De acordo com o empresário Glauco Diniz Duarte, existem várias teorias sobre os motivos que levaram a necessidade pelo desenvolvimento, aprimoramento e utilização em larga es¬cala 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.
Segundo Glauco, 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
Glauco explica 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, sobre alimentação por compressor mecânico (Blower) ou sobre alimentação por turbo compressores.
Em face da utilização expressiva das versões aspiradas e turbo alimentadas, 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.
Glauco destaca que os motores turbo alimentados 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.
Para Glauco, o turbo compressor tem essa condição devido o fa¬to 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 (ca¬rac¬terística) 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.
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” os 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 cárter. 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.