TEORIA DO FUNCIONAMENTO
Nos dias atuais, cada vez mais, se exigem maiores potências, baixas emissões de poluentes e dimensões reduzidas nos motores. Para analisar os motivos que levam as montadoras a utilizar motores turboalimentados (principalmente diesel), devemos primeiramente considerar a equação que determina a potencia que é possível extrair de um motor a combustão interna:
P = Cil*n*Rv*Da*F/A*Pci*Rg sendo que:
P = potencia
Cil. = cilindrada
N = número de ciclos por minuto
Rv = rendimento volumétrico
Da = densidade do ar na entrada dos cilindros
F/A = relação estequiométrica (partes de ar em relação a uma parte de combustível, em peso. Ex. 15g de ar para 1g de combustível).
Pci = teor calorífico inferior do combustível
Rg = rendimento global do motor
Portanto para aumentar a potência de um determinado motor, seja álcool gasolina ou diesel, temos que alterar um ou mais parâmetros da formula. Alguns destes parâmetros ou não podem, ou podem apenas marginalmente, ser melhorados. Por exemplo, o Pci é dependente do combustível utilizado e no panorama de produtos comercializados não é sujeito a melhoras. A relação estequiométrica (F/A) também só pode ser alterada marginalmente, nos motores a ignição por centelha (álcool e gasolina) deve se situar em torno de 9 por 1 nos motores a álcool e 14,7 por 1 nos motores a gasolina; misturas ‘ricas’ (mais combustível em relação ao ar) podem, até certo ponto (maximo 5%), aumentar a potencia, entretanto o aumento de consumo e nível de poluentes claramente torna essa opção inviável. Nos motores diesel não é necessário para o funcionamento um controle tão rigoroso da relação estequiométrica, devido a isso não há controle da quantidade de ar admitida como nos motores a gasolina em que normalmente é utilizada uma borboleta. Portanto motores diesel funcionam sempre com excesso de ar e, embora teoricamente possam funcionar numa relação próxima a 15 por 1, na pratica, para poderem permanecer dentro dos limites estabelecidos pelas normas de emissões, trabalham ao redor 25 a 30 por 1 (em plena carga). O rendimento global (Rg), que seria a porcentagem de aproveitamento da energia térmica que é introduzida no motor pelo combustível, no estagio atual de desenvolvimento já não deixa muita margem a melhoras, os departamentos de engenharia das fabricas poderão introduzir aperfeiçoamentos nesse campo nos próximos anos, mas, a menos de descobertas revolucionarias, serão pequenos passos.
O rendimento volumétrico (Rv) indica a capacidade do motor de encher o cilindro de ar; por exemplo um motor de dois litros de cilindrada com rendimento de 80% encherá em um ciclo o equivalente a 1,6 litro. Nos últimos anos os fabricantes deram passos de gigante neste sentido com a introdução de cabeçotes a três, quatro ou cinco válvulas por cilindro; sistemas de distribuição que alteram quadramento, levante e permanência das válvulas em função da carga e da rotação do motor e sistemas de admissão e escapamento cada vez mais sofisticados. Existem atualmente motores de veículos normalmente comercializados com rendimento volumétrico acima de 100% (motores de competição acima de 130 %), é provável que aqui também não reste muito a ser melhorado.
AUMENTAR A CILINDRADA
Obviamente o aumento de cilindrada permite deslocar uma maior quantidade de ar na unidade de tempo e, por conseqüência, de combustível que pode ser queimado. Devemos considerar também que um motor de maior cilindrada será maior e mais pesado, por exemplo:
· Mercedes OM 447 H, diesel, aspirado, 12 litros de cilindrada, 214 cv e 785 kg.
· Mercedes OM 366 LA, diesel, turbo intercooler, 6 litros, 211 cv e 445 kg.
A vantagem do motor turboalimentado é evidente, sem considerar que o motor aspirado é homologado pelas normas EURO 1 em quanto o outro pelas normas EURO 2, bem mais restritivas. Com o surgir de mercados cada vez mais restritivos em termos de emissões de poluentes, pode-se afirmar que o futuro dos motores diesel será “turboalimentado”.
O conceito vale para os motores ciclo Otto (álcool, gasolina, gás) também, embora as vantagens não sejam tão evidentes e os problemas a serem solucionados sejam de maior porte. Às vezes a utilização de um motor turbo em um veiculo é valido em função de determinadas contingências fiscais; como no caso do Brasil em que veículos até um litro de cilindrada tem uma carga tributaria inferior, nesse caso um veiculo com motor de um litro turbinado teria desempenho parecido com outro de cilindrada maior, com um custo menor. A opção do turbo é valida também quando um fabricante deseja equipar um veiculo com um motor mais potente e não tem disponibilidade de um motor maior; é sem duvida mais fácil e barato desenvolver uma versão turbo de um motor que já produz, do que projetar um motor novo.
AUMENTAR A ROTAÇÃO
Aumentar a rotação também leva a um deslocamento maior de ar e conseqüentemente a uma maior potencia, todavia tem limites intransponíveis de resistência mecânica determinados pela velocidade media dos pistões e que, nos motores atuais, se situa entre 12 m/seg nos motores diesel e 18 m/seg nos motores ciclo Otto (motores de competição atingem até 24 m/seg). Outra desvantagem é o aumento das perdas mecânicas e pneumáticas que refletem na diminuição do rendimento global e, portanto, numa piora do consumo especifico.
AUMENTAR A DENSIDADE DO AR
Os principais parâmetros que caracterizam um compressor são:
A razão de compressão
A vazão de ar (em peso)
O rendimento
A razão de compressão é definida como a relação entre a pressão de saída do compressor e a pressão de entrada (normalmente a pressão atmosférica). Infelizmente a esse aumento de pressão corresponde, por uma lei de física, uma elevação da temperatura de saída do ar. Elevação que por causa de trocas e dissipações internas de calor, se torna maior ainda. Essa relação entre o aumento de temperatura teórico (por uma determinada pressão) e o aumento de temperatura real é chamado de rendimento do compressor.Quanto maior o rendimento, melhor a eficiência do compressor e, portanto, menor o aumento de temperatura na saída.
Para garantir a durabilidade do motor e manter as solicitações dos componentes mecânicos entre valores seguros se limita o valor da pressão máxima de combustão. Nos motores ciclo Otto se atinge esse resultado limitando o valor da taxa de compressão; nos motores diesel mais facilmente se aumenta o excesso de ar (aumento da relação F/A). Lembramos que quanto maior o excesso de ar melhor fica a combustão reduzindo a fumaça e as emissões. A sobrealimentação também permite uma pequena melhora do rendimento volumétrico Rv e do rendimento global Rg. Por esse motivo o consumo especifico em um motor sobrealimentado resulta menor ao de um motor atmosférico de igual potência.
TIPOS DE COMPRESSORES
Os sistemas que podem ser utilizados para a sobrealimentação são essencialmente dois:
No primeiro caso o compressor é acionado pelo eixo do motor subtraindo ao mesmo a energia necessária ao funcionamento. No segundo caso o compressor é acionado por uma turbina que utiliza a energia resídua do gás de escape que, dessa forma, é parcialmente recuperada.
COMPRESSORES A COMANDO MECÂNICO
Atualmente esse tipo de compressor é muito pouco utilizado principalmente pelo fato do turbocompressor ser superior em quase todos os tópicos de utilização.
Este tipo de compressor é acionado pelo eixo do motor subtraindo do mesmo a energia necessária ao funcionamento. Um exemplo é o caso do “BLOWER” um tipo de compressor que, acionado pelo virabrequim através de correias (trapezoidais ou dentadas) ou ainda por engrenagens, envia uma quantidade adicional de mistura ar/combustível para dentro dos cilindros, aumentando o torque e a potência de qualquer motor de combustão interna, seja ele movido à gasolina, álcool, gás ou óleo diesel. O blower pode ser considerado um tipo de bomba volumétrica e é composto por dois rotores de perfil conjugados, retilíneos ou helicoidais, que giram dentro de uma caixa fechada em movimentos sincronizados através de um par de engrenagens. Realiza o bombeamento de um volume constante, de modo que a compressão do ar ocorra por acumulo no interior do coletor de admissão. O blower é normalmente instalado depois do carburador (ou seja, comprime mistura ar/combustível), pela dificuldade de se obter uma carburação adequada em virtude da variação da densidade do ar. O sistema é utilizado com mais freqüência pelos norte americanos nos motores com disposição em “V”, principalmente nos potentes modelos de arrancadas. No Brasil, chegou a ser utilizado nos motores GM Detroit Diesel, hoje obsoletos.
De uma maneira geral, os projetos modernos adotam o turbo compressor em vez do blower na super alimentação, pelo seu rendimento superior e menor consumo de potência, uma vez que esse ultimo não depende de acionamento do virabrequim.
TURBOCOMPRESSORES
É o sistema quase universalmente utilizado em motores de todo tamanho. Permite grandes vazões de ar com baixo peso e volume. Os gases provenientes do coletor de escape entram em uma turbina que assim recebe a energia necessária para acionar um compressor centrifugo montado no mesmo eixo que comprime o ar que será enviado aos cilindros.
Os rotores do compressor e da turbina são envolvidos por carcaças denominadas “carcaça do compressor” e “carcaça da turbina”, cuja função é direcionar o fluxo de gases através das pás dos rotores.
A carcaça central sustenta o eixo através de mancais flutuantes. Galerias na carcaça central levam o lubrificante (derivação do sistema de lubrificação do motor) aos mancais radiais e axial. Estes canais estão alinhados com os furos dos mancais, permitindo que o lubrificante atinja o eixo, promovendo sua refrigeração e lubrificação.
A drenagem do óleo da carcaça central é feita por gravidade. Vedações são instaladas em cada lado do eixo, entre o mancal radial e o rotor adjacente para impedir a entrada de lubrificante no compressor e na turbina, e também a entrada de gases para o interior da carcaça central. A vedação de óleo para as carcaças do compressor e turbina é efetuada aproveitando-se a rotação do eixo. Trata-se, portanto, de um processo dinâmico de vedação. No lado da turbina, o elemento responsável pela vedação é a canaleta de óleo; sua função é arremessar o lubrificante contra as paredes da carcaça central por centrifugação. No lado do compressor a mesma função é executada pelo colar. A vedação de gases e dos resíduos de óleo não eliminados pela centrifugação, em ambas extremidades do eixo, é realizada por anéis denominados anéis de pistão (piston ring). Em alguns casos, principalmente quando está presente uma borboleta antes da carcaça do compressor (motores com carburador antes do compressor), a vedação do eixo do lado do compressor é efetuada por meio de um selo mecânico; esse sistema de vedação, embora aumente o atrito do eixo quando gira, é mais eficaz contra possíveis vazamentos de óleo ocasionados pelo vácuo criado pela borboleta.
Quando o ar é aspirado pelo rotor do compressor, pela elevada rotação do mesmo é centrifugado e adquire energia cinética por causa da velocidade que pode chegar a 350 m/seg. Do rotor o ar entra no difusor, onde a energia cinética é transformada em energia de pressão.
Do lado da turbina, os gases provenientes do motor podem atingir temperaturas de 750°C nos motores diesel e 950°C nos motores ciclo Otto. O rotor e a carcaça da turbina para resistir a temperatura devem ser fabricados com ligas a base de níquel (Inconel para o rotor); nos motores diesel onde as temperaturas são mais baixas a carcaça pode ser de ferro fundido e o rotor em aço refratário (GMR).
O turbocompressor gira normalmente a uma rotação máxima de 80000 até 120000 rpm embora em algumas aplicações para motores de pequena cilindrada (motores de moto de
600 até 750 cm³) o turbo utilizado pode chegar a 180000 rpm.
Pelas altas temperaturas e rotações alcançadas o turbocompressor, embora possa ser considerado mecanicamente simples, é um componente de difícil fabricação pelos cuidados que exige em nível de projeto e manufatura.
Nos últimos anos vem aumentando nos motores turboalimentados a pratica de se colocar um resfriador entre a saída do compressor e a entrada no motor, conhecido como intercooler. A função dele é diminuir a temperatura do ar admitido pelo motor, recuperando em parte a perda de densidade causada pelo aumento da temperatura do ar na saída do compressor. Esse aumento de densidade permite queimar uma quantidade maior de combustível gerando mais potência.
ACOPLAMENTO MOTOR/TURBOCOMPRESSOR
Quando se efetua a escolha do turbocompressor devemos fazê-lo de modo que o mesmo opere em condições ideais de rendimento para aquela determinada aplicação. Caso contrario teremos, para um certo grau de sobrealimentação, uma mais elevada temperatura do ar na saída do compressor e uma excessiva contrapressão no escape. As dimensões do turbocompressor são determinadas pela vazão de ar exigida, pelo grau de sobrealimentação (pressão) e pela rotação do motor em que desejamos que o turbocompressor comece a atuar (até certo ponto). Saber escolher o turbocompressor para uma determinada aplicação não é tarefa fácil; na verdade turbocompressores e motores funcionam, aceleram e desaceleram segundo leis diferentes. Um motor funciona (em termos de vazão de ar) segundo leis de progressão linear, um turbocompressor segundo leis de progressão geométrica.
Isso explica porque se escolhemos o turbo para atingir uma determinada pressão em baixa rotação do motor, ele terá uma pressão demasiadamente elevada em final de giro; e vice-versa se escolhemos o turbo para atingir a pressão certa no final de giro do motor, teremos pressão baixa e um motor fraco a baixa rotação.
Outro ponto delicado é devido ao fato que os compressores centrífugos, contrariamente aos volumétricos, só podem trabalhar entre um valor mínimo e um maximo de vazão de ar; abaixo do valor mínimo entra em regime de “surge” com funcionamento instável e, permanecendo nessa condição, podendo chegar a destruição do compressor. Acima da vazão máxima o compressor perde rapidamente a eficiência e pode atingir níveis de rotação perigosos pela integridade do turbocompressor, é o chamado “overspeed”.
Uma ajuda fundamental para o acoplamento ideal entre motor e turbo é dada pela válvula “waste-gate” (válvula de alivio) que permite, ao chegar a pressão de sobrealimentação desejada, desviar o excesso de pressão do coletor de escape sem passar pela turbina, permitindo o controle da pressão de alimentação. Sem duvida sem a ajuda da válvula waste-gate o problema de realizar um motor turboalimentado adequado para uso veicular, seria praticamente insolúvel. Aqui se fala de motores ciclo Otto, pois para os motores diesel o problema é um tanto diferente em quanto eles dispõem de um grau de liberdade a mais, representado pela ampla possibilidade de variar a relação ar combustível. Todavia, atualmente motores diesel rápidos (que chegam a atingir mais de 4000 rpm) utilizam invariavelmente um dispositivo de controle de pressão.
MOTORES TURBOALIMENTADOS
Quando um fabricante coloca um turbocompressor em um motor, normalmente esse motor passa por uma reestruturação. O enfoque do problema é sem duvida diferente em se tratando de motores diesel ou de motores ciclo Otto. Nos motores diesel à parte de alimentação recebe outra bomba de injeção com incorporado um dispositivo para corrigir o débito em função da pressão de alimentação (LDA). Os pistões e o eixo comando de válvulas geralmente são específicos para a versão sobrealimentada (geralmente a taxa de compressão é ligeiramente reduzida) e muitas vezes é incorporado ao bloco um dispositivo de borrifamento de óleo na parte inferior dos pistões para a refrigeração dos mesmos. Com essas alterações normalmente a melhora com relação ao motor atmosférico se situa em torno de:
Potência até 50-60% (até 100% para determinadas aplicações)
Torque até 60-70% (até 120% para determinadas aplicações)
Consumo 5-15%
Considerando a melhora em nível de emissões de poluentes e particulados fica clara a tendência ao desaparecimento dos motores atmosféricos. É possível “turbinar” um motor apenas externamente (sem a troca de componentes internos), como no caso dos kits de “turbinamento”. Desde que efetuada criteriosamente é uma pratica técnica e economicamente valida para se beneficiar das vantagens do turbo em motores atmosféricos. Obviamente a melhora em termos de potencia será um pouco menor (20-30%), apesar disso a vantagem em relação ao motor atmosférico permanece elevada e permite, pelo custo operacional inferior (devido à redução de consumo), de recuperar rapidamente o investimento. Os motores ciclo Otto também sofrem uma troca de componentes, numa versão turboalimentado, para adequar o motor ao nível de solicitação exigido; entretanto pelo fato das vantagens em relação ao motor aspirado serem de menor entidade (comparado ao diesel) e eventualmente pelo maior custo e complexidade mecânica, a difusão de motores ciclo Otto turboalimentados é pequena. Na pratica se restringem as aplicações em que exista uma vantagem a nível fiscal ou quando o objetivo é apenas o desempenho.
Para motores ciclo Otto também existem kits de turbinamento embora a complexidade e, por conseqüência, o custo seja mais elevado. O problema é que, como explicado anteriormente, é praticamente obrigatório em um motor ciclo Otto adequar a taxa de compressão e o fornecimento de combustível ao grau de sobrealimentação, se não o fizer o motor não vai durar muito (quase nada). Isso nos leva, em um universo de motores a injeção eletrônica, ao “remapeamento” das curvas características do motor muitas vezes acompanhado da troca dos injetores (ou injetor), ou a utilização de um dispositivo eletrônico suplementar para “gerenciar” o funcionamento em regime de sobrealimentação. Sem contar com a necessidade de abrir o motor para a redução da taxa de compressão. Trata-se sem duvida de alterações delicadas, que exigem conhecimento, responsabilidade e equipamento por parte de quem as efetua. Para motores ciclo Otto é indispensável o uso de válvula “waste gate” que pode ser acoplada ao coletor de escape ou ser incorporada ao próprio turbocompressor como a maioria das aplicações de fabrica. Vale salientar que para motores ciclo Otto a pratica correta é o uso de um turbocompressor especificamente fabricado para esse tipo de aplicação.
Procedimentos para obtenção de maior durabilidade do turbo alimentador
A operação de um turbo não requer nenhum procedimento especial, além dos cuidados especificados pelo fabricante do motor. De qualquer modo, para assegurar a máxima durabilidade e bom rendimento do turbo, fique atento para alguns cuidados que são imprescindíveis:
Acelerar o motor imediatamente após a partida danifica o turbo, pois este adquire uma rotação elevada sem que o fluxo de óleo tenha alcançado o eixo.
Acelerar o motor instante antes de desligá-lo também danifica o turbo, pois cessa a lubrificação, ao passo que a rotação do eixo é ainda elevada.
As duas condições acima causam o aquecimento e desgaste dos mancais e eixo, e em longo prazo podem levar o turbo a destruição.
A pressão mínima admissível de óleo lubrificante na entrada do turbo é de 15 lb/pol² (1kg/cm²), medido em marcha lenta com o motor quente, isto é, em temperatura de trabalho.
A pressão do óleo lubrificante deve chegar ao turbo alimentador no espaço de 3 segundos após o motor entrar em funcionamento, e antes de acelerar o motor.
A filtragem do óleo lubrificante deverá estar situada entre 5 a 18 mícron (comparando um fio de cabelo tem aproximadamente 67 mícron) e usar somente filtro e óleo especificado para motor “turbo”. É importante respeitar o prazo de troca do óleo e do filtro de óleo pois quando o filtro está obstruído existe uma válvula de segurança que permite a passagem de óleo desviando o próprio filtro. Se por um lado isso permite ao motor de não trabalhar sem óleo, por outro lado o óleo contaminado não filtrado vai causar, com o tempo, danos ao motor e ao turbo.
A depressão máxima admissível medida na entrada do compressor, com vazão máxima de ar, é de 20 polegadas (500mm) de coluna de água. Daí se conclui que o filtro de ar deverá estar sempre em boas condições, e ser de boa qualidade.
A restrição máxima à saída dos gases de escape é de 30 pol. (75 cm) de coluna de água.Para isto o sistema de escapamento deverá ser bem projetado, utilizando tubo de diâmetro adequado e silenciosos ou abafadores corretamente dimensionados evitando curvas muito acentuadas no tubo de escape, estreitamento do diâmetro e borboleta do freio motor parcialmente fechada. Este valor de restrição deve ser considerada indicativa em quanto os fabricantes de motores podem indicar valores diferentes principalmente em motores equipados de catalisador no escape.
O retorno do óleo do turbo tem dupla função: a primeira é dar vazão suficiente, através da gravidade de todo o volume de óleo que entrou sob pressão para a lubrificação. A segunda é de dar vazão à pressão que se forma dentro da carcaça compressora e da turbina, e que penetra no interior da carcaça central. Portanto, se faz necessário que o retorno de óleo se encontre totalmente livre, pois do contrario criará uma contra pressão dentro do turbo, ocasionando vazamentos de óleo e carbonização dos mesmos. Não é permitido que o óleo retorne abaixo do nível de óleo do cárter, que haja mangueira de retorno dobrada ou dilatada, e que a pressão no cárter seja superior a 100mm de coluna d’água (0.01 bar), com o motor a plena carga.
COMPRESSOR
Normalmente, o compressor de um turbo tem três partes: rotor, difusor, e voluta. O rotor do compressor, normalmente gira, em altas rotações, que variam entre 60.000 e 180000 rpm. Ele acelera o ar, fazendo o mesmo passar através de suas palhetas por força centrifuga. O difusor tem a função de baixar a turbulência e a velocidade do ar gerada pelo giro do rotor aumentando a sua pressão; as medidas e formato do difusor dependem do tipo de aplicação e características do motor, existem carcaças com vãos no difusor que tem a finalidade de direcionar melhor o fluxo de ar proveniente do rotor. Esse tipo de carcaça costuma ter eficiência melhor embora a faixa útil de vazão de ar seja mais restrita e portanto seja mais adequada a turbos que trabalham em motores com pouca variação de carga e rotação. Finalmente, a voluta coleta e direciona o ar para o motor, intercooler, ou em alguns casos, para outro compressor. Já há algum tempo estão se difundindo carcaças com bocal de entrada duplo chamadas de ‘MWE’ do inglês map widht enhancer cuja função é ampliar a faixa útil de vazão de ar do compressor em contra-partida de uma pequena perda de eficiência. A pressão pode variar de 0.6 bar até 2.0 bar, em aplicações comerciais. Podem também os compressores terem várias áreas de voluta, bem como encaixes, tanto na admissão dos mesmos, como no lado da pressão, dependendo das exigências dos fabricantes dos motores. A variação de área e tamanho dos compressores atende ao princípio de que maior área é igual a maior volume e menor pressão e menor área igual a menor volume e maior pressão. Normalmente, as carcaças compressoras são fixadas aos conjuntos centrais, por intermédio de anéis de Seeger, cintas “V”, ou parafusos com travas.
TURBINA
É composta de uma carcaça, que pode ter uma ou duas volutas, e um rotor, que transforma a energia do fluxo dos gases em rotação do eixo. A turbina de um turbo compressor, normalmente obedece ao mesmo princípio de outras turbinas de fluxo radial, isto é, canaliza o fluxo através de um bico, fazendo com que este fluxo entre no melhor ângulo possível em contato com as palhetas do rotor da turbina, fazendo com que haja o melhor aproveitamento da pressão, temperatura e velocidade dos gases para fazer girar o rotor, criando o maior número de rotações possíveis, bem como a menor restrição possível dos gases provenientes do motor.
TIPOS DE CARCAÇA DE TURBINA
A carcaça da turbina pode ser fabricada em diferentes versões, isto é, fluxo constante, fluxo constante com válvula, fluxo dividido ou pulsativo e dividido com válvula. Também pode ser fabricada em diferentes versões para um mesmo modelo de turbo, isto é, com várias áreas de passagem de gases, que mudam a velocidade com que o eixo gira, bem como a restrição gerada pelos gases de escape. Para cada aplicação pode ser determinada a área e o modelo do turbo, inclusive em um mesmo motor, dependendo da aplicação do mesmo, pode ser modificada a área, para atender aquela aplicação específica, regime de potência, rotações, uso contínuo ou veicular etc. Existem dois modos básicos de se medir a área de um turbo: um que é determinado pelo A/R, isto é, a área sobre raio e outro que é somente o tamanho da área, que é medida na altura do início da voluta e dependendo do fabricante pode ser medida em cm², pol.² ou pes². Em qualquer caso independente do critério de medição da carcaça o conceito é o mesmo: A/R ou área menor é igual a mais energia disponibilizada pela turbina e portanto mais pressão; vice-versa no caso de A/R ou área maior. Não devemos esquecer entretanto que, a paridade de todos os outros parâmetros que caracterizam uma turbina, disponibilizar mais energia equivale a aumentar a contrapressão no coletor de escape com todos os inconvenientes relacionados. Outra forma de obtermos mais giro de um turbo, está na diminuição da medida de “exducer” (diâmetro do rotor), bem como a altura do “trim” no rotor do eixo, o que provoca uma menor saída de gases por giro do eixo. Como o volume de gases se mantém, o giro do eixo tende a aumentar. Todas estas providências também tendem a fazer com que haja maior restrição dos gases de escape, que também tem que ser levado em consideração a cada aplicação.
CARCAÇA DE FLUXO CONSTANTE (MONO FLUXO)
É uma carcaça que tem uma única entrada de gases. Conceitualmente essa carcaça deveria trabalhar com os dutos do coletor de escape se juntando em um volume com área suficiente para virtualmente eliminar a influencia das pulsações dos gases. Nestas condições a turbina trabalha com rendimento superior em relação a uma turbina pulsativa por outro lado não tem boa resposta as variações de carga e de rotação do motor razão pela qual é mais indicada em motores tipo gerador ou marítimos. A definição de “fluxo constante” para turbinas com entrada única e “pulsativa” para turbinas com entrada dividida está se constituindo numa generalização nem sempre racional. Como explicado anteriormente a turbina para ser considerada a fluxo constante alem de entrada única deve ser acoplada a um coletor que atenue o máximo possível os picos de pressão na entrada da turbina e isso pode ser obtido ou aumentando o volume no coletor ou tendo uma quantidade maior de cilindros confluindo na boca da turbina (ex. utilizando um turbo no lugar de dois num motor de 6 cilindros) ou ambos os procedimentos. Em um motor de seis cilindros, dois turbos com carcaça de entrada única (fluxo constante) são tão pulsativos quanto um turbo com carcaça dividida (pulsativa). Podemos concluir que o que define a separação entre fluxo constante e fluxo pulsativo é muito mais uma questão de tipo de motor e projeto de coletor que propriamente uma caracterização determinada simplesmente pela carcaça da turbina; assim como entre os dois tipos de sistemas (pulsativo e constante) podemos enquadrar configurações que misturam características de ambos. Portanto para evitar controvérsias vamos dividir as carcaças como mono fluxo ou duplo fluxo com ou sem válvula de alívio.
CARCAÇA MONO FLUXO COM VÁLVULA DE ALÍVIO
Funciona como a anterior, porém tem a área mais restrita (apertada), o que ocasiona boa pressão em baixo rpm, existe na mesma uma válvula para prevenir o excesso de pressão em alta rotação, que funciona aliviando o fluxo dos gases de escape enviando-o diretamente para o escape, sem passar pelo rotor da turbina. Esta é uma solução muito utilizada em turbos para motores de alta rotação (ciclo Otto ou Diesel), onde o alvo principal é a redução do chamado ‘turbo lag’ (atraso na resposta) do turbo em baixas rotações.
CARCAÇA DUPLO FLUXO
Normalmente utilizada em motores Diesel com cilindrada acima de 4 litros com coletor projetado para um bom aproveitamento dos pulsos. Funciona aproveitando além da pressão dos gases de escape, também os seus pulsos, evitando interferências entre os cilindros, assim obtendo uma boa resposta a diferentes condições de carga e de rotação do motor. É muito utilizada em motores veiculares.
CARCAÇA DUPLO FLUXO COM VÁLVULA DE ALÍVIO
É utilizada em aplicações veiculares como a versão sem válvula. A válvula permite que sejam utilizadas áreas de turbinas mais fechadas com respostas melhores em baixas rotações sem correr riscos de pressões demasiadamente elevadas em altas rotações.
VÁLVULA DE ALÍVIO OU WASTE GATE
Como explicado anteriormente a válvula de alivio é para determinadas aplicações uma necessidade. Sem ela a utilização do turbo em motores rápidos (principalmente ciclo Otto) seria impraticável. Se de um lado é fonte de dissipação de energia já que desvia parte dos gases sem aproveitá-los por outro lado isso só acontece quando já atingimos a pressão prevista e o desvio dos gases representa apenas uma perda em termos de eficiência da turbina. Obviamente se fosse possível, num passe de mágica, trocar a área da turbina ao alcançar a pressão desejada, evitaríamos essa pequena perda; entretanto, excetuando-se a geometria variável, a válvula de alivio continua sendo o meio de controle de pressão mais eficiente e com a melhor relação custo beneficio.
TVG (TURBO COM GEOMETRIA VARIÁVEL)
Para explicar o funcionamento do TGV (VNT -VARIABLE NOZZLE TURBINE, com é mundialmente conhecido), é preciso primeiro rever algumas alterações realizadas nos turbocompressores durante estes últimos anos: Nos turbocompressores convencionais, ou seja, aqueles em que não há nenhuma saída extra de gases de combustão (by pass), é o tamanho da carcaça, o que determina a pressão máxima obtida pelo equipamento.Com a necessidade de aplicação de turbocompressores em veículos menores, como as picapes e os veículos de passeio, o tamanho da carcaça da turbina também teve que sofrer alterações. Mas o problema era como diminuir o espaço interno das carcaças sem ter excesso de pressão em altas rotações? A solução surgiu com as turbinas equipadas com válvulas de alívio, que depois de atingirem o máximo de pressão especificado pela montadora do veiculo, deixam escapar parte dos gases evitando um aumento descontrolado da pressão. Com essa inovação, o índice de emissão de poluentes também foi diminuído, fazendo com que o veiculo atendesse facilmente as determinações da norma Euro II. Mesmo com a mudança, o que ainda determina a pressão obtida pela turbina é o volume da carcaça e, no caso de uma geometria fixa, o equipamento responde insatisfatoriamente em algum momento ou situação. O TGV surgiu para sanar exatamente a insatisfação com a falta de adequação da força empregada aos motores pelos turbocompressores, demasiados em alguns momentos, e insuficientes em outros. Isso porque, dentro da carcaça alem dos rotores, existem também palhetas móveis, que abrem e fecham tornando o espaço por onde o gás circula maior ou menor, dependendo da necessidade de força exigida pelo motor. Assim é como se o veículo contasse com várias turbinas. Essa é uma turbina adequada para todas as faixas de rotação do motor. Suas palhetas se movimentam criando ângulos que direcionam ou desviam os gases do rotor, aumentando ou diminuindo a pressão de acordo com as necessidades. Nas baixas rotações, as palhetas estão mais direcionadas para o rotor, que é quando o motor precisa de mais força. Já em altas rotações as palhetas se abrem, desviando os gases do rotor. O movimento das palhetas é comandado por um atuador que é acionado pela pressão do próprio turbo.
A versatilidade é a melhor vantagem deste novo turbocompressor, que responde de acordo com a variação das rotações, proporcionando uma resposta rápida em baixas rotações e eficiência em altos giros. Alem disso, o tamanho da turbina pode ser selecionado sem comprometer seu desempenho em altas rotações. Outras vantagens proporcionadas pelo TGV são curva de torque mais plana, potências mais altas, melhores índices de emissões de gases, e a possibilidade de monitoramento eletrônico (assim como nos sistemas com “waste gate”).A desvantagem do TGV é sem duvida a complexidade maior que reflete em custos mais elevados e confiabilidade menor que pode ser constatada pela ausência de TGV para aplicativos em motores ciclo Otto que seriam os mais beneficiados por esta tecnologia.
INTERCOOLERS/AFTERCOOLERS OU TURBOCOOLERS
Como já explicado no capitulo referente ao rendimento do compressor ficou claro que o aumento de temperatura do ar está diretamente relacionado ao aumento de pressão ocasionado pelo compressor do turbo. Podemos dizer que os coolers em geral são projetados e fabricados para corrigir esse indesejado aumento de temperatura. Indesejado porque como já visto diminui a densidade do ar e conseqüentemente a quantidade de combustível e também porque aproximadamente a cada 10° de aumento de temperatura do ar que entra no motor teremos um aumento de cerca de 30° na câmara de combustão sobrecarregando vários componentes do motor como: pistões, válvulas, junta de cabeçote, cabeçote e o próprio turbo. Portanto, a função do intercooler é servir como um resfriador para o ar que vai ser admitido: a eficiência deles se situa entre 50% a 70% que representa para um motor com pressão de turbo de 1 bar abaixar a temperatura do ar de 130° para aproximadamente 60° a 80°. Devido a este fato é que existe hoje, uma grande aplicação de intercoolers no mercado, que alem de devolverem a eficiência ao turbo devido à baixa temperatura do ar e a recuperação do volume de oxigênio injetado na câmara, ainda baixa a temperatura da câmara proporcionando maior durabilidade ao motor e/ou permitindo um incremento de mistura na câmara, portanto maior rendimento.