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MOTOR - Turbo vs Aspirado

Introdução
A busca por motores de maior potência, maior torque, e melhor eficiência sempre foi perseguida por todos os fabricantes de automóveis. Alguns procurando ou focando mais em uma coisa e outros em outra. Entretanto cada fabricante acaba seguindo por uma solução tecnológica e em alguns casos a fixação por uma dessas soluções não é a mais bem sucedida.

Incrementando a eficiência e a potência
A mais importante variável que determina a capacidade de geração de potência de um motor é a massa de mistura admitida por ele por unidade de tempo. Nos motores de aspiração natural, a quantidade máxima de mistura admitida pelo motor é fixa e definida pela sua eficiência volumétrica para cada ponto de operação (rpm). Além disto, as perdas de carga no coletor de admissão dificulta manter alta eficiência volumétrica para uma grande faixa de utilização. (Este problema hoje é minimizado através de comando de válvula e coletores variáveis)

Nos motores sobrealimentados pode-se alterar a quantidade de mistura admitida no motor muito acima de sua eficiência volumétrica máxima e manter esta situação sob diferentes condições de densidade atmosférica. A função de um turbocompressor ou de um compressor é aumentar a densidade da mistura admitida e por conseqüência a massa de mistura admitida pelo motor.

Os turbocompressores e/ou compressores aumentam a potência de um motor através de indução de pressão positiva no coletor de admissão. Desta forma, não só a massa de mistura admitida é maior, mas também é aumentada a taxa de compressão dinâmica do motor.

Abaixo está um gráfico empírico publicado pela Western Michigan University do ganho relativo de torque de um motor de ciclo Otto ou Diesel com adoção de sobrealimentação.



Além de maior potência comparado a um motor de mesmo tamanho e construção, os motores sobre-alimentados têm a vantagem de ter uma maior faixa de alta eficiência volumétrica.

Outra vantagem comparativa é que por conta a utilização de motores menores sobre-alimentados (menos atritos, peso etc) com a mesma potência de motores maiores aspirados traz ganhos de consumo de combustível em condições de utilização em baixa carga, além de obter vantagens dinâmicas devido ao menor peso específico por cavalo vapor gerado.

Abaixo, novamente um gráfico que generaliza a eficiência do uso de motores menores com superalimentação vis-a-vis motores maiores com a mesma potência desenvolvido pela Western Michigan University:



Não convêm entrar em detalhes técnicos do que vem a ser BSFC (Brake Specific Fuel Consumption) mas o que importa é que quanto menor, melhor. Reparem pelo gráfico mais à direita, que os motores sobre-alimentados são inferiores em eficiência somente sob alta carga sendo até 20% mais eficientes em cargas baixas e médias, onde mais de 90% do tempo o motor trabalha.

Além de eficiência os motores sobre-alimentados ainda têm a vantagem de estabilidade de performance sob diferentes condições ambientais. No gráfico abaixo pode-se observar a perda de potência de motores aspirados em função da altitude:



Com o uso de wastegates e controles de pressão os motores turbo minimizam este efeito:



O Marketing de resultados ou o resultado do marketing
É interessante notar como foi o desenvolvimento dos motores por cada fabricante de automóveis e como suas soluções afetam, não só seus produtos, mas a imagem de cada marca.

Outro fator que influencia o desenvolvimento dos motores pelos fabricantes é o marketing positivo ou negativo de soluções adotadas nos carros de corrida.

Por exemplo, a Ferrari sempre utilizou motores aspirados e se diferenciava na década de 70 da Porsche por ter motores afinados como instrumentos musicais (Hoje é assim), o comprimento dos coletores era desenvolvido artesanalmente para que eles fossem harmonicamente casados com os motores e produzissem assim o fluxo inercial necessário para se obter maior eficiência volumétrica. A Porsche por sua vez, apostava na tecnologia de ligas metálicas na construção de blocos e pistões mais resistentes em seus motores turbo.

O turbo foi introduzido em larga escala nos modelos de corrida na década de 70 pela Porsche. Logo ela passou a dominar praticamente todo o cenário de corridas em carros de turismo. No final da década de 70 o turbo foi introduzido na F1 e novamente desbancou seus concorrentes aspirados por uma larga margem. Com o turbo em alta, a solução adotada pela Ferrari no desenvolvimento de seu carro para o grupo B, a mítica (e linda) Ferrari 280 GTO. Depois a F40 também adotou os caracóis em seu motor. Quando o turbo foi banido a casa de Maranello passou a utilizar novamente motores aspirados em seus exóticos.

A Porsche continuou fiel à sua tecnologia e abandonou a F1, continuou correndo onde ainda era permitido o uso do turbo. Para tentar equilibrar as forças e manter as corridas disputadas, a FIA aumentou o coeficiente de multiplicação para motores turbo de 1,4 para 1,7 em 1988. A partir daí a BMW teve grande sucesso justamente nesta fase de transição tecnológica. Isso fez com que até hoje a BMW se recuse a fazer motores sobre-alimentados de qualquer tipo por uma espécie de religião, mas sem um porque fundado.

Uma passagem interessante sobre motores turbo e BMW é que ela foi campeã de F1 somente com motor turbo e o bloco era derivado de carros de passeio....

Hoje, praticamente em todas as competições onde a sobre-alimentação é permitida, ela domina sob as mesmas regras. Apenas onde o turbo é proibido ele, por conseqüência, não tem domínio.

Enquanto escrevo este texto, a Audi domina completamente a World Speed Challenge americana com os R8 na principal categoria (3 anos consecutivos) e o RS6 (V8 bi-turbo) na categoria de baixo; isso em seu ano de estréia e com o carro em pleno desenvolvimento. Nos anos anteriores os S4 dominaram o evento com motores de RS4 praticamente Stock.

Sem limite para ser feliz ?

Bom, então não há desvantagens, pq todo carro não é turbo então?

Nem tudo é perfeito, assim os motores turbo também têm seus problemas. Hoje são dois problemas que estão sendo tratados e tem mostrado um futuro promissor.

O primeiro deles é a não linearidade na entrega de potência . Esta não linearidade é atenuada pelo uso de turbos de baixa inércia, mas a resposta do motor ao acelerador não chega perto à dos motores aspirados (excetuando-se os casos onde dispositivos anti-lag são utilizados, que mantêm a turbina sempre girando forte) e a resposta antes que o turbo seja capaz de produzir pressão também é inferior.

O segundo problema são as leis e padrões de testes para poluição de veículos. Os motores turbo demoram cerca de três vezes mais tempo para aquecer o catalisador que os motores aspirados e isso os prejudica muito nas novas regras anti-poluição.

Para resolver o primeiro, turbinas e coletores de alta tecnologia de fluxo, válvulas de controle eletrônico e sistemas anti-lag (ainda muito barulhentos e somente utilizados em corridas – o chamado bang bang) têm atenuado o problema a níveis altamente competitivos.

No caso dos controles de poluição ainda não se chegou a resultados tão animadores nem mesmo utilizando pré-aquecedores elétricos nos catalisadores. Este é um problema que está na mesa dos engenheiros de carros turbo pelo mundo – aka Porsche, Audi, Volvo.

Aspectos técnicos da disputa
Os motores turbo utilizam enorme tecnologia, assim como seus pares aspirados. Não há porque desmerecer a utilização de motores turbo ou de motores aspirados por questões tecnológicas. As duas vertentes utilizam altíssima tecnologia e grande desenvolvimento para alcançar resultados como os vemos hoje.

A escolha entre motores aspirados ou turbo (lembrando que quase a totalidade os argumentos também é válida para todos os sobre-alimentados. Quando não for verdade eu aviso) é uma escolha sob o ponto de vista, principalmente, de marketing. No mercado nacional surgiu o Gol turbo, com motor 1.0 e 112cv de potência. Utiliza grande tecnologia em seu desenvolvimento, com comando de válvulas variável, turbina de baixa inércia, eletrônica pesada de monitoramento do motor, válvulas com alma de sódio, entre muitos. Resultado da brincadeira: um motor tão potente quanto um 2.0 aspirado, consumo de carro 1.6 mas com um comportamento muito agradável para uso urbano. Além disso, a fábrica já deixou uma margem de segurança razoável para incrementos enormes de potência mudando apenas parâmetros eletrônicos.

Justamente essa sobra nos motores turbo é uma das coisas que mais encantam os seus compradores. Com a mesma facilidade que um motor de 150cv aspirado chega a 240cv consegue-se retirar cerca de 330cv de um motor turbo originalmente com 150cv. (estes exemplos são reais através do motor GM 2.0 16v – preparação aspirada feita por qualquer equipe de Fórmula GM; e motor 1.8T VAG com a troca de turbina, coletores e intercooler)

Esta sobra é decorrente do fato de que as fábricas projetam um motor turbo para que ele tenha um comportamento cada vez mais linear, com torque praticamente constante em toda faixa de giros. Isto proporciona motores com pistões resistentes (que é o que mais importa num motor turbo) e bom sistema de troca de calor. Nos motores aspirados, ainda que conte com comando de válvulas e coletores variáveis, a exigência em termos termodinâmica e de forças recai sobre a biela.

Para alcançar esta linearidade nos motores turbo, os carros modernos controlam a pressão de sobre-alimentação de modo que ela seja maior em baixas rotações e menor em altos giros, de forma que a quantidade de mistura que é admitida por unidade de tempo seja linear com o aumento da rotação, assim como nos motores aspirados. Entretanto para isso os pistões devem suportar a pressão máxima para qual o motor foi projetado. No caso das bielas, o efeito dominante sobre elas é o efeito inercial, e portanto o limite de giros é que vai determinar sua resistência. Nos gráficos abaixo estão uma análise de apenas um cilindro de um motor turbo a 3000rpm com pressão máxima de 1bar (torque máximo), e a 6500rpm sob regime de potência máxima com 0.5bar. Nos gráficos constam os esforços nos pistões, nas bielas e nos pinos:



Reparem como em baixa rotação, com ais pressão o pistão sofre 1000 Kpa a mais de pressão, mas as bielas estão sob muito menos estresse. Daeste fato é que proporciona aos motores turbo de fábrica ótimas bases para aumento de potência. Vamos supor que a linearidade passe a ser menos importante do que o desempenho. Pode-se então, se o fluxo do compressor permitir, aumentar a pressão em giros mais altos até que a pressão no pistão seja a mesma que em baixos giros sem ultrapassar o estresse nas bielas. O gráfico a seguir mostra isso:



Esta nova configuração elevou a potência de 450cv à 6500rpm para 515cv à 6300rpm sem aumentar o estresse máximo em nenhum componente do motor.

A tecnologia dos motores turbo está em fazer com que estes níveis de pressão sejam suportados e que se consiga fazer a exaustão destes gases do motor. Neste mesmo exemplo, o fluxo de 210g/segundo o que exige grandes válvulas de exaustão aliados a escapamentos de alta energia.

Mais uma curiosidade é que na Audi/Porsche RS2, as válvulas de escape são maiores que as de admissão, e o coletor de escape é revestido em cerâmica por conta do alto fluxo e energia gerados na exaustão.

Nos motores aspirados a busca por potência se dá através do ganho na eficiência volumétrica (que tem limites bastante estreitos) e principalmente através da manutenção de boa eficiência volumétrica em altos regimes de giro. O exemplo a seguir mostra isso:



Este motor é um motor de AP de competição, 2.0 que gera quase 240cv à 9500rpm. Ele tem tb taxa de compressão de 13,5 pontos.

Reparem que o esforço na biela subiu 210% e no pistão 30%.

Pior, para que a biela suporte tamanho esforço, elas devem ser maiores, portanto mais pesadas e aumentam ainda mais o esforço. Daí surge outra tecnologia dos motores aspirados, a tecnologia de materiais mais leves para as bielas, o titânio utilizado nas Ferraris ou aço especial nos Honda S2000.

E isso tudo pelo simples fato de querer obter potência através de motores aspirados. Na Fórmula 1 não é permitido, os fabricantes são obrigados a desenvolver motores giradores. Na rua a Honda insiste nos giradores unicamente por Marketing.

Para acabar de vez com a discussão, vou colocar mais dois exemplos reais de preparação de motores. Os dois são motores V8 com cilindrada próxima de 4.2litros e que são estado da arte para seus fabricantes. Depois uma preparação real para cada motor mostrando o esforço extra que suas peças estão sofrendo e o ganho obtido.

São eles: O motor V8 Bi-turbo do Audi RS6 e o Motor V8 Aspirado do Maserati GT

A esquerda o Maserati e a direita o Audi:



Os valores de estresse internos são os que eles foram inicialmente projetados mais uma margem de segurança.

Agora os preparados:



Esta comparação é muito interessante. O giro onde ocorre a potência máxima na RS6 preparada pela ABT (campeã de Audi R8, TT, S4, e em breve RS6 pelo mundo) abaixou um pouco, liberando a biela.

A Maserati é preparada pela própria casa para as corridas do campeonato monomarca ou através de kits. Ele tem 413cv às mesma 7000rpm.

Nos dois casos a garantia é de dois anos. A Maserati garante a Maserati e a Audi/ABT garantem a ABT (na Inglaterra é vendido nas concessionárias assim como AVR [MTM] era vendido aqui).

Nos dois casos o aumento de pressão sobre os pistões foi da ordem de 23%. No caso da RS6 as bielas ainda foram aliviadas em 24%. O ganho de potência foi de 6% na Maserati e de 12% no Audi. O DOBRO de potência foi alcançado no Audi com um nível de estresse adicional igual ou menor.

Este é um exemplo prático de como os motores turbo têm superior desempenho no quesito aperfeiçoamento.

Conclusão
Uma vez solucionados os problemas de partida e aquecimento dos catalisadores para motores turbo, nenhuma vantagem será concedida aos aspirados. Os motores com compressor mecânico (os superchargers) de todos os tipos, compartilham quase todas as vantagens mencionadas para o turbo, mas consomem potência do próprio motor para girá-los em troca de maior linearidade. O aumento de pressão também fica mais complicado pois exige a troca de polias.

A Saab e a Volvo já a muito tempo apostam em tecnologias inovadoras para turbo, sendo que a primeira produz 100% dos seus veículos equipados com este acessório.

Vejamos como será o futuro.

Engenheiro Mark Jr.

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Vitão Simões

É diiiiiiiiiiiiisso que eu gosto, matérias técnicas e informativas . Está de parabéns Lóis.
Sempre coloquei mais fé nos motores turbo, disso vcs já sabem. Há os amantes de aspirados (Ratão) e os amantes de turbos (Lóis), cada um defende o peixe que tem e acredita....
No meu pretendo turbinar, mais cedo ou mais tarde (que é o mais provável).
Mas há 2 parâmetros, o de turbinar e o se melhorar o turbo. Melhorar o turbo, como citado, é fácil, vide o exemplo do Lóis que com um ElmaChips está tirando uns 240cv no 1.8T
Estou coçando para pegar um A3 150cv detonado por uns 24 mil e arrumar (sorte que me seguram para fazer isso)

Apimentando o tópico...
'Na rua a Honda insiste nos giradores unicamente por Marketing.'
Não tirando o mérito dos Hondas (que são otimos motores), RPM e CV são estratégias de marketing.
Eu aposto que os motores 140cv da GM passaram a vender muito mais por 'ganharem' 13cv estratégicos. No desempenho em si não mudou nada, ainda tem mais catalizadores para entupirem e um cabeçote sistemático para dar pau no futuro. No consumo não notei diferença também.
Digo isso pois sai de um Astra 127cv e fui para um Astra 140cv (mesmo sabendo que não tinha diferença em desempenho, sempre quis um carro preto).
Já tive Vectra 2.2, 2.0 16v, Astra belga 95 2.0 8v. Digo que é um motor torcudo, eficiente e resistente.
Mas para turbinar o 8v apenas pressão baixinha.
Bom, já digitei demais.