Turbocompressor: simulador interativo passo a passo

O que o modelo mostra

Pise no acelerador de um carro pequeno turbo em baixa velocidade e, por mais ou menos um segundo, quase nada acontece. Depois o carro puxa como se o motor tivesse crescido. Essa pausa e esse empurrão vêm da peça no meio deste modelo: um turbocompressor, um pequeno ventilador movido pelos próprios gases de escape do motor, que sopra ar a mais para dentro dos cilindros.

O modelo é um motor a gasolina de quatro cilindros e 2,0 litros com um turbo, um intercooler dianteiro e os tubos que os ligam. O turbo está cortado ao longo do eixo, e as faces vermelhas mostram o corte. Os pontos laranja são gases de escape. Os azuis são ar fresco: ficam roxos quando o ar esquenta e voltam para o azul quando ele esfria. Os amarelos são óleo. O painel mostra a rotação do eixo do turbo, a pressão de sobrealimentação, a temperatura do ar depois do compressor e depois do intercooler, o ar que cada cilindro recebe e a potência. Tudo é calculado a partir dos ajustes em Controles, com as fórmulas mais abaixo nesta página. O gráfico de baixo mostra os últimos oito segundos, para você ver o turbo correr atrás quando mexe no acelerador.

Os números são valores de modelo para um motor pequeno a gasolina com turbo típico. Não vêm dos dados de nenhum fabricante, e a seção perto do fim lista o que o modelo deixa de fora.

Por que um motor quer ar mais denso

Um motor a gasolina queima combustível com o oxigênio do ar que aspira, e a quantidade de combustível que ele consegue queimar é limitada por esse ar. Na exposição do motor de quatro tempos, cada cilindro se enche uma vez a cada duas voltas do virabrequim. O volume que ele enche é fixado pelo diâmetro e pelo curso, então o único jeito de pôr mais ar é deixá-lo mais denso antes que chegue.

Neste modelo, cada um dos quatro cilindros desloca meio litro e se enche a 90 por cento disso (a sua eficiência volumétrica). O ar de fora a 25 °C e à pressão normal do nível do mar tem densidade de 1,184 kg/m³, então um cilindro que respira por conta própria recebe

0,9 × 0,0005 m³ × 1,184 kg/m³ = 533 mg de ar a cada tempo de admissão.

A 6000 rpm, isso dá 107 gramas de ar por segundo para o motor inteiro. Queimado com uma relação ar-combustível de 14,7 e uma eficiência efetiva de 30 por cento, o combustível que esse ar permite queimar rende 94 kW. Com o turbo em um bar de pressão e o intercooler funcionando, o mesmo cilindro recebe 984 mg e o motor rende 173 kW. O motor não cresceu; o ar foi mais apertado.

O escape gira a turbina, o eixo gira o compressor

O escape que sai dos cilindros é quente e está sob pressão, e num motor sem turbo essa energia sai pelo cano de escape. Aqui, os quatro dutos do coletor de escape a levam para a carcaça da turbina, uma voluta de ferro fundido que dá uma volta em torno do rotor da turbina e vai se estreitando. O estreitamento acelera o gás e o faz girar, e ele corre para dentro pelas onze palhetas do rotor antes de sair ao longo do eixo para o downpipe. O empurrão do gás nas palhetas gira o rotor.

Na outra ponta do mesmo eixo de aço fica o rotor do compressor, que por isso gira exatamente na mesma velocidade. O ar que vem do filtro entra nele ao longo do eixo, e as palhetas curvas o lançam para fora na borda. A voluta de alumínio em volta do compressor se alarga pelo caminho, o que freia esse ar rápido e transforma a sua velocidade em pressão. O mesmo par de ideias, uma turbina que tira trabalho do gás quente e um compressor que o põe no ar frio, move um motor a jato, só que aqui não há queimador entre os dois; quem queima o combustível são os cilindros do motor.

Quão rápido ele gira? A Garrett, uma das maiores fabricantes, diz que os seus maiores turbos giram a até 63.000 rpm e os menores a mais de 300.000 rpm. O rotor do compressor do modelo tem 50 mm de diâmetro e, para dar um bar de pressão, precisa girar a cerca de 142.000 rpm. A borda então se move a

2π × 0,025 m × 142.300 / 60 s = 373 m/s,

mais rápido que o som no ar de fora. Na tela, os rotores giram 2000 vezes mais devagar do que o painel indica.

Um eixo que flutua no óleo

A maioria dos turbos apoia o eixo em buchas lisas e numa película de óleo, e alguns turbos de alto desempenho usam rolamentos de esferas especiais no lugar. No modelo, uma mangueira trançada traz óleo do motor da galeria principal até o topo da carcaça central. O óleo preenche a folga em volta de duas buchas de bronze, que flutuam entre o eixo e a carcaça, e o eixo roda sobre essa película sem tocar em metal. Um mancal axial junto ao compressor segura o empuxo ao longo do eixo. Depois o óleo cai pelo dreno grande de baixo e volta ao cárter, por isso a mangueira de retorno é grossa e aponta reto para baixo.

O óleo também leva calor. O lado da turbina fica mergulhado no escape enquanto o lado do compressor respira o ar de fora, e a carcaça central é a ponte entre os dois. Pelo mesmo motivo, alguns turbos acrescentam à carcaça central uma camisa de líquido de arrefecimento, para proteger o óleo do superaquecimento.

Comprimir o ar o esquenta

Encha o pneu de uma bicicleta e o corpo da bomba esquenta. Um compressor faz o mesmo muito mais rápido, e o ar não tem tempo de soltar o calor. Para um compressor ideal, sem perdas, a temperatura de saída é

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ),

em que PR é a razão de pressão e γ vale 1,4 para o ar. Um bar de pressão sobre os 1,013 bar de fora dá uma razão de pressão de 1,987. Partindo de 298,15 K (25 °C):

298,15 K × 1,987^0,286 = 362,8 K, ou cerca de 90 °C.

Um compressor real desperdiça parte do trabalho como calor extra. O modelo usa uma eficiência de 72 por cento, que divide o aumento de temperatura:

T₂ = 298,15 × (1 + (1,2168 − 1) / 0,72) = 387,9 K, ou cerca de 115 °C.

Essa é a linha "Após o compressor" do painel. Leve o limite de pressão a 1,5 bar e ela sobe para 148 °C. Fazer esse trabalho custa potência: 90 kJ por quilograma de ar, cerca de 18 kW a 6000 rpm, tudo tirado do escape pela turbina.

Resfriar a carga devolve a densidade

Ar quente é ar ralo. A lei dos gases ideais liga as três grandezas como ρ = p / (R T), com R = 287 J/(kg·K) para o ar. Com um bar de pressão, o ar sai do compressor a 201.325 Pa e 387,9 K:

ρ = 201.325 / (287,05 × 387,9) = 1,808 kg/m³.

A pressão quase dobrou, mas a densidade só subiu 1,53 vez, porque boa parte do ganho virou calor. O ar quente que entra nos cilindros também aproxima a mistura da detonação, quando o combustível pega fogo sozinho antes da faísca.

O intercooler é um radiador para o ar de admissão. A carga passa por tubos achatados enquanto o fluxo de ar na frente do carro atravessa as aletas entre eles. O intercooler do modelo tira 75 por cento do aumento de temperatura:

T₃ = 387,9 − 0,75 × (387,9 − 298,15) = 320,6 K, ou cerca de 47 °C.

Na mesma pressão, a densidade agora é 201.325 / (287,05 × 320,6) = 2,188 kg/m³, 1,85 vez a do ar de fora. Desligue o intercooler em Controles e a potência a 4000 rpm cai de 115 kW para 95 kW sem nenhuma mudança na pressão.

Segurar a pressão num limite

Em rotação alta, há muito mais escape do que o turbo precisa. No modelo, a 6000 rpm e acelerador a fundo, o escape poderia levar o compressor a uma razão de pressão de cerca de 3, bem além do que o motor foi feito para aguentar. A válvula wastegate impede isso. É uma portinhola dentro da carcaça da turbina que abre uma passagem direta para a saída, de modo que parte do gás desvia do rotor da turbina. Um atuador, uma lata fechada com uma mola e um diafragma, empurra a portinhola quando a pressão chega ao limite. A Garrett descreve assim: num nível predefinido, a wastegate abre e deixa os gases de escape desviarem da turbina.

O controle "Limite de pressão" muda esse nível predefinido. A 4000 rpm a portinhola fica aberta cerca de 16 por cento; a 6000 rpm fica aberta mais ou menos pela metade, e o painel mostra a pressão parada em um bar enquanto a rotação sobe. Ponha o limite em zero e a portinhola fica totalmente aberta; aí o motor respira como um aspirado e rende cerca de 94 kW a 6000 rpm.

Por que a potência chega atrasada

O turbo só consegue ganhar rotação tão rápido quanto o escape o empurra, e quando você roda com pouco acelerador não há muito escape. Pise fundo e o motor recebe primeiro só o ar que consegue aspirar sozinho. Isso dá um pouco mais de escape, que gira o turbo um pouco mais rápido, que dá um pouco mais de pressão, e assim por diante até chegar ao limite. Essa espera se chama turbo lag.

O modelo trata a rotação do eixo como se subisse até o seu alvo com um atraso que é maior quando há menos escape. A 2000 rpm, passando de 15 por cento ao acelerador a fundo, o eixo sobe de cerca de 19.800 para 101.600 rpm; está na metade do caminho após 0,7 segundo e a 90 por cento após 2,4 segundos. A 3500 rpm, o mesmo passo leva 1,7 segundo para chegar a 90 por cento. A última etapa da visita faz esse teste, e o gráfico mostra a linha vermelha da rotação do eixo e a linha azul da pressão atrasadas em relação à linha cinza do acelerador.

Há um segundo efeito, separado. Em rotação baixa, o escape não consegue girar o turbo rápido o bastante para a pressão total, por mais que você espere. No modelo, acelerador a fundo a 2000 rpm dá só 0,45 bar, e a pressão total só chega acima de cerca de 3500 rpm. Esse é o limiar de pressão. Os fabricantes combatem os dois efeitos com rotores menores e mais leves, carcaças de dupla entrada (twin-scroll), palhetas variáveis na turbina e, mais recentemente, motores elétricos no eixo.

Em que este modelo difere de um turbo de verdade

• O turbo está desenhado mais ou menos em escala, mas as paredes das carcaças, a forma das palhetas e o traçado dos tubos são simplificados.
• A eficiência do compressor, a efetividade do intercooler e a eficiência volumétrica do motor são números fixos. Num motor de verdade eles mudam com a vazão e a rotação, e os fabricantes descrevem os compressores com um mapa em vez de um único valor.
• O lado do escape é uma única fórmula para quanta pressão a turbina poderia dar, com a wastegate ficando com o resto. Os pulsos de cada cilindro, a contrapressão e a temperatura do escape não são modelados.
• O motor queima o combustível com uma relação ar-combustível fixa de 14,7 e uma eficiência fixa de 30 por cento. Motores turbo de verdade trabalham com mistura mais rica na pressão total e atrasam a ignição para evitar a detonação.
• As perdas de pressão no filtro, nos tubos e no intercooler ficam de fora, e também a válvula de alívio que deixa a pressão escapar quando o acelerador fecha.

Dos motores de navio aos carros pequenos a gasolina

A patente de 1905 do engenheiro suíço Alfred Büchi costuma ser vista como o início da turboalimentação. A Brown Boveri terminou o seu primeiro turbocompressor para motores grandes, o VT402, em junho de 1924, e os transatlânticos alemães Preussen e Hansestadt Danzig, lançados ao mar em 1926, foram os primeiros navios com motores turboalimentados, construídos sob a supervisão de Büchi. Depois vieram os aviões: a partir do fim dos anos 1930, o Boeing B-17 voou com turbos da General Electric, que mantinham a potência dos motores no ar rarefeito da altitude. Nos carros, o turbo lag e o tamanho os seguraram por muito tempo. Hoje um turbo é uma forma comum de tirar mais potência de um motor menor, o que os engenheiros chamam de downsizing.

Por que um bar não dobra exatamente a quantidade de ar

O indicador de sobrealimentação costuma medir a pressão acima da atmosfera, enquanto a lei dos gases usa pressão absoluta, medida a partir do vácuo. Num exemplo propositalmente arredondado, suponha atmosfera a 1 bar absoluto e temperatura de admissão constante. Uma sobrepressão de 1 bar significa então 2 bar absolutos. Pela expressão ρ = p / (R T), dobrar a pressão absoluta dobra a densidade, e o mesmo cilindro passa a conter o dobro da massa de ar. Isso não significa que acrescentar um bar sempre dobre o ar: partindo de 2 bar absolutos, acrescentar outro produz a razão 3 / 2.

A temperatura muda o resultado. Imagine que a compressão leve o ar de 300 K a 400 K enquanto dobra a pressão absoluta. São hipóteses ilustrativas, não outro conjunto de ajustes do modelo. A razão de densidades passa a 2 × 300 / 400 = 1,50. Resfriar essa carga até 330 K à mesma pressão muda a razão para 2 × 300 / 330 = 1,82. O resfriador não acrescentou pressão nessa conta. Permitiu acomodar mais massa no volume disponível. É preciso usar kelvin; dividir temperaturas em Celsius daria uma resposta errada, pois essa escala não começa no zero absoluto.

A exposição usa pressão atmosférica de 1,013 bar em vez do valor arredondado de 1 bar. Assim, a sobrepressão de 1 bar corresponde a uma razão de pressões pouco abaixo de 2. Suas temperaturas e densidades diferem um pouco do exercício. Um intercooler real também causa perda de pressão, e um filtro obstruído reduz a pressão na entrada do compressor. O guia de mapas da Garrett inclui perdas de entrada e saída ao calcular a razão real. O número no painel, sozinho, não informa quanto trabalho o compressor está fazendo.

Existe uma confusão parecida sobre potência. Mais oxigênio permite queimar mais combustível; não substitui o combustível. Com mistura e eficiência fixas na exposição, o aumento proporcional da massa de ar produz aumento proporcional da potência calculada. Um controlador real pode limitar o torque, atrasar a ignição ou mudar a mistura. Dois motores com a mesma leitura de pressão podem ter temperaturas de admissão, cilindradas e potências diferentes. A pressão é uma informação útil, mas não mede diretamente os cavalos nem a segurança mecânica.

Por que uma roda maior não pode girar cada vez mais rápido

O cálculo anterior da velocidade periférica liga a leitura do eixo à velocidade física na ponta das pás. Para a roda de 50 mm do modelo, 100.000 rpm dão cerca de 262 m/s. A 250.000 rpm, a mesma conta dá aproximadamente 654 m/s. São exemplos geométricos numa faixa plausível para turbos pequenos, não pontos de operação autorizados para essa roda. A resistência real depende do material, do formato das pás e do limite do fabricante. As partículas coloridas e a rotação deliberadamente lenta não mostram essas tensões.

Com raio fixo, a aceleração necessária para manter um elemento da pá em movimento circular cresce com o quadrado da velocidade angular. Dobrar a velocidade exige quatro vezes a aceleração centrípeta. Um raio maior também eleva a velocidade da ponta na mesma rotação. Por isso um turbo industrial grande pode girar muito mais devagar que um pequeno de automóvel sem realizar menos trabalho útil. A aula do MIT trata a tensão centrífuga como limite de rotação do compressor; citar muitas rpm sem o tamanho da roda deixa de fora boa parte do problema de engenharia.

O mapa do compressor acrescenta outra restrição. A Garrett coloca a vazão mássica no eixo horizontal e a razão de pressões absolutas no vertical. Curvas mostram a rotação do eixo, enquanto ilhas de eficiência indicam onde menos trabalho se perde como calor. No lado de baixa vazão, surge é uma condição de escoamento instável, não apenas uma potência baixa. No limite de alta vazão, o bloqueio sônico e a queda de eficiência restringem a operação útil; forçar mais pressão pode causar excesso de rotação. Um compressor maior não é automaticamente melhor: os pontos de operação do motor precisam se ajustar ao mapa em toda a faixa necessária.

Fechar rapidamente a borboleta pode deslocar o ponto em direção ao surge, porque o motor aceita menos ar enquanto a roda continua girando. Sistemas reais usam uma válvula de recirculação ou de alívio do compressor para amenizar isso. Ela é diferente da wastegate do escape. A exposição omite essa válvula e não tem mapa do compressor, portanto não prevê ruídos de surge nem valida um turbo de reposição. Seu teste do acelerador demonstra a demora da pressão, não todas as instabilidades de uma admissão real.

Separar pulsos de escape ou mudar a entrada da turbina

Uma turbina twin-scroll continua tendo uma única roda. A carcaça possui passagens de escape separadas, e um coletor dividido mantém determinados grupos de cilindros separados até a roda. Essa divisão preserva pulsos úteis e reduz a interferência entre cilindros. A descrição técnica da BorgWarner para uma aplicação de seis cilindros de produção explica a melhora de resposta em baixa rotação. Twin-scroll não significa biturbo; acrescentar uma divisória na carcaça sem manter a divisão correspondente no coletor não reproduz o conjunto completo.

A geometria variável trata de outra parte do problema. Palhetas móveis ao redor da turbina alteram a passagem efetiva de entrada. A Garrett explica que as palhetas de seu VGT diesel se fecham em baixa rotação para aumentar a potência da turbina e a pressão, abrindo em alta para passar mais gases e evitar excesso de rotação. A roda em si não muda de tamanho. O controlador adapta a turbina a uma faixa de vazões mais ampla que uma carcaça fixa, mas a complexidade do atuador e o ambiente de gases quentes continuam exigindo cuidado.

Nenhuma solução elimina a energia necessária para acelerar o rotor. Aproveitar melhor os pulsos ou adequar a entrada pode encurtar a resposta, mas um escape fraco ainda limita a energia disponível. Uma turbina menor pode ajudar em baixa rotação e restringir a passagem em alta vazão. Uma maior pode reduzir essa restrição e ser mais difícil de acelerar. A escolha depende do motor e do serviço, não de uma classificação universal de projetos. Essas carcaças alternativas não podem ser selecionadas na exposição: a turbina visível é o exemplo de geometria fixa com wastegate descrito antes.

Quando reduzir a cilindrada economiza combustível

Downsizing é substituir um motor maior por um menor que usa sobrealimentação quando se exige muita potência. A vantagem vem do fato de que boa parte da condução normal só precisa de uma fração da potência máxima. Um motor menor pode ter menos atrito e trabalhar com menos estrangulamento para a mesma demanda na estrada. O turbo recupera o desempenho que a redução da cilindrada faria perder. A comparação é entre sistemas completos fazendo o mesmo trabalho, não uma afirmação de que instalar turbo em qualquer motor gera economia automaticamente.

O relatório Automotive Trends da EPA agrupa a sobrealimentação com outras tecnologias e discute seus efeitos combinados sobre desempenho e eficiência. Esses dados de frota descrevem adoção de tecnologias e veículos completos; não isolam uma economia garantida causada apenas pelo turbo. Massa, relações de transmissão, resistência ao movimento e calibração influenciam o resultado. Uma comparação justa exige veículos equivalentes no mesmo ciclo de condução. Não é possível deduzir uma porcentagem única de economia da potência exibida aqui, pois não há modelo de veículo ou ciclo de rodagem.

Pressão elevada também impõe limites. Pressões e temperaturas maiores na admissão podem fazer a mistura ainda não queimada de um motor a gasolina se inflamar antes da chegada normal da chama. As oscilações rápidas de pressão resultantes são detonação, não a ignição prevista pela vela. Resfriar a carga ajuda, assim como combustível suficientemente resistente à detonação e ponto de ignição adequado. A taxa de compressão também importa, mas é uma razão geométrica de volumes do cilindro, não a razão de pressões do compressor. Elas descrevem processos diferentes e não devem ser somadas. O modelo fixa mistura e eficiência e não calcula detonação; uma potência crescente não autoriza aumentar a pressão máxima de um carro real.

Um compressor mecânico por correia recebe trabalho do virabrequim e pode responder sem esperar a aceleração de uma turbina de escape. Essa demanda no eixo ainda consome potência do motor. Um turbo assistido eletricamente acrescenta torque elétrico ao eixo comum de turbina e compressor. A documentação eTurbo da BorgWarner também descreve geração elétrica com energia excedente da turbina. Seu produto separado eBooster é um compressor elétrico que complementa o turbo convencional, não o mesmo equipamento que um motor no eixo do turbo. Energia da bateria, perdas elétricas e rejeição de calor continuam no balanço. Nenhum deles cria ar comprimido de graça.

Três comparações na tela

Para comparar o resfriamento, mantenha 4000 rpm, acelerador a fundo e limite de pressão em 1 bar. Espere as curvas do eixo e da pressão estabilizarem antes de registrar a potência. Mude apenas o intercooler. O modelo dá aproximadamente 115 kW com resfriamento e 95 kW sem ele. Compare também a temperatura que entra no motor e o ar por cilindro. Isso testa densidade com pressão quase igual, não uma mudança no tamanho do motor.

Para comparar a resposta, ajuste 2000 rpm e deixe o sistema estabilizar com acelerador a 15%. Passe a fundo e observe o gráfico dos últimos 8 s. A curva do acelerador se move primeiro; a pressão acompanha a resposta do rotor. Repita a 3500 rpm com a mesma abertura inicial. Não compare curvas logo após mudar vários ajustes, pois as rotações iniciais do eixo seriam diferentes. A regra simples de atraso torna o teste repetível, mas ele não é uma medição de aceleração de um motor de produção.

Para comparar a wastegate, mantenha acelerador a fundo e o mesmo limite ao elevar o motor de 4000 rpm a 6000 rpm. A abertura aumenta enquanto a pressão estabilizada continua limitada. Abrir mais não significa que o turbo parou de trabalhar: os gases ainda movem a roda, mas uma parcela maior passa pelo desvio. Por fim, coloque o limite em zero e compare a potência após estabilizar. Esses experimentos distinguem resfriamento, resposta transitória e controle de pressão sem afirmar que simulam consumo, detonação ou outras turbinas.