Indução Forçada - Sistemas Sequenciais - Parte 1

Os sistemas sequenciais utilizam dois conjuntos de sobrealimentação de dimensões diferentes. Sua grande maioria está constituída por dois turbocompressores. No entanto, há aplicações que empregam um turbo e um supercompressor conectados em série.

Turbo de dois estágios ou turbo sequencial
O desenvolvimento de novos sistemas de turboalimentação deve resolver metas conflitantes:

- Por um lado, é necessário um conjunto turbina/compressor relativamente grande para atingir a potência nomina;.
- No entanto, um torque adequado, que assegure uma rápida resposta, exige um turbo pequeno.

A solução encontrada consiste na utilização de sobrealimentação de dois estágios com “intercooler”, configuração esta que combina os dois requisitos acima citados. Assim, é possível atender a necessidade de alto torque em baixa rotação e máxima potência em alta. Ou seja, permite adequar a relação entre as pressões de ambos os compressores, evitando superar os limites máximos.

Os sobrealimentadores são de dimensões diferentes e, na maioria dos casos, trabalham em série. Ou seja, a saída de um deles se constitui na entrada do outro. Com esta configuração, é possível atingir altos índices de relação de pressão total, sem ultrapassar as velocidades máximas dos compressores.
No entanto, existem aplicações nas quais os turbos operam em paralelo.
Na configuração série, a razão de pressão total é dividida entre os dois compressores, de forma a obter um desempenho equilibrado ao longo de toda a faixa de rotação. Ou seja, fornecem níveis adequados de sobrealimentação a menor RPM, se comparados àqueles obtidos com um compressor convencional de um estágio, e isto numa faixa mais ampla de operação.

A figura 1 mostra uma configuração básica de sistema sequencial. Cabe salientar que todos os sistemas seqüenciais implementam algum tipo de regulação e distribuição das pressões, derivando o fluxo de gases de escape e, em alguns casos, também o fluxo de ar comprimido; isto, através de válvulas de desvio.
Outros sistemas sequenciais obtêm a regulagem utilizando turbos de geometria variável, o que permite dispensar o uso de algumas das válvulas de desvio.

Como mostra a figura 1, o fluxo de gases de escape passa, primeiramente, pelo turbo de alta pressão, de tamanho menor, e a seguir pelo de baixa pressão de maior tamanho.
No sentido contrário, a massa de ar admitido é pré-comprimida no turbo de baixa pressão para, depois, receber a compressão final no de alta pressão.

A Relação de Pressão Total (RPt) é distribuída entre os dois turbos, de forma que ambos trabalhem com relações menores e, consequentemente, com rotação e carga menores.
O fluxo de ar entra no compressor de baixa com pressão PA (pressão atmosférica) e sai com pressão P1 maior, com a qual entra no compressor de alta e do qual sai com pressão P2.
A relação de pressão total RPt é igual ao produto das relações individuais RP1 e RP2.
Assim, se a relação final para atender os requerimentos de um determinado motor for RPt = 2,6, esta pode ser obtida, por exemplo, com RP1 = 1,4 e RP2 = 1,85.
Daí, fica evidente que os sistemas sequenciais permitem obter altos índices de relação de pressão total, sem submeter os compressores a altas velocidades de rotação.

Operação
A figura 2 mostra a configuração de um sistema sequencial básico constituído por dois turbocompressores em série: uma unidade de alta pressão (maior relação de pressão) e pequeno volume e outra de baixa pressão e maior volume.
O turbo de alta pressão, pela sua menor inércia e razão de pressão maior, opera na faixa de baixa rotação, até 1.500 rpm, por exemplo. A partir desse ponto e progressivamente, entra em operação o turbo de baixa pressão e maior volume. A estratégia de controle se utiliza das válvulas de desvio (do compressor e da turbina) para distribuir as pressões de sobrealimentação de forma equilibrada, com o objetivo de obter uma alta relação de pressão, sem exigir que os turbos operem em altas rotações. Ou seja, fornecer maior nível de sobrealimentação com o motor em regime de menor rotação.