Como funciona o turbocompressor

Quando as pessoas conversam sobre carros de corrida ou carros esportivos de alta performance, normalmente se fala em turbocompressores. Eles aparecem também em motores a diesel de grande porte. Um turbo pode aumentar significativamente o cavalo de força de um motor sem aumentar muito seu peso e é isso que os torna tão populares.

Neste artigo, aprenderemos como um turbocompressor amplia a potência produzida por um motor, ao mesmo tempo em que suporta condições extremas de funcionamento. Veremos também como a válvula de descarga, as lâminas de turbina em cerâmica e os rolamentos auxiliam 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 (veja Como funcionam os motores de carros para uma descrição da corrente de ar em um motor normal). A vantagem da compressão do ar é que isso permite ao motor comprimir 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. Geralmentem, um motor turbocomprimido produz mais potência do que o mesmo motor sem compressão. Isso pode melhorar significativamente a relação peso/potência do motor.

Para atingir essa explosão, o turbocompressor utiliza o fluxo de exaustão do motor para girar a turbina, que, por sua vez, gira uma bomba de ar. 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 tempeturas 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 os cilindros existentes maiores. Porém, algumas vezes, essas alterações não são possíveis. Um turbo pode ser uma forma mais simples e compacta de adicionar potência, especialmente para acessórios de reposição.

Turbocompressores permitem que um motor queime mais ar e combustível pelo acondicionamento de ar e combustível em maior quantidade dentro dos cilindros existentes. A impulsão fornecida por um turbocompressor é de 6 a 8 libras por polegada quadrada (psi). Como a pressão atmosférica normal é de 14,7 psi ao nível do mar, percebe-se um ganho de 50% de ar no motor. Com isso, espera-se um ganho de 50% na potência mas, por não ser perfeitamente eficiente, deve-se obter uma melhora 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 exaustão aumenta a restrição no escapamento. Isso significa que, no curso de exaustão, o motor tem que empurrar uma pressão contrária. Isso diminui um pouco da potência dos cilindros que estão em ignição ao mesmo tempo.

Altitudes elevadas
Um turbocompressor ajuda em altitudes elevadas, onde o ar é menos denso. Motores normais têm redução 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 taxa de combustível para equilibrar a corrente de ar crescente 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 explosão é adicionado a um 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 exaustão do motor. A exaustão dos cilindros gira a turbina, que funciona como um motor de turbina a gás. A turbina é conectada por um eixo ao compressor localizado entre o filtro de ar e o coletor de admissão. O compressor pressuriza o ar que vai até os pistões.

A exaustão dos cilindros passa pelas lâminas da turbina, fazendo com que a turbina gire. Quanto mais exaustão passa pelas lâminas, mais elas giram.

Do outro lado do eixo ao qual a turbina está conectada, o compressor bombeia ar para dentro dos cilindros. O compressor é um tipo de bomba centrífuga que direciona o ar para dentro no centro de suas lâminas e para fora à medida que gira.

Para agüentar velocidades de até 150 mil rpm, o eixo da turbina tem que estar cuidadosamente sustentado. A maioria dos mancais explodiria a velocidades como essa, portanto, a maioria dos turbocompressores utiliza um mancal de fluidos. Esse tipo de mancal suporta o eixo em uma fina camada de óleo que é constantemente bombeada em torno do eixo. Isso serve a dois propósitos: resfria o eixo e algumas das outras peças do turbocompressor e permite que o eixo gire sem muito atrito.

Existem muitas trocas envolvidas no projeto de um turbocompressor para motor. Na próxima seção, veremos alguns desses acordos e como eles afetam a performance do carro.

Considerações de projeto

Um dos principais problemas com turbocompressores é que eles não fornecem uma explosão de potência imediata quando você acelera. Leva um segundo para que a turbina alcance a velocidade antes da explosão ser produzida. O resultado é uma sensação de ausência entre a aceleração e o início do turbo.

Uma maneira de reduzir o turbo lag (tempo de resposta que um turbo compressor ou uma turbina requer entre o comando para aumento de potência e seu efetivo aumento) é reduzir o atrito das partes rotatórias, principalmente pela redução do seu peso. Isso permite que a turbina e o compressor acelerem rapidamente e inciem o fornecimento de impulsão mais cedo. Uma maneira garantida de se reduzir o atrito da turbina e do compressor é diminuir o tamanho do turbocompressor. Um turbocompressor pequeno irá fornecer impulsão mais rapidamente a velocidades mais baixas, mas pode não ser capaz de fornecer muita impulsão em velocidades mais altas quando um volume realmente grande de ar estiver entrando por ele. Ele também corre o risco de girar muito depressa em velocidades mais altas, quando muita exaustão passa pela turbina.

Um turbocompressor pode fornecer muita explosão a velocidades altas do motor, mas pode ter um turbo lag ruim devido ao tempo que leva para acelerar turbina e compressor mais pesados. Felizmente, há alguns truques usados para superar esses desafios.

A maioria dos turbocompressores automotivos possui uma válvula de descarga, o que permite a utilização de um turbocompressor normal para reduzir o atraso, ao mesmo tempo em que o previne de rotacionar muito rapidamente em velocidades altas do motor. A válvula de descarga permite que a exaustão ultrapasse as lâminas da turbina. A válvula de descarga percebe a pressão da explosão. Se a pressão ficar muito elevada, isso pode indicar que a turbina está girando muito rapidamente, então a válvula de descarga desvia parte da exaustão ao redor das lâminas da turbina, permitindo que elas diminuam a velocidade.

Alguns turbocompressores utilizam rolamentos ao invés de mancais de fluido para suportar o eixo da turbina, mas eles não são rolamentos normais, são mancais super precisos feitos de materiais avançados para agüentar as velocidades e as temperaturas do turbocompressor. Eles permitem que o eixo da turbina gire com menos atrito que os mancais de fluido utilizados na maioria dos turbocompressores. Eles permitem também que um eixo ligeiramente menor e mais leve seja utilizado. Isso ajuda o turbocompressor a acelerar mais rapidamente, reduzindo o turbo lag.

As lâminas da turbina em cerâmica são mais leves do que as lâminas de aço utilizadas na maioria dos turbocompressores. Mais uma vez, isso permite que a turbina rotacione mais para aumentar sua velocidade mais rapidamente, o que diminui o turbo lag.

Alguns motores utilizam dois turbocompressores de diferentes tamanhos. O menor rotaciona mais para ganhar velocidade mais rapidamente, reduzindo o atraso, enquanto o maior assume velocidades mais altas do motor para fornecer maior explosão.

Quando o ar é comprimido, ele esquenta e quando esquenta, ele se expande. Assim, parte do aumento da pressão de 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 do intercooler. O ar de admissão passa através de passagens seladas no interior da ventoinha, enquanto o ar mais frio da parte externa é soprado através de quilhas pela ventoinha 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 psi, o sistema com intercooler irá inserir 7 psi de ar, que é mais denso e contém mais moléculas do que o ar mais quente.