Quando as pessoas conversam sobre carros de corrida ou carros esportivos de alto desempenho, normalmente falam em turbocompressores. Eles aparecem também em motores a diesel de pequeno, médio e grande porte. Um turbo pode aumentar significativamente a potência de um motor sem elevar muito seu peso, e é isso que os torna tão populares.
Neste artigo, aprenderemos como um turbocompressor aumenta a potência produzida por um motor, ao mesmo tempo em que suporta condições extremas de funcionamento. Veremos também como a válvula de alívio, as palhetas de turbina de cerâmica e os
mancais ajudam os turbocompressores a desempenhar sua função de forma ainda mais eficiente.
Turbocompressores são um tipo de
sistema de indução forçada. Eles
comprimem o ar que entra no motor . A vantagem da compressão do ar é que isso permite ao motor receber mais ar dentro de um cilindro - e mais ar significa que mais combustível pode ser adicionado. Obtém-se, portanto, mais potência das explosões em cada cilindro. Um motor turbocomprimido produz mais potência do que o mesmo motor sem o dispositivo. Isso pode melhorar significativamente a relação peso/potência do motor.
Para conseguir essa compressão do ar, o turbocompressor utiliza o fluxo dos gases de escapamento do motor para girar uma
turbina, que, por sua vez, gira um
compressor. A turbina no turbocompressor gira a velocidades de até 150 mil rotações por minuto (rpm), aproximadamente 30 vezes mais rápido do que a maioria dos motores de automóveis, e, como está ligada ao escapamento, as temperaturas dentro dela também são bem elevadas.
Princípios básicos
Uma das maneiras mais garantidas de se obter mais potência de um motor é aumentar a quantidade de ar e de combustível que ele pode queimar. Uma forma de se fazer isso é adicionando cilindros ou tornando maiores os cilindros existentes. Porém, algumas vezes, essas alterações não são possíveis. Um turbo pode ser uma forma mais simples e compacta de adicionar potência, especialmente como acessório vendido em lojas ou oficinas de preparação de motores.
Turbocompressores permitem que um motor queime mais ar e combustível ao colocá-los em maior quantidade dentro dos cilindros existentes. A pressão de superalimentação típica fornecida por um turbocompressor é de 6 a 8 libras por polegada quadrada (lb/pol
2). Como a pressão atmosférica normal é de 14,7 lb/pol
2 ao nível do mar, o turbo coloca 50% mais ar no motor. Com isso, espera-se um ganho de 50% na potência do motor mas, por não haver eficiência na mesma proporção, é normal atingier um ganho
de 30% a 40%.
Uma causa da
ineficiência vem do fato de que a potência para girar a turbina não é livre. Ter uma turbina no fluxo de escapamento aumenta a restrição de saída dos gases queimados. Isso significa que, no curso de escapamento, o motor tem que empurrar uma contrapressão. Isso faz diminuir um pouco a potência.
Altitudes elevadas
Um turbocompressor ajuda em
altitudes elevadas, onde o ar é menos denso. Motores normais têm perda de potência em altitudes elevadas, pois, para cada curso do pistão, o motor recebe uma massa de ar menor. Um motor turbocomprimido pode ter também redução de potência, mas a redução é menos problemática, já que o ar mais fino é mais fácil de ser bombeado pelo tubocompressor.
Carros mais velhos, com
carburadores, aumentam automaticamente a vazão de combustível para se ajustar ao maior fluxo de ar que entra nos cilindros. Carros modernos com
injeção de combustível também fazem isso até um certo ponto. O sistema de injeção depende dos sensores de oxigênio no escapamento para determinar se a relação ar-combustível está correta, de forma que esses sistemas aumentarão a quantidade de fluxo de combustível automaticamente se um turbo for adicionado.
Se um turbocompressor com muita pressão é instalado num carro com injeção de combustível, o sistema pode não fornecer combustível suficiente. Dessa maneira, ou o software programado no controlador não permite que isso ocorra, ou a bomba e os injetores não são capazes de fornecê-lo. Nesse caso, outras modificações terão que ser feitas para se conseguir o máximo benefício do turbocompressor.
Como funciona
O turbocompressor é parafusado ao coletor de escapamento do motor. O fluxo dos gases queimados que sai dos cilindros gira a turbina, que funciona como um motor de turbina a gás. A turbina é conectada por uma árvore ao compressor localizado entre o filtro de ar e o coletor de admissão. O compressor pressuriza o ar que vai para os cilindros.
Os gases de escapamento, ao deixar os cilindros, passam pelas
palhetas da turbina, fazendo-a girar. Quanto mais gases passam pelas palhetas, mais rapidamente elas giram.
Do outro lado da árvore à qual a turbina está conectada, o
compressor bombeia ar para dentro dos cilindros. O compressor é um tipo de bomba centrífuga que suga o ar para dentro no centro de suas palhetas e lança-as para fora à medida que gira.
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| Imagens cedidas pela Garret |
Para agüentar velocidades de até 150 mil rpm, a árvore da turbina tem que estar cuidadosamente sustentada. A maioria dos rolamentos explodiria a velocidades como essa, portanto, a maioria dos turbocompressores utiliza um
mancal fluido. Esse tipo de mancal mantém a árvore em uma fina camada de óleo que é constantemente bombeada em torno dela. Isso serve a dois propósitos: resfria a árvore e algumas das outras peças do turbocompressor e permite que o eixo gire sem muito atrito.Existem muitos compromissos envolvidos no projeto de um turbocompressor para motor.
O projeto
Um dos principais problemas com turbocompressores é que eles não propiciam aumento imediato de potência quando o motorista acelera. Leva um segundo para que a turbina alcance a velocidade antes da pressão da alimentação ser produzida. O resultado é uma sensação de hesitação (chamada de turbo lag em inglês) entre a aceleração e o início do efeito do turbo.
Uma maneira de reduzir a hesitação é reduzir a inércia das partes rotativas, principalmente pela redução do seu peso. Isso permite que a turbina e o compressor acelerem rapidamente e iniciem o fornecimento de pressão adicional mais cedo. Uma maneira garantida de se reduzir a inércia da turbina e do compressor é diminuir o tamanho do turbocompressor. Um turbocompressor pequeno irá fornecer pressão mais rapidamente e em rotações mais baixas, mas pode não ser capaz de fornecer muita pressão em rotações mais altas, quando um volume realmente grande de ar estiver requerido pelo motor. Ele também corre o risco de girar muito rápido em rotações mais altas, quando muitos gases do escapamento passam pela turbina.
Um turbocompressor pode fornecer muita pressão em rotações altas do motor, mas pode ter uma hesitação acentuada devido ao tempo que a turbina e compressor mais pesados levam para acelerar. Felizmente, há alguns truques usados para superar esses desafios.
A maioria dos turbocompressores automotivos tem uma
válvula de alívio, o que permite a utilização de um turbocompressor menor para reduzir a hesitação, ao mesmo tempo em que o impede de girar muito rapidamente em rotações altas do motor. A válvula de alívio permite que os gases de escapamento sejam desviados das palhetas da turbina. A válvula de alívio percebe a pressão da alimentação. Se a pressão ficar muito elevada, isso pode indicar que a turbina está girando muito rapidamente, com o que a válvula de alívio desvia parte dos gases que estão ao redor das palhetas da turbina, enviando-a para a atmosfera, fazendo com que elas diminuam a rotação.
Alguns turbocompressores utilizam
rolamentos de esferas em vez de mancais fluidos para sustentar a árvore da turbina, mas eles não são
rolamentos normais, são do tipo superprecisos, feitos de materiais avançados para agüentar as rotações e as temperaturas do turbocompressor. Eles permitem que a árvore da turbina gire com menos atrito que os mancais fluidos utilizados na maioria dos casos. Eles permitem também que uma árvore ligeiramente menor e mais leve seja utilizada. Isso ajuda o turbocompressor a acelerar mais rapidamente, reduzindo a hesitação.
As
palhetas da turbina em cerâmica são mais leves do que as palhetas de aço utilizadas na maioria dos turbocompressores. Mais uma vez, isso permite que a turbina aumente sua rotação mais rapidamente, o que diminui a hesitação.
Alguns motores utilizam
dois turbocompressores de tamanhos diferentes. O menor ganha rotação mais rapidamente, reduzindo a hesitação, enquanto o maior assume nas rotações mais altas do motor para fornecer maior pressão.
Quando o ar é comprimido, ele esquenta - e quando isso acontece, ele se expande. Assim, parte do aumento da pressão produzida por um turbocompressor é o resultado do aquecimento do ar antes de entrar no motor. Para aumentar a potência do motor, devem-se inserir mais moléculas de ar no cilindro, não necessariamente mais pressão de ar.
Um
intercooler ou
resfriador do ar de admissão é um componente adicional que se parece com um radiador, exceto pelo fato de que o ar passa tanto pelo interior quanto pelo exterior da peça. Por isso é chamado de radiador ar-ar. O ar de admissão passa através de passagens seladas no interior do radiador, enquanto o ar mais frio da parte externa é soprado através de aletas pelo
ventilador de arrefecimento do motor.
O
intercooler aumenta ainda mais a potência do motor, resfriando o ar pressurizado proveniente do compressor antes que ele entre no motor. Isso significa que se o turbocompressor estiver operando a uma pressão de 7 lb/pol
2, o sistema com intercooler irá inserir 7 lb/pol
2 de ar, que é mais denso e contém mais moléculas do que o ar aquecido.
