Um sistema sobrealimentado, popularmente conhecido como “turbo”, utiliza um turbocompressor para otimizar o desempenho de motores de combustão interna. Este sistema é composto por duas partes principais: uma turbina e um compressor. Os gases quentes de escape do motor escoam pela turbina, gerando potência de eixo que, por sua vez, aciona o compressor.
Ao passar pelo compressor, o ar ambiente tem sua pressão aumentada, o que força uma maior quantidade de ar (e, consequentemente, oxigênio) para dentro dos cilindros do motor. Isso permite que mais combustível seja queimado, resultando em um aumento significativo da potência. Essa capacidade de gerar mais potência e eficiência a partir de motores menores é a principal motivação para a crescente e cada vez mais comum adoção de sistemas turbo em veículos modernos, tanto a gasolina quanto a diesel.
No entanto, a compressão do ar gera calor, causando sua expansão e redução de densidade. Para otimizar o desempenho e evitar problemas como a batida (detonação) em motores a gasolina (causada pela autoignição do combustível), um intercooler é essencial. Posicionado após o compressor, o intercooler atua como um trocador de calor, resfriando o ar comprimido quente com o ar ambiente frio antes que ele entre nos cilindros. Ao reduzir a temperatura do ar, o intercooler aumenta sua densidade, garantindo que uma maior quantidade de oxigênio seja entregue ao motor para uma combustão mais eficiente e uma produção de potência ainda maior.
Sistema sobrealimentado com um turbocompressor e intercooler (https://ldauto.net/pt/sobrealimentacao-e-o-turbocompressor)
Admitindo que em um turbocompressor, as vazões mássicas no compressor e na turbina são iguais e que tanto o compressor como a turbina são adiabáticos e reversíveis (sem atrito). O ar ambiente entra no compressor a T_{1}=27^{\circ} \mathrm{C} e p_{1}=100 \mathrm{kPa}, com uma vazão mássica de 0,1 \mathrm{~kg} / \mathrm{s}. Considerando que o motor de combustão interna funciona com base em um ciclo de Otto com uma razão de compressão de 8 e que para garantir um bom desempenho do motor, mas operando com segurança para evitar a batida do motor, sendo que a temperatura de autoignição da gasolina utilizada é de 360^{\circ} \mathrm{C}, a temperatura máxima permitida antes da centelha da vela ( T_{4} ) deve ser 10^{\circ} \mathrm{C} inferior. A pressão e temperatura máximas de cilindro são de 8 MPa e 1700 K . Após o processo de expansão os gases de exaustão deixam a turbina a 100 kPa . O ar ambiente de refrigeração entra no intercooler a 25^{\circ} \mathrm{C} e sai a 35^{\circ} \mathrm{C}. Admitindo que todos os processos de compressão e expansão sejam ideias, tratando os gases de exaustão como ar e considerando os calores específicos do ar como constantes a uma temperatura de 1000 K, determine:
a. A temperatura de entrada na turbina, T_{6}, \mathrm{em}^{\circ} \mathrm{C}.
b. A potência de eixo produzida na turbina, em kW .
c. A temperatura do ar na saída do compressor, T_{2}, \mathrm{em}^{\circ} \mathrm{C}.
d. A temperatura máxima do ar na saída do intercooler, T_{3}, \mathrm{em}^{\circ} \mathrm{C}, para evitar a batida do motor.
e. A potência líquida produzida pelo motor de combustão interna, em kW .
f. A vazão volumétrica mínima de ar ambiente necessária para evitar a batida do motor, em \mathrm{m}^{3} / \mathrm{s}.
g. Esboce os processos nos diagramas p-v e T-s, com indicação do sentido e dos estados.
h. Explique por que é possível melhorar a eficiência do motor com este sistema sobrealimentado.

Passo 1

  • O enunciado (e a figura) nos dão as seguintes informações numéricas e condições, que eu vou organizar e nomear os estados de forma clara para não nos perdermos:
    • Ar ambiente (entrada do compressor): \;T_{1}=27^\circ\mathrm{C}=300{\,}\mathrm{K},\; p_{1}=100{\,}\mathrm{kPa}.
    • Vazão mássica do ar que passa pelo compressor e pela turbina: \dot{m}=0{,}1{\,}\mathrm{kg/s}.
    • Compressor e turbina são adiabáticos e reversíveis (processos isentrópicos ideais).
    • Intercooler: ar de refrigeração entra a 25^\circ\mathrm{C} e sai a 35^\circ\mathrm{C} (isso indica que o ar resfria até um valor acima de 25^\circC; usaremos essa informação quando calcularmos a vazão volumétrica do ar de resfriamento).
    • Ciclo do motor: Otto ideal com razão de compressão \,r=8.
    • Temperatura de autoignição da gasolina: 360^\circ\mathrm{C}; a temperatura máxima permitida antes da centelha ( T_4 no enunciado) deve ser 10^\circ\mathrm{C} inferior a isso. Logo T_{4,\max}=360-10=350^\circ\mathrm{C}=623{\,}\mathrm{K}.
    • Temperatura máxima do cilindro (após combustão): T_{max}=1700{\,}\mathrm{K} e pressão máxima do cilindro: p_{max}=8{\,}\mathrm{MPa}.
    • Após expansão os gases de exaustão deixam a turbina a p=100{\,}\mathrm{kPa} (turbina saída).
  • Vou definir os estados usados na resolução (mapeamento consistente com o enunciado e com o ciclo Otto ideal):
    • Estado 1 (entrada do compressor): ar ambiente (T_1,p_1).
    • Estado 2 (saída do compressor, antes do intercooler): (T_{2,\text{comp}},p_{2}).
    • Estado 3 (saída do intercooler e admissão no cilindro): (T_{3},p_{3}). Aqui p_3 é a pressão do coletor de admissão (pressão de admissão no cilindro).
    • Estado 4 (final da compressão no cilindro, imediatamente antes da faísca / ignição): (T_{4},p_{4}). O enunciado chama esta temperatura de T_{4} e impõe T_{4}\le 623{\,}\mathrm{K}.
    • Estado 5 (após combustão – temperatura máxima do ciclo no volume constante): T_{5}=1700{\,}\mathrm{K} com pressão p_{5} (isto é o pico, e o enunciado diz que p_{5}=8{\,}\mathrm{MPa} como máximo).
    • Estado 6 (gases ao saírem do cilindro, entrando na turbina — temperatura na entrada da turbina que vamos chamar T_{6} e pressão p_{6}).
    • Estado 7 (saída da turbina): p_{7}=100{\,}\mathrm{kPa}.
  • Observações sobre relações úteis que serão usadas (sem ainda calcular):
    • Compressão e expansão isentrópicas: relações do tipo \;T_2 = T_1\,(p_2/p_1)^{(\gamma-1)/\gamma} e \;p_2 = p_1\,r^\gamma (quando a razão volumétrica é r).
    • No Otto ideal: compressão isentrópica 1→2, aquecimento a volume constante 2→3 (aqui 3 é o pico), expansão isentrópica 3→4, rejeição a volume constante 4→1.
  • Nada mais é resolvido aqui — apenas organizei os dados e defini os estados para não ficar confusão depois.

Passo 2

  • Primeiro preciso escolher valores dos calores específicos e da razão adiabática \gamma. O enunciado pede que tratemos os calores específicos do ar como constantes avaliados a 1000{\,}\mathrm{K}. Vou adotar valores típicos usados em problemas deste tipo:
    • Constante dos gases para o ar: \;R=287{\,}\mathrm{J/(kg\cdot K)}.
    • Calor específico a pressão constante (à \sim 1000\\ \mathrm{K} ): \;c_p=1147{\,}\mathrm{J/(kg\cdot K)}.
    • Então \;c_v=c_p-R=1147-287=860{\,}\mathrm{J/(kg\cdot K)}.
    • Razão adiabática \gamma=c_p/c_v=1147/860\approx1{,}333.
  • Por quê escolhi esses números? Em problemas de termodinâmica com temperaturas elevadas o c_p cresce com temperatura; um valor em torno de 1{,}14 1{,}15\\ \mathrm{kJ/kgK} para c_p a 1000 K e R=0{,}287\\ \mathrm{kJ/kgK} é padrão. Isso faz \gamma\approx 4/3, o que simplifica potências de r (veremos r^{\gamma-1}=r^{1/3} etc).
  • Vou também usar para o ar ambiente que circula no intercooler (o “fluido de resfriamento”) um c_{p,\text{frio}}\approx1005{\,}\mathrm{J/(kg\cdot K)} e densidade do ar ambiente obtida por \rho = p/(R T) com T=25^\circ\mathrm{C}=298{\,}\mathrm{K}.

Passo 3

  • No ciclo Otto ideal (compressão isentrópica de razão r) vale a relação de temperatura para compressão isentrópica: T_4 = T_3\,r^{\gamma-1}.Aqui eu expliquei os termos: T_3 é a temperatura na admissão (após intercooler), r é a razão de compressão do motor (dada) e \gamma é a razão de calores específicos.
  • No nosso caso \gamma-1=1{,}333-1=0{,}333 e \,r=8. Então r^{\gamma-1} = 8^{0{,}333} = 8^{1/3} = 2.(isto é, 8^{1/3}=2 porque 2^3=8). Portanto a compressão dobra a temperatura: T_4 = 2\,T_3.
  • Esse resultado facilita tudo: o máximo permitido para T_4 impõe um máximo para T_3.

Passo 4

  • Como o enunciado exige T_4 \le 623{\,}\mathrm{K} e T_4 = 2T_3, temos T_{3,\max} = \frac{T_{4,\max}}{2} = \frac{623{\,}\mathrm{K}}{2} = 311{,}5{\,}\mathrm{K}.
  • Em graus Celsius: T_{3,\max}=311{,}5-273{,}15 = 38{,}35^\circ\mathrm{C}\approx 38{,}4^\circ\mathrm{C}.
  • Comentário didático: isso quer dizer que, para a razão de compressão r=8 e \gamma adotado, a temperatura na admissão tem de ficar abaixo de \approx38{,}4^\circ\mathrm{C} para que após a compressão a temperatura não ultrapasse a segurança contra autoignição.

Passo 5

  • No ciclo Otto ideal:
    • Após compressão isentrópica: p_4 = p_3\,r^\gamma (onde agora p_3 é a pressão de admissão no cilindro e p_4 a pressão no fim da compressão: atenção ao índice, estou usando a notação do passo 1).
    • Na combustão (adição de calor a volume constante) a pressão máxima p_5 se relaciona por p_5 = p_4\cdot\frac{T_5}{T_4}.Aqui T_5=1700\\ \mathrm{K} (dado) e T_4 é a temperatura no fim da compressão (que já relacionámos com T_3).
  • Substituindo p_4=p_3 r^\gamma e rearranjando para achar p_3 (pressão de admissão): p_5 = p_3\,r^\gamma\cdot\frac{T_5}{T_4} \quad\Rightarrow\quad p_3 = \frac{p_5}{r^\gamma}\cdot\frac{T_4}{T_5}.
  • Usando números: r^\gamma = 8^{1{,}333} = 8^{4/3}=(8^{1/3})^4=2^4=16. Também T_4=623\\ \mathrm{K} (limite) e T_5=1700\\ \mathrm{K}. Assim p_3 = \frac{8{\,}\mathrm{MPa}}{16}\cdot\frac{623}{1700} =0{,}5{\,}\mathrm{MPa}\cdot\frac{623}{1700}.Calculando: \frac{623}{1700}\approx0{,}36647,\qquad 0{,}5\cdot0{,}36647=0{,}183235\\ \mathrm{MPa}=183{,}235\\ \mathrm{kPa}.
  • Conclusão: para que a pressão máxima do cilindro não exceda 8\\ \mathrm{MPa} (com T_5=1700\\ K e T_4=623\\ K) é necessário que a pressão de admissão seja p_3 \approx 183{,}2\\ \mathrm{kPa}.Isso significa que o compressor precisa elevar a pressão do ar ambiente de 100\\ \mathrm{kPa} até cerca de 183{,}2\\ \mathrm{kPa}.

Passo 6

  • Para um compressor isentrópico, a relação entre temperaturas e pressões é: T_{2} = T_{1}\,\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}.Aqui p_2 é a pressão de saída do compressor, que é a pressão de admissão p_3 que encontramos (assumiremos perdas desprezíveis no intercooler/linhas, então p_2=p_3).
  • Pressão de saída do compressor: \frac{p_2}{p_1} = \frac{183{,}235}{100} = 1{,}83235.
  • Exponente: (\gamma-1)/\gamma = 0{,}333/1{,}333 = 0{,}25.
  • Então T_{2} = 300{\,}\mathrm{K}\times (1{,}83235)^{0{,}25}.Calculemos numericamente: (1{,}83235)^{0{,}25} = \exp\!\left(0{,}25\ln(1{,}83235)\right)\approx 1{,}1637,
T_2 \approx 300\times1{,}1637 = 349{,}1\\ \mathrm{K}.
  • Em graus Celsius: T_2 = 349{,}1-273{,}15 = 75{,}95^\circ\mathrm{C}\approx 76{,}0^\circ\mathrm{C}.
  • Comentário didático: esse é o ar imediatamente após o compressor; o intercooler deverá retirar calor para baixar de 349{,}1\\ \mathrm{K} até T_3 (o valor admissível calculado no Passo 4).

Passo 7

  • Os gases que entram na turbina são os gases de escape após a expansão no cilindro até o volume de escape. No ciclo Otto ideal, após a combustão (estado 5 com T_5) segue-se expansão isentrópica até o volume inicial; a temperatura após a expansão (estado 6, que alimenta a turbina) é: T_6 = T_5\,r^{-(\gamma-1)}.
  • Como já vimos r^{\gamma-1}=2, então r^{-(\gamma-1)}=1/2. Assim T_6 = \frac{T_5}{2} = \frac{1700}{2} = 850\\ \mathrm{K}.
  • Em graus Celsius: T_6 = 850-273{,}15 = 576{,}85^\circ\mathrm{C}\approx 577{\,}^\circ\mathrm{C}.
  • Observação: esse é o valor pedido no item (a).

Passo 8

  • Para uma turbina isentrópica ideal, a potência extraída é a vazão mássica vezes c_p vezes a diferença de temperatura entre entrada e saída: \dot{W}_\text{turbina} = \dot{m}\,c_p\,(T_6 - T_7),onde T_7 é a temperatura de saída da turbina depois da expansão isentrópica de p_6 para p_7=100\\ \mathrm{kPa}.
  • Primeiro precisamos da pressão de entrada da turbina p_6. No ciclo Otto ideal temos (expansão isentrópica de 3→4) p_6 = p_4 = \frac{p_5}{r^\gamma}.Já calculámos r^\gamma=16 e p_5=8{\,}\mathrm{MPa}, então p_6 = \frac{8{\,}\mathrm{MPa}}{16} = 0{,}5{\,}\mathrm{MPa} = 500{\,}\mathrm{kPa}.
  • A expansão na turbina é de p_6=500\\ \mathrm{kPa} para p_7=100\\ \mathrm{kPa}. Para expansão isentrópica vale T_7 = T_6\left(\frac{p_7}{p_6}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}.O expoente é (\gamma-1)/\gamma=0{,}25. Assim \frac{p_7}{p_6}=\frac{100}{500}=0{,}2,\qquad \left(\frac{p_7}{p_6}\right)^{0{,}25}=0{,}2^{0{,}25}\approx0{,}6687.Logo T_7 \approx 850\\ \mathrm{K}\times0{,}6687 \approx 568{,}4\\ \mathrm{K}.
  • Agora a potência: \dot{W}_\text{turbina} = 0{,}1\cdot 1147\cdot (850-568{,}4)\\ \mathrm{W}.Calculando: \Delta T = 281{,}6\\ \mathrm{K},\quad 1147\cdot281{,}6\approx322\,995{,}2,
\dot{W}_\text{turbina}\approx 0{,}1\cdot322\,995{,}2\approx32\,299{,}5\\ \mathrm{W}\approx32{,}30\\ \mathrm{kW}.
  • Conclusão: a potência de eixo extraída pela turbina (ideal) é aproximadamente 32{,}3\\ \mathrm{kW}.

Passo 9

  • O trabalho ideal do compressor (isentrópico) por segundo é \dot{W}_\text{comp} = \dot{m}\,c_p\,(T_2 - T_1).Usando T_2\approx349{,}1\\ \mathrm{K} e T_1=300\\ \mathrm{K}, com c_p=1147\\ \mathrm{J/(kgK)}: \Delta T_\text{comp}=49{,}1\\ \mathrm{K},\qquad \dot{W}_\text{comp}=0{,}1\cdot1147\cdot49{,}1\approx0{,}1\cdot56\,343\approx5\,634{,}3\\ \mathrm{W}\approx5{,}63\\ \mathrm{kW}.
  • Comentário: a turbina gera cerca de 32{,}3\\ \mathrm{kW} e o compressor ideal consome cerca de 5{,}63\\ \mathrm{kW}; numa turbina real parte dessa energia gira o compressor e sobra possível excesso para acionar outros acessórios (ou simplesmente é excedente teórico no modelo ideal).

Passo 10

  • Para o ciclo Otto ideal (por kg de ar), o trabalho líquido por unidade de massa é w_\text{net} = c_v\,(T_5 - T_4) - c_v\,(T_2 - T_1) = c_v\,[ (T_5 - T_4) - (T_2 - T_1) ].(Esta expressão decorre de w_\text{net}=q_\text{in}-q_\text{out} com q=c_v\Delta T nas trocas a volume constante do Otto).
  • Aqui o ciclo (usando os nossos índices) tem:
    • T_1 = T_3 (admissão) = 311{,}5\\ \mathrm{K} (valor limite calculado no Passo 4),
    • T_2 = T_4\\ \text{(fim da compressão)}=623\\ \mathrm{K}ã,
    • T_3 = T_5 = 1700\\ \mathrm{K} (após combustão no volume constante),
    • e a expansão leva a T_4 (que chamámos T_6 para a turbina) igual a 850\\ \mathrm{K} — atenção aos índices, aqui uso a fórmula padronizada: T_5 (pico) e T_4 (após expansão). Para não confundir: a expressão acima é correta com as nossas temperaturas numéricas conforme substituição direta.
  • Vou usar diretamente os números obtidos: T_5=1700, T_4=850, T_2=623, T_1=311{,}5 (todas em K). Então w_\text{net} = c_v\big[(1700-850) - (623-311{,}5)\big] = c_v\big[850 - 311{,}5\big] = c_v\cdot538{,}5.Lembrando c_v=860\\ \mathrm{J/(kgK)}: w_\text{net}=860\cdot538{,}5\approx463\,110\\ \mathrm{J/kg}.
  • Potência (para a vazão mássica \dot{m}=0{,}1\\ \mathrm{kg/s}): \dot{W}_\text{motor} = \dot{m}\,w_\text{net} = 0{,}1\cdot463\,110\approx46\,311\\ \mathrm{W}\approx46{,}31\\ \mathrm{kW}.
  • Interpretação: este é o trabalho líquido por segundo fornecido pelo ciclo do motor (o chamado trabalho indicado líquido ideal por este modelo de Otto). Note que a turbina extrai energia dos gases de escape depois que o trabalho do pistão foi produzido; portanto, no modelo ideal, a potência indicada do motor calculada pelo ciclo Otto não é reduzida pela turbina (a turbina retira energia dos gases de escape que já passaram pela expansão no cilindro).

Passo 11

  • O enunciado pede a vazão volumétrica mínima de ar ambiente necessária para evitar a batida do motor. Interpretando a questão no contexto: o ar ambiente que refrigera o intercooler deve absorver o calor retirado do ar comprimido até T_{3,\max}. Nós calculamos quanto calor precisa ser removido do ar comprimido por segundo e, com isso, obtemos a vazão mássica do ar de resfriamento; dividindo pela densidade achamos a vazão volumétrica necessária.
  • Calor a ser removido por segundo do ar comprimido: \dot{Q} = \dot{m}_\text{ar} \, c_{p,\text{ar}} \, (T_2 - T_3),onde para este cálculo uso c_{p,\text{ar}} a temperatura média do ar (~300–350 K) — tomarei c_{p,\text{ar}} \approx 1005\\ \mathrm{J/(kgK)} (valor usual a temperatura ambiente).
  • Números: \dot{m}_\text{ar}=0{,}1\\ \mathrm{kg/s}, T_2\approx349{,}1\\ \mathrm{K}, T_3=311{,}5\\ \mathrm{K}. Então \dot{Q} = 0{,}1\cdot1005\cdot(349{,}1-311{,}5) = 0{,}1\cdot1005\cdot37{,}6\approx3776{,}4\\ \mathrm{W}.
  • Este calor é absorvido pelo ar de resfriamento que entra a 25^\circ\mathrm{C}=298\\ \mathrm{K} e sai a 35^\circ\mathrm{C}=308\\ \mathrm{K}. A variação de temperatura é 10\\ \mathrm{K}. Com c_{p,\text{frio}}=1005\\ \mathrm{J/(kgK)} a vazão mássica do ar de resfriamento necessária é: \dot{m}_\text{frio} = \frac{\dot{Q}}{c_{p,\text{frio}}\,(T_{\text{out}}-T_{\text{in}})} = \frac{3776{,}4}{1005\cdot10}\approx0{,}3757\\ \mathrm{kg/s}.
  • Densidade do ar a 25^\circ\mathrm{C}: \rho=\dfrac{p}{R T}=\dfrac{100000}{287\cdot298}\approx1{,}169\\ \mathrm{kg/m^3}.
  • Então a vazão volumétrica mínima: \dot{V}_\text{frio} = \frac{\dot{m}_\text{frio}}{\rho}\approx\frac{0{,}3757}{1{,}169}\approx0{,}3215\\ \mathrm{m^3/s}.
  • Arredondando: \dot{V}_\text{frio}\approx0{,}322\\ \mathrm{m^3/s}.

Passo 12

  • Vou descrever como desenhar cada diagrama e que pontos marcar (isto é o “esboço” solicitado):
    • Diagrama p\!-\!v (ciclo Otto sobrealimentado):
      1. Comece com um diagrama Otto usual: um ciclo fechado com quatro ramos numerados 1→2→3→4→1 (onde 1 é admissão, 2 fim da compressão, 3 fim da combustão, 4 fim da expansão).
      2. No ramo 1→2 (compressão isentrópica) o volume diminui de V_1 para V_1/r e a pressão aumenta; desenhe curva adiabática subindo (1 para 2).
      3. No ponto 2→3 (adição de calor a volume constante) desenhe uma linha vertical (volume constante) com grande salto de pressão até o ponto 3 (esta é a combustão).
      4. No ramo 3→4 (expansão isentrópica) desenhe uma curva adiabática descendo até o volume inicial V_1.
      5. Entre o ponto 4 e 1 desenhe a linha de rejeição de calor a volume constante fechando o ciclo.
      6. Indique que a admissão vem de um coletor pressurizado (ponto 1 tem pressão maior que 100 kPa porque há sobrepressão do compressor). Indique também que após o estado 4 os gases saem ao coletor de escape onde irão para a turbina.
      7. Coloque setas no sentido horário (no Otto usual o ciclo opera no sentido horário para produzir trabalho líquido positivo).
    • Diagrama T\!-\!s (temperatura vs entropia):
      1. Desenhe a isentrópica 1→2 como vertical (no ideal), indicando aumento de T sem aumento de s.
      2. Desenhe 2→3 como salto vertical de T a volume constante (a entropia aumenta porque é aquecimento irreversível do ponto de vista do sistema fechado).
      3. Desenhe a expansão isentrópica 3→4 como outra linha vertical para a esquerda (diminuindo T sem mudar s).
      4. Finalmente 4→1 é rejeição de calor a volume constante, com decaimento de T e aumento de s negativo de modo a fechar o ciclo.
      5. Adicione no T\!-\!s a temperatura de entrada da turbina ( T_6) coincidindo com T_4 do ciclo Otto (após expansão interna) e mostre a expansão adicional na turbina (de p_6 a p_7) como um ramo isentrópico adicional no diagrama T\!-\!s dos gases de escape (de T_6 até T_7, vertical para baixo se ideal).
  • Observação prática: ao desenhar, rotule bem os pontos conforme meus estados 1…7 e marque o sentido do ciclo (setas). No p\!-\!v mostre explicitamente que a pressão de admissão está acima de 100 kPa por sobrealimentação e que a saída da turbina cai até 100\\ \mathrm{kPa}.

Passo 13

  • Explicação didática e direta, sem jargões excessivos:
    • A sobrealimentação (turbo) aumenta a massa de ar admitida por ciclo: o compressor pressuriza o ar de admissão, de modo que para o mesmo volume do cilindro entra mais massa de ar (mais oxigênio). Com mais oxigênio pode-se queimar mais combustível no mesmo deslocamento volumétrico, aumentando a potência específica (mais potência por litro do motor).
    • Se o intercooler é usado (como aqui), o ar comprimido é resfriado antes da admissão, aumentando ainda mais sua densidade e reduzindo o risco de autoignição (batida). Ar mais frio e denso → mais oxigênio por cilindro.
    • Em termos termodinâmicos, a sobrealimentação permite aumentar a quantidade de energia útil aproveitável no ciclo sem aumentar proporcionalmente as perdas: o trabalho de compressão é parcialmente fornecido pela turbina que recupera energia dos gases de escape, melhorando o balanço energético do sistema.
    • Além disso, motores menores e sobrealimentados podem operar em pontos de maior eficiência (menor perda por atrito relativo), reduzindo consumo específico de combustível para a mesma potência (downsizing).
    • Em resumo: aumento da massa de ar e recuperação energética dos gases de escape (turbina) elevam a potência e podem melhorar a eficiência térmica e o rendimento volumétrico, especialmente quando combinado com intercooling para controlar temperatura de admissão.

Resposta

(a) T_{6}=850{\,}\mathrm{K}=576{,}9^\circ\mathrm{C} (aprox. 577^\circ\mathrm{C}).
(b) \dot{W}_\text{turbina}\approx32{,}30\\ \mathrm{kW}.
(c) T_{2}=349{,}1\\ \mathrm{K}=76{,}0^\circ\mathrm{C}.
(d) T_{3,\max}=311{,}5\\ \mathrm{K}=38{,}35^\circ\mathrm{C}.
(e) Potência líquida do motor (ciclo Otto ideal, \dot{m}=0{,}1\\ \mathrm{kg/s}): \dot{W}_\text{motor}\approx46{,}31\\ \mathrm{kW}.
(f) Vazão volumétrica mínima do ar ambiente para o intercooler: \dot{V}\approx0{,}322\\ \mathrm{m^3/s}.
(g) Esboço: no p\!-\!v desenhar o ciclo Otto 1→2 (compressão isentrópica), 2→3 (adição de calor a V constante), 3→4 (expansão isentrópica), 4→1 (rejeição a V constante); indicar que a admissão (1) está à pressão aumentada ( \approx183{,}2\\ \mathrm{kPa}). No T\!-\!s desenhar 1→2 e 3→4 como isentrópicas verticais, 2→3 e 4→1 como saltos verticais (V constante); indicar T_6 (entrada da turbina) igual à temperatura após expansão no cilindro e mostrar expansão isentrópica da turbina 6→7 até p_7=100\\ \mathrm{kPa}. Indicar sentido do ciclo (horário) e rotular estados.
(h) A sobrealimentação melhora potência e eficiência porque aumenta a massa de ar admitida (mais oxigênio → mais combustível queimado por ciclo), permite recuperar energia dos gases de escape com a turbina (reduzindo a penalidade de comprimir o ar) e, com intercooler, reduz a temperatura de admissão aumentando densidade e evitando batida — em conjunto isso permite maior potência específica e possibilidade de “downsizing” do motor com melhor rendimento.

Exercícios relacionados