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Benefícios e importância do turbocompressor e intercooler em motores diesel

Com o aumento da demanda de força e torque para realizar as atividades agrícolas mais pesadas, turbocompressor e intercooler garantem potência extra em motores diesel.

A correta relação ar e combustível é um fator imprescindível no melhor aproveitamento do poder calorífico dos combustíveis utilizados pelos motores de combustão interna de ciclos Otto e Diesel, que são os principais utilizados no setor agrícola. Através de uma reação exotérmica dentro do cilindro, o combustível é queimado na presença do oxigênio e o movimento de expansão dos gases durante a queima movimenta o pistão do ponto morto superior ao inferior, transmitindo força à biela, que, por sua vez, transmite torque ao eixo virabrequim.

O ar atmosférico, após passar por um ou mais tipos de filtro de ar, é direcionado ao cilindro para fornecer oxigênio na proporção exata que cada combustível exige, para que o processo de queima ocorra integralmente. No caso da gasolina e do diesel, a proporção é de aproximadamente 15 partes de ar para 1 parte de combustível, em peso, enquanto o etanol necessita de 9 para 1.

Com o aumento da demanda de força e torque para realizar as atividades agrícolas mais pesadas, os engenheiros buscam aumentar a potência dos motores visando atender essa exigência. E dessa forma, uma das soluções é otimizar o processo de queima do combustível, fornecendo a proporção adequada de ar/combustível para que não haja desperdício de combustível pela falta de oxigênio, principalmente quando ocorre o lançamento de combustível não queimado no cano de descarga.

Uma das primeiras estratégias é o aprimoramento da entrada de ar nos cilindros. Normalmente, as entradas de ar para o interior dos motores com vários cilindros agrupam-se num único coletor de admissão, logo após o ar passar pelo filtro de ar – este projeto permite que apenas um filtro seja suficiente para alimentação de todos os cilindros, e o projeto do coletor deve conferir ao ar um movimento turbilhonar ao entrar nos cilindros.

Nos motores a gasolina, normalmente se utiliza sistema de múltiplas válvulas por cilindro, como os famosos motores de 16 válvulas nos tradicionais de quatro cilindros, sendo duas de admissão e duas de escape para cada cilindro – tornando melhor a entrada e saída dos gases em altas rotações de trabalho (rpm), aumentando-se assim a potência.  Nos motores a diesel, não há interesse em melhorar o sistema de admissão e descarga, pois as rotações são mais baixas – nestes casos, a utilização de várias válvulas por cilindro tem como objetivo a melhoria da queima do combustível, o que torna os motores mais limpos.

TURBOCOMPRESSOR

Para aumentar ainda mais a potência e o rendimento dos motores, a indústria desenvolveu o turbocompressor, ou apenas turbo. Este sistema, patenteado em 1905 pelo suíço Alfred Büchi, visa sobrealimentar os motores com ar, uma vez que a taxa de enchimento dos cilindros, provocada pela depressão criada pelo movimento do pistão para o seu ponto morto inferior, não representa mais que 80% a 90% da cilindrada unitária do cilindro. Nos motores aspirados (sem turbo), a abertura e o fechamento das válvulas de admissão conduzem à formação de ondas de pressão que provocam um ligeiro acréscimo desta no coletor de admissão, o que dificulta a entrada de ar para os cilindros.

O turbocompressor serve então para oferecer mais potência sem ter que aumentar o tamanho do motor. Como o rendimento está diretamente relacionado com a massa de ar que o motor consegue aspirar por ciclo de admissão, o turbo tem a missão de comprimir o ar antes de ele ser admitido, resultando em mais massa de ar na câmara de combustão, e mais ar significa que mais combustível pode ser adicionado. Obtém-se, portanto, mais potência das explosões em cada cilindro. Um motor turbinado produz mais potência do que o mesmo motor sem o dispositivo. Isso pode melhorar significativamente a relação peso/potência do motor.

O turbocompressor, antes utilizado apenas em veículos de grande porte a diesel e os carros esportivos, agora é usado em todos os tipos, especialmente nos que precisam de menor consumo. Faz parte do conceito de “downsizing”, com motores menores capazes de entregar a mesma potência dos maiores, com benefícios em gasto de combustível. E isso é o que se vê na indústria de carros atualmente – as montadoras estão trocando motores 2.0 L por motores 1.3 L ou até 1.0 L turbinados. Os motores estão obtendo a mesma potência, mas com menor consumo de combustível.

O uso de turbinas é especialmente importante nos motores a diesel, pois aumentando a pressão e a temperatura no interior dos cilindros, diminui-se o risco da detonação, já a aplicação nos motores a gasolina aumenta este risco, o que leva mais atenção em sua aplicação nestes motores.

Turbocompressor (esq.) e esquema de funcionamento de um turbocompressor (dir.)
Turbocompressor (esq.) e esquema de funcionamento de um turbocompressor (dir.)

FUNCIONAMENTO

O turbocompressor é formado por um sistema composto por um compressor com duas turbinas, em que uma, designada por turbina de escape, é acionada pelos gases do escapamento, funcionando assim como elemento motor, e a outra, designada por turbina de admissão, funciona como uma bomba, ou seja, provoca a aspiração do ar que é depois conduzido, sob pressão, através do coletor de admissão, para os cilindros.

A tubulação de descarga se encontra ligada por um lado ao coletor de descarga do motor e pelo outro ao corpo do compressor – a entrada dos gases de descarga se faz tangencialmente à turbina, tendo a saída uma direção axial relativa à hélice. Em alguns motores, o coletor de descarga se encontra dividido em duas partes, o que permite que os gases dos cilindros anteriores e posteriores se faça por condutas separadas, evitando-se assim o choque de correntes de ar, o que permite uma alimentação mais regular da turbina.

As turbinas de descarga, constituídas por várias palhetas, cujo perfil permite otimizar seu rendimento, estão sujeitas a temperaturas muito elevadas, de 700°C a 900°C, e são fabricadas em aço especial refratário ou em cerâmica, e separadas do corpo central por um isolamento térmico, fabricado em aço inoxidável.

A turbina de admissão, que se encontra solidária com a de descarga, apresenta também palhetas, mas é fabricada em material leve, e o movimento do ar é contrário ao apresentado para a descarga, pois a entrada se faz de forma axial e a saída tangencial. Estando as duas turbinas ligadas por um eixo, a quantidade de ar aspirado depende da rotação da turbina de descarga, que é muito elevada, podendo mesmo ultrapassar as 100.000rpm, o que poderá aumentar a potência do motor para o dobro.

A tubulação de admissão tem uma entrada de ar axial, sendo depois este dirigido tangencialmente para o coletor de admissão, é fabricada em material leve e está fixada pela outra extremidade ao corpo do compressor.

O corpo do compressor, além de servir de suporte às tubulações, apresenta mancais para suporte do eixo que liga as duas turbinas e um circuito de óleo para lubrificação e refrigeração do turbocompressor. Os mancais têm casquilhos em bronze ou em ligas, que, juntamente com os eixos das turbinas, têm movimento de rotação, de forma a permitirem rotações muito elevadas.

Devido a estas altas rotações, a lubrificação entre os mancais e os casquilhos, e entre os casquilhos e o eixo, ocorre em condições muito difíceis, e a pressão de óleo deve ser suficiente para manter em permanência uma camada líquida entre as peças. Desta forma, nunca se deve baixar bruscamente a rotação do motor nos motores turbinados, pois o turbocompressor, devido à sua elevada velocidade, ainda se mantém em rotação durante um determinado período, e a diminuição da pressão resultante da redução da rotação pode não ser suficiente para assegurar uma lubrificação eficaz, vindo a danificar o sistema de forma prematura.

Considerando o aumento de temperatura resultante do funcionamento dos turbocompressores, o ar aspirado pode atingir valores de 100°C a 150°C, o que faz com que a sua densidade diminua, reduzindo também o seu rendimento do sistema. Então, com o objetivo de minimizar os efeitos resultantes do aumento de temperatura, pode-se utilizar um radiador de ar-ar ou ar-água associado ao turbocompressor. Este sistema definido por intercooler, permite baixar a temperatura do ar para aproximadamente 70°C.

Turbina de motor a diesel em corte
Turbina de motor a diesel em corte.

INTERCOOLER

O turbo utiliza os gases de escape, fazendo com que eles girem uma turbina a até 100.000rpm, bombeando ar fresco para dentro do motor. Ao ser comprimido, o ar se aquece e isso faz ele ocupar mais espaço do que deveria. Ele também pode fazer o combustível entrar em combustão antes do tempo, causando a famosa “batida de pino” nos motores a gasolina. Por isso, o turbocompressor é quase sempre associado a um sistema de resfriamento do ar de admissão – o intercooler.

Esse sistema possui um tipo de radiador que refrigera o ar admitido no motor após passar pelo turbocompressor. Além de manter a mistura na temperatura certa, isso permite colocar mais ar para dentro dos cilindros.

Os principais benefícios da utilização do interccoler é aumentar o torque e a potência do motor, proporcionar maior durabilidade do motor e seus componentes e economia de combustível.

Como o intercooler é um trocador de calor, ele necessita de um sistema que troque calor do ar comprimido pelo turbo com o ambiente, e desta forma existem os modelos ar-ar e ar-água. A diferença entre eles é que o primeiro troca calor com o ar ambiente e o segundo utiliza um sistema de água pressurizada para a troca de calor. O sistema ar-ar é bem mais simples, no entanto o segundo tende a ser mais eficiente.

O modelo ar-ar deve estar localizado em uma posição que receba muito ar ambiente, do contrário, não terá utilidade. Desta forma, sua localização é geralmente na frente do veículo, à frente do radiador do motor para não receber ar quente e comprometer sua função. Pode ser instalada junto ao permutador de calor do intercooler uma ventoinha para melhorar o fluxo de ar por entre as aletas, proporcionando melhor troca de calor.

O modelo ar-água não necessita de uma posição específica para receber ar ambiente, pois utiliza um circuito independente de água para o resfriamento, logo pode ser localizado onde for mais conveniente. Contudo, necessita de um sistema para que a água perca calor.

Intercooler (esq.) e esquemas de intercoolers com funcionamento ar-ar e ar-água (dir.)
Intercooler (esq.) e esquemas de intercoolers com funcionamento ar-ar e ar-água (dir.)

Ricardo Ferreira Garcia, Uenf (Campos dos Goytacazes, RJ)

Leia mais na edição 203 da Cultivar Máquinas.


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