“Capa de turbina”: para que servem e como funcionam as mantas térmicas para turbo?

Leonardo Contesini 11 janeiro, 2018 0
“Capa de turbina”: para que servem e como funcionam as mantas térmicas para turbo?

Você já deve ter visto um motor turbo como esse da foto acima, com uma capa ajeitadinha sobre o turbo. Essa capa não é capricho do dono do carro, para dar um visual bacana ao motor. Ela é um componente funcional que ajuda o turbo a funcionar melhor e otimiza o desempenho do carro. Como?

Trata-se de uma manta térmica, feita de fibra de vidro, silicato de cálcio magnésio e uma trama de aço inoxidável, cujo objetivo é manter seu turbo quente sem esquentar tanto o motor do carro. Como isso funciona é algo que veremos neste post. Mas antes de seguirmos, você precisa saber…

Como funciona um turbcompressor?

“Turbo. Gases de escape entram na turbina, a fazem girar, acontece alguma bruxaria, e você vai mais rápido”. Essa é a definição lúdica de Jeremy Clarkson, que se tornou conhecida mundialmente por sua capacidade de síntese. Como essa parte da bruxaria não ficou muito clara, vamos explicá-la agora.

O turbocompressor é composto basicamente por duas partes popularmente chamadas de caixa quente e caixa fria. A caixa quente tem este nome porque é o lado que recebe os gases de escape do motor, que obviamente estão quentes. Seu nome técnico é “turbina”, e ele é composto por um rotor e pela voluta, que é a porta de entrada para os gases de escape. Eles entram por ali e giram o rotor, que está ligado por uma haste a outro rotor na caixa fria.

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Turbina não é sinônimo de turbo/turbocompressor – ela é só uma das metades do componente

A caixa fria é o lado que recebe o ar da atmosfera direcionado pelo coletor de admissão. Ela também tem um rotor e um Seu nome técnico é compressor porque ela usa  o movimento do rotor para comprimir o ar frio admitido pelo coletor de admissão.

A pressão de trabalho do compressor é quase sempre controlada pela wastegate (alívio), que fica no lado quente, e é aberta quando a pressão atinge um valor pré-definido. Assim os gases escapam e a velocidade do rotor diminui, reduzindo a pressurização.

A compressão do ar o torna mais denso, o que exige um maior volume de combustível. Com mais combustível e mais comburente, a energia liberada pela combustão é maior, aumentando a potência do motor.

 

E como uma manta na turbina pode me ajudar?

O uso de uma manta térmica tem dois objetivos principais: a conservação de calor na turbina e o isolamento térmico para manter os demais componentes em temperaturas adequadas ao seu funcionamento ideal. Em resumo, ela pretende manter quente o lado quente, e frio o lado frio. Por quê?

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Primeiro porque o calor reduz a densidade dos gases, aumentando seu volume pela expansão das moléculas. Isso significa que se os gases quentes tiverem sua temperatura mantida o mais próximo possível da temperatura de saída do motor, haverá um volume maior de gases, o que ajudará a girar o rotor da turbina mais rapidamente, minimizando o turbo lag.

O mesmo princípio tem a ver com a intenção de impedir o aquecimento do lado frio do turbo: o ar frio é mais denso, ou seja, as moléculas são agrupadas, e por isso mais numerosas em determinado volume. E para produzir mais potência você precisa que o ar pressurizado seja o mais denso possível.

Depois temos os efeitos colaterais: uma turbina quente demais pode até danificar os componentes adjacentes, como juntas e anéis de vedação, borrachas e mangueiras e outros componentes mais sensíveis a temperaturas muito maiores que as temperaturas normais de funcionamento de um motor. Além disso, o calor extremo gerado por uma turbina muito quente pode aquecer até mesmo o ar da admissão, ainda que sutilmente. E isso também prejudica a densidade que irá afetar o desempenho que você deseja.

Para demonstrar como a manta funciona na prática, Jason Fenske do canal Engineering Explained, instalou uma série de sensores em um motor turbo, gravou um vídeo com uma câmera de imagem térmica FLIR, e usou o carro nas ruas durante o inverno gelado dos EUA.

No teste sem a manta térmica, a turbina chegou a 500º C, transferindo seu calor para o capô, como é possível ver na imagem térmica. No teste com a manta, a temperatura no lado externo da manta ficou entre 160ºC e 200ºC.

Usando os sensores e comparando as temperaturas, Fenske observou uma redução de 12,7ºC na linha de lubrificação do turbocompressor e 14,9ºC na linha de arrefecimento do motor. No coletor de admissão a redução foi de 3,4ºC, e na saída do turbo para o intercooler a redução foi de 6ºC. Jason ainda mediu a temperatura no espaço para as pernas do passageiro (o que eles chamam de footwell em inglês) e observou uma redução de 6ºC para -1ºC — o carro não tem aquecedor e eles estão em pleno inverno nos EUA.

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Eles ainda mencionaram um estudo feito pela Universidade de Austin, no Texas, usando um motor turbodiesel de 6,7 litros em dinamômetro de bancada. Os resultados foram semelhantes, com algumas diferenças na redução de temperatura nos periféricos do motor, provavelmente devido ao fato de o motor estar em ambiente controlado, sem o fluxo de ar no cofre, como no teste prático dos YouTubers.

Os resultados do estudo da Universidade de Austin observaram um aumento de 150ºC na superfície do topo da turbina, sob a manta térmica, um aumento de impressionantes 225ºC na superfície lateral da turbina coberta pela manta, e um aumento de 113,7ºC no tubo de escape posterior ao turbo (downpipe).

Com isso a velocidade da turbina ficou entre 10.000 rpm e 12.000 rpm mais alta após 0,5 segundo de aceleração — em comparação à turbina sem manta —, o que resultou em um aumento de 0,3 bar na pressão de trabalho ao longo da faixa de rotações, e um aumento de 14 kgfm a mais de torque, equivalentes a quase 10%, dado que o motor tem mais de 100 kgfm de torque.

No coletor de admissão, no coletor de escape e nas linhas de lubrificação do turbo o aumento de temperatura foi desprezível, ficando abaixo de 1ºC. Lembre-se que este teste foi feito em dinamômetro de bancada, em laboratório com temperatura ambiente controlada, enquanto o outro teste foi feito em situação real de uso, com fluxo de ar no cofre do motor.

A conclusão é óbvia: as mantas de turbina colaboram para produzir mais torque, reduzir o turbo lag e, de quebra, manter seu carro mais fresco por dentro e com a pintura do capô intacta…