Características motores turboalimentados

Antes de começarmos, temos que usar uns segundos para revisar um pouco de física - A Lei do Gás Ideal. Resumindo, a temperatura, pressão e volume de um gás estão todos relacionados. Comprima um gás (reduza o volume) e a pressão e a temperatura subirão. Deixe-o expandir, e a temperatura e pressão diminuirão.

Aumente a temperatura, e a pressão sobe (num espaço fechado) ou o volume aumenta (ele expande). Ainda, os gases querem fluir de uma área de alta pressão para uma área de baixa pressão, e quanto maior a diferença, maior a força. (Estoure um balão, pequeno "bum". Estoure um cilindro de oxigênio para solda, grande "BUM") OK, um motor de 4 tempos produz trabalho expandindo um gás num espaço confinado onde as altas pressões criadas empurram um pistão. Além disso, este gás é aquecido pelo processo que o cria (diferente de um motor a vapor) ganhando pressões ainda mais altas - e mais potência. Infelizmente, muito deste gás/calor (que é o mesmo que energia) é jogado fora no escapamento antes que a gente tenha tido a chance de usá-lo. Não ficou no cilindro tempo suficiente para transformar todo aquele calor em energia mecânica, e não é prático fazer cilindros "altos" suficiente para extrair até a última gota de trabalho daquele gás aquecido em expansão. Então, o que podemos fazer a respeito? Bem, nós podemos apontar os canos de descarga para trás e tentar ganhar empuxo - apenas que excetuando muito raras circunstâncias, o volume de gás não é alto suficiente para ter empuxo aproveitável. (Uns poucos IndyCars antigos criavam perto de 1 Kg de empuxo com seus escapamentos, mas não era suficiente para ser realmente útil) OK, mas e se nós enfiássemos algum tipo de motor auxiliar neste fluxo de escapamento? Os motores a vapor funcionaram assim por anos...

Conheça o turbocharger, uma turbina alimentada por gases do escapamento, conectada a um compressor por um eixo que comprime o ar da admissão para dentro do motor. Mais ar no cilindro significa que mais combustível pode ser queimado a cada explosão, mais combustível queimado significa mais gás quente, mais gás quente significa mais potência - e mais empuxo também. Isto é o maior aproveitamento que se pode chegar em engenharia, porque você está usando calor (energia) que estaria de outra forma sendo desperdiçado e tirando proveito dele, quase sem desperdício. Fica um pouco mais complexo, custa um pouco mais caro, mas não há lado ruim em adicionar um turbo. "Mas o turbo não aumenta a pressão interna no coletor?"
Acelerando, não. Aqui está porquê: quando a válvula de exautão abre, a pressão dentro do cilindro é muito maior do que a pressão na entrada do turbo. Aquela pressão do cilindro "explode para fora" rapidamente, mas estamos no tempo de exaustão - o volume do cilindro está diminuindo rapidamente, e pela Lei do Gás Ideal, isto tende a manter a pressão do cilindro maior que a da entrada do turbo. Assim, quando o tempo de exaustão está quase terminado, e as pressões estão quase iguais, a válvula da admissão abre, a pressão de entrada (estamos acelerando, aqui!) "explode pra dentro" do cilindro, e pronto! temos novamente maior pressão no cilindro.
Certo, acima falamos que o turbo é um recurso que pode ser usado para tirar proveito de uma energia que seria disperdiçada. Agora vamos discutir como isto acontece em detalhes.É um erro comum achar que a metade de escape do turbo (metade quente) é acionada unicamente pela energia cinética da exaustão batendo contra ele (como segurar um cata-vento de criança atrás do cano de descarga). Mesmo que a energia cinética do fluxo do escapamento realmente contribua para o trabalho do turbo, a grande maioria da energia transferida vem de uma fonte diferente. Mantenha na cabeça a relação entre calor, volume, e pressão quando falamos de gases. Alto calor, alta pressão, e baixo volume são todos estados de alta energia, e baixo calor, baixa pressão, e grande volume são estados de baixa energia. Então nosso pulso de exaustão de gás sai do cilindro em alta temperatura e alta pressão. Ele é misturado a outros pulsos de exaustão, e chega na entrada do turbo - um espaço muito pequeno. Neste ponto, temos altíssima pressão e altíssimo calor, portanto nosso gás tem um altíssimo nível de energia.
Quando ele passa pelo difusor e para dentro do corpo da turbina, vai de um lugar apertado para um lugar espaçoso. Assim, ele expande, esfria, desacelera, e libera toda aquela energia - dentro da turbina que nós sabiamente colocamos dentro deste espaço para que quando o gás expandisse, empurrasse contra as pás da turbina, fazendo-a rodar. Pronto! Acabamos de recuperar alguma energia do calor do escapamento, que de outra forma teria sido perdida. Este é um efeito mensurável: coloque um termômetro na entrada e saída do turbo, e você verá a tremenda diferença na temperatura. Então, falando em língua de gente, o que isto significa ?
A princípio, a quantidade de trabalho que pode ser feito através de uma turbina de escapamento é determinado pela diferença de pressão na entrada e saída (em português, aumente a pressão na entrada do turbo, diminua a pressão na saída, ou faça os dois, e você tem mais potência). Pressão é calor, calor é pressão. Aumentar a pressão na entrada é possível, mas difícil. Diminuir a pressão na saída é fácil - simplesmente coloque um escapamento maior, sem resistências. É comum ouvir de pessoas que colocaram escapamentos esportivos, "meu turbo acelera mais rápido agora". Sim, isto porque baixando a pressão na saída, você aumenta a diferença de pressão, e agora o gás pode expandir mais, e gerar mais energia. Esta energia gira as pás do turbo mais rapidamente. Não pense então que quem troca o escapamento de um carro o faz pelo barulho. Existem escapamentos esportivos tão silenciosos quanto o original. Só são menos restritivos.
Falamos sobre o "lado quente", do escapamento. Mas o turbo possui um "lado frio", do compressor, vimos o que é um turbo, como a turbina do escapamento (lado quente) funciona, e agora nos voltamos para o lado do compressor do turbo. Se você conseguiu produzir trabalho a partir da expansão de um gás via turbina, pode-se imaginar que você pode comprimir um gás acionando o eixo da turbina com uma fonte de energia. Em outras palavras, o lado compressor é simplesmente o lado da turbina rodando invertido. Exatamente as mesmas leis se aplicam, só que agora ao inverso: pegamos um gás de baixa pressão, baixa temperatura trabalhamos sobre ele com as pás do compressor, e obtemos um gás de alta pressão, alta temperatura. Este aumento de temperatura é indesejado, e vai nos trazer problemas depois - logo falaremos disto (Intercooler). Apesar do lado da turbina e lado do compressor serem essencialmente semelhantes, eles não são exatamente iguais, e o motivo disso está relacionado à química da combustão. Um determinado volume de ar vai queimar uma exata exata quantidade de combustível, numa proporção de ar:combustível de aprox. 14:1. O volume de exaustão produzido é muito maior do que o volume de ar usado para criá-lo, e a pressão resultante é muito maior do que a pressão de entrada poderá ser, e por isso o desenho da roda e compartimento são completamente diferentes. O que nos leva ao projeto da turbina/compressor.As turbinas são impressionantes.
Elas são leves, e MUITO eficientes, mas tendem a sofrer com variações de RPM. Assim, uma turbina/compressor é muito eficiente numa certa capacidade de RPM/fluxo, mas se você varia demais o RPM do eixo, a eficiencia diminui. Acelere demais, e as lâminas da turbina cavitam e sofrem um "stall" aerodinâmico, e o fluxo cai. Muito devagar, as lâminas não estão "mordendo" ar suficiente e o fluxo também cai. Veja este exemplo. O Tanque M1A1 Abrams pesa perto de 55 toneladas, muitas das quais em blindagem. (Aço e Urânio) Ele possui um motor turbo que produz 1800 HP medidos nas rodas... hmmm, esteiras, o que é suficiente para mover o monstro a uns 120 Km/h. A turbina é fantasticamente pequena, e pesa entre 150 a 200 Kg. Comparada ao peso do tanque, parece nem existir. Entretanto, o desenho da turbina foi otimizado para trabalhar em "PNF" ("Pé No Fundo"): Com PNF, a turbina tem consumo de gasolina equivalente a um diesel na mesma potência, mas na lenta, a eficiencia da turbina cai, ao ponto de o consumo (por minuto de funcionamento) ser **maior** na lenta do que com PNF!!! As turbinas são fantásticos geradores de potência para veículos que funcionam num RPM constante todo tempo - como tanques, barcos, aviões, IndyCars, etc. Para veículos que frequentemente variam de rotação, elas exigem alguns acessórios, descritos adiante (BOV, Wastegate). Isto também explica porquê o turbo do Mitsubishi Eclipse 2G tem o diâmetro menor do que os 1G.
Foi recalculado para acelerar a ventoinha mais rápido, atingindo a rotação (e pressão) de trabalho mais cedo. Acreditando-se que o turbo será usado na faixa de giro do motor de 2000 a 4500 RPM. Se você pretende usar o turbo numa faixa mais alta, digamos entre 2000 e 5300, o turbo maior do 1G estará melhor dimensionado. Isto falando do giro ideal, pois é óbvio que mesmo acima desta faixa o turbo ainda está ajudando. Abaixo segue um gráfico para melhor entendimento.
Você já sabe o que é um turbo, para que serve a turbina na saída do motor, para que serve o compressor na entrada. Que acessórios o turbo usa e para que servem?
Agora vamos ver o Intercoolers, Wastegates e BOVs ( aqueles acessórios do turbo, e algumas peças de um kit turbo, vamo lá, powered by TechnoRace. Então, até a pouco tínhamos alta pressão saindo do compressor para o motor. Infelizmente, a física trabalhou contra nós e, por termos pressionado o ar na entrada, a temperatura deste ar subiu. Isto é ruim. Com isto a densidade do ar diminui, e aumentam as chances do terror dos motores: a pré-ignição (detonação). Lembre-se, a detonação é o principal limitador de potência de um motor, e calor do ar na admissão aumenta as chances de detonação. Então temos que esfriar o ar antes que ele entre no motor, sem perder pressão. Para isto serve o Intercooler, basicamente um "radiador de ar" colocado entre o compressor e o motor. Não há muito o que falar disto, exceto:

1 ) Quanto mais esfriar o ar, melhor. (Note que existem pequenos intercoolers que são melhor desenhados que aqueles gigantes, então tamanho não é documento).

2 ) Devem ser colocados num local que o ar ambiente consiga passar, com entrada e saída. Colocar um intercooler contra um paralama não adianta!

3 ) Sempre há uma perda de pressão num cooler. Depende do projeto.

Resumo Final: O motor turbinado gera um aumento de potência por volta de 50%, podendo chegar perto de 100%. No caso desse tipo de adaptação, é uma turbina que faz a aspiração da mistura - ar/combustível - para o interior dos cilindros.A instalação não é bem simples como aspirar um motor, mas conserva as características originais dele. A turbina é colocada no coletor de escapamento, sendo esse o local mais adequado. Certamente, o turbo é uma ótima opção de quem está querendo aumentar a potência de seu carro. Não existem desvantagens para o motor com ele instalado, mas é necessário tomar alguns cuidados bem importantes para não prejudicar o seu motor. O turbo aumenta consideravelmente a temperatura do motor. Com isso é necessário uma melhor atenção na sua conservação.



texto produzido por Cristyan Sidelsky