Motores Turbocomprimidos Explicados: Factos Essenciais e Inovações

Já ouviu falar do dispositivo de alta potência em motores de combustão interna? O segredo é o turbocompressor, também conhecido como turbo, inventado no início do século XX pelo engenheiro suíço Alfred Büchi, que apresentou um protótipo para aumentar a potência de motores diesel.

Hoje, a turbocompressão é standard na maioria dos motores a gasolina e diesel. A investigação continua para melhorar designs para melhor performance a menor custo. Embora vibrações e desempenho de rolamentos sejam fatores de falha, a análise rotodinâmica deveria ser parte importante do design.

Num motor, a potência é produzida na câmara de combustão com a mistura ar/combustível. Após a compressão, a mistura é libertada como gases de escape — resíduos que causam poluição. Mas o turbocompressor aproveita essa energia para fazer o motor girar mais rápido.

Abordaremos definição, funções, aplicações, componentes, história, diagramas, tipos, princípio de funcionamento, vantagens e desvantagens do turbocompressor.

Definição de Turbocompressor

Um turbocompressor é um dispositivo de indução forçada acionado por turbina, que aumenta a eficiência e potência de motores de combustão interna forçando ar comprimido extra para a câmara de combustão. Esta indução de ar quente funciona porque o compressor pode forçar mais ar e, proporcionalmente, mais combustível na câmara do que a pressão atmosférica normal.

Originalmente chamados turbossupercarregadores, pois todos os dispositivos de indução forçada são classificados como supercarregadores. Um supercarregador é termo para dispositivo de indução forçada acionado mecanicamente.

A diferença: o turbocompressor é acionado por turbina movida a gases de escape do motor. O supercarregador é acionado mecanicamente pelo virabrequim, geralmente por correia. Turbocompressores são mais eficientes, mas menos responsivos. Twin-charger refere-se a motor com ambos.

História

Crédito a Alfred J. Büchi (1879–1932), engenheiro automotivo na Gebruder Sulzer Engine Company, Winterthur, Suíça. Projeto desenvolvido antes da I Guerra Mundial, patenteado na Alemanha em 1905. Continuou aperfeiçoando até à morte, quatro décadas depois.

Outros engenheiros merecem crédito: Sir Dugald Clark (1854–1932), inventor escocês do motor de dois tempos, experimentou separar compressão e expansão em dois cilindros separados — funcionava como superalimentação. Louis Renault, Gottlieb Daimler e Lee Chadwick também contribuíram para sistemas de superalimentação.

Funções do Turbocompressor

• Fornece potência extra sem aumentar a cilindrada.
• Faz o motor girar mais rápido sem aumentar a taxa de queima de combustível.
• Aproveita o dióxido de carbono (gases de escape) em vez de causar poluição.

Aplicações do Turbocompressor

Usado em motores automotivos: caminhões, carros, trens, aeronaves, equipamentos de construção. Motores modernos de ciclo Otto e diesel apresentam turbocompressores.

Carros a Gasolina e Diesel:

Comuns para aumentar potência para dada cilindrada. Aumentam eficiência, permitindo motor de menor cilindrada. Perdem ~10% de peso e poupam até 30% de combustível mantendo a mesma potência máxima. Primeiro carro de passageiros turbo: Oldsmobile Jetfire (V8 alumínio 215 cu in) e Chevrolet Corvair Monza Spyder (boxer 6 cilindros arrefecido a ar). Diesel: Garrett-turbo Mercedes 1978.

Camiões:

Motores diesel de camiões usam turbocompressão desde 1938 pelos mesmos benefícios.

Aeronaves:

Ao longo dos anos, o turbocompressor aumentou a eficiência de aviões.

Motociclos:

Empresas japonesas produziram motos turbo de alta performance desde início dos anos 80. Poucas motos turbo existem hoje devido à abundância de motores de maior cilindrada naturalmente aspirados que oferecem binário e potência de motores menores com turbo, mas com entrega de potência mais linear.

Componentes do Turbocompressor

• Cartuchos (núcleos totalmente montados e balanceados)
• Atuadores a vácuo e pneumáticos
• Atuadores eletrónicos (servo-elétricos)
• Corpos do compressor (secção fria)
• Kits de reparação (peças para reparação menor rápida)
• Rodas do compressor
• Eixos e rodas (eixos com roda da turbina, rotores)
• Corpos do anel de bicos (caixas para controlo de geometria VNT)
• Corpos de mancais (caixas do cartucho, núcleos do turbo)
• Placas traseiras (placas do núcleo do lado do compressor)
• Anéis de bicos VNT (anéis com bicos para VNT, nós de controlo geometria)
• Escudos térmicos (núcleo do turbo)
• Kits de juntas
• Sensores de atuador (sensores de pressão, posição)
• Juntas VNT (juntas internas para VNT)
• Corpos da turbina (secção quente)
• Peças de atuador eletrónico (motores, eixos, engrenagens de servo-acionamentos)

Tipos de Turbocompressores

Turbo Simples (Single Turbo)

O mais simples, comum e barato. Variabilidade ilimitada; turbo menor fornece melhor resposta em baixo regime (spool rápido). Rolamentos de esferas e de agulhas reduzem atrito. Benefícios: motores menores podem ter turbo, custo-efetivo, simples, fácil instalação, aumenta eficiência. Limitações: faixa RPM efetiva estreita; dimensionamento é problema (escolha entre alto regime ou bom binário baixo); resposta pode ser lenta vs outros tipos.

Twin Turbo (Dois Turbos)

Permite um turbo por bancada de cilindros (V8, V12). Ou turbo pequeno em baixo regime e bypass para turbo maior em alto regime. Dois turbos similares: um em baixo regime, ambos em alto (14, 16). BMW X5 M/X6 M usam twin-scroll, um por lado do V8. Benefícios: curva de binário mais larga/plana, melhor binário baixo, potência não cai em alto regime como turbo simples. Limitações: custo e complexidade (componente quase dobrado); alternativas mais leves existem.

Twin-Scroll Turbo (Dupla Voluta)

Melhor que single-scroll em quase tudo: duas volutas separam pulsos de escape. Ex: motor 4 cilindros ordem 1-3-4-2, cilindros 1 e 4 numa voluta, 2 e 3 noutra. Sobreposição de cilindros: cilindro 1 termina curso de potência, válvula escape abre; cilindro 2 termina escape, fecha válvula e abre admissão. Em single-scroll, pressão do cilindro 1 interfere com cilindro 2 aspirando ar fresco (ambas válvulas escape abertas momentaneamente). Reduz pressão no turbo e ar no segundo cilindro. Vantagens: mais energia à turbina, faixa RPM de boost efetiva mais ampla, mais overalpe de válvulas sem prejudicar escavação, mais flexibilidade de afinação. Limitações: custo/complexidade > single; requer layout de motor e escape específico.

Turbocompressor de Geometria Variável (VGT)

Comum em diesel, produção limitada por custo e materiais exóticos. Aletas internas alteram razão área/raio (A/R) conforme RPM. Baixo RPM: A/R baixo aumenta velocidade dos gases, spool rápido. RPM sobem: A/R aumenta para maior fluxo, baixo lag, baixo limiar de boost, banda de binário larga e suave. Benefícios: curva de binário larga/plana, efetiva em ampla faixa RPM, single turbo simplifica configuração sequencial. Limitações: só diesel (gases mais frios não destroem aletas); em gasolina requer metais exóticos caros para fiabilidade.

Twin-Scroll de Geometria Variável

Significativamente mais barato que VGT, preferível para gasolina turbo. Combina VGT com twin-scroll: em baixo regime, uma voluta fecha totalmente forçando ar na outra; ao subir rotação, válvula abre permitindo ar na outra voluta, bom desempenho alto. Vantagens: curva binário larga/plana, design mais robusto que VGT. Limitações: custo/complexidade; tecnologia indesejada antes.

Turbocompressores Elétricos

Com motor elétrico no turbo, melhora características e dá boost instantâneo. Binário baixo fácil, lag eliminado. Talvez o melhor de todos, até nova versão surgir. Benefícios: faixa RPM efetiva ampla com binário uniforme. Energia desperdiçada recuperada (motor elétrico ligado à turbina). Lag e gases insuficientes virtualmente eliminados rodando compressor com energia elétrica quando necessário. Desvantagens: complexidade/custo (motor elétrico incluído); embalagem/peso (bateria a bordo para alimentar turbo); benefícios similares obtidos com VGT ou twin-scroll.

Princípio de Funcionamento

Entender motor a jato ajuda a entender turbo em motor de pistão. Motor a jato aspira ar frontal, mistura/queima com combustível na câmara, expele ar quente traseiro. Ar quente passa por turbina (moinho de vento compacto) que aciona compressor (bomba de ar) frontal. Motor usa-o para empurrar ar para queimar combustível corretamente.

Processo similar no turbo de carro: gases de escape acionam turbina, que gira compressor de ar empurrando ar extra para cilindros. Mais combustível queimado por segundo = mais potência = mais energia por segundo.

Turbos têm duas metades unidas por eixo. Uma tem turbina girada por gases quentes; outra tem compressor que aspira e comprime ar para o motor. Compressão dá potência e eficiência extra. Mais ar na câmara = mais combustível = potência extra.

Ar comprimido fica quente, menos denso, sobe sobre radiadores. Ar quente menos eficaz para queimar combustível. Por isso, ar do compressor deve ser arrefecido antes de entrar nos cilindros. Ar quente passa por permutador de calor (intercooler) que remove calor extra antes da câmara de combustão.

De Onde Vem a Potência Extra e Quanto se Pode Obter

Muitos pensam que a turbina dá potência extra dos gases de escape — não é verdade. Gases de escape acionam compressor que transfere ar para câmara, permitindo queimar mais combustível por segundo. Potência extra vem do combustível extra queimado a taxa mais rápida.

Potência extra depende do tamanho dos componentes. Turbos podem ser melhorados para mais potência, mas há limite. Cilindros só recebem certa quantidade de ar e combustível.

Vantagens e Desvantagens dos Turbocompressores

Vantagens:

• Potência extra ao motor.
• Energia gratuita usando gases de escape desperdiçados; não requer potência do motor.
• Usado em diesel e gasolina.
• Melhora eficiência de combustível.

Desvantagens:

Duas limitações principais:

Turbo Lag: Ao premir acelerador, demora para motor subir de rotação. Turbo leva tempo a responder. Em baixo regime, gases de escape insuficientes para girar compressor. Gases necessários criam-se após premir acelerador. Reduzido com redução de mudança, mas condutores experientes notam atraso.

Calor Extremo: Não ocorre em condução normal. Só quando motor levado ao limite. Calor dos gases fica tão quente que turbo começa a brilhar vermelho. Por isso, carros desportivos turbo têm entradas de ar na parte inferior do motor para arrefecimento constante.

Em conclusão, expusemos as funções dos turbocompressores: aumentar eficiência de funcionamento e combustível. Vimos tipos, princípio de funcionamento, vantagens e desvantagens.