Entenda como funcionam as turbinas

A peça responsável em elevar o rendimento dos motores à combustão interna fascina pela simplicidade e eficácia
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Arthur Rossetti
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Existem várias teorias so­bre os motivos que le­varam a necessidade pe­lo desenvolvimento, apri­mo­ra­mento e utilização em larga es­cala de um equipamento que permitisse oferecer um rendimento superior aos motores de combustão interna. A mais provável é a de que os aviões da 1ª guerra mundial necessitavam voar mais alto para que houvesse vantagem sobre o adversário.

O problema é que quanto mais alto o avião se encontrava do solo, mais rarefeita é a disponibilidade de ar, o que ocasionava um excesso de combustível nos motores, que ainda eram movidos a pistão, como nos automóveis. Para eliminar o problema de “falta de ar”, os engenheiros aeronáuticos da época desenvolveram os primeiros turbocompressores compactos, que permitiu a captação do disperso e rarefeito ar atmosférico encontrado nas altitudes mais elevadas, para que este fosse agrupado e enviado ao motor pressurizado, ou seja, em maior volume. Isto permitiu que o motor “respirasse melhor”, a deixar a mistura estequiométrica mistura ideal, com menor propensão ao aparecimento de excesso de combustível durante o funcionamento. Como resultado, além do ganho de potência, os aviões puderam voar a tal altura, impossível de ser alcançada sem o auxílio do equipamento.

Com o passar do tempo o turbo como é mais conhecido foi inserido também em automóveis, caminhões, navios, trens, ou seja, em diversas máquinas movidas a motores de combustão interna.

Turbocompressores

Sabemos que a potência gerada pelos motores de combustão interna é proporcional a massa de ar nos ciclo diesel ou mistura ar-combustível nos ciclo Otto introduzida dentro dos cilindros, e dependendo desses valores podemos classificar a eficiência de “enchimento” interno dos cilindros pelo próprio motor, também conhecido como rendimento volumétrico.

É nesta variável que a indústria automobilística tem atuado de forma contumaz para elevação desse índice.

Os resultados alcançados são altamente satisfatórios em relação aos demais rendimentos térmico e mecânico, que também influenciam dire­ta­mente na potência, mas que muitas vezes demandam so­lu­ções mais complexas.

Existem três maneiras clássicas de inserir a massa fluída massa de ar dentro dos cilindros, por aspiração natural, sobrealimentação por compressor mecânico Blower ou sobrealimentação por turbocompressores.

Em face da utilização expressiva das versões aspiradas e turboalimentadas, direcionaremos o nosso estudo principalmente a segunda opção citada. Deixaremos de lado o uso dos compressores mecânicos Blower, que trazem como desvantagens principais a imediata subtração de potência do motor para a realização do trabalho pressurização, adaptação mecânica complicada e problemas com a eficaz lubrificação.

Os motores tur­bo­ali­men­tados visam corrigir as deficiências produzidas pelos modelos naturalmente aspirados, na qual a introdução da mistura é feita através da ação da pressão atmosférica, somada a depressão vácuo gerada no tempo de admissão. Como principal dificuldade temos a de preencher totalmente os cilindros com a mistura ar-combustível, ou somente ar no caso dos motores diesel devido as perdas de carga geradas no sistema de admissão restrição do filtro de ar, tubulações e válvula. As respostas rápidas somente são obtidas quando submetemos o motor a rotações e cargas elevadas, que trazem alto consumo de combustível e comprometimento da dirigibilidade.

O turbocompressor tem es­sa condição devido o fa­to de aproveitar a energia tér­mica e cinética produzida pelos gases de combustão desperdiçados pelo motor e transformar essas energias em movimento mecânico através de um sistema constituído por dois “caracóis” tecnicamente conhecido por volutas, chamados popularmente de caracol turbina carcaça quente e caracol compressor carcaça fria, nos quais são introduzidos em seus interiores dois rotores, um chamado rotor turbina e o outro rotor compressor, unidos pelo mesmo eixo que está montado numa caixa central. Este mecanismo faz com seja inserido a uma pressão maior que a atmosférica encontrada no ar ambiente, aumentado imediatamente a densidade do mesmo no interior do cilindro, em função da vazão dos gases de escape, proporcionadas pela rotação e carga imprimidas pelo motor, que são determinantes na eficiência do turbo.

Logo o turbo é uma máquina de fluxo vazão e podem-se construir curvas características gráficos como as utilizadas para bombas e ventiladores.
Os parâmetros que influenciam no mapa ca­rac­terística de cada turbo são:

- Número de pás do rotor compressor e turbina
- Peso do rotor compressor, turbina e eixo
- Configuração das pás do rotor turbina e compressor
-Diâmetros de entrada e saída das pás do compressor Trim
-Forma dos caracóis e suas dimensões A/R
-Formato dos bocais de entrada e saída na carcaça da turbina e compressor.

Esses gráficos são utilizados pelos fabricantes do motor para buscar uma melhor adequação entre as necessidades em termos de vazão de ar do motor e o turbocompressor.

O “trim” é um adimensional valor sem unidade de medida calculado pela divisão do diâmetro menor, pelo diâmetro maior do rotor compressor.

A relação A/R também é um adimensional e estabelece a proporção entre a área de passagem do fluído massa de ar na turbina/compressor e seu raio em relação ao centro da turbina/compressor.

Nos turbos convencionais quem determina a pressão de sobrealimentação máxima é o tamanho da carcaça quente a tal relação A/R e o “trim”. Com as atuais necessidades de aplicações em motores de pequena e média cilindrada, onde o espaço do habitáculo do motor está comprometido, as reduções das carcaças quentes e frias foram inevitáveis, o que provocou altas pressões a elevadas rotações, que poderiam causar danos ao motor. A estratégia adotada para resolver o problema foi introduzir uma válvula de alívio, conhecida pelo nome de “wastegate”, que tem como finalidade criar uma passagem alternativa para os gases de escape by-pass, sem que estes incidam atinjam sobre as pás da turbina, reduzindo sua velocidade e consequentemente a pressão de sobrealimentação, a níveis compatíveis com a potência e torque desejados pelo fabricante.

TGV ou VGT

Os turbos convencionais e os que utilizam a válvula wastegate apresentam um “lag” demora entre a solicitação do pedal do acelerador e a resposta do turbo relativamente alto, principalmente nos convencionais, causado pela inércia dos componentes envolvidos na construção do turbo eixo, rotores, porca, etc e principalmente pela depressão causada pelo deslocamento do pistão no tempo de admissão; variáveis estas complexas com qual o turbo trabalha no seu funcionamento. A solução definitiva para eliminar esse inconveniente foi a implementação dos turbos de última geração, conhecidos como TGV turbo de geometria variável. O princípio de funcionamento é baseado na variação da secção de passagem dos gases de escape, provocada por um conjunto de aletas moveis, fixadas a carcaça da carcaça quente que ao se movimentarem alteram a velocidade e o ângulo de incidência dos gases sobre as pás do rotor turbina. A movimentação das aletas é realizada através de uma haste comandada por uma válvula idêntica a wastegate, gerenciada por pressão ou depressão, dependendo do veículo.

Esses turbos apresentam uma característica técnica extremamente interessante e muito apreciada pelos condutores: a famosa “pegada” de saída, tecni­ca­men­te conhecido como sus­ten­tabilidade de torque em baixas rotações, que implica em economia de combustível e diminuição da necessidade pela troca constante de marchas.

O turbocompressor deve ser substituído mediante critérios técnicos, lembrando-se que para desempenhar suas funções satisfatoriamente, depende de outros componentes que fazem parte do sistema de alimentação de ar, tais como mangueiras, filtro e intercooler. A linha de alimentação de combustível também deverá ser considerada, a contemplar os filtros, bomba injetora, bicos injetores, tampa do tanque, etc.

Um procedimento a ser utilizado para avaliação precisa sobre a condição de trabalho do turbo é efetuar a medição da pressão de alimentação, pois a grandeza física principal a ser avaliada é a pressão, mas este teste deve ser feito sempre com o veículo sendo submetido a condições de carga e rotações variadas, para concluir não apenas a máxima pressão atingida, mas também em que faixa de rotação e carga ela é atingida. Dica: No mercado existem manômetros que medem depressão vácuo, pressão de transição zero da escala e pressão de sobrealimentação turbo. Com este tipo de equipamento, o diagnóstico é muito mais preciso.

Substituição

Alguns cuidados devem ser tomados na instalação do turbocompressor, tais como:
- Substituir a mangueira se existir do retorno do turbo. Escolha por mangueiras originais que não ressecam ao contato com o óleo de motor. A experiência demonstra quantos motores foram perdidos pelo simples ato da não substituí-la.
- Não utilizar adesivos para fixação das juntas de vedação. Optar em “aplainar” as flanges de fixação de retorno e alimentação por meio de uma lima bem “lisa”, a proporcionar planicidade e consequentemente a vedação.

- Utilizar porcas “cobreadas” para fixação do turbo, pois não proporcionam travamentos das mesmas nas remoções.
- Trocar o óleo e o filtro lubrificante
- Não alterar o diâmetro da tubulação ou do “parafuso oco” de alimentação, pois o óleo tem função lubrificante e arrefecedora.
- Não alterar o desnível entre a saída do retorno do turbo óleo de motor e o cartér. Curvas muito acentuadas no formato de “L” poderão ocasionar acúmulo de óleo dentro do turbo dificuldade de fluidez, podendo gerar vazamentos e consumo de óleo.As dicas e informações sobre o sistema de sobrealimentação através de turbocompressor encontrado nos veículos leves, utilitários e caminhões tem por finalidade explanar os conceitos sobre funcionamento e diagnóstico. Realizada sob o auxílio do instrutor técnico José Carlos Pereira Omil o professor Omil da escola Senai Conde José Vicente de Azevedo, localizada no bairro do Ipiranga em São Paulo, o assunto foi desenvolvido por despertar em todos verdadeiro fascínio e “paixões incontroláveis”.

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