tecnologia

 

 

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FUNCIONAMENTO

Nos dias atuais, cada vez mais, exigem-se maiores potências, baixas emissões de poluentes e dimensões reduzidas nos motores. Para analisar os motivos que levam as montadoras a utilizar motores turboalimentados (principalmente diesel), devemos primeiramente considerar a equação que determina a potência que é possível extrair de um motor a combustão interna:

P = Cil*n*Rv*Da*F/A*Pci*Rg sendo que: P = potência.  Cil = cilindrada. N = número de ciclos por minuto. Rv = rendimento volumétrico. Da = densidade do ar na entrada dos cilindros. F/A = relação estequiométrica (partes de ar em relação a uma parte de combustível, em peso. Ex.: 15g de ar para 1g de combustível). Pci = teor calorífico inferior do combustível. Rg = rendimento global do motor.

Portanto, para aumentar a potência de um determinado motor, seja a álcool, gasolina ou diesel, temos que alterar um ou mais parâmetros da fórmula. Alguns destes parâmetros podem ou não podem, apenas marginalmente, ser melhorados.

Por exemplo, o Pci é dependente do combustível utilizado e no panorama de produtos comercializados não é sujeito a melhoras.  A relação estequiométrica (F/A) também só pode ser alterada marginalmente; nos motores a ignição por centelha (álcool e gasolina) deve se situar em torno de 9 por 1 nos motores a álcool e 14,7 por 1 nos motores a gasolina; misturas ‘ricas’ (mais combustível em relação ao ar) podem, até certo ponto (máximo 5%), aumentar a potência, entretanto o aumento de consumo e nível de poluentes claramente torna essa opção inviável.

Nos motores a diesel não é necessário para o funcionamento um controle tão rigoroso da relação estequiométrica; devido a isso, não há controle da quantidade de ar admitida como nos motores a gasolina em que normalmente é utilizada uma borboleta. Desta forma, motores a diesel funcionam sempre com excesso de ar e, embora teoricamente possam funcionar numa relação próxima a 15 por 1, na prática, para poderem permanecer dentro dos limites estabelecidos pelas normas de emissões, trabalham ao redor 25 a 30 por 1 (em plena carga). O rendimento global (Rg), que seria a porcentagem de aproveitamento da energia térmica que é introduzida no motor pelo combustível, no estágio atual de desenvolvimento, já não deixa muita margem a melhoras. Os departamentos de engenharia das fábricas poderão introduzir aperfeiçoamentos nesse campo nos próximos anos; mas, a menos que haja descobertas revolucionárias, serão pequenos passos.

O rendimento volumétrico (Rv) indica a capacidade do motor de encher o cilindro de ar; por exemplo, um motor de dois litros de cilindrada com rendimento de 80% encherá em um ciclo o equivalente a  1,6 litro. Nos últimos anos os fabricantes deram passos de gigante neste sentido com a introdução de cabeçotes a três, quatro ou cinco válvulas por cilindro, sistemas de distribuição que alteram o enquadramento, levante e permanência das válvulas em função da carga e da rotação do motor e sistemas de admissão e escapamento estão cada vez mais sofisticados. Existem, atualmente, motores de veículos normalmente comercializados com rendimento volumétrico acima de 100% (motores de competição acima de 130 %). É provável que aqui também não reste muito a ser melhorado.

AUMENTAR A CILINDRADA

Obviamente o aumento de cilindrada permite deslocar uma maior quantidade de ar na unidade de tempo e, por consequência, de combustível que pode ser queimado. Devemos considerar também que um motor de maior cilindrada será maior e mais pesado, por exemplo:

Mercedes OM 447 H, diesel, aspirado, 12 litros de cilindrada, 214 cv e 785 kg. Mercedes OM 366 LA, diesel, turbo intercooler,  6 litros, 211 cv e 445 kg.

A vantagem do motor turboalimentado é evidente, sem considerar que o motor aspirado é homologado pelas normas EURO 1, enquanto o outro pelas normas EURO 2, bem mais restritivas. Com o surgir de mercados cada vez mais restritivos em termos de emissões de poluentes, pode-se afirmar que o futuro dos motores diesel será “turboalimentado”.

O conceito vale para os motores ciclo Otto (álcool, gasolina, gás) também, embora as vantagens não sejam tão evidentes e os problemas a serem solucionados sejam de maior porte. Às vezes, a utilização de um motor turboalimentado em um veículo é válida em função de determinadas contingências fiscais; como no caso do Brasil em que veículos até um litro de cilindrada têm uma carga tributária inferior. Nesse caso, um veículo com motor de um litro turbinado teria desempenho parecido com outro de cilindrada maior, com um custo menor. A opção do turboalimentador é válida também quando um fabricante deseja equipar um veículo com um motor mais potente e não tem disponibilidade de um motor maior; é sem dúvida mais fácil e barato desenvolver uma versão turbo de um motor que já produz, do que projetar um motor novo.

AUMENTAR A ROTAÇÃO

Aumentar a rotação também leva a um deslocamento maior de ar e, consequentemente, a uma maior potência, todavia tem limites intransponíveis de resistência mecânica, determinados pela velocidade média dos pistões e que, nos motores atuais, se situa entre 12 m/seg nos motores diesel e 18 m/seg nos motores ciclo Otto (motores de competição atingem até 24 m/seg). Outra desvantagem é o aumento das perdas mecânicas e pneumáticas que refletem na diminuição do rendimento global e, portanto, numa piora do consumo específico.

AUMENTAR A DENSIDADE DO AR

Essa é a função da sobrealimentação que tem como finalidade a introdução nos cilindros de uma carga com densidade superior àquela que teria em condições de pressão e temperatura ambiente. A uma maior densidade corresponde um aumento da quantidade de combustível (que pode ser queimado) e, por consequência, da potência disponível. A principal razão da sobrealimentação é a melhora do desempenho do motor, aumentando a potência específica (relação entre potência e cilindrada) e reduzindo a relação peso/potência (como já vimos no exemplo dos dois motores Mercedes). Essa sobrealimentação é obtida mediante um compressor.

Os principais parâmetros que caracterizam um compressor são: a razão de compressão, a vazão de ar (em peso) e o rendimento. A razão de compressão é definida com a relação entre a pressão de saída do compressor e a pressão de entrada (normalmente a pressão atmosférica). Infelizmente, esse aumento de pressão corresponde, por uma lei da Física, a uma elevação da temperatura de saída do ar (vazão de ar). Elevação que se torna maior ainda por causa de trocas e dissipações internas de calor. Essa relação entre o aumento de temperatura teórico (por uma determinada pressão) e o aumento de temperatura real é chamada de rendimento do compressor. Quanto maior o rendimento, melhor a eficiência do compressor e, portanto, menor o aumento de temperatura na saída.

Para garantir a durabilidade do motor e manter as solicitações dos componentes mecânicos entre valores seguros, limita-se o valor da pressão máxima de combustão. Nos motores ciclo Otto se atinge esse resultado limitando o valor da taxa de compressão; nos motores a diesel mais facilmente se aumenta o excesso de ar (aumento da relação F/A). Lembramos que quanto maior o excesso de ar, melhor fica a combustão reduzindo a fumaça e as emissões. A sobrealimentação também permite uma pequena melhora do rendimento volumétrico (Rv) e do rendimento global (Rg). Por esse motivo, o consumo específico em um motor sobrealimentado é menor que em um motor atmosférico de igual potência.

TIPOS DE COMPRESSORES

Os sistemas que podem ser utilizados para a sobrealimentação são essencialmente dois:

No primeiro caso, o compressor é acionado pelo eixo do motor subtraindo deste a energia necessária ao funcionamento. No segundo caso, o compressor é acionado por uma turbina que utiliza a energia residual do gás de escape que, dessa forma, é parcialmente recuperada.

COMPRESSORES A COMANDO MECÂNICO

Atualmente este tipo de compressor é muito pouco utilizado principalmente pelo fato do turboalimentador ser superior em quase todos os tópicos de utilização. Este tipo de compressor é acionado pelo eixo do motor subtraindo deste a energia necessária ao funcionamento. Um exemplo é o caso do blower  – um tipo de compressor que, acionado pelo virabrequim através de correias (trapezoidais ou dentadas) ou ainda por engrenagens, envia uma quantidade adicional de mistura ar/combustível para dentro dos cilindros, aumentando o torque e a potência de qualquer motor de combustão interna, seja ele movido à gasolina, álcool, gás ou óleo diesel. Pode ser considerado um tipo de bomba volumétrica e é composto por dois rotores de perfil conjugados, retilíneos ou helicoidais, que giram dentro de uma caixa fechada em movimentos sincronizados, através de um par de engrenagens.

Realiza o bombeamento de um volume constante, de modo que a compressão do ar ocorra por acúmulo no interior do coletor de admissão. Ele é normalmente instalado depois do carburador (ou seja, comprime mistura ar/combustível), pela dificuldade de se obter uma carburação adequada em virtude da variação da densidade do ar. O sistema é utilizado com mais frequência pelos norte-americanos, nos motores com disposição em “V”, principalmente nos potentes modelos de arrancadas. No Brasil, chegou a ser utilizado nos motores GM Detroit Diesel, hoje obsoletos.

De uma maneira geral, os projetos modernos adotam o turboalimentador em vez do blower  na superalimentação, pelo seu rendimento superior e menor consumo de potência, uma vez que esse último não depende de acionamento do virabrequim.

TURBOALIMENTADOR

É o sistema quase universalmente utilizado em motores de todos os tamanhos. Permite grandes vazões de ar com baixo peso e volume. Os gases provenientes do coletor de escape entram em um turboalimentador que assim recebe a energia necessária para acionar um compressor centrífugo, montado no mesmo eixo que comprime o ar que será enviado aos cilindros. Os rotores do compressor e da turbina são envolvidos por carcaças denominadas “carcaça do compressor” e “carcaça da turbina”, cuja função é direcionar o fluxo de gases através das pás dos rotores.

A carcaça central sustenta o eixo através de mancais flutuantes. Galerias na carcaça central levam o lubrificante (derivação do sistema de lubrificação do motor) aos mancais radiais e axial. Estes canais estão alinhados com os furos dos mancais, permitindo que o lubrificante atinja o eixo, promovendo sua refrigeração e lubrificação.

A drenagem do óleo da carcaça central é feita por gravidade. Vedações são instaladas em cada lado do eixo, entre o mancal radial e o rotor adjacente para impedir a entrada de lubrificante no compressor e na turbina e também a entrada de gases para o interior da carcaça central. A vedação de óleo para as carcaças do compressor e da turbina é efetuada aproveitando-se a rotação do eixo. Trata-se, portanto, de um processo dinâmico de vedação. No lado da turbina, o elemento responsável pela vedação é a canaleta de óleo; sua função é arremessar o lubrificante contra as paredes da carcaça central por centrifugação.

No lado do compressor, a mesma função é executada pelo colar. A vedação de gases e dos resíduos de óleo não eliminados pela centrifugação, em ambas as extremidades do eixo, é realizada por anéis denominados anéis de pistão (piston ring). Em alguns casos, principalmente quando está presente uma borboleta antes da carcaça do compressor (motores com carburador antes do compressor), a vedação do eixo do lado do compressor é efetuada por meio de um selo mecânico. Esse sistema de vedação, embora aumente o atrito do eixo quando gira, é mais eficaz contra possíveis vazamentos de óleo ocasionados pelo vácuo criado pela borboleta.

Quando o ar é aspirado pelo rotor do compressor, pela elevada rotação deste, é centrifugado e adquire energia cinética por causa da velocidade que pode chegar a 350 m/seg. Do rotor o ar entra no difusor, onde a energia cinética é transformada em energia de pressão.

Do lado da turbina, os gases provenientes do motor podem atingir temperaturas de 750°C nos motores diesel e 950°C nos motores ciclo Otto. O rotor e a carcaça da turbina, para resistirem à temperatura, devem ser fabricados com ligas à base de níquel (Inconel para o rotor); nos motores a diesel, onde as temperaturas em alguns casos podem ser mais baixas, a carcaça pode ser de ferro fundido e o rotor em aço refratário (GMR).

O turboalimentador gira normalmente a uma rotação máxima de 80.000 até 250.000 rpm.  Pelas altas temperaturas e rotações alcançadas, o turboalimentador – embora possa ser considerado mecanicamente simples – é um componente de difícil fabricação pelos cuidados que exige em nível de projeto e manufatura.

Nos últimos anos vem aumentando nos motores turboalimentados a prática de se colocar um resfriador entre a saída do compressor e a entrada no motor, conhecido como intercooler.  A função dele é diminuir a temperatura do ar admitido pelo motor, recuperando em parte a perda de densidade causada pelo aumento da temperatura do ar na saída do compressor. Esse aumento de densidade permite queimar uma quantidade maior de combustível gerando mais potência.

ACOPLAMENTO MOTOR/TURBOALIMENTADOR

Quando se efetua a escolha do turboalimentador devemos fazê-lo de modo que este opere em condições ideais de rendimento para a aplicação desejada. Caso contrário, teremos  – para um certo grau de sobrealimentação – uma temperatura do ar mais elevada na saída do compressor e uma excessiva contrapressão no escape.

As dimensões do turboalimentador são determinadas pela vazão de ar exigida, pelo grau de sobrealimentação (pressão) e pela rotação do motor em que desejamos que o turboalimentador comece a atuar (até certo ponto). Saber escolher o turboalimentador para uma determinada aplicação não é tarefa fácil; na verdade, turboalimentadores e motores funcionam, aceleram e desaceleram segundo leis diferentes. Um motor funciona (em termos de vazão de ar) segundo leis de progressão linear; um turboalimentador, conforme leis de progressão geométrica.

Isso explica porque se escolhermos o turboalimentador para atingir uma determinada pressão em baixa rotação do motor, ele terá uma pressão demasiadamente elevada em final de giro; e vice-versa, se escolhermos o turboalimentador para atingir a pressão certa no final de giro do motor, teremos pressão baixa e um motor fraco à baixa rotação.

Outro ponto delicado é devido ao fato que os compressores centrífugos, contrariamente aos volumétricos, só podem trabalhar entre um valor mínimo e um máximo de vazão de ar; abaixo do valor mínimo entram em regime de “surge ”  com funcionamento instável e, permanecendo nessa condição, podem chegar à destruição. Acima da vazão máxima, o compressor perde rapidamente a eficiência e pode atingir níveis de rotação perigosos pela integridade do turboalimentador. É o chamado overspeed.

Uma ajuda fundamental para o acoplamento ideal entre motor e turboalimentador é dada pela válvula waste-gate  (válvula de alívio) que permite, ao chegar à pressão de sobrealimentação desejada, desviar o excesso de pressão do coletor de escape sem passar pelo turboalimentador, permitindo o controle da pressão de alimentação. Sem dúvida, sem a ajuda da válvula waste-gate, o problema de realizar um motor turboalimentado adequado para uso veicular seria praticamente insolúvel. Aqui se trata de motores ciclo Otto, pois para os motores a diesel o problema é um tanto diferente, visto que eles dispõem de um grau de liberdade a mais, representado pela ampla possibilidade de variar a relação ar/combustível. Todavia, atualmente os motores a diesel rápidos, veiculares (que chegam a atingir mais de 4.000 rpm), utilizam algum dispositivo de controle de pressão.

MOTORES TURBOALIMENTADOS

Quando um fabricante coloca um turboalimentador em um motor, normalmente esse motor passa por uma reestruturação. O enfoque do problema é sem dúvida diferente, em se tratando de motores a diesel ou de motores ciclo Otto. Nos motores a diesel, a parte de alimentação recebe outra bomba de injeção com um dispositivo incorporado para corrigir o débito em função da pressão de alimentação (LDA). Os pistões e o eixo comando de válvulas geralmente são específicos para a versão sobrealimentada (geralmente a taxa de compressão é ligeiramente reduzida) e, muitas vezes, é incorporado ao bloco um dispositivo de borrifamento de óleo na parte inferior dos pistões para a refrigeração destes. Com essas alterações normalmente a melhora, com relação ao motor atmosférico, situa-se em torno de:

Potência até 50-60% (até 100% para determinadas aplicações); Torque até 60-70% (até 120% para determinadas aplicações); Consumo de 5 a 15% menor.

Considerando a melhora em nível de emissões de poluentes e particulados, fica clara a tendência ao desaparecimento dos motores atmosféricos. É possível “turbinar” um motor apenas externamente (sem a troca de componentes internos), como no caso dos kits  de “turbinamento”. Desde que efetuada criteriosamente, é uma prática técnica e economicamente válida para se beneficiar das vantagens do turboalimentador em motores atmosféricos. Obviamente, a melhora em termos de potência será um pouco menor (20-30%), apesar disso a vantagem em relação ao motor atmosférico permanece elevada e permite, pelo custo operacional inferior (devido à redução de consumo), um rápido retorno do investimento. Os motores ciclo Otto também sofrem uma troca de componentes, numa versão turboalimentada, para adequar o motor ao nível de solicitação exigido; entretanto, pelo fato das vantagens em relação ao motor aspirado serem de menor entidade (comparado ao diesel) e eventualmente pelo maior custo e complexidade mecânica, a difusão de motores ciclo Otto turboalimentados é pequena. Na prática, restringem-se às aplicações em que exista uma vantagem a nível fiscal ou quando o objetivo é apenas o desempenho.

Para motores ciclo Otto também existem kits  de turbinamento apesar da complexidade e, consequentemente, do custo mais elevado neste caso. O problema é que, como explicado anteriormente, é praticamente obrigatório em um motor ciclo Otto adequar a taxa de compressão e o fornecimento de combustível ao grau de sobrealimentação. Se não o fizer, o motor não vai durar muito (quase nada). Isso nos leva, em um universo de motores a injeção eletrônica, ao “remapeamento” das curvas características do motor muitas vezes acompanhado da troca dos injetores (ou injetor), ou à utilização de um dispositivo eletrônico suplementar para “gerenciar” o funcionamento em regime de sobrealimentação. Sem contar com a necessidade de abrir o motor para a redução da taxa de compressão. Trata-se, realmente, de alterações delicadas, que exigem conhecimento, responsabilidade e equipamento por parte de quem as efetua. Para motores ciclo Otto é indispensável o uso da válvula waste-gate  que pode ser acoplada ao coletor de escape ou incorporada ao próprio turboalimentador, como a maioria das aplicações de fábrica. Vale salientar que para motores ciclo Otto a prática correta é o uso de um turboalimentador especificamente fabricado para esse tipo de aplicação.

COMPRESSOR

Normalmente, o compressor de um turboalimentador tem três partes: rotor, difusor e voluta. O rotor do compressor, normalmente gira, em altas rotações, que variam entre 60.000 e 180.000 rpm.  Ele acelera o ar, fazendo este passar através de suas palhetas por força centrífuga. O difusor tem a função de baixar a turbulência e a velocidade do ar gerada pelo giro do rotor aumentando a sua pressão; as medidas e o formato do difusor dependem do tipo de aplicação e características do motor. Existem carcaças com vãos no difusor que têm a finalidade de direcionar melhor o fluxo de ar proveniente do rotor. Esse tipo de carcaça costuma ter eficiência melhor, embora a faixa útil de vazão de ar seja mais restrita e, portanto, seja mais adequada a turboalimentadores que trabalham em motores com pouca variação de carga e rotação. Finalmente, a voluta coleta e direciona o ar para o motor, intercooler,  ou, em alguns casos, para outro compressor. Já há algum tempo estão se difundindo carcaças com bocal de entrada duplo, chamadas de ‘MWE’ do inglês map widht enhancer,  cuja função é ampliar a faixa útil de vazão de ar do compressor, em contrapartida de uma pequena perda de eficiência. A pressão pode variar de 0.6 bar até 2.0 bar, em aplicações comerciais. Os compressores também podem ter várias áreas de voluta, bem como encaixes, tanto na admissão dos mesmos, como no lado da pressão, dependendo das exigências dos fabricantes dos motores. A variação de área e tamanho dos compressores atende ao princípio de que maior área é igual a maior volume, e menor pressão e menor área é igual a menor volume e maior pressão. Normalmente, as carcaças compressoras são fixadas aos conjuntos centrais, por intermédio de anéis de Seeger, cintas “V”, ou parafusos com travas.

TURBINA

É composta de uma carcaça, que pode ter uma ou duas volutas; e um rotor, que transforma a energia do fluxo dos gases em rotação do eixo. A turbina de um turboalimentador  normalmente obedece ao mesmo princípio de outras turbinas de fluxo radial, isto é, canaliza o fluxo através de um bico, fazendo com que este fluxo entre no melhor ângulo possível em contato com as palhetas do rotor da turbina, promovendo o melhor aproveitamento da pressão, temperatura e velocidade dos gases para fazer girar o rotor, criando o maior número de rotações possíveis, bem como a menor restrição possível dos gases provenientes do motor.

TIPOS DE CARCAÇA DE TURBINA

A carcaça da turbina pode ser fabricada em diferentes versões, isto é, fluxo constante, fluxo constante com válvula, fluxo dividido ou pulsativo e dividido com válvula. Também pode ser fabricada em diferentes versões para um mesmo modelo de turboalimentador, ou seja, com várias áreas de passagem de gases, que mudam a velocidade com que o eixo gira, bem como a restrição gerada pelos gases de escape. Para cada aplicação pode ser determinada a área e o modelo do turboalimentador, inclusive em um mesmo motor, dependendo da aplicação deste, pode ser modificada a área, para atender aquela aplicação específica, regime de potência, rotações, uso contínuo ou veicular etc. Existem dois modos básicos de se medir a área de um turboalimentador: um que é determinado pelo A/R, isto é, a área sobre raio e outro que é somente o tamanho da área, que é medida na altura do início da voluta e dependendo do fabricante pode ser medida em cm², pol.² ou pes². Em qualquer caso, independente do critério de medição da carcaça, o conceito é o mesmo: A/R ou área menor é igual a mais energia disponibilizada pela turbina e, portanto, mais pressão; vice-versa no caso de A/R ou área maior. Não devemos esquecer, entretanto, que a paridade de todos os outros parâmetros que caracterizam uma turbina, disponibilizar mais energia equivale a aumentar a contrapressão no coletor de escape com todos os inconvenientes relacionados. Outra forma de obtermos mais giro de um turboalimentador, está na diminuição da medida de “exducer ”  (diâmetro do rotor), bem como a altura do “trim” no rotor do eixo, o que provoca uma menor saída de gases por giro do eixo. Como o volume de gases se mantém, o giro do eixo tende a aumentar. Todas estas providências também tendem a fazer com que haja maior restrição dos gases de escape, que também tem que ser levado em consideração a cada aplicação.

CARCAÇA DE FLUXO CONSTANTE (MONO FLUXO)

É uma carcaça que tem uma única entrada de gases. Conceitualmente essa carcaça deveria trabalhar com os dutos do coletor de escape se juntando em um volume com área suficiente para virtualmente eliminar a influência das pulsações dos gases. Nestas condições a turbina trabalha com rendimento superior em relação a uma turbina pulsativa, por outro lado não tem boa resposta as variações de carga e de rotação do motor, razão pela qual é mais indicada em motores tipo gerador ou marítimos. A definição de “fluxo constante” para turbinas com entrada única e “pulsativa” para turbinas com entrada dividida está se constituindo numa generalização nem sempre racional. Como explicado anteriormente, a turbina para ser considerada fluxo constante, além de entrada única, deve ser acoplada a um coletor que atenue o máximo possível os picos de pressão na entrada da turbina e isso pode ser obtido ou aumentando o volume no coletor ou tendo uma quantidade maior de cilindros confluindo na boca da turbina (ex.: utilizando um turboalimentador no lugar de dois num motor de 6 cilindros) ou ambos os procedimentos. Em um motor de seis cilindros, dois turboalimentadores com carcaça de entrada única (fluxo constante) são tão pulsativos quanto um turboalimentador com carcaça dividida (pulsativa). Podemos concluir que o que define a separação entre fluxo constante e fluxo pulsativo é muito mais uma questão de tipo de motor e projeto de coletor que propriamente uma caracterização determinada simplesmente pela carcaça da turbina; assim como entre os dois tipos de sistemas (pulsativo e constante) podemos enquadrar configurações que misturam características de ambos. Portanto, para evitar controvérsias, vamos dividir as carcaças como mono fluxo ou duplo fluxo com ou sem válvula de alívio.

CARCAÇA MONO FLUXO COM VÁLVULA DE ALÍVIO

Funciona como a anterior, porém tem a área mais restrita (apertada), o que ocasiona boa pressão em baixo rpm. Existe nesta uma válvula para prevenir o excesso de pressão em alta rotação, que funciona aliviando o fluxo dos gases de escape, enviando-o diretamente para o escape, sem passar pelo rotor da turbina. Esta é uma solução muito utilizada em turboalimentadores para motores de alta rotação (ciclo Otto ou Diesel), onde o alvo principal é a redução do chamado turbo lag  (atraso na resposta) do turboalimentador em baixas rotações.

CARCAÇA DUPLO FLUXO

Normalmente utilizada em motores Diesel com cilindrada acima de 4 litros, com coletor projetado para um bom aproveitamento dos pulsos. Funciona aproveitando, além da pressão dos gases de escape, também os seus pulsos, evitando interferências entre os cilindros, assim obtendo uma boa resposta a diferentes condições de carga e de rotação do motor. É muito utilizada em motores veiculares.

CARCAÇA DUPLO FLUXO COM VÁLVULA DE ALÍVIO

É utilizada em aplicações veiculares como a versão sem válvula. A válvula permite que sejam utilizadas áreas de turbinas mais fechadas com respostas melhores em baixas rotações, sem correr riscos de pressões demasiadamente elevadas em altas rotações.

VÁLVULA DE ALÍVIO OU WASTE GATE

Como explicado anteriormente, a válvula de alívio é uma necessidade para determinadas aplicações. Sem ela, a utilização do turboalimentador em motores rápidos (principalmente ciclo Otto) seria impraticável. Se de um lado é fonte de dissipação de energia, já que desvia parte dos gases sem aproveitá-los, por outro lado isso só acontece quando já atingimos a pressão prevista e o desvio dos gases representa apenas uma perda em termos de eficiência da turbina. Obviamente se fosse possível, num passe de mágica, trocar a área da turbina ao alcançar a pressão desejada, evitar-se-ia essa pequena perda; entretanto, excetuando-se a geometria variável, a válvula de alívio continua sendo o meio de controle de pressão mais eficiente e com a melhor relação custo-benefício.

TGV (TURBOALIMENTADOR COM GEOMETRIA VARIÁVEL)

Para explicar o funcionamento do TGV (VNT – VARIABLE NOZZLE TURBINE,  como é mundialmente conhecido), é preciso primeiro rever algumas alterações realizadas nos turboalimentadores durante estes últimos anos: Nos turboalimentadores convencionais, ou seja, aqueles em que não há nenhuma saída extra de gases de combustão (Bypass), é o tamanho da carcaça, o que determina a pressão máxima obtida pelo equipamento. Com a necessidade de aplicação de turboalimentadores em veículos menores, como as picapes e os veículos de passeio, o tamanho da carcaça da turbina também teve de sofrer alterações. Mas o problema era como diminuir o espaço interno das carcaças sem ter excesso de pressão em altas rotações? A solução surgiu com as turbinas equipadas com válvulas de alívio, que depois de atingirem o máximo de pressão especificado pela montadora do veículo, deixam escapar parte dos gases evitando um aumento descontrolado da pressão. Com essa inovação, o índice de emissão de poluentes também foi diminuído, fazendo com que o veículo atendesse facilmente as determinações da norma Euro II. Mesmo com a mudança, o que ainda determina a pressão obtida pela turbina é o volume da carcaça e, no caso de uma geometria fixa, o equipamento responde insatisfatoriamente em algum momento ou situação. O TGV surgiu para sanar exatamente a insatisfação com a falta de adequação da força empregada aos motores pelos turboalimentadores, demasiados em alguns momentos, e insuficientes em outros. Isso porque, dentro da carcaça além dos rotores, existem também palhetas móveis, que abrem e fecham tornando o espaço por onde o gás circula maior ou menor, dependendo da necessidade de força exigida pelo motor. Assim é como se o veículo contasse com várias turbinas. Essa é uma turbina adequada para todas as faixas de rotação do motor. Suas palhetas se movimentam criando ângulos que direcionam ou desviam os gases do rotor, aumentando ou diminuindo a pressão de acordo com as necessidades. Nas baixas rotações, as palhetas estão mais direcionadas para o rotor, que é quando o motor precisa de mais força. Já em altas rotações as palhetas se abrem, desviando os gases do rotor. O movimento das palhetas é comandado por um atuador que é acionado por pressão, vácuo ou motor elétrico acoplado ao próprio turboalimentador.

A versatilidade é a melhor vantagem deste novo turboalimentador, que responde de acordo com a variação das rotações, proporcionando uma resposta rápida em baixas rotações e eficiência em altos giros. Além disso, o tamanho da turbina pode ser selecionado sem comprometer seu desempenho em altas rotações. Outras vantagens proporcionadas pelo TGV são curva de torque mais plana, potências mais altas, melhores índices de emissões de gases, e a possibilidade de monitoramento eletrônico (assim como nos sistemas com waste-gate). A desvantagem do TGV é, sem dúvida, a complexidade maior que reflete em custos mais elevados e confiabilidade menor, que pode ser constatada pela ausência de TGV para aplicativos em motores ciclo Otto que seriam os mais beneficiados por esta tecnologia.

INTERCOOLERS/AFTERCOOLERS  OU TURBOCOOLERS

Como já explicado no capítulo referente ao rendimento do compressor, ficou claro que o aumento de temperatura do ar está diretamente relacionado ao aumento de pressão ocasionado pelo compressor do turboalimentador. Podemos dizer que os coolers, em geral, são projetados e fabricados para corrigir esse indesejado aumento de temperatura. Indesejado porque, como já visto, diminui a densidade do ar e, consequentemente, a quantidade de combustível e também porque aproximadamente a cada 10°C de aumento de temperatura do ar que entra no motor teremos um aumento de cerca de 30°C na câmara de combustão, sobrecarregando vários componentes do motor como: pistões, válvulas, junta de cabeçote, cabeçote e o próprio turboalimentador. Portanto, a função do intercooler  é servir como um resfriador para o ar que vai ser admitido: sua eficiência situa-se entre 50% a 70% que representa para um motor com pressão de turboalimentador de 1 bar abaixar a temperatura do ar de 130°C para aproximadamente 60°C a 80°C. Devido a este fato é que existe hoje uma grande aplicação de intercoolers  no mercado, que além de devolverem a eficiência ao turboalimentador devido à baixa temperatura do ar e a recuperação do volume de oxigênio injetado na câmara, ainda baixa a temperatura da câmara proporcionando maior durabilidade ao motor e/ou permitindo um incremento de mistura na câmara, por conseguinte, maior rendimento.