Turbo elétrico: será esse o futuro?

Não importa com quem você converse, quase todos concordam que uma que vez que uma turbina atinge a rotação de trabalho, é uma das melhores maneiras de gerar mais potência. Entretanto, atingir a rotação de trabalho é um dos principais problemas que as pessoas têm com as turbinas. O “lag” é algo que a maioria acredita que seja o maior problema dos turbocompressores.

Existem basicamente dois tipos de indução forçada disponível para uso automotivo – compressor mecânico e turbocompressor. Ambos induzem mais ar para a câmara de combustão, a diferença está na maneira que cada um realiza esse processo.

Um turbocompressor consiste basicamente em dois rotores conectados por um eixo. Conforme os gases de escape atingem o rotor da turbina, ele começa a girar, e por estar conectado ao rotor do lado do compressor, este também gira. Se por um lado o turbocompressor ajuda na geração de mais potência, por outro, ele também consome uma parcela de potência.

O rotor da turbina age como uma obstrução ao fluxo de gases de escape, e sabemos que para gerar potência o motor precisa respirar, a turbina age então como uma “mão tampando sua boca”. Apesar de não bloquear completamente o fluxo dos gases de escape, ela o restringe.

Recentemente foi apresentado a imprensa automotiva uma solução que promete revolucionar a sobrealimentação. Entretanto, chamar de turbocompressor elétrico é tecnicamente incorreto, o nome correto tecnicamente é um combinado de turbina e compressor elétrico. Esses sistemas prometem melhorar o consumo de combustível, melhorar resposta de aceleração e aumentar a potência final,porque não impedem o fluxo dos gases de escape.

Como funciona?

Um motor elétrico é acoplado ao eixo da turbina. Quando se deseja aceleração em baixas rotações, o motor elétrico gira instantaneamente a turbina até a rotação de trabalho, e então o motor é desacoplado.

Até recentemente, o fornecimento de tensão e corrente suficientes para girar a turbina até a rotação de trabalho imediatamente era um obstáculo. Engenheiros conseguiram vencer esse obstáculo utilizando um grande capacitor. A energia é alimentada através de um condicionador DC-DC, e daí para o motor.

Durante anos, fabricantes de carros tentaram resolver a questão do lag empregando o uso de turbocompressores menores, que atingem a rotação de trabalho mais rapidamente que turbocompressores grandes, entretanto, a potência produzida é menor. O desenvolvimento de turbocompressores elétricos propiciarão aos fabricantes e preparadores montarem turbocompressores maiores e consequentemente obterem mais potência.

Um fabricante anunciou que seu motor 3.0 TDi padrão produz cerca de 240hp e 59.2kgfm de torque, enquanto o motor 3.0 TDi que utiliza o turbocompressor elétrico produz 326hp e 59.2kgfm. Isso significa que os motores poderão ter sua cilindrada diminuída enquanto sua potência gerada é aumentada, isso auxiliará o consumo de combustível.

A tecnologia de turbo elétrico vem sendo usada desde 2000, entretanto era fora do alcance da maioria, exceto laboratórios e equipes de corrida de ponta. Isso era atribuído ao alto custo para o fornecimento de tensão suficiente.

Entra a tecnologia das baterias de carros híbridos. Com essas baterias de 40V a 50V, a corrente necessária diminui consideravelmente, tornando o sistema mais estável e menos perigoso. Outra parte boa é que a tecnologia híbrida também permite incluir um circuito no motor elétrico que o transforma em um gerador durante a desaceleração, permitindo recuperar parte da energia gasta pelo motor para girar o eixo da turbina.

Texto traduzido.
Matéria original disponível em: https://www.enginelabs.com/news/is-an-electric-turbo-coming-soon/

Dicas para o bom funcionamento do sistema de ignição

Você compra um cabo de vela de silicone, colorido, com diâmetro maior que o original , o visual gera expectativa de ganho de potencia além de um novo estilo ao motor. Após a instalação, aparece um chiado no rádio para depois perceber que este era o menor problema: o sensor de temperatura indica um valor absurdo, o carro falha, depois acelera, surge uma rotação irreal no conta-giros, a injeção eletrônica ficou maluca.

VelaCorrenteEletrica

Aí você substitui o cabo de vela e, como num passe de mágica, tudo volta ao normal. Irritado, você pega o cabo de vela bonito, de silicone, e atira longe, afirmando aos quatro ventos que aquele cabo não presta.

Será que o problema todo era uma questão de qualidade do cabo de vela? Dependendo do caso, pode ser. Mas, antes de acusar o cabo como o vilão da história, vale a pena analisar se o escolhido era adequado ao sistema. Sim, aquele cabo, além de bonito, pode ter excelente qualidade e cumprir exatamente o que promete, mas pode não ser o cabo certo para a sua aplicação.

Como saber se aquele cabo de vela que você quer é o cabo que você precisa?

Na Ignição automotiva, que está presente nos motores a explosão, é gerada uma faísca elétrica dentro da câmara de combustão para queima da mistura ar/combustível, ou seja, uma ignição elétrica presente apenas nos motores de ignição por centelha, o ciclo Otto.

O principal componente é a bobina de ignição que, através do fenômeno da indução, consegue transformar a baixa voltagem disponível (12V) em uma tensão alta o suficiente para vencer a resistência oferecida pela alta pressão encontrada na câmara de combustão. Os cabos de ignição são responsáveis por conduzir a alta tensão produzida na bobina até as velas com o mínimo de perda, passando ou não pelo distribuidor. A vela conduz a alta tensão para dentro da câmara de combustão através do eletrodo central produzindo a faísca.

Nos sistemas mais modernos, o sistema de ignição foi incorporado à central de injeção eletrônica. O momento do disparo da bobina é controlado e modificado de acordo com os mapas de ignição contidos na central.Nos sistemas modernos, o distribuidor foi substituído pela ignição estática.

 

Velas e Cabos

Com ou sem distribuidor, ligados ou não à injeção eletrônica, as velas e os cabos de vela constituem partes cruciais de todo o sistema de ignição.

Velas e cabos de ignição com vida útil ultrapassada ou com funcionamento irregular, podem causar dificuldade na partida do veículo, alto consumo de combustível, irregularidades no funcionamento, falhas durante retomadas e aumento dos níveis de emissões de poluentes.

Cada veículo possui um modelo de vela e cabo de ignição apropriado, conforme descrito no manual do proprietário. A utilização de peças inadequadas pode comprometer e danificar vários outros componentes do veículo.

Um ponto importante acerca dos cuidados com cabos e velas é que, muitas vezes, estas falhas não são percebidas de imediato pelo usuário do veículo. Quando ele passa a notá-las é sinal que já está ocorrendo há algum tempo, podendo gerar danos a outros componentes do veículo.

Uma vela nova possui componentes com cantos vivos que proporcionam um efeito de pontas, aumentando a ignibilidade (facilidade em saltar a centelha da vela). Com o desgaste, ocorre um arredondamento destes eletrodos, aumentando sua folga. Isto provoca o aumento da tensão necessária para que ocorra a centelha, o que pode danificar vários componentes do sistema de ignição como rotor, tampa de distribuidor, cabos de ignição e até mesmo no transformador (bobina de ignição).

Os desgastes em componentes ao longo do caminho da centelha podem fazer com que esta não percorra o caminho ideal: a centelha busca um aterramento qualquer no veiculo como destino e não o eletrodo da vela.

Seja pelo desgaste do eletrodo da vela, seja pelo desvio da centelha para fora do seu destino, a consequência é sempre preocupante: a combustão não ocorre adequadamente resultando em perda no aproveitamento do combustível admitido pelo motor. Essa queda de rendimento não é percebida de imediato na maioria dos casos, o condutor acaba acelerando mais para ter a mesma potência. Resultado: aumento do consumo de combustível que o usuário só vai sentir no bolso. Se o problema aumentar, o motor começará a falhar.

Uma vela defeituosa ainda pode promover danos prematuros nos cabos de velas, bobina de ignição e causar graves interferências em outros componentes. Podem ocorrer ainda outros defeitos em componentes eletrônicos microcontrolados, como módulos de comando de sistemas de injeção de combustível, câmbios robotizados ou automáticos, freios ABS, entre outros, podendo inclusive promover dano permanente nestas unidades.

 

Velas resistivas

Existem ainda as velas chamadas “resistivas” que, ao contrário das velas comuns que tem ligação direta, possuem uma resistência entre o terminal do cabo e o eletrodo da faísca, na ordem de 2 a 5KΩ. Esta resistência proporciona algumas vantagens sobre uma vela comum: menor interferência no rádio, tempo de faísca ligeiramente maior, menor corrente sobre a bobina.

Entretanto,a bobina e respectivo circuito de ignição deve ser dimensionado para uma faísca mais fraca e mais longa típicas das velas resistivas, principalmente se o motor for trabalhar em altas rotações. Cada caso é um caso e os preparadores usam velas resistivas para tentar reduzir os ruídos gerados pela formação da centelha porque a tensão da faísca fica com valor ligeiramente menor que o normal.

 

Cabos de ignição

A função do cabo de ignição (cabo de vela) é levar a corrente do transformador ou bobina até a vela de ignição, sem permitir fugas de corrente assegurando uma ignição sem falhas. Para isso, o cabo precisa ter algumas características:

• Resistência a altas temperaturas, pois o cofre do motor em algumas aplicações e locais atinge temperaturas acima de 120º C;
• Supressão de ruídos porque, atualmente, os veículos possuem equipamentos eletrônicos e o cabo deve ajudar a filtrar a interferência por rádio frequência na transmissão da corrente até a vela;
• Blindagem elétrica, ou seja, o cabo tem que resistir a alta tensão sem que ocorram fugas;
• Resistência a ataques químicos, como vazamento de óleo e de combustível.

Basicamente, existem no mercado três tipos de cabos de velas:

Resistivos (TS) – Cabo em que o condutor é um fio de cobre, um fio comum, e as resistências são colocadas nos terminais de encaixe da bobina e da vela. A resistência deste modelo de cabo não varia de acordo com o seu comprimento. Essa é uma tecnologia alemã também adotada por muitas montadoras.

Supressivos(CS) – Cabo em que a resistência ou resistor é o próprio cabo. A resistência deste modelo de cabo varia de acordo com o comprimento. Possui o supressor instalado ao longo do próprio cabo e os terminais são apenas conectores comunsde cobre. O valor indicado pela norma ISO 3808 é de 9 a 23 KΩ por metro. Essa tecnologia é adotada pela maioria das montadoras.

Capacitivos (CC) – Cabo resistivo especialmente projetado e idealizado para aumentar a capacidade de centelha da ignição original. Construído basicamente por um cabo resistivo, uma capa protetora de malha metálica capacitiva envolve todo o cabo de vela e um terceiro terminal aterrado. O capacitor é criado desta forma usando um material dielétrico na blindagem. Com a circulação da corrente que a bobina fornece para vela, o capacitor de aproximadamente 80pf (pico farads) — cabo+ isolação+ aterramento (capacitor = condutor+dielétrico+condutor) — é carregado. Essa capacitância usa a energia da bobina para aumentar a intensidade da centelha. Porém, como energia não se fabrica, se transforma, a centelha que teria, digamos, 10 microssegundos e “X” de intensidade agora vai ter1microssegundo e “10X” de intensidade. Em outras palavras, a mesma energia fornecida pela bobina é concentrada num intervalo de tempo menor. Entretanto, isto faz a centelha ficar mais curta e mais intensa. A partir daí podemos levantar duas considerações:

1 – O tempo de centelhamento fica muito curto, usualmente menor que5 ou 6 microsegundos:a chama pode se extinguir ou não queimar corretamente. A chama pode até propagar bem — e é isso que se espera com mais intensidade de faísca – mas ela também corre o risco de se extinguir por conta da curta duração da centelha.
2 – Esse sincronismo entre a bobina e o capacitor depende do tempo de carregamento da bobina (DWELL) e da energia que ela é capaz de produzir em cada situação. Carros de uma bobina para 4 cilindros (sistema hall e distribuidor, os AP da vida) em alta rotação, tende a reduzir o tempo de carga da bobina. Isso pode comprometer ainda mais a duração do centelhamento e aumentar a possibilidade da chama não se propagar em altas rotações.

De qualquer forma, consegue-se um aumento de potência, porém o ruído eletromagnético (corrente elétrica que “escapa” da blindagem do cabo) é grande. É destinado a preparações avançadas de injeção eletrônica ou para uso com equipamentos eletrônicos com proteção adequada a elevados níveis de ruído.

 

Interferência: o preço da potência da faísca

A interferência eletromagnética (EMI) é um campo ou onda elétrica/ magnética que pode alterar o funcionamento ou danificar um equipamento. A interferência pode ser proposital ou acidental e pode ser de origem natural ou artificial. O campo magnético terrestre, por exemplo, é de origem natural e causa interferência em sistemas elétricos de potência pela influência de sua força.

A interferência eletromagnética pode ser irradiada (via ar), conduzida (via condutores), induzida(normalmente acima de 30MHz) ou a combinação delas.

A EMI pode ser gerada por centelhamento nas escovas de motores, chaveamento de circuitos de potência, em acionamentos de cargas indutivas e resistivas, acionamentos de relés, chaves, disjuntores, lâmpadas fluorescentes, aquecedores, ignições automotivas, descargas atmosféricas e mesmo as descargas eletrostáticas entre pessoas e equipamentos.

A convivência de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somadas à inadequação das instalações, contribuem com a emissão de EMI e com isto podemos ter problemas de compatibilidade eletromagnética em que o funcionamento de um equipamento pode afetar o outro. Esta “habilidade” de um equipamento funcionar satisfatoriamente sem interferir eletromagneticamente nos equipamentos próximos e ser imune à interferência externa de outros equipamentos e do ambiente recebe o nome de EMC.

O maior problema causado pela EMI são as situações esporádicas que degradam aos poucos os equipamentos e seus componentes. Entre os mais diversos problemas que podem ser gerados pela EMI em equipamentos eletrônicos figuram as falhas na comunicação entre dispositivos de uma rede de equipamentos e/ou sistemas microprocessados ou microcontrolados, alarmes gerados sem explicação, atuação em relés que não seguem uma lógica e sem haver comando para isto, queima de componentes e circuitos eletrônicos, etc. É muito comum, presença de ruídos na alimentação pelo mau aterramento e blindagem, ou mesmo erro de projeto.

A EMI é muito importante principalmente em sistemas digitais e analógicos com frequências de 30 a 300MHZ, ou seja, superiores a VHF. Vale lembrar que estamos falando de pulsos rápidos da ordem de nano segundo e qualquer condutor — como por exemplo a trilha de uma placa de circuito impresso ou algum cabo próximo com baixa impedância — passa a funcionar como uma antena, sem contar os efeitos por irradiação de sinais e acoplamentos parasitas. Em geral, em frequências elevadas, os condutores se aproximam ainda mais do comportamento de uma antena, o que nos ajuda a entender porque os problemas de emissão de EMI se agravam em redes que operam em altas velocidades, como, por exemplo, no sistema de gerenciamento de injeção eletrônica de um veículo.

Os principais fatores que influenciam a interferência EMI são:

– Tensão
– Frequência
– Aterramento
– Os componentes eletrônicos
– Circuitos impressos
– Desacoplamentos

Existem três caminhos de EMI entre a fonte e o dispositivo a ser influenciado (a vítima):

– Irradiação
– Condução
– Indução

A EMI irradiada se propaga a partir da fonte, através do espaço, para os demais dispositivos. A EMI conduzida viaja através de fios conectados à fonte e a vítima: o meio conduzido pode envolver qualquer cabo de alimentação, entrada de sinal e terminais de terra de proteção. Já a interferência por indução ocorre quando dois circuitos estão magneticamente acoplados.

A maioria das ocorrências de EMI se dá através de condução ou combinação de irradiação e condução, enquanto a EMI por indução é mais difícil de ocorrer.

As interferências estão também relacionadas com a frequência e com o comprimento de onda. As baixas frequências propagam muito facilmente por meios condutivos, mas não tão eficientemente pelo meio irradiado. Já as altas frequências se propagam com eficiência pelo ar (irradiado) e são bloqueadas pelas indutâncias do cabeamento.

As perturbações conduzidas normalmente estão na faixa de 10kHz a 30MHz e se classificam em:

Modo Comum. A interferência acontece entre as linhas de sinal e o terra. O ruído é provocado pela resistência existente e comum ao sinal e ao retorno. Os sinais de radiofrequência são fontes de ruído de modo comum. Este tipo de ruído é o maior dos problemas em cabos devido a impedância comum entre o sinal e seu retorno.

Modo Diferencial. A interferência acontece entre as linhas de sinal. As perturbações induzidas normalmente estão acima de 30MHZ e dependem das técnicas de aterramento, blindagem e da posição física em relação a fonte de indução.

Para minimizar os efeitos da interferência devemos nos preocupar com:

Aterramento

A dica é agrupar circuitos e equipamentos com características semelhantes de ruído e unir estes pontos em uma referência paralela.Um erro comum é o uso de terra de proteção como terra de sinal. Lembre-se que este terra é muito ruidoso e pode apresentar alta impedância. É interessante o uso de malhas de aterramento pois apresentam baixa impedância. Condutores comuns com altas frequências apresentam a desvantagem de terem alta impedância. Deve-se, também, evitar os loops de correntes. O sistema de aterramento deve ser visto como um circuito que favorece o fluxo de corrente sob a menor indutância possível.

Quando utilizar cabos multivias ou compartilhar o chicote dentro dos conduítes, não misturar sinais de várias fontes diferentes, sinais de pulso de bobina com sinais de sensores de pressão,temperatura ou ainda a alimentação de bomba elétrica por exemplo.

Splice

Deve-se evitar. Splice é qualquer parte da rede que tenha comprimento descontínuo de um meio condutor especificado, por exemplo, remoção de blindagem, troca do diâmetro do fio, conexão a terminais nus, etc.Quando possível utilizar filtros de linha, ferrites para cabo, supressores de transientes e etc.

O ideal seria utilizar cabos “manga” com capa de alumínio onde se tem a blindagem eletromagnética externa e interna. São praticamente imunes as correntes de Foucault devido à boa condutibilidade elétrica do alumínio.
Quando a interferência é irradiada, normalmente gerada pelos cabos das velas de ignição,recomendamos utilizar cabos do tipo “de supressão de RFI” que reduzem a emissão de interferência eletromagnética (RFI) dos mesmos. Estes cabos também são usados nos carros de rua para que o motor não afete o rádio ou sistemas eletrônicos do veículo. Alguns acham que estes tipos de cabos entregam menor potência ao motor. Na prática, a diferença é imperceptível, se é que existe. Estudos revelam que a intensidade de faísca em um cabo de supressão com resistência supressiva de 5 KΩ é só 5% a 15% menor do que um cabo de cobre sólido sem resistor.

Os cabos que vão da bateria para a bobina também geram ruído e são os geralmente menosprezados pelos usuários que buscam elevar o desempenho do veiculo. Embora a tensão seja muito baixa, estes cabos transportam uma corrente elevada que, além disso, é pulsante, o qual gera picos de interferência eletromagnéticas muito importantes.

Quando o usuário deseja uma faísca maior, seja com a utilização de um amplificador de faísca, seja com a utilização de cabos com menor resistência, é preciso analisar o sistema como um todo, sobretudo os componentes eletrônicos ao longo do caminho da centelha. Quanto mais potência no sistema elétrico mais ruído. Aumentar a blindagem dos componentes que sofreriam interferência, embora teoricamente o mais indicado, costuma ser inviabilizado pelo custo. Então a alternativa mais adequada é o correto dimensionamento potência X ruído, por um profissional, se componentes mais sensíveis, como por exemplo a injeção eletrônica, estão no caminho.

Só para citar um exemplo, os cabos SPATURBO são supressivos, ou seja, tem a resistência ao longo do cabo. Porém, foram projetados com resistência menor do que normalmente encontrada. Esta é uma característica de construção para transmitir às velas de ignição uma potência superior a dos cabo originais. São fabricados com 5 condutores internos, que proporcionam melhor transmissão da corrente, possuem revestimento 100% em silicone e 10,4mm de espessura, o que garante aumento de vida útil, maior resistência a altas temperaturas, excelente vedação, perfeita isolação elétrica e térmica, além de torná-lo extremamente flexível. Mas apesar de todas as vantagens de um cabo de alta performance, o coeficiente de baixa resistência irradia mais interferência que o sistema original. Contudo isto não constitui defeito, apenas uma característica, que pode afetar sistemas que não a previu, carentes de aterramentos eficientes ou mais sensíveis a interferências (EFI).

 

Cyro Augusto Schmidt
Engenheiro Eletrônico da SPA Turbo