GLAUCO DINIZ DUARTE – Turbo Compressor: Conheça o seus segredos e os princípios de funcionamento

Turbo Compressor: Conheça o seus segredos e os princípios de funcionamento. Num motor térmico a potência depende da quantidade de ar que entra no cilindro e, por sua vez, do rendimento volumétrico. As formas mais convencionais para elevar a potência de um motor térmico passam por um aumento da cilindrada, da subida do regime máximo de rotação ou pela utilização de um turbocompressor.

A vantagem do turbocompressor passa por conseguir a admissão de uma maior quantidade de ar no interior do cilindro sem que haja uma necessidade de alteração da cilindrada ou rotação do motor, melhorando desta forma o rendimento volumétrico. Por sua vez, o turbocompressor também vai permitir que o binário máximo surja numa rotação baixa e se mantenha durante um maior período do que num motor atmosférico.

Perante esta característica o turbocompressor passou a ser utilizado rapidamente nas motorizações Diesel, motores que, não podendo atingir rotações elevadas, a sua potência tinha de ser conseguida através de um aumento significativo da cilindrada, tornando-os pesados, pouco eficientes e com consumos elevados. E com as normas de poluição cada vez mais restritas, todas as marcas generalistas olham para o turbocompressor como uma excelente solução para a redução do tamanho dos seus motores a gasolina sem comprometer a potência.

O Princípio de Funcionamento

Num motor de combustão interna, a elevada temperatura produzida quando da queima gera uma grande quantidade de energia cinética, fazendo com que os gases de escape atinjam uma velocidade de propagação elevada. O objetivo do turbocompressor é aproveitar essa energia para aumentar o fluxo de ar na admissão. Assim, os gases de escape são canalizados para a voluta da turbina, desenhada em forma de “caracol”, obrigando-os a incidir nas pás do rotor da turbina, transformando parte dessa energia cinética em trabalho mecânico (rotação do rotor). As pás do rotor são desenhadas de forma a aproveitar o máximo possível dessa energia e permitir a libertação dos gases sem condicionar o seu escoamento. A rotação do rotor do compressor é conseguida através do veio de ligação, que liga os dois rotores, fazendo-os girar a velocidades iguais e podendo atingir cerca de 200.000 rpm.

As pás do rotor do compressor centrífugo vão aumentar a velocidade do fluxo de ar, projetando-o para o interior da voluta do compressor. Esse processo é conseguindo pela transformação da energia mecânica do rotor em energia cinética do fluxo de ar de admissão. Após a passagem pelo compressor a velocidade do ar diminui, devido ao aumento da secção do coletor de admissão, aumentando a sua densidade. No motor de combustão interna a mistura de ar e combustível tem de se manter sempre estequiométrica. Existindo uma maior densidade de ar na admissão, permite então aumentar a quantidade de combustível. Esse aumento da quantidade da mistura vai permitir um aumento de trabalho por cada ciclo do motor, produzindo assim uma maior potência e um binário superior a uma rotação mais baixa e com a vantagem de o binário ideal se manter constante durante uma maior faixa de regime do motor.

A pressão relativa de um turbocompressor, de forma genérica, é na ordem dos 1,1 a 1,3 bar, isso quer dizer que na teoria existe um pouco mais do dobro da quantidade de ar no circuito de admissão do que num motor sem turbocompressor (admissão é feita a pressão atmosférica). Para manter a mesma razão estequiométrica da mistura seria necessário adicionar o dobro do combustível, elevando a potência do motor para o dobro. Na prática tal situação não se verifica, devido às elevadas temperaturas provocadas pelo compressor e pelo incremento da energia cinética ao fluxo de ar. Este aumento de temperatura provoca a expansão do ar verificando-se uma redução da sua densidade na admissão. Para colmatar essa situação alguns veículos já utilizam o intercooler, um sistema que permite arrefecer o ar antes da admissão no cilindro. Outra desvantagem no turbocompressor é a pressão demasiado elevada na compressão, que pode surgir em regimes mais elevados do motor, devido a elevada rotação do rotor. A Wastegate vai permitir regular com precisão a pressão máxima admissível no coletor de admissão. Este sistema não é mais do que uma válvula, que é atuada em função da pressão gerada no compressor, reduzindo o fluxo dos gases de combustão que passam pela turbina, controlando assim a sua rotação.

A câmara do êmbolo da Wastegate tem uma tomada de ar ao compressor, que vai contrariar a tensão de uma mola em função da pressão existente no compressor, provocando a abertura da válvula e criando assim um by-pass aos gases de combustão diretamente para o sistema de escape. Esta pressão também é controlada por uma electroválvula que se encontra entre o compressor e a Wastegate. Ligada diretamente à unidade de controlo do veículo, a sua atuação está dependente, não só da pressão no compressor, mas também de outros fatores tais como, a temperatura do ar, rotação do motor, redução da velocidade do veículo através do motor, altitude, etc. A mola encontra-se dimensionada para limitar a pressão máxima do turbocompressor segundo as especificações do fabricante.

A Refrigeração e Lubrificação

As temperaturas de funcionamento no turbocompressor são deveras distintas, a turbina que é atuada diretamente pelos gases de escape, pode atingir temperaturas na ordem dos 650ºC, enquanto a temperatura no rotor da compressão ronda os 80ºC. O elemento que mais sofre com essa variação de temperatura é o veio de ligação, que apresenta temperaturas bem distintas em cada extremo (80ºC – 190ºC).

A lubrificação é fundamental no funcionamento de um turbocompressor pois, embora não existindo grandes cargas no seu veio, este encontra-se sujeito a grandes velocidades. Assim, a lubrificação que normalmente deriva do sistema de lubrificação principal do motor impede que o veio e os casquilhos gripem, assim como também tem um papel importante no arrefecimento do turbocompressor, impedindo a propagação do calor do lado da turbina para o lado do compressor. Mas o principal meio de arrefecimento do turbo compressor é o ar exterior que o circunda e o ar fresco admitido no compressor, sendo que em muitos turbocompressores já existe o arrefecimento a água, através de condutas próprias existente na voluta da turbina e ligadas ao circuito de arrefecimento do motor.

Turbocompressor de Geometria Variável

Uma menos valia do turbocompressor convencional é não proporcionar um rendimento adequado em todos os regimes do motor devido a variação do fluxo de gases de combustão. Caso o turbocompressor seja pequeno terá um bom rendimento em baixos regimes, mas perde rendimento em altos regimes, devido à sua pouca capacidade de compressão. Se for de grandes dimensões, será eficiente em altos regimes, mas pouco eficiente a baixos regimes, isso porque o fluxo de gases apresenta uma baixa energia cinética, não conseguindo provocar a sua rotação.

Para contornar esta menos valia, foi desenvolvida uma nova tecnologia na sobrealimentação dos motores de combustão, o turbocompressor de geometria variável. Este turbocompressor é em tudo idêntico ao convencional, possuindo um disco com um conjunto de aletas que se reposicionam consoante a energia cinética presente nos gases de escape.

A alteração angular da posição do disco vai fazer com que as aletas variem a sua posição, alterando o ângulo de incidência do fluxo de gases no rotor da turbina. A variação do disco é conseguida através de uma válvula pneumática comandada eletronicamente consoante a pressão de admissão, temperatura do ar, altitude, etc. (em muito semelhante à Wastegate).

Quando o motor se encontra a baixa rotação as aletas permanecem na posição fechadas, devido a secção diminuta entre elas provoca um aumento da velocidade do fluxo dos gases de escape, traduzindo-se num incremento da energia cinética. Outra das vantagens é o fluxo ter uma incidência mais perpendicular na extremidade das pás do rotor da turbina, provocando uma maior rotação. Assim que a rotação do motor aumenta as aletas vão abrindo, alterando gradualmente a incidência do fluxo no rotor da turbina, passando a funcionar como um turbocompressor convencional. O turbocompressor de geometria variável não necessita da válvula de segurança Wastegate, pois quando a pressão de admissão é demasiada elevada, as aletas assumem uma posição muito aberta (pressão de turbo máxima), funcionando como um travão ao fluxo de gases de combustão, reduzindo desta forma a rotação do rotor. Quando as aletas assumem a posição de abertura máxima (posição de segurança), significa que existe uma avaria, já que esta posição é apenas assumida em situação de emergência. Este tipo de turbocompressor permite que a aceleração do motor se possa fazer de forma mais eficaz e suave.