Um turboalimentador é essencialmente um compressor de ar que aumenta o volume de ar de admissão comprimindo o ar. Ele utiliza a força inercial dos gases de escape do motor para acionar uma turbina dentro da carcaça da turbina. A turbina, por sua vez, aciona um impulsor coaxial, que comprime o ar fornecido pelo filtro de ar e o força para dentro dos cilindros. À medida que a velocidade do motor aumenta, a velocidade dos gases de escape e a velocidade da turbina também aumentam de forma síncrona, fazendo com que o impulsor comprima mais ar nos cilindros. O aumento da pressão e densidade do ar permite a combustão de mais combustível. Ao aumentar a quantidade de combustível e ajustar a rotação do motor, a potência de saída do motor pode ser aumentada. Os carros de corrida normalmente têm turboalimentadores instalados em seus motores para gerar maior potência. Um motor gera energia queimando combustível em seus cilindros. A quantidade de entrada de combustível é limitada pela quantidade de ar aspirado para dentro dos cilindros, limitando assim a produção de potência. Se o motor já estiver operando em seu estado ideal, o aumento adicional da potência de saída só poderá ser alcançado comprimindo mais ar nos cilindros para aumentar a quantidade de combustível e melhorar a eficiência da combustão. Nas atuais condições tecnológicas, um turboalimentador é o único dispositivo mecânico que pode aumentar a potência do motor sem alterar a eficiência do motor.
A maior vantagem de um turboalimentador é sua capacidade de aumentar significativamente a potência e o torque do motor sem aumentar a cilindrada do motor. Geralmente, a potência e o torque de um motor com turboalimentador aumentam de 20% a 30%. A desvantagem de um turboalimentador é o atraso, o que significa que devido à inércia do impulsor, ele reage lentamente a mudanças repentinas na aceleração, causando um atraso na potência do motor. Isso pode resultar em uma sensação momentânea de lentidão para os carros que tentam acelerações ou ultrapassagens repentinas.
Atualmente, os principais veículos turboalimentados do mercado chinês são o Audi 1.8T e o Passat 1.8T. Primeiro, vamos discutir a estrutura geral e o princípio de funcionamento de um turboalimentador. Um turbocompressor de gases de escape consiste principalmente em um impulsor de bomba e uma turbina, juntamente com outros componentes de controle. O impulsor da bomba e a turbina são conectados por um eixo, que é o rotor. Os gases de escape do motor acionam o impulsor da bomba, que por sua vez aciona a rotação da turbina. A turbina então pressuriza o sistema de admissão. O turboalimentador é instalado no lado do escapamento do motor, portanto sua temperatura de operação é muito alta e a velocidade do rotor é extremamente alta, atingindo centenas de milhares de rotações por minuto. Essas altas velocidades e temperaturas tornam os rolamentos de agulhas mecânicos comuns ou os rolamentos de esferas inadequados para o rotor. Portanto, os turbocompressores geralmente utilizam rolamentos totalmente flutuantes, lubrificados por óleo de motor e resfriados por líquido refrigerante. Anteriormente, os turbocompressores eram usados principalmente em motores a diesel, mas agora alguns motores a gasolina também os utilizam. Como a gasolina e o diesel possuem métodos de combustão diferentes, o tipo de turbocompressor usado nesses motores também é diferente.
Os motores a gasolina diferem dos motores a diesel porque não alimentam ar diretamente nos cilindros; em vez disso, alimentam uma mistura de gasolina e ar. A pressão excessiva nesta mistura pode facilmente levar à detonação. Portanto, a instalação de um turboalimentador deve evitar a detonação, que envolve duas questões relacionadas: controle de alta temperatura e controle do ponto de ignição.
A turboalimentação forçada aumenta a temperatura e a pressão durante a compressão e combustão em um motor a gasolina, aumentando a tendência à detonação. Além disso, as temperaturas de escape do motor a gasolina são mais altas do que as temperaturas de escape do motor diesel, e não é aconselhável aumentar o ângulo de sobreposição das válvulas (o tempo em que as válvulas de admissão e escape estão abertas simultaneamente) para melhorar o resfriamento dos gases de escape; reduzir a taxa de compressão resultará em combustão incompleta. Além disso, os motores a gasolina operam em velocidades mais altas que os motores a diesel, levando a maiores variações no fluxo de ar, o que pode facilmente causar atraso no turboalimentador. Os engenheiros fizeram melhorias direcionadas para resolver esses problemas com o uso de turboalimentadores em motores a gasolina, permitindo que turboalimentadores com gases de escape também fossem usados em motores a gasolina.
Intercooler
O aumento das temperaturas não afeta apenas a eficiência do carregamento, mas também aumenta o risco de detonação. Portanto, é necessário um dispositivo para diminuir a temperatura do ar de admissão; este é o intercooler. É instalado entre a saída do turboalimentador e o coletor de admissão para resfriar o ar que entra nos cilindros. O intercooler, como um radiador, usa ar ou água para resfriar o ar, permitindo que o calor se dissipe na atmosfera. Os testes mostram que um intercooler de bom desempenho pode manter uma taxa de compressão do motor consistente sem causar detonação, ao mesmo tempo que reduz a temperatura para aumentar a pressão de admissão, aumentando ainda mais a potência efetiva do motor.
Impulsor
Devido à ampla faixa de velocidade e grandes variações no fluxo de ar em motores a gasolina, o impulsor do compressor do turboalimentador apresenta um design complexo de pás curvas tridimensionais e de paredes ultrafinas, normalmente com 12 a 30 pás dispostas em um padrão de curva radial. A espessura da lâmina é inferior a 0,5 mm e é feita de alumínio por meio de um método especial de fundição. A qualidade do formato da lâmina afeta diretamente o desempenho do motor turboalimentado. Um formato e ângulo de impulsor mais racionais e um peso mais leve resultam em uma partida mais sensível do impulsor e minimizam o "atraso de resposta" inerente do turboalimentador.
Sensor de batida
Além de reduzir a temperatura para diminuir a possibilidade de detonação, também é utilizado um sensor de detonação. Sua função é detectar vibrações anormais quando ocorrem batidas e enviar imediatamente a informação ao sistema de controle da ECU (Unidade de Controle Eletrônico) do motor, retardando levemente o ponto de ignição. Uma vez eliminadas as batidas, o ponto de ignição volta ao normal.
Como os motores a gasolina em automóveis de passageiros têm velocidades mais elevadas e um fluxo de ar mais rápido e mais variável, os seus turbocompressores enfrentam requisitos mais elevados. Os motores modernos de automóveis de passageiros utilizam amplamente sistemas eletrônicos de injeção de combustível e, com o apoio da tecnologia de controle eletrônico e de novos materiais, a aplicação de turboalimentadores em motores a gasolina se tornará cada vez mais comum.
Os turbocompressores de escapamento de automóveis de passageiros usam uma carcaça de turbina de entrada única, o que significa que utilizam apenas a energia de pressão dos gases de escapamento, sem exigir outras fontes de energia auxiliares. Devido à ampla faixa de velocidades dos motores de automóveis de passageiros, os turbocompressores de escape devem ter mecanismos de ajuste para garantir uma pressão de sobrealimentação relativamente constante dentro de uma determinada faixa de velocidades. Além disso, os motores a gasolina utilizam ignição por faísca e as suas taxas de compressão são limitadas; taxas de compressão excessivamente altas podem causar batidas. Portanto, um mecanismo de detecção e controle de detonação também é necessário para ajustar o ângulo de avanço da ignição conforme necessário.
O turbocompressor dos gases de escape de um carro geralmente é instalado próximo ao tubo de escape. A turbina e o impulsor são montados na carcaça da turbina e no turbocompressor, respectivamente, rigidamente conectados coaxialmente e girando de forma síncrona.
Atualmente, a maioria dos mecanismos de ajuste do turbocompressor estão no lado do escapamento. Quando o impulso não é necessário, como em marcha lenta ou quando há sinais de detonação, alguns gases de escape vazam através de uma válvula de derivação em vez de entrar no turbocompressor. Quando a rotação do motor atinge 1.800 rpm, a válvula solenóide fecha a válvula bypass, direcionando o fluxo de escapamento em direção à turbina, fazendo-a girar. Outro projeto ajusta o ângulo da pá da turbina, alterando a velocidade da turbina, alterando a resistência, alterando assim a pressão de reforço.
O resfriamento do ar faz com que ele se contraia e aumente sua densidade, permitindo que mais ar seja acondicionado no mesmo volume, além de evitar batidas. Portanto, os turbocompressores dos automóveis são equipados com um intercooler. Este intercooler geralmente é refrigerado a ar e é instalado na frente, ao lado ou em um local separado do radiador do motor, utilizando o fluxo de ar que se aproxima ou seu próprio ventilador para resfriamento.
O principal componente de um turboalimentador é o rolamento. Este tipo de rolamento, denominado de acordo com seu método de lubrificação, é denominado "rolamento totalmente flutuante". Ele opera em velocidades extremamente altas e em ambientes agressivos. Portanto, garantir a lubrificação adequada é crucial. Se a baixa pressão do óleo levar a um fornecimento lento de óleo, isso danificará o rolamento e causará falha no turboalimentador. Este tipo de falha não ocorrerá durante a partida normal do motor, mas se o motor for ligado pela primeira vez após uma troca de óleo e filtro de óleo, poderá ocorrer um fornecimento lento de óleo, resultando em lubrificação insuficiente do rolamento. Neste caso, após a partida, deixe o motor em marcha lenta por cerca de 3 minutos; não aumente imediatamente a rotação do motor até a rotação inicial do turboalimentador. Da mesma forma, depois de dirigir em alta velocidade ou em subidas, não desligue imediatamente o motor; deixe-o em marcha lenta por cerca de 1 minuto para garantir que o rolamento do turboalimentador, que ainda está em marcha lenta, não falte lubrificação. Portanto, os condutores de veículos turboalimentados devem seguir rigorosamente as instruções do fabricante e prestar muita atenção à qualidade do óleo do motor; veículos turboalimentados não devem ser operados como veículos comuns.
(1) Válvula solenóide, (2) Câmara de combustão do cilindro, (3) Intercooler, (4) Filtro de ar, (5) Impulsor, (6) Turbina, (7) Válvula de desvio de exaustão
Portanto, em relação a este princípio estrutural, algumas questões devem ser observadas na utilização deste tipo de motor:
1. Após a partida do motor, ele deve ficar em marcha lenta por um tempo para permitir que o óleo lubrificante atinja uma determinada temperatura e pressão de trabalho, de forma a evitar desgaste acelerado ou mesmo emperramento dos mancais por falta de óleo quando a carga aumenta repentinamente.
2. Quando o veículo estiver estacionado, pois o rotor do turboalimentador possui certa inércia, o motor não deve ser desligado imediatamente. Ele deve ficar inativo por um período de tempo para permitir que a temperatura e a velocidade do rotor do turboalimentador diminuam gradualmente. Desligar imediatamente o motor fará com que o óleo perca pressão e o rotor seja danificado devido à falta de lubrificação ao girar por inércia.
3. Verifique regularmente o nível de óleo para evitar falhas nos rolamentos e emperramento de peças rotativas devido à insuficiência de óleo.
4. Troque o óleo e o filtro de óleo regularmente. Como o rolamento totalmente flutuante tem altos requisitos de óleo lubrificante, deve-se usar o tipo de óleo especificado pelo fabricante. 5. Limpe e substitua regularmente o filtro de ar. Um filtro de ar sujo aumentará a resistência de admissão e reduzirá a potência do motor.
6. Verifique frequentemente a estanqueidade do sistema de admissão. Vazamentos permitirão que poeira entre no turboalimentador e no motor, danificando-os.
7. Como os rolamentos do rotor do turbocompressor têm uma precisão muito alta, o ambiente de trabalho durante a manutenção e instalação requer um controle rigoroso. Portanto, se o turboalimentador apresentar mau funcionamento ou estiver danificado, ele deverá ser reparado em uma oficina autorizada.
Nos últimos 30 anos, os turbocompressores tornaram-se difundidos em muitos tipos de automóveis. Eles compensam algumas deficiências inerentes aos motores naturalmente aspirados, permitindo que os motores aumentem a potência de saída em mais de 10% sem alterar a cilindrada.
Portanto, muitos fabricantes de automóveis utilizam esta tecnologia de turboalimentação para melhorar a potência do motor, alcançando assim carros de alto desempenho.
