Tópicos:
- Operação
- Buraco turbo
- Turbo gêmeo
- Triturbo
- Turbo de rolagem dupla
- Turbo de geometria variável
- Válvula de descarga
- wastegate
- Intercooler
- Característica do compressor (surto e chokeline)
- Combinação turbo e compressor
- Turbo eletrônico
Operação:
Os gases de escape que saem dos cilindros são alimentados do coletor de escape para o turbo. A pressão dos gases de escape faz com que a roda da turbina gire (os gases vermelhos). Os gases de escape então saem do turbo através da mesma roda da turbina até o escapamento. A roda do compressor é acionada por meio de um eixo (os gases azuis). A roda do compressor suga o ar lateralmente (onde o filtro de ar é mostrado) e o fornece sob pressão (através da seta azul) através da mangueira turbo para o intercooler. O intercooler resfria o ar comprimido (o motor funciona melhor com ar mais frio). O ar então entra no coletor de admissão.
Ao usar um turbo, mais ar entra nos cilindros durante o curso de admissão do que em um motor naturalmente aspirado, que só é aspirado porque o pistão se move para baixo. Ao fornecer mais ar aos cilindros desta forma e adicionar mais combustível, maior potência estará disponível.
A pressão do turbo é medida pelo sensor de pressão de carga. A pressão do turbo é ajustada com base no sinal que este sensor envia para a ECU.
O turbo é montado o mais próximo possível do coletor de escapamento. Às vezes, o coletor e o turbo são projetados como um todo. O turbo deve ser montado o mais próximo possível do cabeçote, pois a velocidade dos gases de escape diminui o mínimo possível e se perde o mínimo de pressão possível.
Atraso turbo:
Turbos mais antigos geralmente sofrem com o infame turbo lag. O turbo funciona com os gases de escape do motor. Se o pedal do acelerador for pressionado até o fundo de uma só vez, o motor precisa de muito ar em baixa velocidade, mas nesse momento o turbo ainda precisa dar partida a partir dos gases de escapamento liberados. O turbo ainda não fornece pressão suficiente. Somente quando o motor atinge uma velocidade mais alta é que o turbo dá partida corretamente. Isso geralmente acontece por volta de 2000 rpm e é perceptível porque o carro acelera com mais força.
Este turbo lag é visto como uma grande desvantagem. Como resultado, muitas pessoas são a favor de um compressor mecânico. Funciona constantemente, pois é acionado diretamente pelo virabrequim e, portanto, sempre na mesma velocidade em que o motor gira. Um compressor fornecerá imediatamente pressão da marcha lenta quando você acelerar. Os turbos construídos nos carros hoje são menos afetados por isso, em parte graças ao turbo variável.
Turbo gêmeo:
A adição ‘twin-turbo’ indica a presença de dois turbos. Esses 2 turbos podem ser localizados um ao lado do outro em 1 fileira de cilindros ou 1 turbo por fileira de cilindros. Isto dá ao condutor a vantagem de um maior binário a baixas velocidades, melhor desempenho na gama de altas velocidades e um carácter mais suave do motor. Em baixas velocidades, o ar é então fornecido ao motor por um pequeno turbo e em velocidades mais altas o turbo maior torna-se funcional. O turbo maior tem um turbo lag maior, porque precisa de mais ar para dar partida, mas isso é anulado pelo turbo pequeno.
As quatro imagens abaixo descrevem as situações em que ambos os turbos funcionam, ou quando apenas um dos dois funciona. Os quatro círculos são os cilindros, as partes vermelha e azul são os gases de escape e o ar de admissão. O intercooler está marcado como “IC”.
Baixa rotação do motor e baixa carga do motor:
Em velocidades abaixo de 1800 rpm, há um pequeno fluxo volumétrico dos gases de escape. O pequeno volume possibilita o uso do pequeno turbo. A válvula entre o coletor de escape e o turbo grande está fechada. Os gases de escape são, portanto, transferidos apenas do turbo pequeno para o grande. O grande turbo já está sendo acelerado. Esta é uma conexão em série, porque ambos os turbos são usados.
Rotação média do motor e carga moderada:
Entre 1800 e 3000 rpm, a válvula entre o coletor de escapamento e o turbo grande se abre. Atualmente, ambos os turbos são acionados diretamente pelos gases de escape do motor. Esta também é uma conexão em série, porque ambos os turbos são usados.
Alta rotação do motor e alta carga:
Acima de 3000 rpm, o fluxo volumétrico dos gases de escape torna-se muito grande para o pequeno turbo. O turbo é desligado para não ultrapassar a chamada “chokeline” (ver capítulo de características do compressor mais adiante na página). A válvula de descarga do turbo pequeno é aberta, de modo que todos os gases de escape que alimentam o turbo passam pelo turbo. Os gases de escape não atingem a roda do compressor.
O grande turbo é totalmente abastecido com gases de escape. A válvula permanece aberta, para que o grande turbo possa atingir alta velocidade e, assim, mover muito ar de admissão para o coletor de admissão.
Tri-turbo:
Hoje em dia também são fabricados motores “tri-turbo”. Três turbos são montados nestes motores, para que um nível máximo de enchimento possa ser alcançado em todas as faixas de velocidade. A BMW usa a tecnologia tri-turbo com, entre outros, o M550d. Os dois pequenos turbos utilizam geometria variável, por isso são adequados tanto para velocidades baixas como altas. Dependendo da velocidade, o turbo é ajustado para melhor resposta. O grande turbo usa uma válvula de descarga.
Duas situações são descritas abaixo, indicando qual turbo está em operação e em que horário.
Baixa rotação do motor e baixa carga:
Apenas um dos dois pequenos turbos é acionado. Devido ao tamanho do turbo, ele é enrolado rapidamente. O turbo pequeno passa os gases de escape para o turbo grande. Isso já dará partida no turbo grande.
Rotação e carga média e alta do motor:
Ambos os pequenos turbos são acionados. Os dois turbos pequenos acionam o turbo grande. Isto atinge a pressão máxima de reforço em todas as velocidades médias e altas.
Turbo de rolagem dupla:
Quando vários gases de escape se juntam no coletor de escape, podem surgir problemas de interferência; as ondas de pressão se atrapalham. Com um turbo Twin-scroll, os gases de escape são separados um do outro e conduzidos para o turbo em dois canais. Os gases de escape dos cilindros 1 e 2 não se juntam no coletor de admissão, mas atingem a roda da turbina independentemente um do outro. A aplicação de um turbo Twin-scroll resulta em uma resposta mais rápida do acelerador e maior eficiência. A imagem abaixo mostra que os gases de escape dos cilindros 1 e 4 se juntam e os dos cilindros 2 e 3 se juntam.
Com um turbo convencional, os gases de escape entram em contato uns com os outros no coletor de escape. Chamamos isso de “interferência”. A imagem abaixo mostra os pulsos de pressão criados no coletor de escape de um cilindro.
Como estamos lidando com sobreposição de válvulas (as válvulas de admissão e escape estão ambas abertas durante a mudança do curso de exaustão para o curso de admissão), também são criadas pressões negativas (inferiores à pressão atmosférica). Com a sobreposição das válvulas, os gases de escape ajudam a atrair ar fresco para a câmara de combustão e a afastar os gases de escape restantes. Isso fornece mais oxigênio ao pente de combustão, aumentando a eficiência volumétrica.
Quando observamos as pressões no coletor de escapamento de um motor de quatro cilindros, vemos muita interferência. Cada pulso positivo torna-se menos alto devido à pressão negativa devido à sobreposição da válvula. Esta é uma desvantagem do turbo lag (tempo de reação para acelerar)
A utilização do turbo twin-scroll melhora o tempo de resposta, porque os gases de escape dos cilindros 1+4 e 2+3 são separados. Os pulsos são muito mais fortes porque não são afetados por pulsos negativos naquele momento. O fabricante também pode, portanto, aumentar o tempo em que ocorre a sobreposição da válvula para alcançar uma eficiência volumétrica ainda maior.
Turbo de geometria variável:
Um turbo com válvula de descarga sofre turbo lag; Somente quando o motor gira um certo número de rotações o turbo é fornecido com gases de escape suficientes para entrar em operação. Um turbo de geometria variável não possui válvula de descarga, mas possui lâminas ajustáveis no canal de escapamento. Estas lâminas podem ser ajustadas girando um anel de ajuste. Este anel de ajuste é girado por meio de vácuo. A quantidade necessária de vácuo é fornecida por uma válvula solenóide (válvula solenóide) com base na carga e rotação do motor, que é controlada pela ECU.
Ajustando as lâminas, o fluxo de ar pode ser direcionado. Devido a uma alteração no fluxo de ar, o turbo já pode funcionar a uma velocidade mais elevada em baixas rotações do motor, incluindo pressões mais baixas dos gases de escape. A posição das lâminas limita a quantidade de gases de escape que podem fluir. Para poder funcionar em velocidades mais altas, as lâminas serão ajustadas para dentro em uma rotação mais alta do motor. Uma alta pressão de enchimento pode ser alcançada em velocidades baixas e altas. Isso garante que o turbo funcione de maneira ideal em uma ampla faixa de velocidades, porque o motor receberá a mesma pressão de sobrealimentação em velocidades baixas e em velocidades mais altas.
Válvula de descarga:
A válvula de descarga também é chamada de “válvula de purga”. A válvula de descarga é montada em uma mangueira turbo, onde o ar é alimentado do turbo para o lado de admissão do motor. Ao acelerar, o turbo de um automóvel de passageiros pode atingir 200.000 rotações por minuto. Nessa velocidade, a pressão máxima de carga é atingida. Quando o pedal do acelerador é liberado de uma só vez, há muita pressão de ar no lado de admissão do motor, mas a válvula borboleta está fechada.
Sem uma válvula de descarga, uma contrapressão é criada em direção ao turbo, fazendo com que o ar de admissão fornecido reduza rapidamente a velocidade do turbo. Quando você acelera novamente, leva muito tempo para o turbo voltar à velocidade. A válvula de descarga evita isso. Quando o gás é liberado, ele expelirá uma certa quantidade de ar fornecido. O excesso de ar desapareceu do sistema de admissão. As pás do turbo não são desaceleradas e, portanto, iniciarão mais rápido quando o acelerador for acelerado novamente. A válvula de descarga fecha imediatamente quando o ar fornecido é expelido. Ao contrário do que muitas pessoas pensam, uma válvula de descarga não fornece mais potência.
A válvula de descarga causa o típico som de sopro quando o gás é liberado durante a aceleração em um carro com turbo.
Desperdício:
Uma válvula de descarga é montada em cada turbo sem palhetas variáveis. A válvula de descarga garante que a pressão na carcaça da turbina (ou seja, no lado do escapamento) não se torne muito grande. Quando o turbo está em operação e a pressão aumenta, a válvula de descarga é fechada. Todo o ar que sai dos cilindros durante o curso de exaustão é, na verdade, usado para acionar a roda da turbina. Isto atinge a pressão máxima de enchimento.
No entanto, quando em marcha lenta, nenhuma pressão de reforço é necessária. Nesse momento a comporta se abre. Alguns dos gases de exaustão são desviados para o escapamento; ele pode fluir diretamente para o escapamento. A wastegate é basicamente uma válvula entre o coletor de escapamento e o escapamento do motor; todo o ar que flui pela válvula de descarga não passa pelo turbo. Portanto, em princípio, a energia disponível não é utilizada. O nome da wastegate também pode, portanto, ser explicado; “Desperdício” significa “perda” em inglês.
A wastegate também abre quando uma determinada velocidade é atingida; Ao acelerar, o turbo deve acelerar rapidamente, mas quando a turbina, incluindo a roda do compressor, atinge uma determinada velocidade, esta velocidade deve ser mantida constante. Ao abrir a válvula de descarga nesta velocidade, o excesso de gases de escape pode ser conduzido diretamente para o escapamento. A velocidade do turbo pode ser controlada ajustando o ângulo de abertura da válvula de descarga. A ECU regula com base nos dados do sensor de pressão de carga até que ponto a wastegate é controlada.
Intercooler:
A temperatura do ar comprimido pode ficar muito quente (mais de 60 graus Celsius). Para uma melhor combustão, o ar precisa esfriar. O intercooler cuida disso. O intercooler é uma peça separada e, portanto, é descrito detalhadamente em outra página; veja a página intercooler.
Característica do compressor (surto e chokeline)
Ao projetar um motor, o tamanho do turbo deve ser levado em consideração. Combinar o tamanho do turbo com o motor é chamado de “combinação”. Se o turbo for muito grande, ocorrerá uma grande “folga do turbo”. O turbo dará partida menos rapidamente porque a carcaça da turbina é muito grande para a baixa quantidade de gases de escape. Somente em velocidades mais altas o turbo terá velocidade e será capaz de fornecer alta pressão. Se o turbo for muito pequeno, o turbo lag será quase inexistente. A roda da turbina dará partida rapidamente com uma pequena quantidade de gases de escape. A alta pressão do turbo já é alcançada em baixas velocidades. A desvantagem é que em velocidades mais altas a quantidade de gases de escape é muito grande para este pequeno turbo. Há mais gases de escape do que cabem no turbo; nesse caso, a válvula de descarga deve abrir mais cedo e desviar muitos gases de escape. Desperdício é uma tradução para “perda”, o que também se aplica aqui; os gases de escape que fluem pela válvula de descarga não contribuíram para acionar o turbo.
O tamanho do turbo é, portanto, muito importante para o design do motor. Cada turbo recebeu uma característica de compressor durante o projeto. A característica do compressor pode ser usada para determinar se ele é adequado para um motor específico. A imagem abaixo mostra um exemplo de característica de um compressor.
A relação de pressão P2/P1 (no eixo Y) é a relação entre a entrada (P1) e a saída do turbo (P2). A pressão após a roda da turbina é sempre menor do que antes. A relação de pressão (adimensional) de 2,0 significa que a pressão antes da roda da turbina é duas vezes maior que depois da roda da turbina. O fator de fluxo de volume (no eixo X) é a quantidade de ar que flui através do turbo. As linhas curvas horizontais indicam a velocidade do eixo do turbo.
A figura mostra que a linha vermelha é a linha de surto e a linha azul é a linha de estrangulamento. A linha de surto, também chamada de limite da bomba, é o limite onde a velocidade do rotor do compressor é muito baixa. A surgeline é a restrição do fluxo de ar devido ao rotor do compressor ser muito pequeno. A relação de pressão é muito alta e o fluxo volumétrico muito baixo. O ar não é mais aspirado pelo compressor, ele para e posteriormente retoma sua velocidade. Este fluxo de ar instável causa flutuações de pressão e pulsações no trato de admissão. A pulsação também é chamada de “surging” do compressor. Daí o nome “surgeline”. O ar que flui para frente e para trás causa grandes forças que podem sobrecarregar o turbo. As pás da roda do compressor podem quebrar e os rolamentos ficam sobrecarregados.
A linha de estrangulamento é outro limite que o compressor não deve ultrapassar. Aqui o fluxo de volume máximo ocorre em uma relação de pressão baixa. O diâmetro da carcaça do compressor determina o fluxo volumétrico máximo. Quando a linha de estrangulamento é excedida, a roda do compressor é muito pequena para lidar com o fluxo de volume (maior). Como resultado, muita potência do motor é perdida. O chokeline também é chamado de “overspin choke”.
A figura mostra a característica do compressor com motor em carga parcial. O motor deve ter o menor consumo de combustível em carga parcial. O menor consumo específico de combustível é alcançado com a menor ilha. A válvula de descarga regula a pressão para que ela passe direto pela ilha intermediária. Inicialmente a válvula de descarga é fechada para que a pressão do turbo aumente. O sistema de gerenciamento do motor abre a válvula de descarga conforme mostrado pela linha verde na imagem. A velocidade do eixo do turbo está entre 8000 e 9000 rotações por minuto.
Ao conduzir nas montanhas existe uma maior altitude geográfica; o ar é mais rarefeito lá. Isso afeta o funcionamento do turbo, porque o ar mais rarefeito contém menos oxigênio, o que faz com que a pressão do compressor caia. A relação de pressão, incluindo a velocidade do compressor, deve aumentar para chegar à pressão de enchimento final. Esta situação pode ser vista na figura.
A linha verde indica a situação de carga parcial ao dirigir ao nível do mar e a linha laranja ao dirigir nas montanhas. Devido ao ar mais rarefeito, a velocidade do compressor aumentará para 100000 rotações por minuto.
A velocidade mais alta do compressor também aumentará a temperatura do ar de admissão fornecido ao motor. O intercooler terá, portanto, que dissipar mais calor. Agora a diferença também pode ser percebida no consumo de combustível; Nas montanhas, o consumo de combustível aumentará devido à maior relação de pressão P2/P1 e à maior velocidade do turbo.
Combinação de turbo e compressor:
Hoje em dia, os fabricantes de automóveis optam cada vez mais por equipar o motor com turbo e compressor. O turbo geralmente tem um tamanho maior e está equipado com uma comporta de descarga. O compressor serve para evitar o turbo lag; Em baixas rotações do motor, o compressor fornece a pressão de reforço e dá partida no turbo. Em velocidades mais altas, o turbo assume o controle.
O ar comprimido vai através do compressor ou válvula de derivação para o turbo e através do turbo através do intercooler para o coletor de admissão.
Clique aqui para obter mais informações sobre o compressor Roots.
Turbo eletrônico:
Um turbo convencional sofre de turbo lag em baixas velocidades, porque os gases de escape são necessários para acionar a roda da turbina. Um compressor não sofre com isso e fornece pressão de carga a partir da velocidade de marcha lenta. Uma combinação dos dois parece ideal. No entanto, um compressor Roots mecânico deve ser acionado pelo virabrequim. Energia é perdida neste processo. Os fabricantes de automóveis estão, portanto, experimentando vários turbos de gases de escape ou turbos elétricos para evitar o turbo lag do turbo de gases de escape.
O turbo elétrico é controlado pela unidade de controle do motor. Em apenas 250 milissegundos, a roda do compressor atinge uma velocidade não inferior a 70.000 rotações por minuto. O motor elétrico do turbo aciona a roda do compressor. A roda do compressor move o ar de admissão sob pressão para a roda do compressor do turbo dos gases de escape. A roda do compressor gira muito rapidamente quando o motor elétrico torna-se controlada.
Com a ajuda do turbo elétrico, o motor tem um comportamento de resposta mais rápido. Em velocidades mais altas, onde o turbo dos gases de escape é capaz de fornecer a pressão de turbo total, o turbo eletrônico é desligado.
