Como funciona a turbina

Turbina da Garett

Olá pessoal,
Hoje no quadro "Curiosidades e quadro técnico" vamos falar da turbina, que está equipado em tantos motores de ônibus e entender seu funcionamento.


Introdução

Quando as pessoas conversam sobre carros de corrida ou carros esportivos de alto desempenho, normalmente falam em turbocompressores. Eles aparecem também em motores a diesel de pequeno, médio e grande porte. Um turbo pode aumentar significativamente a potência de um motor sem elevar muito seu peso, e é isso que os torna tão populares.

Neste artigo, aprenderemos como um turbocompressor aumenta a potência produzida por um motor, ao mesmo tempo em que suporta condições extremas de funcionamento. Veremos também como a válvula de alívio, as palhetas de turbina de cerâmica e os mancais ajudam os turbocompressores a desempenhar sua função de forma ainda mais eficiente.

Turbocompressores são um tipo de sistema de indução forçada. Eles comprimem o ar que entra no motor (veja Como funcionam os motores de carros para uma descrição da corrente de ar em um motor normal). A vantagem da compressão do ar é que isso permite ao motor receber mais ar dentro de um cilindro - e mais ar significa que mais combustível pode ser adicionado. Obtém-se, portanto, mais potência das explosões em cada cilindro. Um motor turbocomprimido produz mais potência do que o mesmo motor sem o dispositivo. Isso pode melhorar significativamente a relação peso/potência do motor (veja Como funciona a potência do motor para mais detalhes).

Para conseguir essa compressão do ar, o turbocompressor utiliza o fluxo dos gases de escapamento do motor para girar uma turbina, que, por sua vez, gira um compressor. A turbina no turbocompressor gira a velocidades de até 150 mil rotações por minuto (rpm), aproximadamente 30 vezes mais rápido do que a maioria dos motores de automóveis, e, como está ligada ao escapamento, as temperaturas dentro dela também são bem elevadas.

Princípios básicos

Local onde a turbina está localizada

Uma das maneiras mais garantidas de se obter mais potência de um motor é aumentar a quantidade de ar e de combustível que ele pode queimar. Uma forma de se fazer isso é adicionando cilindros ou tornando maiores os cilindros existentes. Porém, algumas vezes, essas alterações não são possíveis. Um turbo pode ser uma forma mais simples e compacta de adicionar potência, especialmente como acessório vendido em lojas ou oficinas de preparação de motores.

Turbocompressores permitem que um motor queime mais ar e combustível ao colocá-los em maior quantidade dentro dos cilindros existentes. A pressão de superalimentação típica fornecida por um turbocompressor é de 6 a 8 libras por polegada quadrada (lb/pol2). Como a pressão atmosférica normal é de 14,7 lb/pol2 ao nível do mar, o turbo coloca 50% mais ar no motor. Com isso, espera-se um ganho de 50% na potência do motor mas, por não haver eficiência na mesma proporção, é normal atingier um ganho de 30% a 40%.

Uma causa da ineficiência vem do fato de que a potência para girar a turbina não é livre. Ter uma turbina no fluxo de escapamento aumenta a restrição de saída dos gases queimados. Isso significa que, no curso de escapamento, o motor tem que empurrar uma contrapressão. Isso faz diminuir um pouco a potência.

Altitudes elevadas

Um turbocompressor ajuda em altitudes elevadas, onde o ar é menos denso. Motores normais têm perda de potência em altitudes elevadas, pois, para cada curso do pistão, o motor recebe uma massa de ar menor. Um motor turbocomprimido pode ter também redução de potência, mas a redução é menos problemática, já que o ar mais fino é mais fácil de ser bombeado pelo tubocompressor.

Carros mais velhos, com carburadores, aumentam automaticamente a vazão de combustível para se ajustar ao maior fluxo de ar que entra nos cilindros. Carros modernos com injeção de combustível também fazem isso até um certo ponto. O sistema de injeção depende dos sensores de oxigênio no escapamento para determinar se a relação ar-combustível está correta, de forma que esses sistemas aumentarão a quantidade de fluxo de combustível automaticamente se um turbo for adicionado.

Se um turbocompressor com muita pressão é instalado num carro com injeção de combustível, o sistema pode não fornecer combustível suficiente. Dessa maneira, ou o software programado no controlador não permite que isso ocorra, ou a bomba e os injetores não são capazes de fornecê-lo. Nesse caso, outras modificações terão que ser feitas para se conseguir o máximo benefício do turbocompressor.

Como funciona

Esquema de funcionamento da turbina

O turbocompressor é parafusado ao coletor de escapamento do motor. O fluxo dos gases queimados que sai dos cilindros gira a turbina, que funciona como um motor de turbina a gás. A turbina é conectada por uma árvore ao compressor localizado entre o filtro de ar e o coletor de admissão. O compressor pressuriza o ar que vai para os cilindros.

Por dentro...

Os gases de escapamento, ao deixar os cilindros, passam pelas palhetas da turbina, fazendo-a girar. Quanto mais gases passam pelas palhetas, mais rapidamente elas giram.

Do outro lado da árvore à qual a turbina está conectada, o compressor bombeia ar para dentro dos cilindros. O compressor é um tipo de bomba centrífuga que suga o ar para dentro no centro de suas palhetas e lança-as para fora à medida que gira.

Palhetas do Turbocompressor

Para agüentar velocidades de até 150 mil rpm, a árvore da turbina tem que estar cuidadosamente sustentada. A maioria dos rolamentos explodiria a velocidades como essa, portanto, a maioria dos turbocompressores utiliza um mancal fluido. Esse tipo de mancal mantém a árvore em uma fina camada de óleo que é constantemente bombeada em torno dela. Isso serve a dois propósitos: resfria a árvore e algumas das outras peças do turbocompressor e permite que o eixo gire sem muito atrito.
Existem muitos compromissos envolvidos no projeto de um turbocompressor para motor. Na próxima seção, veremos alguns desses compromissos e como eles a­fetam o desempenho do carro.

Pressão demais

Com o ar sendo bombeado pelo turbocompressor para dentro dos cilindros sob pressão e depois sendo comprimido ainda mais pelo pistão (veja Como funcionam os motores de carros para uma demonstração), há um maior risco de provocar a detonação ou "batida de pino". A detonação acontece porque, à medida que o ar é comprimido, sua temperatura aumenta. A temperatura pode aumentar o suficiente para dar ignição à parte da mistura ar-combustível que ainda não queimou, estando a combustão em andamento. Carros com turbocompressor frequentemente necessitam de combustível com maior octanagem para evitar a detonação. Se a pressão do turbo for muito alta, a taxa de compressão do motor pode necessitar ser reduzida a fim de evitar a detonação.

Linha pesada (Ônibus e caminhões)

A turbina dos caminhões funciona como um compressor. Quanto mais ar entrar no motor, mais forte vai ser a combustão e portanto mais potência.

A pressão gerada pela turbina é tão grande que a temperatura do ar fica muito alta. Para evitar essa elevação tão grande da temperatura do ar é usado um "radiador" chamado "intercooler" que fica depois da turbina e antes do motor.

Assim, a turbina dos motores de caminhão não está diretametne ligada a propulsão mas sim ao sistema de alimentação do motor.

Vale lembrar uma dica útil que ao ligar o motor, é bom deixar o motor funcionando por uns instantes antes de sair ou executar altas acelerações, da mesma forma que ao chegar ao destino, deixar o motor "repousar" a pressão da turbina antes de desligar o veículo

Pente na turbina

É uma palhaçada customização feita por caminhoneiros onde consiste numa  peça de metal que é soldado no caminho do caracol da turbina, proporcionando um ruido que se assemelha a uma bicha louca gritando um piado a cada desaceleração. Vale lembrar que essa "gracinha" feita, perde-se mais de 50% da vida útil da turbina.

Fonte: HowStuffWorks