Glauco Diniz Duarte Empresa – Turbocompressor componentes

Segundo o Dr. Glauco Diniz Duarte, o turbocompressor, patenteado pelo suíço Alfred Büchi no início do século XX ^[7], é necessário atualmente como nenhum outro componente para atender a atual tendência de redução de tamanho dos motores a combustão interna. O desenvolvimento de motores menores, mas de forma alguma menos potentes, vem sendo buscado para se atender aos objetivos de controle climático da União Europeia e do governo federal alemão. Até o ano de 2030, as emissões de gás carbônico na União Europeia deverão ser 40% menores do que o valor correspondente ao ano de 1990^[2].

O número continuamente crescente de automóveis vendidos atua contra essa missão. Por esse motivo, as normas europeias sobre emissões estão impondo valores-limite cada vez menores para as emissões automotivas prejudiciais. O emprego de turbocompressores acionados pelos gases de exaustão, associado com o uso de motores menores, permite atender a essas especificações.

Os especialistas calculam que haverá um aumento nas vendas de motores com dois, três ou quatro cilindros, as quais alcançarão mais de 80 milhões de unidades até o ano de 2016, enquanto que as vendas de motores com seis e oito cilindros ficarão estagnadas nos níveis atuais. A agência de proteção ambiental americana (Environmental Protection Agency, EPA) chegou à conclusão que mais de 90% dos automóveis novos com motores a gasolina licenciados em 2025 estarão equipados com turbocompressores ^[1].

Os resultados de um levantamento podem confirmar esses desenvolvimentos. A empresa Grob, de Mindelheim, Alemanha, estimou que, com a duplicação do número de turbocompressores fabricados até 2020, pode-se esperar que o maior aumento de produção ocorra na área dos motores de ciclo Otto. Também a Daimler, de Stuttgart, Alemanha, espera aumento de produção na área dos turbocompressores e avalia que todos os motores a combustão interna a serem produzidos no futuro serão equipados esse componente. A figura 2 apresenta prognósticos sobre a evolução futura da produção de veículos automotivos e de turbocompressores.

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Requisitos cada vez mais exigentes  

O presente trabalho compila as reflexões de especialistas em cinco indústrias que foram consultados sobre esse assunto. O lado dos usuários foi representado aqui pelas empresas Daimler e BorgWarner, enquanto que as firmas Walter e Grob representaram o lado das ferramentas e máquinas-ferramenta. Renomados fornecedores para a área de medição, como a Mahr, de Göttingen, Alemanha, também foram consultados.

Na área de motores a diesel o emprego de turbocompressores já é padrão há algumas décadas. Até o momento a utilização de conjuntos de motores a diesel com turbocompressores é limitada sobretudo no mercado europeu; já os mercados americano e asiático apresentam forte interesse por motores que usam turbocompressores. Enquanto que, no momento, o aumento na fabricação de turbocompressores para motores diesel permanece quase constante, na área dos motores com ciclo Otto, espera-se um aumento muito forte. Contudo, as maiores temperaturas dos gases de exaustão gerados pelos motores com ciclo Otto em comparação com as verificadas nos motores diesel impõem desafios aos fabricantes de turbocompressores. Para se garantir um longo período de operação sob as faixas de temperatura reinantes, é necessário utilizar aços fundidos resistentes ao calor que, em compensação, apresentam más características de usinagem que dificultam a manufatura econômica das carcaças usadas nos turbocompressores.

Redução do tamanho X solicitações termomecânicas

Gases de exaustão sob temperaturas superiores a 1.050oC e velocidades de rotação de até 330.000 rpm requerem manufatura sob precisão máxima e o uso de materiais resistentes ao calor. Os requisitos relativos à usinagem de componentes para turbocompressores podem ser subdivididos em três áreas: carcaça da turbina feita com aço fundido resistente ao calor; carcaça e rotor do compressor feito com liga de alumínio de alta resistência; e rotor da turbina e válvula de desvio feitos com ligas à base de níquel com alta resistência ao calor.

A implantação do conceito de redução de tamanho ao projeto dos motores promoveu uma elevação no espectro de solicitações termomecânicas que atuarão sobre os materiais construtivos utilizados. Particularmente na área da carcaça da turbina – o lado “quente” do turbocompressor – é necessário que o material supor te solicitações térmicas muito elevadas. De fato, os gases de exaustão nos motores com ciclo Otto atuais atingem temperatura da ordem de 1.050oC, valor que no futuro poderá subir para 1.100oC.

Conforme a opinião de especialistas, observa-se uma clara tendência ao uso de aços fundidos resistentes ao calor com teor reduzido de níquel, que é justificada pelas consideráveis oscilações observadas na evolução do preço desse elemento de liga.

O Instituto para Gestão da Produção, Tecnologia e Máquinas-Ferramenta da Universidade Técnica de Darmstadt (PTW) está pesquisando soluções produtivas de usinagem dentro do círculo de trabalho industrial denominado Usinagem de Conjuntos Propulsores, da área dos aços fundidos resistentes ao calor, entre outras. Além disso, o círculo de trabalho industrial denominado Titânio vem investigando temas ligados à usinagem de ligas de titânio e de níquel.

Há muitas razões que explicam a má usinabilidade dos aços fundidos resistentes ao calor. Por um lado, isso decorre da baixa condutibilidade térmica pontual do material tendo-se em vista os altos picos de temperatura na zona de usinagem. Além disso, os diferentes componentes da liga, constituída de fase tenaz de níquel e carbonetos muito duros de cromo e nióbio, impõem altos requisitos ao material de corte utilizado, do ponto de vista da resistência ao desgaste adesivo e abrasivo.

Além disso, pode haver vazios e inclusões de areia e escória decorrentes do processo anterior de fundição. A carcaça do turbocompressor passa por processo de jateamento de areia ou granalha após a fundição, o que gera uma camada periférica endurecida com aproximadamente 1 mm de profundidade. Dessa forma, a dureza na região periférica de um aço fundido do tipo 1.4849 pode variar entre 200 HV e 400 HV[3].

Ferramentas especiais dominam este segmento

A geometria complexa das carcaças dos turbocompressores requer múltiplas operações de usinagem usando diferentes ferramentas. A enquete com especialistas revelou que, em média, cerca de trinta diferentes ferramentas são usadas para a fabricação de carcaças para turbocompressores, das quais mais de 80% são ferramentas especialmente desenvolvidas.

Isso possibilita a combinação de múltiplas etapas de usinagem, tais como processos de furação em múltiplas etapas ou usinagem simultânea externa e interna com ferramentas para torneamento em formato de sino. Conforme os dados fornecidos pelos usuários, o maior preço das ferramentas especiais é mais do que compensado pelo aumento que elas promovem na produtividade. Além disso, as ferramentas variam entre si em termos do revestimento usado para aumentar sua eficiência econômica.

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