Como funciona um turbo e um compressor: tipos de sobrealimentação

Os sistemas de sobrealimentação permitem aumentar notavelmente o rendimento de um motor. Basicamente, o objetivo de sobrealimentar um motor é introduzir mais ar nos cilindros do que o motor consegue aspirar por si só à pressão atmosférica.

Para que queremos mais ar na câmara de combustão? Pois porque, mesmo dizendo-o de forma muito simples, a potência de um motor depende da quantidade de oxigénio (e, portanto, do ar) que conseguimos fazer reagir com o combustível para produzir uma potente explosão –ou combustão, consoante falemos de gasolina ou gasóleo, respetivamente– que empurre o pistão.

Para isso, é preciso comprimir o ar de admissão através de um mecanismo de sobrealimentação, que pode ser de dois tipos: turbo (também chamado turbocompressor) ou compressor.

Vamos ver o princípio de funcionamento de um turbo e de um compressor. Assim, poderás compreender melhor as vantagens e os inconvenientes de cada caso.

Antes disso, convém recordar que nem o compressor nem o turbo são tecnologias recentes.

A sobrealimentação utiliza-se no automobilismo desde a primeira década do século XX. No caso dos compressores, adaptou-se um mecanismo que já era usado noutras aplicações industriais. Quanto ao turbocompressor, teve o seu desenvolvimento inicial em motores de avião, para compensar a menor densidade do ar à medida que aumenta a altitude.

Assim funciona um turbo

Um turbo consta basicamente de duas turbinas unidas de forma solidária por um eixo que giram dentro de uma carcaça. O princípio de funcionamento é aproveitar a energia cinética dos gases de escape do motor.

Os gases de escape são feitos passar pela primeira turbina, provocando a sua rotação. Como a segunda turbina é solidária, também girará. Neste caso, o movimento da segunda turbina aproveita-se para gerar pressão, empurrando o ar no coletor de admissão.

Há várias coisas importantes a saber sobre os motores com turbocompressor. Logicamente, quanto maior for o turbo, maior será a sua capacidade de gerar pressão. No entanto, também custará mais que os gases de escape acelerem a turbina, o que pode provocar um atraso na resposta entre o momento em que se pisa o acelerador e a entrega efetiva de potência. É o que se conhece como turbo lag.

Mais coisas. As turbinas podem girar a velocidades muito altas, superiores a 150.000 rpm. Por isso, a correta lubrificação do turbo (em concreto, do seu eixo) é tão importante para evitar avarias. Para isso, convém ter muito claro a importância que desempenha o óleo do motor.

O possível excesso de pressão gerado pelo turbo controla-se através de uma válvula de descarga. O ajuste desta válvula, que deixa “escapar” o ar, é o que permite regular a calibração ou a pressão de sopro do turbo.

Além disso, para melhorar o rendimento, os motores turbocomprimidos costumam ter um radiador chamado intercooler. Este radiador arrefece o ar de admissão depois de passar pelo turbo, que aumentou de temperatura ao comprimir-se, perdendo densidade de oxigénio.

Para terminar com o turbocompressor, convém mencionar que é um sistema para aumentar o rendimento que se adapta especialmente bem aos motores diesel, que funcionam por compressão da mistura, e não por explosão da mesma através da faísca de uma vela.

Os motores de gasolina requerem uma mistura com uma proporção de oxigénio e combustível determinada (para os mais curiosos, chama-se mistura estequiométrica) para que a combustão seja eficaz, enquanto um diesel é capaz de queimar todo o oxigénio que consigas introduzir na câmara de combustão.

Aliás, já há algum tempo que não existem no mercado motores diesel atmosféricos. Nos motores a gasolina, o turbo começou a ganhar importância com a chegada da injeção eletrónica, que permitia controlar a mistura com maior precisão do que os motores turbo com carburador. Mas isso daria para outra história. Atualmente existem marcas com excelentes motores a gasolina sem turbo. Um exemplo é o 2.0 Skyactive da Mazda que testámos no CX-30.

Tipos de turbos

Existem diferentes tipos de turbocompressores, em função da aplicação a que se destinam. Segundo a sua “geometria”, dividem-se em turbos fixos ou variáveis.

• Turbocompressor de geometria fixa. Neste tipo de turbocompressores, o fluxo de ar que incide sobre a turbina acionada pelos gases de escape faz-se sempre da mesma forma. A sua fabricação é mais simples, por ter menos partes móveis. O problema é que, quando o motor gira a baixas rotações, o fluxo dos gases de escape não transporta energia suficiente para acelerar rapidamente a turbina, produzindo-se o já mencionado turbo-lag ou atraso de resposta do turbo.
• Turbocompressor de geometria variável. São também conhecidos como VGT (pelas siglas em inglês, Variable Geometry Turbocharger). Têm umas palhetas na zona da turbina acionadas de forma pneumática ou elétrica. Permitem variar a forma como os gases de escape incidem sobre ela, principalmente para acelerar o seu movimento quando o fluxo de gases é fraco. Eliminam em grande parte o atraso de resposta do turbo.
• Turbo Twin-Scroll: Denominam-se também turbos de dupla entrada. O que fazem é jogar com o fluxo dos gases dos cilindros e separá-lo para que não se crie contrapressão no coletor de admissão

Neste vídeo podes ver como é o processo de funcionamento de um turbocompressor, em concreto de geometria variável.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

Assim funciona um compressor

Passamos agora ao compressor. O objetivo continua a ser o mesmo que no turbo: introduzir ar comprimido na câmara de combustão. Mas aqui não se utiliza a energia dos gases de escape, e sim que o mecanismo compressor é acionado pelo próprio motor, normalmente através de uma correia ligada à cambota.

A sua aplicação também remonta ao início do século XX, quando se utilizavam em modelos de competição como meio para conseguir altas potências. Como não dependem dos gases de escape, não oferecem atraso de resposta. Mas a altas rotações implicam uma grande perda de potência do motor, o que reduz a eficiência.

Tipos de compressores

Existem diferentes tipos de compressores, consoante a sua arquitetura.

• Compressor tipo Roots. Denomina-se também “de lóbulos”, pelos rotores em forma de oito que giram em sentido contrário no interior de uma carcaça, impulsionando o ar.
• Compressor Eaton. São também conhecidos como compressores “de parafuso”. São formados por dois elementos de forma helicoidal que giram engrenados, de modo que o ar que entra entre as duas peças em rotação encontra um volume que diminui, o que faz aumentar a pressão.

Outro tipo de compressor, que Volkswagen utilizou sem êxito na década de 90, é o compressor G, conhecido como compressor Scroll. São formados por uma espiral fixa e uma interna móvel, que comprimiam o ar ao mover-se. Deixaram de se aplicar pela complexidade da sua fabricação e pela sua baixa fiabilidade.

Vídeo compressor roots

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

Vídeo compressor Eaton

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

Qual é melhor, um turbo ou um compressor?

Se chegaste até aqui, já poderás ter a tua própria opinião sobre se é melhor um turbo ou um compressor. Porque não há uma única resposta para esta pergunta. Depende do tipo de motor e do que queiras conseguir. Aliás, como verás, há marcas que recorrem a ambos os sistemas em conjunto.

Resumindo, o compressor permite obter uma resposta praticamente instantânea ao acelerador desde um regime muito baixo. Mas são volumosos, e o seu acionamento retira potência ao motor.

O turbocompressor não “rouba” energia ao motor, utiliza a dos gases de escape, que de outra forma se perderia. Mas apresenta o problema do atraso de resposta quando não há gases de escape suficientes para mover a turbina, tanto mais quanto maior for o turbo. Isto obriga a recorrer a soluções como a utilização de mais de um turbocompressor (pequeno para baixas rotações, grande para alta potência a regimes de rotação elevados); Mercedes-Benz ou BMW chegaram a utilizar até três turbos em alguns dos seus motores.

Também há marcas que recorreram à dupla sobrealimentação para combinar as vantagens de ambos os sistemas. E não precisamente em modelos desportivos. Sem ir mais longe, muitos modelos do Grupo Volkswagen chegaram a utilizar um compressor e um turbo no popular 1.4 de quatro cilindros que equipava, entre outros, o Volkswagen Golf.

A nova era da eletrificação abriu as portas aos turbocompressores com assistência elétrica, como o EPC que de Audi, com um compressor elétrico que se encarrega de acelerar a turbina para reduzir o turbo lag a baixas rotações. Outra solução, também vista nos últimos modelos desportivos da Audi com motor TDI, é a combinação de um compressor elétrico com um turbo.

Um dos maiores especialistas em sobrealimentação, BorgWarner, já desenvolveu a sua tecnologia eBooster, que utiliza precisamente um compressor elétrico para assistir o turbo movido pelos gases de escape. Podes ver como funciona neste vídeo.

https://youtu.be/iEGisoOnewg