Como funcionam os turbocompressores

Galeria de imagens: turbocompressores O sistema turbocompressor do Mitsubishi Lancer Evolution IX. Veja mais fotos do turbocompressor. YOSHIKAZU TSUNO / AFP / Getty Images

Quando as pessoas falam sobre carros de corrida ou carros esportivos de alto desempenho, o tópico de turbocompressores geralmente surge. Turbocompressores também aparecem em grandes motores a diesel. Um turbo pode aumentar significativamente a potência de um motor sem aumentar significativamente seu peso, que é o enorme benefício que torna os turbos tão populares!

Neste artigo, aprenderemos como um turbocompressor aumenta a potência de saída de um motor enquanto sobrevive a condições operacionais extremas. Também aprenderemos como wastegates, lâminas de turbina de cerâmica e rolamentos de esferas ajudam os turbocompressores a fazer seu trabalho ainda melhor. Turbocompressores são um tipo de sistema de indução forçada. Eles comprimir o ar fluindo para o motor (consulte Como funcionam os motores de automóveis para obter uma descrição do fluxo de ar em um motor normal). A vantagem de comprimir o ar é permitir que o motor introduza mais ar em um cilindro, e mais ar significa que mais combustível pode ser adicionado. Portanto, você obtém mais potência de cada explosão em cada cilindro. Um motor turboalimentado produz mais potência geral do que o mesmo motor sem o carregamento. Isso pode melhorar significativamente a relação potência-peso do motor (consulte Como funciona a potência para obter detalhes).

-A fim de alcançar esse impulso, o turbocompressor usa o fluxo de escape do motor para girar um turbina, que por sua vez gira um bomba de ar. A turbina no turbocompressor gira a velocidades de até 150.000 rotações por minuto (rpm) - isso é cerca de 30 vezes mais rápido do que a maioria dos motores de automóveis pode ir. E por estar ligado ao escapamento, as temperaturas na turbina também são muito altas.

Continue lendo para descobrir quanta mais potência você pode esperar de seu motor se adicionar um turbocompressor.

Conteúdo

1. Turbocompressores e motores
2. Projeto do turbocompressor
3. Peças do turbocompressor
4. Usando dois turbocompressores e mais peças turbo

Onde o turbocompressor está localizado no carro.

Uma das maneiras mais seguras de obter mais potência de um motor é aumentar a quantidade de ar e combustível que ele pode queimar. Uma maneira de fazer isso é adicionar cilindros ou tornar os cilindros atuais maiores. Às vezes, essas mudanças podem não ser viáveis ​​- um turbo pode ser uma maneira mais simples e compacta de adicionar energia, especialmente para um acessório pós-venda.

Os turbocompressores permitem que um motor queime mais combustível e ar ao colocar mais nos cilindros existentes. O impulso típico fornecido por um turbocompressor é de 6 a 8 libras por polegada quadrada (psi). Como a pressão atmosférica normal é de 14,7 psi ao nível do mar, você pode ver que está inserindo cerca de 50% a mais de ar no motor. Portanto, você esperaria obter 50% a mais de potência. Não é perfeitamente eficiente, então você pode obter um Melhoria de 30 a 40 por cento em vez de.

Uma causa do ineficiência vem do fato de que a energia para girar a turbina não é gratuita. Ter uma turbina no fluxo de exaustão aumenta a restrição na exaustão. Isso significa que, no curso do escapamento, o motor precisa empurrar contra uma contrapressão mais alta. Isso subtrai um pouco da potência dos cilindros que estão disparando ao mesmo tempo.-

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Como um turbocompressor é instalado em um carro Imagem cortesia de Garrett

O turbocompressor é aparafusado ao coletor de exaustão do motor. A exaustão dos cilindros gira o turbina, que funciona como um motor de turbina a gás. A turbina é conectada por um eixo ao compressor, que está localizado entre o filtro de ar e o coletor de admissão. O compressor pressuriza o ar que entra nos pistões.

Por dentro de um turbocompressor Imagem cortesia de Garrett

A exaustão dos cilindros passa pelo lâminas de turbina, fazendo a turbina girar. Quanto mais exaustão passa pelas lâminas, mais rápido elas giram.

Na outra extremidade do eixo ao qual a turbina está conectada, o compressor bombeia o ar para os cilindros. O compressor é um tipo de bomba centrífuga - ele puxa o ar no centro de suas lâminas e o lança para fora enquanto gira.

Para lidar com velocidades de até 150.000 rpm, o eixo da turbina deve ser apoiado com muito cuidado. A maioria dos rolamentos explodiria em velocidades como esta, então a maioria dos turbocompressores usa um rolamento fluido. Esse tipo de rolamento apóia o eixo em uma fina camada de óleo que é constantemente bombeada ao redor do eixo. Isso serve a dois propósitos: resfria o eixo e algumas das outras peças do turbocompressor e permite que o eixo gire sem muito atrito.

Existem muitas compensações envolvidas no projeto de um turbocompressor para um motor. Na próxima seção, veremos alguns desses compromissos e veremos como eles afetam o desempenho.

Muito impulso?

Com o ar sendo bombeado para os cilindros sob pressão pelo turbocompressor e, em seguida, sendo ainda mais comprimido pelo pistão (consulte Como funcionam os motores de automóveis para uma demonstração), há mais perigo de bater. Batendo acontece porque conforme você comprime o ar, a temperatura do ar aumenta. A temperatura pode aumentar o suficiente para inflamar o combustível antes que a vela de ignição acenda. Carros com turbocompressores geralmente precisam funcionar com combustível de alta octanagem para evitar batidas. Se a pressão de alimentação for muito alta, a taxa de compressão do motor pode ter que ser reduzida para evitar batidas.

Turbocompressores fornecem impulso para motores em altas velocidades. © Fotógrafo: Max Dimyadi | Agência: Dreamstime.com

Um dos principais problemas dos turbocompressores é que eles não fornecem um aumento de potência imediato quando você pisa no acelerador. Leva um segundo para a turbina ganhar velocidade antes que o impulso seja produzido. Isso resulta em uma sensação de atraso quando você pisa no acelerador e, em seguida, o carro avança quando o turbo começa a se mover.

Uma maneira de diminuir o turbo lag é reduzir o inércia das partes rotativas, principalmente reduzindo seu peso. Isso permite que a turbina e o compressor acelerem rapidamente e comecem a fornecer impulso mais cedo. Uma maneira segura de reduzir a inércia da turbina e do compressor é tornar o turbocompressor menor. Um pequeno turbocompressor fornecerá impulso mais rapidamente e em velocidades mais baixas do motor, mas pode não ser capaz de fornecer muito impulso em velocidades mais altas do motor quando um grande volume de ar está entrando no motor. Também corre o risco de girar muito rapidamente em velocidades mais altas do motor, quando muitos gases de escape estão passando pela turbina.

A maioria dos turbocompressores automotivos tem um wastegate, o que permite o uso de um turboalimentador menor para reduzir o atraso enquanto evita que ele gire muito rapidamente em altas velocidades do motor. A wastegate é uma válvula que permite que a exaustão passe pelas lâminas da turbina. O wastegate detecta a pressão do turbo. Se a pressão ficar muito alta, pode ser um indicador de que a turbina está girando muito rapidamente, então a válvula de descarga desvia parte do escapamento ao redor das pás da turbina, permitindo que as pás diminuam a velocidade.

Alguns turbocompressores usam rolamentos de esferas em vez de mancais de fluido para apoiar o eixo da turbina. Mas estes não são os seus rolamentos de esferas regulares - são rolamentos superprecisos feitos de materiais avançados para lidar com as velocidades e temperaturas do turbocompressor. Eles permitem que o eixo da turbina gire com menos atrito do que os mancais de fluido usados ​​na maioria dos turbocompressores. Eles também permitem que um eixo um pouco menor e mais leve seja usado. Isso ajuda o turboalimentador a acelerar mais rapidamente, reduzindo ainda mais o turbo lag.

Lâminas de turbina de cerâmica são mais leves do que as lâminas de aço usadas na maioria dos turbocompressores. Novamente, isso permite que a turbina gire para uma velocidade mais rápida, o que reduz o turbo lag.

Um cupê rotativo Mazda RX-8 equipado com um sistema turboalimentador de reposição. Imagens TOSHIFUMI KITAMURA / AFP / Getty

Alguns motores usam dois turbocompressores de tamanhos diferentes. O menor gira para acelerar muito rapidamente, reduzindo o atraso, enquanto o maior assume em velocidades de motor mais altas para fornecer mais impulso.

Quando o ar é comprimido, ele se aquece; e quando o ar esquenta, ele se expande. Portanto, parte do aumento de pressão de um turbocompressor é o resultado do aquecimento do ar antes de entrar no motor. Para aumentar a potência do motor, o objetivo é colocar mais moléculas de ar no cilindro, não necessariamente mais pressão de ar.

A intercooler ou refrigerador de ar de carga é um componente adicional que se parece com um radiador, exceto que o ar passa tanto por dentro quanto por fora do intercooler. O ar de admissão passa por passagens vedadas dentro do refrigerador, enquanto o ar mais frio de fora é soprado pelas aletas pelo ventilador de refrigeração do motor.

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O intercooler aumenta ainda mais a potência do motor ao resfriar o ar pressurizado que sai do compressor antes de entrar no motor. Isso significa que se o turbocompressor estiver operando com um impulso de 7 psi, o sistema inter-resfriado colocará 7 psi de ar mais frio, que é mais denso e contém mais moléculas de ar do que o ar mais quente.

Um turbocompressor também ajuda a altitudes elevadas, onde o ar é menos denso. Os motores normais terão potência reduzida em grandes altitudes porque, para cada curso do pistão, o motor receberá uma massa menor de ar. Um motor turboalimentado também pode ter potência reduzida, mas a redução será menos dramática porque o ar mais rarefeito é mais fácil para o turboalimentador bombear.

Carros mais antigos com carburadores aumentam automaticamente a taxa de combustível para coincidir com o aumento do fluxo de ar que entra nos cilindros. Carros modernos com injeção de combustível também farão isso até certo ponto. O sistema de injeção de combustível depende de sensores de oxigênio no escapamento para determinar se a proporção ar-combustível está correta, de modo que esses sistemas aumentarão automaticamente o fluxo de combustível se um turbo for adicionado.

Se um turbocompressor com muito impulso for adicionado a um carro com injeção de combustível, o sistema pode não fornecer combustível suficiente - ou o software programado no controlador não permitirá isso, ou a bomba e os injetores não são capazes de fornecê-lo. Neste caso, outras modificações terão que ser feitas para obter o máximo benefício do turbocompressor.

Para mais informações sobre turbocompressores e tópicos relacionados, confira os links na próxima página.

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