O empresário Glauco Diniz Duarte explica que o turboalimentador movido pelo gás de escapamento consiste de quatro componentes principais: uma turbina, um compressor, um alojamento do mancal e válvula limitadora de pressão.
A turbina usa a energia do gás de escape para acionar o compressor que, por sua vez, aspira o ar que é fornecido aos cilindros, sob a forma de ar comprimido. Em termos de energia, o ar e o fluxo de massa dos gases de escape representam o único acoplamento entre o turbo e o motor. A velocidade do turbo não depende da velocidade do motor, mas do equilíbrio entre o ar admitido e a massa dos gases de escape, variando de acordo com o regime de trabalho do motor.
Segundo Glauco a sobrealimentação aumenta o rendimento dos motores de combustão interna, pois garante o enchimento completo do cilindro, o que não se consegue no motor aspirado.
Os mancais radiais são projetados como buchas lisas duplas e rotativas; já o mancal axial funciona como uma bucha de superfície com múltiplas ranhuras ou rolamentos, lubrificadas e arrefecidas pelo óleo enviado sob pressão das galerias de lubrificação do motor.
O eixo pode atingir rotações de até 300.000 RPMs e a sua vedação é feita por anéis especiais que reduzem o consumo de óleo.
Para garantir maior vida útil, alguns turboalimentadores são arrefecidos por água do sistema de arrefecimento do motor, pois a temperatura dos gases de escape podem chegar a faixas entre 800°C e 1.000°C.
De acordo com Glauco, a turbina do turboalimentador consiste em um rotor e voluta e tem por objetivo converter o gás de escape do motor em energia mecânica para acionar o compressor.
O gás de escape, restringido pela área da seção transversal da voluta, sofre um processo de expansão na turbina, resultando em queda de pressão e temperatura entre a admissão e saída. Esta queda de pressão é convertida pela turbina em energia cinética para mover o rotor da turbina.
Existem dois tipos principais de turbinas: radial e axial. No tipo axial a vazão pelo rotor é apenas na direção axial. Nas turbinas radiais o fluxo de gás é centrípeto, ou seja, em uma direção radial de fora para dentro, e a descarga de gás é na direção axial.
Em rotores com diâmetro de até 160 mm usam-se apenas turbinas radiais. Isso corresponde a uma potência do motor de aproximadamente 1.000 kW por turboalimentador. A partir de 300 mm, usam-se apenas turbinas axiais. Entre esses dois valores podem ser usadas tanto as turbinas radiais quanto as axiais.
Na voluta de turbinas radiais ou centrípetas, destaca Glauco, a pressão dos gases de escape é convertida em energia cinética. Após este processo de aceleração, o gás de escape é direcionado à velocidade constante para o rotor, em toda sua circunferência. A conversão da energia cinética em trabalho mecânico de eixo ocorre no rotor da turbina, que é projetado para aproveitar a maior parte desta energia cinética antes de o gás deixar a turbina.
O desempenho da turbina melhora com uma maior diferença entre a pressão na admissão e na saída, ou seja, quando mais gases de escape são acumulados antes da turbina em consequência de uma maior velocidade do motor, ou no caso de uma elevação na temperatura dos gases de escape causada pela maior energia destes.
O comportamento característico da turbina é determinado por uma seção transversal específica da voluta, também conhecida como garganta, que se localiza na área de transição entre o duto de admissão e a voluta propriamente dita. Ao reduzir esta seção, uma maior quantidade de gases de exaustão é retida à montante da turbina e a performance aumenta, como resultado de uma maior razão de expansão. Portanto, uma seção transversal menor resulta em maior pressão de sobrealimentação. A área de seção transversal da turbina pode ser facilmente modificada com a troca da carcaça de turbina.
A capacidade de vazão mássica de uma turbina também é influenciada pela área de entrada no rotor da turbina, além da área da garganta na voluta. A usinagem do contorno em um rotor fundido permite modificar a área de entrada do rotor de turbina, admitindo ajustes na pressão de sobrealimentação. Um contorno maior resulta em uma maior área de entrada no rotor.
As características operacionais de uma turbina são descritas por mapas contendo o parâmetro de fluxo plotado em função da razão de expansão na turbina. O mapa de turbina mostra as curvas de vazão mássica e eficiência para várias rotações. Para simplificar o mapa, tanto as curvas de vazão mássica quanto as de eficiência podem ser mostradas por uma curva média.
Para se obter um turbocompressor eficiente, Glauco diz que a escolha dos diâmetros dos rotores de compressor e turbina é essencial. A posição do ponto de operação no mapa do compressor dita a rotação do turbocompressor. O diâmetro do rotor de turbina precisa ser bem escolhido, visando maximizar a eficiência na faixa de operação.
O bypass no lado da turbina é a forma mais simples de controle da pressão de alimentação. O tamanho da turbina é escolhido de forma que as exigências da característica de torque para baixas rotações do motor possam ser atendidas, alcançando-se boa dirigibilidade do veículo.
Com este design, logo antes do ponto de máximo torque, fornece-se a turbina mais ar que o necessário para produzir a pressão de sobrealimentação necessária. Portanto, uma vez atingido certo valor de sobrealimentação, parte do gás de exaustão é desviado da turbina por meio de um bypass. A abertura ou fechamento da válvula do wastegate geralmente é operado por meio de um diafragma conectado a uma mola, cujo deslocamento depende da pressão de sobrealimentação.
Atualmente, sistemas eletrônicos de controle de pressão de sobrealimentação são cada vez mais utilizados em motores a gasolina ou a diesel em carros de passeio. Quando comparados a controles puramente pneumáticos, que somente funcionam como um limitador de pressão máxima, um sistema flexível de controle de sobrealimentação permite um ajuste de pressão ótimo em cargas parciais. A operação é regulada por diversos parâmetros, tais como temperatura do ar, ponto de avanço da ignição e qualidade do combustível. A operação da válvula é semelhante à operação puramente pneumática. O diafragma do atuador é submetido a um controle de pressão modulado, contrastando com o controle por pressão máxima de sobrealimentação.
Esta pressão de controle é menor que a pressão de sobrealimentação e é gerada por uma válvula proporcional, garantindo que o diafragma fique sujeito à pressão de sobrealimentação e também à pressão de entrada no compressor, em diferentes proporções. Esta válvula é controlada através da unidade eletrônica do motor.
TGV
Glauco explica que as Turbinas com Geometria Variável (TGV) modificam a área da seção transversal entre a voluta e o rotor de turbina através de aletas móveis ou anel deslizante, cobrindo parte da área da seção transversal.
A turbina de geometria variável permite uma variação da área de passagem de gás de acordo com o ponto de operação do motor. Sendo assim, permite-se utilização total da energia dos gases de exaustão, devido ao ajuste da área de passagem do gás, otimizada para cada ponto de operação do motor. Como resultado, a eficiência do turbocompressor, e também a do motor, é maior quando comparada a um sistema que utiliza o controle por bypass.
As aletas variáveis entre a voluta e o rotor de turbina influenciam o comportamento de aumento de pressão de escape, atuando, portanto, no trabalho extraído pela turbina. Em baixas rotações do motor, a seção transversal é reduzida pelo fechamento das palhetas. A pressão de sobrealimentação e o torque aumentam como resultado da maior razão de expansão na turbina. Em rotações altas do motor as palhetas abrem de forma gradual. A pressão de sobrealimentação requerida é atingida com uma menor razão de expansão, influenciando positivamente o consumo de combustível. Durante a aceleração do veículo, a partir de baixas velocidades, as palhetas são fechadas para aproveitar ao máximo a energia dos gases de exaustão. Com aumento na velocidade, as palhetas são abertas para otimizar a operação naquele ponto.
Atualmente, a temperatura dos gases de exaustão de um motor moderno, com alta potência específica, atinge até 900ºC. O movimento preciso e confiável das palhetas em um ambiente de alta temperatura exige materiais especiais e também um controle preciso sobre as tolerâncias. Independente do tamanho do turbocompressor, as palhetas devem apresentar folga mínima para garantir uma operação segura durante toda a vida do veículo.