FlatOut!
Image default
Técnica

Como a geometria variável reduziu o turbo lag e os motores amarrados em alta?


Se você andou ou dirigiu um carro turbo dos anos 1990, certamente se lembrará da impressão que se tinha de quando o turbo enchia, o que normalmente acontecia acima de uma determinada faixa de rotações médias. Muita gente, aliás, dizia de forma simplificada que “o turbo entra” em 3.000 rpm, ou “o turbo liga” em 3.000 rpm.

Essa impressão de que o turbo estava adormecido e, de repente, foi despertado pelo sensor de rotação do motor, é resultado do tempo que o turbocompressor leva para atingir sua pressão máxima de trabalho, o que normalmente chamamos de spool e os americanos de “boost threshold” e que frequentemente é confundido com o turbo lag.

Para entender a diferença entre estes conceitos vamos relembrar como funciona um turbocompressor: os gases do escape passam por uma turbina (também chamada de “caixa quente”), que transmite seu movimento a um compressor (também chamado de “caixa fria”). Este compressor pressuriza o ar admitido, gerando pressão positiva no coletor de admissão, aumentando a massa de ar na câmara de combustão, o que aumenta a compressão efetiva e, consequentemente, o torque e a potência do motor.

Acontece que, quando você fecha a borboleta do motor pelo alívio do acelerador ao se aproxima de uma curva, por exemplo, esta pressão positiva diminui. Ao retomar a aceleração, a pressão positiva voltará a aumentar, porém isso não acontece imediatamente. Esse intervalo entre a retomada da aceleração e o aumento da pressão positiva é o que chamamos de “turbo lag”.

Você sabe mesmo o que é turbo lag?

Estes dois fatores eram muito comuns nos anos 1990 devido às dimensões do turbo, ou sua geometria. O que chamamos de “caixa quente” e  “caixa fria” em referência aos lados da carcaça do turbocompressor, são, na verdade, dutos por onde passa o fluxo de gases. No lado da turbina, o duto admite os gases de escape. No lado do compressor, o duto é onde o ar é comprimido e descarregado para o coletor de admissão. A relação entre as dimensões destes dutos é o que chamamos de geometria do turbo.

A geometria do turbo é um elemento fundamental porque é ela quem determina o tempo que o turbocompressor irá levar para produzir pressão positiva. Isso acontece porque a área é inversamente proporcional à velocidade do fluxo — quanto maior a área, menor a velocidade do fluxo, mais lentamente o rotor do turbo irá girar, mais lentamente o compressor irá girar, maior será o tempo necessário para atingir pressão positiva.

Por isso, a velocidade do fluxo na turbina é um fator crítico para a pressurização, então as dimensões da voluta (o duto de admissão da turbina) são reduzidas para que a velocidade do fluxo seja aumentada e a pressão positiva seja atingida mais rapidamente.

Acontece que à medida em que a velocidade do motor aumenta, o fluxo de gases também aumenta. E como se reduziu a voluta para que a turbina girasse mais rapidamente, em determinado ponto a voluta não terá mais espaço físico para admitir os gases de escape, limitando a velocidade da turbina e, consequentemente, a produção de potência em altas rotações. Isso acontece devido à restrição gerada pela limitação do espaço. Com maior velocidade devido à menor área, o fluxo dos gases tende a entrar nas pás do rotor de forma mais tangencial, e esse ângulo se traduz numa maior restrição ao fluxo em altas rotações. Essa restrição gera contrapressão no escape e dificulta a “respiração” do motor.

Como estamos falando de esportivos dos anos 1990, o objetivo era aumentar a potência do motor, dando fôlego em rotações mais elevadas. Para isso, era necessário aumentar as dimensões da voluta da turbina, permitindo que ela comportasse o fluxo dos gases de escape em altas rotações. Só que, ao aumentar a área, nas rotações baixas, quando o volume dos gases é menor, a velocidade do fluxo diminui, comprometendo o desempenho em baixas rotações. Somente ao atingir uma faixa intermediária de rotações, quando o fluxo dos gases de escape era maior, é que a turbina acelerava e o compressor passava a produzir pressão positiva. Daí a impressão de se “ligar o turbo” a 3.500 rpm.

Quando chegamos aos motores downsized do início dos anos 2010, essa questão voltou a aparecer, mas ao contrário. Os motores turbo passaram a produzir potência máxima logo em rotações baixas, mas com o comprometimento do desempenho em altas rotações. Para resolver este problema, os fabricantes criaram os…

Turbos de Geometria Variável

Em um turbo de geometria fixa existe uma abertura em forma de bocal que se estende por quase todo o raio da voluta. Este bocal transforma a energia pneumática dos gases de escape em cinética e é isso que move o rotor. Em um turbo de geometria varíavel, em vez dos bocais há lâminas móveis que se movem para variar o diâmetro da abertura, o que resulta na variação geometria do bocal. Daí o nome “turbo de geometria variável”.

Nas rotações mais baixas as lâminas se fecham formando aberturas de menor diâmetro. Veja na imagem abaixo como o ângulo formado pelos bocais faz o fluxo adentrar de modo tangencial, consequentemente encontrar as lâminas do rotor num ângulo mais próximo do perpendicular. Isso gera uma grande quantidade de força aplicada. Nas rotações mais altas as lâminas se abrem, aumentando o diâmetro dos bocais e tornando a entrada do fluxo mais paralela ao rotor, aumentando a capacidade volumétrica e a vazão da turbina.

Foto XXI

É possível posicionar as lâminas em qualquer ângulo entre o ângulo máximo e o mínimo por meio de um atuador, o que possibilita otimizá-las para toda e qualquer faixa de rotações do motor. Além disso, essa possibilidade de se variar a geometria dispensa o uso de válvula wastegate — a válvula que controla a velocidade da turbina e pressão no compressor.

 

Um novo problema e uma solução alternativa

O problema é que esse tipo de turbo têm um custo elevado para aplicação em veículos de menor valor agregado. Você não encontra geometria variável em um Volkswagen Nivus 1.0 TSI por causa deste “pequeno problema”, apenas na versão europeia do Nivus, o Taigo, que tem motor 1.5 turbo.

Como alternativa, os fabricantes passaram a usar turbocompressores com wastegates controladas eletronicamente. Essa é a grande diferença entre o desempenho dos motores turbo de hoje em dia e dos turbos dos anos 1990 e 1989. A ECU do motor controla o ajuste de abertura da válvula, então o fluxo e a pressão de trabalho do turbo são ajustados de acordo com a demanda, e não apenas pela pressão de descarga do compressor, como acontece nos turbos convencionais.

Esses turbos normalmente são pequenos, se considerarmos sua geometria em relação ao deslocamento dos motores nos quais eles são instalados — algo que atende à demanda por respostas rápidas em rotações mais baixas, além da produção de uma pressão significativa desde o início da operação.

Como os turbos pequenos são restritivos para as rotações mais altas, a válvula controla o fluxo de forma ativa e contínua, permitindo que se atinja uma potência máxima ao longo de boa parte da faixa de rotações.

 

ESTE Gol GTS 1.8
PODE SER SEU!

Clique aqui e veja como