Entendendo Turbo

Turbo

Primeira Parte :
Antes de começarmos, temos que usar uns segundos para revisar um pouco de física - A Lei do Gás Ideal. Resumindo, a temperatura, pressão e volume de um gás estão todos relacionados. Comprima um gás (reduza o volume) e a pressão e a temperatura subirão. Deixe-o expandir, e a temperatura e pressão diminuirão. Aumente a temperatura, e a pressão sobe (num espaço fechado) ou o volume aumenta (ele expande). Ainda, os gases querem fluir de uma área de alta pressão para uma área de baixa pressão, e quanto maior a diferença, maior a força. (Estoure um balão, pequeno "bum". Estoure um cilindro de oxigênio para solda, grande "BUM") OK, um motor de 4 tempos produz trabalho expandindo um gás num espaço confinado onde as altas pressões criadas empurram um pistão. Além disso, este gás é aquecido pelo processo que o cria (diferente de um motor a vapor) ganhando pressões ainda mais altas - e mais potência. Infelizmente, muito deste gás/calor (que é o mesmo que energia) é jogado fora no escapamento antes que a gente tenha tido a chance de usá-lo. Não ficou no cilindro tempo suficiente para transformar todo aquele calor em energia mecânica, e não é prático fazer cilindros "altos" suficiente para extrair até a última gota de trabalho daquele gás aquecido em expansão. Então, o que podemos fazer a respeito? Bem, nós podemos apontar os canos de descarga para trás e tentar ganhar empuxo - apenas que excetuando muito raras circunstâncias, o volume de gás não é alto suficiente para ter empuxo aproveitável. (Uns poucos IndyCars antigos criavam perto de 1 Kg de empuxo com seus escapamentos, mas não era suficiente para ser realmente útil) OK, mas e se nós enfiássemos algum tipo de motor auxiliar neste fluxo de escapamento? Os motores a vapor funcionaram assim por anos... Conheça o turbocharger, uma turbina alimentada por gases do escapamento, conectada a um compressor por um eixo que comprime o ar da admissão para dentro do motor. Mais ar no cilindro significa que mais combustível pode ser queimado a cada explosão, mais combustível queimado significa mais gás quente, mais gás quente significa mais potência - e mais empuxo também. Isto é o maior aproveitamento que se pode chegar em engenharia, porque você está usando calor (energia) que estaria de outra forma sendo desperdiçado e tirando proveito dele, quase sem desperdício. Fica um pouco mais complexo, custa um pouco mais caro, mas não há lado ruim em adicionar um turbo. "Mas o turbo não aumenta a pressão interna no coletor?" Acelerando, não. Aqui está porquê: quando a válvula de exautão abre, a pressão dentro do cilindro é muito maior do que a pressão na entrada do turbo. Aquela pressão do cilindro "explode para fora" rapidamente, mas estamos no tempo de exaustão - o volume do cilindro está diminuindo rapidamente, e pela Lei do Gás Ideal, isto tende a manter a pressão do cilindro maior que a da entrada do turbo. Assim, quando o tempo de exaustão está quase terminado, e as pressões estão quase iguais, a válvula da admissão abre, a pressão de entrada (estamos acelerando, aqui!) "explode pra dentro" do cilindro, e pronto! temos novamente maior pressão no cilindro.

Segunda Parte :
Certo, acima falamos que o turbo é um recurso que pode ser usado para tirar proveito de uma energia que seria disperdiçada. Agora vamos discutir como isto acontece em detalhes.É um erro comum achar que a metade de escape do turbo (metade quente) é acionada unicamente pela energia cinética da exaustão batendo contra ele (como segurar um cata-vento de criança atrás do cano de descarga). Mesmo que a energia cinética do fluxo do escapamento realmente contribua para o trabalho do turbo, a grande maioria da energia transferida vem de uma fonte diferente. Mantenha na cabeça a relação entre calor, volume, e pressão quando falamos de gases. Alto calor, alta pressão, e baixo volume são todos estados de alta energia, e baixo calor, baixa pressão, e grande volume são estados de baixa energia. Então nosso pulso de exaustão de gás sai do cilindro em alta temperatura e alta pressão. Ele é misturado a outros pulsos de exaustão, e chega na entrada do turbo - um espaço muito pequeno. Neste ponto, temos altíssima pressão e altíssimo calor, portanto nosso gás tem um altíssimo nível de energia. Quando ele passa pelo difusor e para dentro do corpo da turbina, vai de um lugar apertado para um lugar espaçoso. Assim, ele expande, esfria, desacelera, e libera toda aquela energia - dentro da turbina que nós sabiamente colocamos dentro deste espaço para que quando o gás expandisse, empurrasse contra as pás da turbina, fazendo-a rodar. Pronto! Acabamos de recuperar alguma energia do calor do escapamento, que de outra forma teria sido perdida. Este é um efeito mensurável: coloque um termômetro na entrada e saída do turbo, e você verá a tremenda diferença na temperatura. Então, falando em língua de gente, o que isto significa ? A princípio, a quantidade de trabalho que pode ser feito através de uma turbina de escapamento é determinado pela diferença de pressão na entrada e saída (em português, aumente a pressão na entrada do turbo, diminua a pressão na saída, ou faça os dois, e você tem mais potência). Pressão é calor, calor é pressão. Aumentar a pressão na entrada é possível, mas difícil. Diminuir a pressão na saída é fácil - simplesmente coloque um escapamento maior, sem resistências. É comum ouvir de pessoas que colocaram escapamentos esportivos, "meu turbo acelera mais rápido agora". Sim, isto porque baixando a pressão na saída, você aumenta a diferença de pressão, e agora o gás pode expandir mais, e gerar mais energia. Esta energia gira as pás do turbo mais rapidamente. Não pense então que quem troca o escapamento de um carro o faz pelo barulho. Existem escapamentos esportivos tão silenciosos quanto o original. Só são menos restritivos.

Terceira Parte :
Falamos sobre o "lado quente", do escapamento. Mas o turbo possui um "lado frio", do compressor, vimos o que é um turbo, como a turbina do escapamento (lado quente) funciona, e agora nos voltamos para o lado do compressor do turbo. Se você conseguiu produzir trabalho a partir da expansão de um gás via turbina, pode-se imaginar que você pode comprimir um gás acionando o eixo da turbina com uma fonte de energia. Em outras palavras, o lado compressor é simplesmente o lado da turbina rodando invertido. Exatamente as mesmas leis se aplicam, só que agora ao inverso: pegamos um gás de baixa pressão, baixa temperatura trabalhamos sobre ele com as pás do compressor, e obtemos um gás de alta pressão, alta temperatura. Este aumento de temperatura é indesejado, e vai nos trazer problemas depois - logo falaremos disto (Intercooler). Apesar do lado da turbina e lado do compressor serem essencialmente semelhantes, eles não são exatamente iguais, e o motivo disso está relacionado à química da combustão. Um determinado volume de ar vai queimar uma exata exata quantidade de combustível, numa proporção de ar:combustível de aprox. 14:1. O volume de exaustão produzido é muito maior do que o volume de ar usado para criá-lo, e a pressão resultante é muito maior do que a pressão de entrada poderá ser, e por isso o desenho da roda e compartimento são completamente diferentes. O que nos leva ao projeto da turbina/compressor.As turbinas são impressionantes. Elas são leves, e MUITO eficientes, mas tendem a sofrer com variações de RPM. Assim, uma turbina/compressor é muito eficiente numa certa capacidade de RPM/fluxo, mas se você varia demais o RPM do eixo, a eficiencia diminui. Acelere demais, e as lâminas da turbina cavitam e sofrem um "stall" aerodinâmico, e o fluxo cai. Muito devagar, as lâminas não estão "mordendo" ar suficiente e o fluxo também cai. Veja este exemplo. O Tanque M1A1 Abrams pesa perto de 55 toneladas, muitas das quais em blindagem. (Aço e Urânio) Ele possui um motor turbo que produz 1800 HP medidos nas rodas... hmmm, esteiras, o que é suficiente para mover o monstro a uns 120 Km/h. A turbina é fantasticamente pequena, e pesa entre 150 a 200 Kg. Comparada ao peso do tanque, parece nem existir. Entretanto, o desenho da turbina foi otimizado para trabalhar em "PNF" ("Pé No Fundo"): Com PNF, a turbina tem consumo de gasolina equivalente a um diesel na mesma potência, mas na lenta, a eficiencia da turbina cai, ao ponto de o consumo (por minuto de funcionamento) ser **maior** na lenta do que com PNF!!! As turbinas são fantásticos geradores de potência para veículos que funcionam num RPM constante todo tempo - como tanques, barcos, aviões, IndyCars, etc. Para veículos que frequentemente variam de rotação, elas exigem alguns acessórios, descritos adiante (BOV, Wastegate). Isto também explica porquê o turbo do Mitsubishi Eclipse 2G tem o diâmetro menor do que os 1G. Foi recalculado para acelerar a ventoinha mais rápido, atingindo a rotação (e pressão) de trabalho mais cedo. Acreditando-se que o turbo será usado na faixa de giro do motor de 2000 a 4500 RPM. Se você pretende usar o turbo numa faixa mais alta, digamos entre 2000 e 5300, o turbo maior do 1G estará melhor dimensionado. Isto falando do giro ideal, pois é óbvio que mesmo acima desta faixa o turbo ainda está ajudando. Abaixo segue um gráfico para melhor entendimento.
Desenho Gráfico Do Funcionamento Da Turbina :



Quarta Parte :
Você já sabe o que é um turbo, para que serve a turbina na saída do motor, para que serve o compressor na entrada. Que acessórios o turbo usa e para que servem?
Agora vamos ver o Intercoolers, Wastegates e BOVs ( aqueles acessórios do turbo, e algumas peças de um kit turbo, vamo lá. Então, até a pouco tínhamos alta pressão saindo do compressor para o motor. Infelizmente, a física trabalhou contra nós e, por termos pressionado o ar na entrada, a temperatura deste ar subiu. Isto é ruim. Com isto a densidade do ar diminui, e aumentam as chances do terror dos motores: a pré-ignição (detonação). Lembre-se, a detonação é o principal limitador de potência de um motor, e calor do ar na admissão aumenta as chances de detonação. Então temos que esfriar o ar antes que ele entre no motor, sem perder pressão. Para isto serve o Intercooler, basicamente um "radiador de ar" colocado entre o compressor e o motor. Não há muito o que falar disto, exceto:
1 ) Quanto mais esfriar o ar, melhor. (Note que existem pequenos intercoolers que são melhor desenhados que aqueles gigantes, então tamanho não é documento).
2 ) Devem ser colocados num local que o ar ambiente consiga passar, com entrada e saída. Colocar um intercooler contra um paralama não adianta!
3 ) Sempre há uma perda de pressão num cooler. Depende do projeto.

Resumo Final :
O motor turbinado gera um aumento de potência por volta de 50%, podendo chegar perto de 100%. No caso desse tipo de adaptação, é uma turbina que faz a aspiração da mistura - ar/combustível - para o interior dos cilindros.A instalação não é bem simples como aspirar um motor, mas conserva as características originais dele. A turbina é colocada no coletor de escapamento, sendo esse o local mais adequado. Certamente, o turbo é uma ótima opção de quem está querendo aumentar a potência de seu carro. Não existem desvantagens para o motor com ele instalado, mas é necessário tomar alguns cuidados bem importantes para não prejudicar o seu motor. O turbo aumenta consideravelmente a temperatura do motor. Com isso é necessário uma melhor atenção na sua conservação

Componentes De Um Kit Turbo :
( Kit Turbo COMPLETO )
Modelo / Ano : AP Longitudinal / 85 até 95 Carburado Com Ar E Direção
Cilindrada : 1.6 / 1.8 / 2.0
Turbina : Garrett APL 240
Abraçadeiras 14x22 mm
Abraçadeiras 51x64 mm
Abraçadeiras Norman
Aeroquipe De Ar ( 300 mm )
Aeroquipe De Óleo
Coletor De Escapamento
Conexões De Ar 90 Graus 1/8 x 7/16
Conexões De Óleo
Copinho Para Manômetro
Dosador De Combustível ( Peq. )
Entrada De Óleo T3/TO4
Filtro De Ar
Mangueira Sanfonada De Ar
Mangote De Pressão
Mangueira Nitrilica
Manômetro De Pressão Do Turbo
Niples De Ar M6
Retorno Do Cárter
Saída De Escape
Saída De Óleo
Tampa De Pressurização Giratória TLDZ, 2E, 3E ( Mufla )
Tubo Pressão Longo
Válvula De Alivio
Válvula De Prioridade

ATENÇÃO: Carros turbo/nitro andam muito, muito mesmo, e não param com a mesma facilidade.