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Turboalimentador
Antes de entrarmos nas discussões relativas ao sistema do motor turboalimentado, devemos parar e analisar as características básicas do motor de combustão interna e do turbocompressor.
O motor de combustão interna é classificado como uma máquina consumidora de ar. Isto significa que a potência obtida de um dado motor é determinada pela quantidade de ar que ele aspira em um certo período de tempo, e pela quantidade de combustível utilizada. Isto porque o combustível que é queimado requer ar com o qual se mistura para completar o ciclo de combustão. Uma vez que a relação ar / combustível atinge um certo ponto, a adição de mais combustível não produzirá mais potência, somente fumaça preta. No caso dos motores a diesel e funcionamento irregular nos casos dos motores de ciclo OTTO.
Turboalimentadores são instalados em motores para aumentar a densidade do ar dentro da câmara de combustão do motor. Devido a este aumento de volume e massa de ar comprimido, mais combustível pode ser injetado para produzir maior potência num determinado motor. A versão turboalimentada de um motor manterá um nível de potência maior que sua versão não turboalimentada também, quando operado em altitudes acima do nível do mar.
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O que é um turboalimentador?
Um turboalimentador é basicamente uma bomba de ar projetada para operar utilizando a energia dos gases de escape originalmente desperdiçadas pelos motores não turboalimentados. Estes gases fazem girar o rotor da turbina (quente) acoplado através de um eixo ao rotor compressor (frio), que ao girar aspira um grande volume de ar filtrado e o fornece comprimido ao motor.
O turboalimentador, apesar da precisão com que é construído, é um equipamento muito simples e durável, entretanto exige manutenção e cuidados como qualquer outro componente do motor.
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Como funciona o turboalimentador?
A energia térmica, de velocidade e pressão dos gases de escape do motor são utilizados para girar o rotor da turbina. A velocidade de rotação do conjunto rotativo e do rotor compressor é determinada pela forma e o tamanho do rotor e carcaça da turbina. A carcaça atua como um caracol direcionando o fluxo de gás para as palhetas do rotor da turbina, fazendo-o girar.
Uma vez que o rotor do compressor está acoplado ao eixo e rotor da turbina, estes giram com a mesma rotação. O ar filtrado é aspirado pelo rotor e carcaça do compressor, onde é comprimido e distribuído através do coletor de admissão para a câmara de combustão.
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O que faz um turboalimentador?
Há um grande número de benefícios advindos da turboalimentação. A combustão é mais completa e mais limpa. A pressão positiva do ar na admissão (acima da pressão atmosférica) beneficia o motor de diversos modos. Durante o cruzamento das válvulas do motor, quando as válvulas de escape e admissão estão simultaneamente abertas, ar limpo passa através da câmara de combustão "lavando" os cilindros e eliminando uma maior quantidade de queimado remanescente, resfriando os cilindros, pistões, válvulas e gases de exaustão. A queima completa do combustível mais o resfriamento do motor ajudam a estender a vida do motor.
Muitos turboalimentadores são utilizados para o que é chamado normalização ou compensação de altitude do motor naturalmente aspirado. Devido a isto, dizemos que o turboalimentador foi adequado apenas para melhorar a combustão com um pequeno aumento de potência, sem aumento ou débito de combustível. Com a maior quantidade de ar disponível para a combustão o motor manterá valores de potência e torque para altitude que, sem o turbo não conseguiria.
Dependendo do motor, é possível aumentar com segurança sua potência do motor em até 40 a 50%, com pouca ou nenhuma mudança em seus componentes, sendo necessária uma correta seleção e/ou adequação do turboalimentador. É importante a escolha correta do turboalimentador e regulagens do motor para não se exceder os limites de projeto do motor. Falha na escolha pode levar a superaquecimento do motor, pressões e temperaturas excessivas na câmara de combustão que afetam a vida do motor causando falhas em componentes, inclusive o próprio turbo tais como: pistões, camisas, válvulas, mancais, bronzinas, etc.
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O que é requerido para manutenção de turboalimentadores ?
Para manter a vida e o desempenho do turboalimentador, deve-se observar principalmente, como boa prática de manutenção, o sistema de filtragem de ÓLEO e AR. Anos de experiência tem mostrado que a maior porcentagem de falha em turboalimentadores são causados por falta de óleo, insuficiência ou restrição do fluxo de óleo e impurezas de óleo. A segunda maior incidência é causada por entrada de objetos estranhos nos rotores do compressor e/ou turbina.
1. A entrada de poeira (partículas sólidas) na carcaça do compressor por uma falha do sistema de filtragem pode danificar seriamente, por erosão, as palhetas do rotor do compressor e resultarão na deterioração de turboalimentador e desempenho do motor. Os danos nas palhetas quando desuniformes levam ao movimento irregular do eixo (desbalanceamento) que danificará o mancais e conseqüentemente o turbo. Ingestão de areia ou poeira causam também danos excessivos nas demais partes do motor, como: pistões, anéis, camisas, etc.
Entrada de grandes objetos como arruelas, parafusos, porcas, pedras, ferramentas, etc., irão destruir completamente o turbo e muitas vezes causarão severos danos ao motor.
2. Obstrução ou restrição no sistema de filtragem de ar, resultante de manutenção deficiente, levará a uma redução de pressão e volume de ar na entrada do compressor do turbo, levando a perda de performance. Restringindo-se a entrada de ar, será reduzido também o fluxo de ar para o motor, que levará o motor a trabalhar com temperaturas excessivas e com fumaça preta. A obstrução do filtro resulta em queda na pressão entre o filtro e a entrada do compressor, principalmente em regime de marcha lenta, e portanto, há vazamento de óleo no compressor sem falha dos componentes responsáveis pela vedação.
Troca adequada de filtro de ar pode prevenir e corrigir os problemas acima.
3. Atualmente, os turboalimentadores atingem até 240.000 rpm's (rotações por minuto), temperaturas de mais de 950ºC e utilizam sistemas de mancais flutuantes. Para preservação do sistema de mancais, é necessário óleo filtrado para a lubrificação e refrigeração do turbo.
4. Impurezas ou materiais estranhos, quando penetram no sistema de mancais, criam desgaste nos colos da carcaça central, mancais e eixo. Contaminante na superfície dos mancais, atua como abrasivo danificando as peças. Quando o desgaste nos colos do eixo e carcaça e nos mancais torna-se excessivo os rotores (ambos) começam a raspar nas carcaças e a rotação do turbo diminui, como conseqüência a performance do turbo e do motor diminuem e indicações como perda de potência, fumaça excessiva, ruído e vazamento de óleo de óleo para uma ou ambas carcaças terminais serão notados.
5. O turbo nunca deve operar com o motor a plena carga com pressão de óleo menor que 30 PSI. O turbo é mais sensível a insuficiência de óleo que o motor devido a alta velocidade de rotação do eixo.
Falta de pressão e fluxo de óleo durante o início de funcionamento do motor tem efeitos danosos nos mancais do turbo. Se o funcionamento for normal na partida do motor, é lógico, não haverá problemas. Porém existem condições anormais. Isto ocorre por exemplo quando se funciona o motor após a troca de óleo e filtro, ou seja, quando o sistema de lubrificação está vazio. Condições similares podem acontecer quando o motor ficou parado por um longo período de tempo, neste caso o óleo do sistema de lubrificação tende a escoar para o cárter. Antes de dar a partida o motor deve ser estrangulado até observar-se estabilização na pressão do óleo. O mesmo procedimento deve ser seguido quando se dá a partida em condições de frio extremo, pois o lubrificante pode necessitar de longo tempo para fluir.
Os mancais do turbo podem ser danificados se o atraso no fluxo de óleo exceder 4 segundos e muito mais rapidamente se o motor for acelerado muito acima da rotação de marcha lenta.
É fundamental seguir as instruções de manutenção do fabricante do motor do veículo, no que se refere a periodicidade de troca de filtro de óleo e especificações dos mesmos.
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Análise de falhas de turbos e ações corretivas
O importante em análise de falhas é determinar a causa exata do problema antes de remover e substituir a unidade.
A falha inicial e seguida de reocorrências podem ser do tipo que resulta em danos caros do motor. Danos imensuráveis também podem ocorrer na imagem do produto, no revendedor e no homem de serviço.
Freqüentemente substitui-se a unidade sem remover o problema resultando em reocorrência da falha, perda de tempo e dinheiro.
É importante lembrar que a maioria das falhas em turboalimentadores são causadas por deficiência nos procedimentos de operação, falha de manutenção, manutenção inadequada, prática de reparos incorretos e falta de manutenção preventiva.
É importante também ter em mente que a prevenção de falhas repetidas será sempre mais importante para o cliente do que uma troca constante de peças, o que é, inclusive muito mais caro.
Apesar do grande desenvolvimento e melhoria na durabilidade e performance dos turboalimentadores nos últimos anos, situações de operação e ambiente ainda existem e podem resultar na falha do turboalimentador.
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Principais causas de falha de turboalimentador
Existem várias e diferentes causas de falhas do turbo. Elas podem ser agrupadas em 6 categorias principais:
A – Falta de lubrificação e/ou insuficiência de óleo
B – Contaminação no sistema de lubrificação
C – Oxidação ou deterioração do óleo
D – Objeto estranho no sistema de exaustão ou na entrada de ar
E – Material e construção
F – Aplicação inadequada.
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Turbo GT12
O GT12 foi projetado para suprir os requisitos para os turboalimentadores usados em carros de passeio, são eles:
• tamanho e peso reduzidos (o Conjunto Rotativo tem somente 9 peças, ao invés de 16);
• menor inércia do conjunto rotativo (melhor dirigibilidade);
• possibilidade de operação com altas pressões e temperaturas.
A família Garrett® GT12 foi desenvolvida para utilização em motores diesel ou gasolina, com cilindrada variando de aproximadamente 0,6 à 1,6 litros. Dentro dos diferenciais deste modelo, está o Conjunto Rotativo que tem como característica principal o mancal de Encosto e o Mancal Radial (os Mancais Radiais) em uma única peça, o que diminui o número de componentes do turbo e aumenta a durabilidade do conjunto. O Mancal Radial é montado na Carcaça Central através do Pino Localizador. Estudos mostraram que esta solução é a mais adequada em termos de estabilidade do eixo, manufatura e transmissão de ruído para turbos utilizados em veículos de passageiro.
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Turbocompressores com Turbina de Geometria Variável
Um turbo de geometria variável trabalha variando a área de passagem dos gases de escape dentro da carcaça de turbina, graças às palhetas existentes que mudam de posição de acordo com a necessidade do motor.
A pressão fornecida pelo compressor se dá através das oscilações da velocidade dos gases de escape dentro da carcaça de turbina, ou seja, nas baixas rotações do motor ele funciona com uma carcaça de turbina bem "pequena", melhorando o torque do motor nestas condições, e em altas rotações, quando o motor estabiliza seu trabalho, as palhetas se abrem e o turbo funciona como se fosse equipado com uma carcaça de turbina "grande".
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Princípio Básico de Funcionamento
O Atuador controla a movimentação de todas as palhetas através do movimento do anel sincronizador.
Palhetas "Fechadas":
- pressão aumenta
- rotação aumenta
Palhetas "Abertas":
- pressão diminui
- rotação diminui
Esta conexão controla o pistão hidráulico que fecha a válvula de contra pressão de escape.
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