: as unidades e as convenções de correção variam.
| Elemento do mapa | O que descreve | Uso prático |
|---|---|---|
| Eixo horizontal | Geralmente, a vazão mássica de ar corrigida, em lb/min ou kg/s | Comparar a demanda de ar do motor com a capacidade do compressor |
| Eixo vertical | Pressão absoluta na saída dividida pela pressão absoluta na entrada | Considerar a pressão de sobrealimentação e as perdas de pressão do sistema |
| Ilhas de eficiência | Curvas de igual eficiência do compressor | Avaliar o aquecimento e a potência exigida pelo compressor |
| Linhas de rotação | Rotação constante do eixo ou rotação corrigida | Verificar a rotação de operação e a margem disponível |
| Linha de surge | Limite de estabilidade em baixa vazão | Evitar a exigência de pressão excessiva com vazão insuficiente |
| Região de choke | Extremo de alta vazão da faixa útil de operação do compressor | Identificar limitações de capacidade e queda de desempenho |
Vazão mássica é a quantidade de massa de ar que passa por unidade de tempo. Ela difere da vazão volumétrica: um pé cúbico de ar quente e rarefeito contém menos massa do que um pé cúbico de ar frio e denso.
Por que a vazão de ar é “corrigida”
O comportamento do compressor muda conforme variam a temperatura e a pressão na entrada. A vazão de ar corrigida converte essas condições de entrada para uma base de referência, permitindo comparar o ponto de operação com o mapa publicado.
Uma fórmula comum para o cálculo da vazão de ar corrigida do turbo é:
Vazão mássica corrigida = vazão mássica real × √(temperatura de entrada ÷ temperatura de referência) ÷ (pressão de entrada ÷ pressão de referência)
As temperaturas devem ser absolutas, normalmente em kelvin, e as pressões também devem ser absolutas. Use os valores de referência de quem publicou o mapa; não presuma que todos os fabricantes usam os mesmos.
A vazão corrigida é um valor usado para marcar pontos no mapa. Aplicar uma correção não significa que o motor passe a consumir fisicamente mais ar.
Diferença entre razão de pressão e pressão do turbo: use pressão absoluta
O cálculo básico é:
Razão de pressão = pressão absoluta na saída do compressor ÷ pressão absoluta na entrada do compressor
Um manômetro de turbo normalmente indica a pressão acima da pressão atmosférica local. Sua leitura, sozinha, não fornece nenhum dos dois valores necessários para esse cálculo.
A pressão na entrada do compressor pode ficar abaixo da atmosférica devido ao filtro e à tubulação de admissão. A pressão na saída precisa ser maior que a do coletor de admissão para compensar as perdas no intercooler e na tubulação de pressurização.
Os mapas publicados geralmente usam pressões totais. Medições feitas na oficina por tomadas de pressão estática fornecem uma estimativa; uma análise precisa exige pontos de medição e definições de pressão compatíveis com os do mapa.
Ilhas de eficiência: por que a localização importa
Uma ilha de eficiência do turbo é uma curva que delimita pontos de operação com eficiência semelhante do compressor. A região mais eficiente geralmente fica dentro de curvas de menor eficiência que a circundam.
O valor de eficiência indica o quanto a compressão se aproxima de um processo ideal. Ele não significa que essa porcentagem do ar chega ao motor nem que a mesma porcentagem da potência do motor é preservada.
Com a mesma temperatura de entrada e razão de pressão, um compressor menos eficiente produz ar mais quente na saída e exige mais potência no eixo para uma determinada vazão mássica. Isso significa:
- Mais calor para o intercooler remover.
- Temperatura potencialmente maior no coletor de admissão.
- Maior demanda de potência da turbina do lado do escape.
- Menor margem térmica durante períodos prolongados sob carga.
A compressão aquece o ar mesmo com alta eficiência. O objetivo é evitar aquecimento desnecessário na faixa de operação relevante para o veículo.
Para um caminhão que passa períodos tracionando sob carga, examine esses pontos de operação contínua em um mapa de compressor de turbina diesel. Passar brevemente pela melhor ilha perto da rotação máxima não basta.
Linhas de rotação, surge e choke
As linhas de rotação conectam pontos com a mesma rotação do compressor. Alguns mapas mostram a rotação real do eixo em rpm; outros usam a rotação corrigida. Leia a legenda antes de compará-las com um limite de rotação do eixo.
Essas linhas não têm uma relação fixa com a rotação do motor. A rotação do turbo depende do equilíbrio entre a potência fornecida pela turbina do lado do escape e a demanda do compressor. Consulte as orientações sobre a velocidade de rotação de uma turbina para saber mais.
Não extrapole os limites de rotação publicados só porque uma região sem dados parece próxima de uma linha traçada.
A linha de surge
O limite à esquerda normalmente indica o limite de surge. Perto dele, o compressor tenta manter a pressão enquanto deixa passar relativamente pouco ar. Fora da faixa estável, a pressão e a vazão podem oscilar, com possibilidade de inversão do fluxo.
Um compressor superdimensionado, combinado com uma exigência elevada de pressão de sobrealimentação em baixa rotação, pode colocar o ponto de operação do motor perto demais desse limite. O fechamento da borboleta cria outra condição transitória, que os pontos de operação em regime permanente não descrevem por completo.
Mantenha uma margem adequada em vez de posicionar um ponto desejado diretamente sobre a linha. A configuração da carcaça e as condições de instalação importam, portanto não existe uma margem universal adequada a todos os mapas. Nosso guia sobre surge do compressor e flutter da turbina explica os sintomas e as condições de operação.
A região de choke
No lado de alta vazão, chega um momento em que aumentar a rotação gera pouco ganho de vazão útil. O escoamento pode atingir condições sônicas em passagens locais, enquanto a eficiência e a capacidade de gerar pressão se deterioram.
A borda direita do mapa não representa necessariamente uma única linha de choke marcada com precisão. Trate os limites publicados como limites a investigar, não como metas a ultrapassar.
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: estimativa da razão de pressão e da vazão de ar
Considere um motor a gasolina de quatro tempos hipotético. Estes são valores adotados para fins didáticos, não especificações de um veículo nem recomendações de pressão de sobrealimentação:
- Cilindrada do motor: 2.0 litros.
- Rotação do motor: 6,000 rpm.
- Eficiência volumétrica: 90%, referenciada às condições do coletor de admissão.
- Pressão de sobrealimentação desejada no coletor: 100 kPa manométricos, aproximadamente 14.5 psi.
- Pressão atmosférica local: 100 kPa absolutos.
- Restrição na admissão: 5 kPa.
- Perda de pressão entre o compressor e o coletor: 10 kPa.
- Temperatura na entrada do compressor: 300 K, aproximadamente 80°F.
- Temperatura do ar no coletor de admissão: 323 K, aproximadamente 122°F.
- Condições de referência do mapa hipotético: 100 kPa absolutos e 300 K.
A distinção entre as temperaturas de entrada e do coletor importa. A vazão de ar que entra nos cilindros depende da densidade do ar no coletor; a correção para o mapa usa as condições na entrada do compressor.
Etapa 1: como calcular a razão de pressão do turbo
A pressão absoluta no coletor é:
100 kPa de pressão atmosférica + 100 kPa de sobrealimentação = 200 kPa
A pressão necessária na saída do compressor é:
200 + 10 = 210 kPa absolutos
A pressão na entrada do compressor é:
100 − 5 = 95 kPa absolutos
Portanto:
Razão de pressão = 210 ÷ 95 ≈ 2.21
Dividir a pressão no coletor pela pressão atmosférica resultaria em 2.00, subestimando a exigência de pressão do compressor.
Etapa 2: estimar a vazão volumétrica nos cilindros
Um motor de quatro tempos completa um ciclo de admissão a cada duas voltas do virabrequim. Com a eficiência volumétrica adotada:
Vazão volumétrica = 0.002 m³ × (6,000 ÷ 2) × 0.90
O resultado é 5.4 m³/min, ou 0.090 m³/s, referenciado às condições do coletor.
A eficiência volumétrica é uma estimativa do enchimento dos cilindros. Use dados confiáveis do motor quando disponíveis e verifique como os valores de eficiência volumétrica (VE) são definidos antes de inseri-los no cálculo.
Etapa 3: converter a vazão volumétrica em vazão mássica
Usando a aproximação de gás ideal para o ar, a densidade é a pressão dividida pelo produto da constante específica do ar pela temperatura absoluta.
Nas condições adotadas para o coletor:
Densidade do ar ≈ 200,000 ÷ (287 × 323) ≈ 2.16 kg/m³
Então:
Vazão mássica real ≈ 0.090 × 2.16 ≈ 0.194 kg/s
Isso equivale a aproximadamente 25.7 lb/min.
Essa estimativa pressupõe vazamento desprezível de ar pressurizado e nenhuma contribuição da recirculação dos gases de escape (EGR). Configurações de motor mais complexas exigem considerar fatores adicionais.
Etapa 4: corrigir a vazão para o mapa
As temperaturas de entrada e de referência são ambas 300 K, portanto a correção de temperatura é 1. A correção de pressão é:
Vazão corrigida ≈ 0.194 ÷ (95 ÷ 100) ≈ 0.204 kg/s
Isso equivale a aproximadamente 27.0 lb/min.
Portanto, o ponto a marcar nesse mapa hipotético é:
27.0 lb/min de vazão de ar corrigida com uma razão de pressão de 2.21.
Em um mapa real com condições de referência diferentes, recalcule a vazão corrigida.
Marque pontos para várias rotações do motor
Repita o cálculo usando valores realistas de pressão de sobrealimentação, temperatura e VE em várias rotações do motor. Não presuma automaticamente que a pressão máxima estará disponível em toda a faixa.
Para ilustrar, mantenha as temperaturas e as perdas de pressão anteriores, alterando a rotação, a VE e a pressão de sobrealimentação:
| Rotação do motor | VE adotada | Pressão de sobrealimentação adotada no coletor | Razão de pressão | Vazão de ar corrigida |
|---|---|---|---|---|
| 2,500 rpm | 85% | 50 kPa manométricos | 1.68 | 8.0 lb/min |
| 4,000 rpm | 90% | 100 kPa manométricos | 2.21 | 18.0 lb/min |
| 6,000 rpm | 90% | 100 kPa manométricos | 2.21 | 27.0 lb/min |
Manter as perdas de pressão constantes simplifica este exemplo. As perdas reais na admissão e no intercooler mudam com a vazão, e a temperatura no coletor e a VE também variam.
Marque esses pontos no mapa do compressor em avaliação e conecte-os para formar uma trajetória aproximada de operação. Verifique:
- O ponto de baixa rotação está a uma distância segura do surge?
- Os pontos de operação usados com frequência passam por regiões de eficiência adequada?
- A demanda na rotação máxima se aproxima do choke ou de um limite de rotação?
- Um clima mais quente ou uma altitude maior deslocaria algum ponto para uma região problemática?
Sem o mapa específico do compressor da turbina, esses números não permitem determinar se ela é adequada. Eles descrevem a demanda, não garantem o desempenho.
O mapa também não comprova que a turbina do lado do escape fornecerá potência suficiente para atingir a meta em baixa rotação. O dimensionamento dessa turbina e o controle da pressão por wastegate ou geometria variável (VGT) precisam ser avaliados separadamente.
Erros comuns que alteram o resultado
Ignorar a altitude. Uma pressão atmosférica menor reduz a pressão na entrada do compressor. Portanto, manter uma pressão absoluta especificada no coletor exige uma razão de pressão maior. Se a meta for uma pressão manométrica de sobrealimentação, recalcule também a pressão absoluta no coletor.
Ignorar a restrição na admissão. Um filtro restritivo ou uma entrada subdimensionada reduz a pressão no compressor. Use as condições de entrada sob carga, em vez de presumir que a pressão atmosférica chega ao rotor.
Ignorar a queda de pressão no intercooler. A pressão de sobrealimentação no coletor é medida depois do compressor. O compressor precisa fornecer a pressão adicional perdida no sistema de ar pressurizado.
Usar a temperatura errada. A temperatura na entrada do compressor deve ser usada na correção. A temperatura no coletor deve ser usada no cálculo da densidade do ar admitido pelos cilindros.
Misturar unidades ou definições do mapa. Diferencie kg/s de lb/min, pressão absoluta de pressão manométrica e vazão corrigida de vazão real. Não presuma que um valor em CFM represente as mesmas condições de referência.
Por que a reposição deve manter a especificação original
Para um motor original, preserve a especificação prevista para a turbina ou use um equivalente verificado. Um mapa de compressor para troca da turbina original cobre apenas parte do comportamento do conjunto.
A geometria da turbina do lado do escape, as carcaças, a calibração do atuador, as conexões de óleo e líquido de arrefecimento e os controles do motor influenciam a compatibilidade. Um compressor maior pode posicionar alguns pontos de operação em uma ilha favorável e, ao mesmo tempo, criar problemas em outras condições.
Identifique a unidade seguindo as orientações sobre como encontrar o código da peça da turbina. Se estiver considerando substituir o conjunto central, consulte a comparação entre a troca do CHRA e a substituição da turbina completa. O conjunto central precisa ser compatível com os demais componentes; apenas o diâmetro dos rotores não basta.
Perguntas frequentes
Razão de pressão é a mesma coisa que pressão de sobrealimentação?
Não. A pressão de sobrealimentação geralmente é uma pressão manométrica, medida em relação à pressão atmosférica local. A razão de pressão do compressor é a pressão absoluta na saída dividida pela pressão absoluta na entrada, considerando restrições e perdas de pressão.
Por que os mapas de compressores usam vazão de ar corrigida?
A vazão de ar corrigida expressa as condições de operação em relação a valores de referência especificados para a pressão e a temperatura de entrada. Isso permite comparar a vazão calculada com os dados de ensaio do mapa. Sempre use as condições de referência e o método de correção fornecidos com esse mapa.
A ilha de maior eficiência indica a melhor turbina?
Por si só, não. O motor precisa de uma trajetória de operação adequada em várias rotações e cargas, com margens suficientes em relação ao surge e ao limite de rotação. A adequação da turbina do lado do escape, a resposta, o controle da pressão de sobrealimentação e a compatibilidade de instalação também influenciam a escolha.
O mapa do compressor pode indicar quando a pressão máxima de sobrealimentação será atingida?
Não. Ele mostra o comportamento do compressor, mas a resposta da pressão de sobrealimentação também depende da energia dos gases de escape, do dimensionamento da turbina do lado do escape, da inércia do conjunto rotativo, da operação do motor e do controle da pressão. Um ponto de baixa rotação marcado no mapa representa uma exigência, não uma comprovação de que o turbo consegue atendê-la.
Posso usar o mapa de um rotor de compressor de tamanho semelhante?
Apenas para uma comparação aproximada. O desenho das pás do rotor, o trim, a geometria da carcaça e outros detalhes afetam o desempenho. Para decidir qual turbina escolher, obtenha o mapa da configuração exata do compressor.
Preciso do mapa do compressor para substituir uma turbina original?
Geralmente, a prioridade é garantir a correspondência correta com o equipamento original (OE). Confirme o código da peça da turbina, a aplicação no motor, as conexões das carcaças e a compatibilidade do atuador. O mapa se torna mais útil quando mudam as necessidades de vazão de ar do motor ou a configuração do turbo.
Por que a vazão de ar da turbina para de aumentar?
A vazão de ar da turbina pode se estabilizar quando o compressor se aproxima da região de choke. O escoamento pode atingir condições sônicas em passagens locais, de modo que aumentar a rotação do turbo gera pouco ganho de vazão útil, enquanto a eficiência e a capacidade de gerar pressão diminuem. Verifique se o ponto de operação do motor na rotação máxima se aproxima do choke ou de um limite de rotação publicado.
Precisa de ajuda para identificar uma turbina de reposição? Entre em contato com a LeadTurbo e informe o código da peça da turbina, os dados do veículo, as modificações e os sintomas.
