O empresário Glauco Diniz Duarte diz que 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
De acordo com Glauco, 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.
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. 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 Refrigeração e Lubrificação
Segundo Glauco, 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.