Um turbocompressor (chamado "turbo", na linguagem comum) é um dos três principais sistemas de superalimentação conhecidos geralmente usados em motores de combustão e explosão (gasolina ou diesel), destinados a aumentar a densidade de potência - os outros dois são o compressor mecânico e o gás injeção.
O papel do turbocompressor é aumentar o nível de oxigênio (O 2) em cada cilindro, comprimindo o ar de admissão.
O princípio é aumentar a pressão dos gases admitidos, permitindo um melhor enchimento dos cilindros com uma mistura ar / combustível (relação estequiométrica ), permitindo tanto aumentar a potência de um motor naturalmente aspirado ou reduzir o consumo com um motor mais baixo deslocamento.
Esse tipo de compressor é acionado por uma turbina (daí seu nome) acionada pela velocidade dos gases de escapamento que saem do bloco do motor , que cederam parte de sua energia cinética para girar a turbina, sem consumir energia no eixo do motor.
O princípio de turboalimentação de motores de combustão e explosão foi proposto no início do desenvolvimento desses motores. Louis Renault entrou com uma patente em 1902 sobre o princípio da sobrealimentação por ventilador ou compressor, que ele usava em competições, mas que ainda não havia sido definido como turboalimentador.
O 13 de novembro de 1905, a patente do princípio do turboalimentador é concedida ao engenheiro suíço Alfred Büchi pelo Deutsches Reichspatent (DRP) e o16 de novembro de 1905, outro para sua aplicação ao motor de combustão interna. Era um compressor centrífugo acionado, desta vez, pelos gases de exaustão. Uma das primeiras aplicações foi a adaptação, pelo engenheiro Auguste Rateau, do turboalimentador do motor Renault 12 Fe , um V12 de 320 cv montado no avião de reconhecimento Breguet XIV A2 durante a Primeira Guerra Mundial .
Houve um desenvolvimento significativo do turboalimentador durante a Segunda Guerra Mundial, onde o "turbo" foi essencial para permitir que aviões com motores a pistão voassem em grandes altitudes. Na verdade, o ar se torna mais raro de 3.000 a 4.000 metros, um motor atmosférico perde potência e "para" por causa do pouco oxigênio contido no ar.
Em 1962, o Oldsmobile F-85 Turbo Jetfire foi a primeira versão comercial de um motor superalimentado com turbocompressor. Esse motor era o Turbo-Rocket, um motor V8 com um turboalimentador Garrett T5 de pequeno diâmetro .
A técnica de sobrealimentação é frequentemente aplicada aos motores de carros de corrida . Na Fórmula 1 , por exemplo, ele revolucionou a motorização a partir de 1977 com a Renault e alcançou muitos sucessos antes de ser proibido em 1989. A temporada de 2014 do campeonato viu seu retorno à disciplina, com 1600 cm motor V6. 3 turbo.
Além do fenômeno da moda lançado principalmente pela Renault na década de 1980 ( R5 Turbo , Alpine turbo , R5 GT Turbo , etc. ), outra aparência provará que o turbo não serve apenas para "inflar carros pequenos e leves a um custo menor". De fato, a chegada do trovejante Porsche 911 Turbo 3.0 L (tipo 930) , por sua vez, lançará toda uma geração de entusiastas de carros de passeio (GT), sendo este último virtualmente inigualável na época de seu lançamento, graças ao seu desempenho impressionante para a época .
No XXI th século, este princípio é amplamente utilizado em motores diesel modernos e, em menor grau, os motores a gasolina, devido ao risco de auto-ignição quando a pressão da mistura ar-combustível aumenta. No entanto, um melhor controle de injeção e ignição tornou possível projetar motores a gasolina turboalimentados, entre outras coisas, no contexto de downsizing .
A eficiência de um motor a pistão é função de sua taxa de compressão, a taxa de compressão dentro do cilindro. Quanto mais alto for, melhor será o rendimento.
O limite, para um motor a gasolina , está relacionado ao risco de autoignição (ou batimento ), que, além de uma determinada pressão, provoca queda no rendimento. Um motor a gasolina turboalimentado é geralmente projetado com uma taxa de compressão de menos de 10 ⁄ 1 , mas alguns blocos do motor até caem abaixo de 7 ⁄ 1 para blocos classificados para saídas acima de 100 hp / L e pressões de reforço em - acima de 1 bar de pressão relativa. O desempenho ideal para um projetista de motor superalimentado seria obter uma alta taxa de compressão com uma pressão de alimentação igualmente alta, para evitar o máximo possível penalizando velocidades abaixo da carga positiva do turboalimentador, algo difícil de alcançar por causa dos combustíveis atuais. que o chocalho , o limiar deste último ainda pode ser detectado e tratado por meio de avanços tecnológicos de computadores de bordo.
Uma turbina colocada no fluxo de gases de escapamento que sai do motor é acionada em alta velocidade (parte vermelha na foto). Ele é conectado por um eixo a um compressor colocado no duto de admissão do motor (parte azul). Este compressor do tipo centrífugo suga e comprime o ar ambiente, enviando-o para os cilindros, possivelmente passando por um trocador de ar / ar (em inglês intercooler ), ou mais raramente ar / água para resfriá-lo, pelos três motivos a seguir:
O facto de enviar o ar comprimido para os cilindros permite melhorar o enchimento destes últimos que, caso contrário, são preenchidos pelo vácuo criado pelo pistão que desce, permitindo assim aumentar significativamente a quantidade de ar / mistura. combustível, que permite melhorar a densidade de potência e obter a mesma potência de um motor de maior cilindrada, ao mesmo tempo que reduz as perdas mecânicas associadas a uma grande cilindrada.
As crescentes considerações ecológicas significam que estamos testemunhando cada vez mais um fenômeno de " redução " no projeto de motores de automóveis pelos principais fabricantes. O princípio visa reduzir as emissões e o consumo de poluentes por meio da redução do deslocamento do motor. Como um motor de pequeno deslocamento é necessariamente menos potente, essa perda é compensada com o turboalimentador.
Benefícios:
Desvantagens:
As duas últimas desvantagens citadas são quase resolvidas com turboalimentadores modernos, chamados turboalimentadores de “geometria variável”, que são mais eficientes em baixas velocidades .
O principal problema de um turboalimentador é o atraso no arranque, devido à inércia da roda da turbina, existem muitos automóveis desportivos equipados com motores "bi-turbo" (ou "twin-turbo" sequenciais), equipados com um pequeno motor turbocompressor para carregar a admissão em baixas rotações, depois retransmitida por um maior para encher os cilindros, assim que o motor estiver em rotações. A vantagem desse tipo de montagem é a virtual ausência de tempo de resposta e a ausência de solavancos na transmissão causados pela pressurização de um único grande turboalimentador, distribuindo a faixa de torque de maneira mais uniforme. Mas este sistema ocupa mais espaço no compartimento do motor e requer manutenção séria para permanecer confiável ao longo do tempo. Este conjunto denominado "sequencial" equipa o Mazda RX-7 FD3S ou o Porsche 959 . Há também um sistema bi-turbo mais clássico, como o do Nissan 300ZX Z32 e seu motor V6 24S , no qual cada turbo sobrecarrega apenas um banco de três cilindros, os turbos sendo montados em cada lado do V6. Esta montagem é muito comum em motores V. Observe que outros fabricantes, como a BMW, usam esse princípio, mas instalando os turbos dentro do V, com a admissão sendo do lado de fora.
Desde sua instalação em motores a diesel em 1997, alguns turboalimentadores são considerados de “geometria variável”. Esta solução permite um comportamento muito mais linear do motor e uma resposta do turboalimentador de 1.500 rpm em vez de uma resposta muitas vezes entre 3 e 4.000 rpm em turboalimentadores convencionais. Por exemplo, carros como o Peugeot 205 Turbo 16 de produção ou o Ferrari F40 são considerados "ocos" em baixas rotações, com toda a potência aparecendo repentinamente após uma determinada rotação do motor. Por outro lado, o Porsche 911 Turbo tipo 997 (de 2006) equipado com geometria variável distribui imediatamente sua potência à menor demanda do acelerador. Turbocompressores em motores a diesel são montados próximos ao motor para que o caminho dos gases de escapamento e do ar comprimido seja o mais curto possível. Na maioria das vezes, ele está localizado diretamente no bloco do motor.
O Peugeot 405 Turbo 16 de produção foi um dos primeiros carros equipados de série com um turbo de geometria variável.
Existem duas tensões principais em um turbocompressor: o atrito do eixo da turbina e a temperatura dos gases de escape.
Para preservar esse elemento do desgaste e resfriá-lo, o turbocompressor compartilha o mesmo sistema de lubrificação com óleo do motor . Esse recurso tem a desvantagem de interromper a lubrificação do turboalimentador com o motor desligado, pois a bomba de óleo não é mais acionada, o que, a longo prazo, danificará o dispositivo. Na verdade, o óleo então presente entre o eixo e o mancal da turbina começa a aquecer excessivamente, pois a temperatura na turbina pode subir até 1000 ° C , ou até mais. Um resíduo prejudicial é então criado, composto de corpos sólidos muito abrasivos que irão produzir folga excessiva ao longo do tempo (isso é conhecido como “coque” do óleo). Além disso, a turbina, ainda movida por sua inércia , não é mais lubrificada ou resfriada e pode quebrar devido a tensões térmicas e mecânicas excessivas. Para contornar esse problema, é aconselhável deixar o motor em marcha lenta, por cerca de um a três minutos dependendo do modelo, antes de desligar a ignição, para que a turbina interna veja sua velocidade de rotação cair. A lubrificação do motor e, portanto, do turboalimentador, continua ocorrendo e dissipando o calor do sistema. Outra forma de resfriar o mecanismo é, se a viagem permitir, dirigir lentamente em velocidade moderada por alguns quilômetros. Esta recomendação também é mais geralmente recomendada para motores, mesmo os naturalmente aspirados, ou para freios, se eles tiverem sido usados intensamente. Se esse procedimento, tantas vezes esquecido pelo neófito, às vezes não consegue ser realizado, mesmo que pelo tempo necessário para sua implantação, os equipamentos pós-venda podem ser instalados por um especialista em acessórios automotivos: um turbo temporizador , que só terá o tarefa de parar o motor assim que o turbo esfriar adequadamente, mesmo que a ignição seja desligada com a chave. No entanto, como a maioria dos veículos atuais está equipada com um turboalimentador, os fabricantes geralmente equipam seus veículos com bombas de óleo dedicadas que garantirão a lubrificação dos rolamentos durante o tempo necessário para que o eixo do turbo pare de girar assim que o motor do veículo for desligado. para garantir a longevidade do sistema e ao mesmo tempo tornar os requisitos desta tecnologia totalmente transparentes aos hábitos do usuário.
Alguns fabricantes de automóveis, incluindo BMW ou PSA, equipam seus motores com um sistema que permite o funcionamento de uma bomba d'água elétrica, mesmo após o motor ter sido desligado. Isto está presente em particular no Peugeot 405 T16 (versão de produção) de 1992, bem como no Renault 21 2 L Turbo ou mais recentemente em veículos equipados com motor 1.6 L PSA / BMW de pequenos carros esportivos como o Mini Cooper S ou o Peugeot 207 RC .
Alguns modelos têm a particularidade de apoiar seus eixos em rolamentos de esferas, o que permite maior confiabilidade ao longo do tempo.
A falha do turbocompressor, fazendo com que a temperatura do motor aumente, pode causar um incêndio no veículo.
Um turbocompressor é um compressor, centrífugo ou axial, acionado por uma turbina movida a vapor (turbina a vapor), ou por outro gás (turbina a gás), ou pela expansão de um gás ( turbina de expansão ).
Um turboalimentador pode atingir uma velocidade de rotação de cerca de 250.000 rpm, mas sua velocidade média está entre 100.000 e 200.000 rpm . Atualmente, a velocidade mais alta alcançada é de 280.000 rpm em um Smart Diesel.
A aceleração centrífuga experimentada pela periferia das duas rodas laminadas do turbo geralmente excede 100.000 g . Essa aceleração gera restrições significativas que exigem uma fabricação rigorosa desses dois elementos, cuja usinagem e balanceamento devem obedecer a tolerâncias precisas (um pequeno desequilíbrio pode ser suficiente para tornar o conjunto inoperante).