Como funcionam os compressores

Desde a invenção do motor de combustão interna, engenheiros automotivos, viciados em velocidade e designers de carros de corrida têm buscado maneiras de aumentar sua potência. Uma forma de aumentar a potência é construir um motor maior. Mas motores maiores, que pesam mais, custam mais para construir e manter, nem sempre são melhores.

Outra forma de aumentar a potência é tornar um motor de tamanho normal mais eficiente. Você pode fazer isso forçando mais ar na câmara de combustão. Mais ar significa que mais combustível pode ser adicionado, e mais combustível significa uma explosão maior e maior potência.

Adicionar um supercompressor é uma ótima maneira de obter indução de ar forçado. Neste artigo, vamos explicar o que são os supercompressores, como funcionam e como se comparam aos turbocompressores.

O que é um supercompressor?

Um supercompressor é qualquer dispositivo que pressuriza a entrada de ar acima da pressão atmosférica. Tanto os supercompressores quanto os turboalimentadores fazem isso. Na verdade, o termo “turbocompressor” é uma versão abreviada de “turbo-supercompressor”, seu nome oficial.

A diferença entre os dois dispositivos é sua fonte de energia. Os turbocompressores são alimentados por gases de escape que acionam uma turbina. Os compressores são acionados mecanicamente por uma correia ou corrente conectada ao virabrequim do motor.

Um motor comum de quatro tempos dedica um tempo ao processo de admissão de ar.

Três coisas acontecem durante este processo:

O pistão desce.
Isso cria um vácuo dentro do cilindro.
O vácuo faz com que o ar à pressão atmosférica seja sugado para a câmara de combustão.

Como o supercompressor funciona

Depois que o ar é puxado para o motor, ele deve ser combinado com o combustível para formar a carga – um pacote de energia potencial que pode ser transformado em energia cinética útil por meio de uma reação química conhecida como combustão.

A vela de ignição inicia essa reação química acendendo a carga. À medida que o combustível sofre oxidação, uma grande quantidade de energia é liberada. A força dessa explosão, concentrada acima da cabeça do cilindro, empurra o pistão para baixo. O movimento criado pelo movimento do pistão é eventualmente transferido para as rodas.

Colocar mais combustível na carga resultaria em uma explosão mais poderosa. Mas você não pode simplesmente bombear mais combustível para o motor porque você precisa de uma quantidade exata de oxigênio para queimar uma determinada quantidade de combustível.

Quando em marcha lenta ou em cruzeiro a uma velocidade constante, a mistura é 14,7 partes de ar para 1 parte de combustível. Quando você precisa de mais potência, como acelerar para ultrapassar a rodovia, a proporção ar-combustível é mais próxima de 12:1. Se você quiser estabelecer recordes no quarto de milha, no entanto, precisará adicionar mais ar para adicionar mais combustível.

Esse é o trabalho do supercompressor. Os compressores aumentam a entrada ao comprimir o ar acima da pressão atmosférica sem criar vácuo. Isso força mais ar para o motor, proporcionando um impulso. Com o ar adicional, mais combustível pode ser adicionado à carga e a potência do motor é aumentada.

O supercompressor adiciona uma média de 46 por cento a mais de potência e 31 por cento a mais de torque. Em situações de alta altitude, onde o desempenho do motor se deteriora porque o ar tem baixa densidade e pressão, um supercompressor fornece ar de alta pressão para o motor para que ele possa operar de forma otimizada.

Ao contrário dos turbocompressores, que usam os gases de escape criados pela combustão para alimentar o compressor, os supercompressores extraem sua energia diretamente do virabrequim. A maioria é acionada por uma correia acessória, que envolve uma polia conectada a uma engrenagem motriz. A engrenagem motriz, por sua vez, gira a engrenagem do compressor. O rotor do compressor pode ter vários designs, mas sua função é puxar o ar, espremer o ar em um espaço menor e descarregá-lo no coletor de admissão.

Para pressurizar o ar, um supercompressor deve girar rapidamente – mais rapidamente do que o próprio motor. Tornar a engrenagem motriz maior do que a engrenagem do compressor faz com que o compressor gire mais rápido. Os compressores podem girar em velocidades de 50.000 a 65.000 rotações por minuto (RPM).

Um compressor girando a 50.000 RPM se traduz em um aumento de cerca de 6 a 9 libras por polegada quadrada (psi). Isso é 6 a 9 psi adicional sobre a pressão atmosférica em uma determinada elevação. A pressão atmosférica ao nível do mar é de 14,7 psi, portanto, um impulso típico de um supercompressor coloca cerca de 50 por cento a mais de ar no motor.

À medida que o ar é comprimido, fica mais quente. O ar mais quente é menos denso e não pode se expandir tanto durante a explosão quanto o ar mais frio. Isso significa que ele não pode criar tanta energia quando é aceso pela vela de ignição. Para que um supercompressor funcione com eficiência máxima, o ar comprimido que sai da unidade de descarga deve ser resfriado antes de entrar no coletor de admissão. O intercooler é responsável por este processo de resfriamento.

Os intercoolers vêm em dois designs básicos: intercoolers ar-ar e intercoolers ar-água. Ambos funcionam como um radiador, com ar mais frio ou água enviada através de um sistema de canos ou tubos. Conforme o ar quente que sai do supercompressor encontra os tubos do resfriador, ele também esfria. A redução na temperatura do ar aumenta a densidade do ar, o que faz com que uma carga mais densa entre na câmara de combustão.

A seguir, veremos os diferentes tipos de supercompressores.

Tipos de supercompressores

Existem três tipos de supercompressores: Roots, parafuso duplo e centrífugo. A principal diferença é como eles movem o ar para o coletor de admissão do motor.

O supercompressor Roots é aquele que às vezes você vê sentado em cima do capô de um vagão de arrasto. Ele usa dois rotores que se unem e comprimem o ar que entra antes de enviá-lo para o motor.

O compressor de parafuso duplo tem, como você deve ter imaginado, dois rotores que são enrolados juntos como dois parafusos em vez de engrenagens. Os parafusos comprimem o ar quando giram. Um supercompressor centrífugo se parece com uma concha de caracol, com um rotor que comprime o ar.

Embora todos esses projetos forneçam um impulso, eles diferem consideravelmente em sua eficiência. Cada tipo de supercompressor está disponível em tamanhos diferentes,

O supercompressor Roots é o projeto mais antigo. Philander e Francis Roots patentearam o projeto em 1860 como uma máquina que ajudaria a ventilar os poços da mina. Em 1900, Gottleib Daimler incluiu um supercompressor Roots no motor de um carro.

À medida que os rotores de engrenamento giram, o ar preso nos bolsos entre os lóbulos dos rotores é transportado entre o lado de enchimento e o lado de descarga. Grandes quantidades de ar se movem para o coletor de admissão e “empilham” para criar pressão positiva. Por esse motivo, os supercompressores Roots nada mais são do que ventiladores de ar, e o termo “soprador” ainda é frequentemente usado para descrever todos os supercompressores.

Os compressores Roots são geralmente grandes e ficam no topo do motor. Eles são populares em muscle cars e hot rods porque ficam para fora do capô do carro. No entanto, eles são o supercompressor menos eficiente por dois motivos: eles adicionam mais peso ao veículo e movem o ar em rajadas discretas, em vez de em um fluxo suave e contínuo.

Supercompressores de parafuso duplo

Os supercompressores de parafuso duplo puxam o ar através dos lóbulos da engrenagem.Eles puxam o ar através dos lóbulos da engrenagem.

Um supercompressor de parafuso duplo opera puxando o ar através de um par de rotores engrenados que giram um ao lado do outro. Como o supercompressor Roots, o ar dentro de um supercompressor de parafuso duplo fica preso em bolsas criadas pelos lóbulos do rotor.

Mas um supercompressor de parafuso duplo comprime o ar dentro da carcaça do rotor. Isso ocorre porque os rotores têm um cone cônico, o que significa que as bolsas de ar diminuem de tamanho à medida que o ar se move do lado de enchimento para o lado de descarga. À medida que as bolsas de ar encolhem, o ar é comprimido para um espaço menor.

Isso torna os compressores de parafuso duplo mais eficientes, mas custam mais porque os rotores do tipo parafuso exigem mais precisão no processo de fabricação.

Alguns tipos de supercompressores de parafuso duplo ficam acima do motor, como o supercompressor Roots. Eles também fazem muito barulho. O ar comprimido que sai da saída de descarga cria um zumbido ou assobio que deve ser dominado com técnicas de supressão de ruído.

Supercompressores centrífugos

Os compressores centrífugos são os mais eficientes e os mais comuns de todos os sistemas de indução forçada.

Um supercompressor centrífugo alimenta um impulsor – um dispositivo semelhante a um rotor – em velocidades muito altas para puxar rapidamente o ar para um pequeno compartimento do compressor. As velocidades do rotor podem atingir 50.000 a 60.000 RPM. À medida que o ar é aspirado pelo cubo do impulsor, a força centrífuga faz com que o ar irradie para fora. Isso significa que o ar sai do impulsor em alta velocidade, mas com baixa pressão.

Um difusor – um conjunto de pás estacionárias que circundam o impulsor – converte o ar de alta velocidade e baixa pressão em ar de baixa velocidade e alta pressão. As moléculas de ar ficam mais lentas quando atingem as aletas, o que reduz a velocidade do fluxo de ar e aumenta a pressão.

Os compressores centrífugos são os mais eficientes e os mais comuns de todos os sistemas de indução forçada. Eles são pequenos, leves e fixados na frente do motor em vez de na parte superior. Eles também emitem um gemido característico quando o motor acelera – uma qualidade que pode chamar a atenção nas ruas. 2021 modelos com supercompressores OEM incluem o Jaguar XF, Dodge Charger, Volvo S90 e Ford Mustang.

Qualquer um desses supercompressores pode ser adicionado a um veículo como um aprimoramento pós-venda. Várias empresas oferecem kits que vêm com todas as peças necessárias para instalar um supercharger como um projeto do-it-yourself. No mundo dos carros engraçados e pilotos de combustível, essa personalização é parte integrante do esporte. Vários fabricantes de automóveis também incluem compressores em seus modelos de produção.

A seguir, aprenderemos sobre as vantagens de turbinar seu carro.

Vantagens do supercompressor

Os supercompressores Roots são o tipo mais antigo de supercompressor.

Os compressores Roots são o tipo mais antigo de supercompressor.

A maior vantagem de ter um supercharger é o aumento da potência. Conecte um supercompressor a um carro ou caminhão normal e ele se comportará como um veículo com um motor maior e mais potente.

Mas e se alguém estiver tentando decidir entre um supercompressor e um turbocompressor? Essa questão é muito debatida por engenheiros automotivos e entusiastas de automóveis, mas, em geral, os supercompressores oferecem algumas vantagens sobre os turboalimentadores.

Certos compressores são mais eficientes em RPMs mais baixos, enquanto outros são mais eficientes em RPMs mais altos. Roots e supercompressores de parafuso duplo, por exemplo, fornecem mais potência em RPMs mais baixos. Os supercompressores centrífugos, que se tornam mais eficientes à medida que o rotor gira mais rápido, fornecem mais potência em RPMs mais altas.

A instalação de um turbocompressor requer uma modificação extensiva do sistema de escapamento, mas os supercompressores podem ser aparafusados na parte superior ou lateral do motor. Isso os torna mais baratos de instalar e mais fáceis de consertar e manter.

Por décadas, os carros turboalimentados tiveram que ficar parados por cerca de 30 segundos antes de serem desligados para que pudessem resfriar adequadamente. Mas os turbos modernos têm sistemas automatizados que cuidam disso para você, então você pode tratar um motor turboalimentado como um motor normal – ou um motor superalimentado. Com isso dito, um bom aquecimento é importante para os compressores, pois eles funcionam de forma mais eficiente em temperaturas normais de operação.

Os compressores são acréscimos comuns aos motores de combustão interna dos aviões. Isso faz sentido quando você considera que os aviões passam a maior parte do tempo em grandes altitudes, onde significativamente menos oxigênio está disponível para a combustão. Com a introdução dos supercompressores, os aviões foram capazes de voar mais alto sem perder o desempenho do motor.

Os compressores usados em motores de aeronaves funcionam da mesma forma que os encontrados em carros. Eles retiram sua energia diretamente do motor e usam um compressor para soprar ar pressurizado na câmara de combustão. A ilustração acima mostra a configuração básica de um avião com superalimentação.

Aprenderemos sobre algumas desvantagens dos compressores a seguir.

Desvantagens do Supercompressor

A maior desvantagem dos supercompressores também é sua característica definidora: como o virabrequim os aciona, eles devem roubar parte da potência do motor. Um supercompressor pode consumir até 20% da potência total de um motor. Mas como um supercompressor pode gerar até 46% de potência adicional, a maioria acha que vale a pena compensar.

A sobrealimentação coloca uma pressão adicional no motor, que precisa ser forte para lidar com o impulso extra e explosões maiores. A maioria dos fabricantes considera isso especificando componentes de serviço pesado ao projetar um motor destinado ao uso sobrealimentado. Isso torna o veículo mais caro. Os compressores também custam mais para manter, e a maioria dos fabricantes sugere um gás de alta octanagem de classe premium.

Apesar de suas desvantagens, os supercompressores ainda são a maneira mais econômica de aumentar a potência. Os compressores podem resultar em aumentos de potência de 50 a 100 por cento, tornando-os excelentes para corridas, reboque de cargas pesadas ou apenas adicionando emoção à experiência de direção típica.