Um motor a gasolina libera energia ao queimar combustível, e o combustível precisa de oxigênio para queimar. Num motor normal, o pistão puxa o ar a aproximadamente a pressão atmosférica, então a quantidade de ar por tempo é limitada pelo tamanho do cilindro. Um turbocompressor ou um supercompressor é um compressor que empurra o ar a uma pressão mais alta, então o mesmo cilindro comporta mais ar. Os números abaixo são física de livro-texto, não medições de dinamômetro de nenhum carro real.
Mais ar, mais combustível, mais potência
A mistura que um motor a gasolina precisa é definida pela química: cerca de 14.7 kg de ar para cada 1 kg de gasolina numa queima completa (a razão estequiométrica). Fixada essa razão, o combustível que você consegue queimar é proporcional à massa de ar que cabe no cilindro. A potência é aproximadamente proporcional ao combustível queimado, então dobrar a massa de ar permite queimar cerca de duas vezes mais combustível. Na prática o ganho é um pouco menor, mas é a massa de ar que decide.
A massa de ar é densidade vezes volume. O volume do cilindro é fixo, então a única forma de aumentar a massa é aumentar a densidade. É só isso que a sobrealimentação faz.
O boost é pressão manométrica
Um manômetro de boost mede a pressão acima do ar ao redor, chamada pressão manométrica. O motor se importa com a pressão absoluta, que é a leitura do manômetro mais a pressão atmosférica. Ao nível do mar, a pressão atmosférica padrão é 1.013 bar (cerca de 14.7 psi). Então, com 1 bar de boost:
pressão absoluta = 1.013 + 1 = 2.013 bar
A razão é 2.013 ÷ 1.013 = 1.987, então 1 bar de boost quase exatamente dobra a pressão. Meio bar dá 1.513 ÷ 1.013 = 1.49 vezes, e 1.5 bar dá 2.513 ÷ 1.013 = 2.48 vezes.
Densidade, e por que o calor a estraga
Para o ar tratado como gás ideal, P = ρ × R × T, então a densidade é ρ = P ÷ (R × T), com T em kelvin e R = 287 J/(kg·K) para o ar. A 20 °C (293.15 K) e 1.013 bar, a densidade é 101,300 ÷ (287.05 × 293.15) = 1.204 kg/m³, ou 1.204 g por litro.
Só a pressão dobraria isso. Mas comprimir um gás o aquece. Para um compressor ideal sem perda de calor, a temperatura de saída é T₂ = T₁ × (P₂ ÷ P₁)^0.2857, em que 0.2857 é (γ − 1) ÷ γ para o ar com γ = 1.4. Usando a razão de pressão de 1.987:
- 1.987^0.2857 = 1.217
- T₂ = 293.15 × 1.217 = 356.7 K, que é 83.5 °C
Esse é o melhor caso. Compressores reais esquentam mais. Ar quente é menos denso. A densidade agora é de 2.013 bar a 356.7 K, que é 1.987 × (293.15 ÷ 356.7) = 1.633 vezes a original, e não 1.987 vezes. O calor custou 18% da densidade que você pagou.
Um intercooler é um radiador para o ar comprimido. Suponha que ele resfrie a carga para 40 °C (313.15 K). A densidade fica então em 1.987 × (293.15 ÷ 313.15) = 1.860 vezes a original, que é 14% a mais que os 1.633 sem resfriamento (1.860 ÷ 1.633 = 1.139).
Por litro de cilindro, isso dá 1.204 g de ar sem boost e 1.204 × 1.860 = 2.24 g com intercooler. Com 14.7 para 1, o combustível que acompanha é 0.082 g contra 0.152 g. São números ideais, com um cilindro que enche por completo.
Turbocompressor: acionado pelo escape
Um turbocompressor coloca uma turbina no fluxo de escape. O gás quente a faz girar, e um eixo a liga ao compressor no lado de admissão. Não há ligação mecânica com o virabrequim.
A desvantagem é que ele responde ao fluxo de escape. Em baixas rotações e com pouco acelerador há pouco gás para girar a turbina, então pouco boost se forma. A rotação do motor em que o boost útil aparece é o limiar de boost. Depois de uma abertura brusca do acelerador, a turbina e o compressor precisam acelerar, e o fluxo de gás precisa crescer, antes que a pressão suba. O atraso é o turbo lag. Uma wastegate deixa o escape desviar da turbina quando a pressão-alvo é atingida, o que impede o boost de continuar subindo conforme o fluxo de escape aumenta.
Supercompressor: acionado por correia
Um supercompressor é acionado pelo virabrequim, geralmente por correia. Sua velocidade acompanha a do motor, então o boost está disponível quase desde a marcha lenta e responde no instante em que o acelerador abre.
O preço é a perda parasita: o compressor retira sua potência do virabrequim. O trabalho mínimo para comprimir o ar é cp × T₁ × (razão^0.2857 − 1) por quilograma, com cp = 1,005 J/(kg·K). Isso dá 1,005 × 293.15 × 0.2168 = 63.9 kJ/kg. Para um fluxo de ar assumido de 0.1 kg/s, são 6.4 kW, ou 8.6 hp, no mínimo; um compressor real precisa de mais. Um turbo precisa do mesmo trabalho de compressão, mas o retira do escape, ao custo de alguma contrapressão.
Os dois fazem o mesmo trabalho: elevam a pressão absoluta do ar de admissão. O turbo tira sua energia do escape e chega junto com a rotação. O supercompressor a tira do virabrequim e entra em ação de imediato. Resfriar a carga depois é o que mantém a densidade que você pagou.
O que observar num gráfico de dinamômetro
Um motor com supercompressor costuma mostrar torque forte em baixa rotação, enquanto o torque de um motor turbo sobe conforme o boost aumenta. A fórmula de a publicação sobre o gráfico do dinamômetro, hp = torque × rpm ÷ 5,252, continua valendo. A relação de marchas então decide o quanto você aproveita a curva; veja post sobre relações de marcha.
No jogo
Pink Slip Kings lista o boost entre as configurações que você pode ajustar no tuning, e um dinamômetro para comparar potência e torque. A ficha do jogo na Google Play não descreve turbocompressores, supercompressores ou intercoolers, então a física aqui é contexto do mundo real, não uma descrição de como o jogo os modela. O jogo está em teste fechado.
Pink Slip Kings: Arrancada é um jogo de arrancada 3D com controles manuais de largada e troca de marchas, ajuste detalhado das relações de marcha, da relação final, do boost e da rotação de largada, um dinamômetro, telemetria e comprovantes de tempo de arrancada. Funciona offline, sem anúncios e sem compras no app, e o dinheiro e os carros do jogo não podem ser comprados nem trocados por dinheiro real. O jogo está atualmente em teste fechado.