Turbina com geometria variável: princípio de operação, dispositivo, reparo

Com o desenvolvimento de turbinas para motores de combustão interna, os fabricantes estão tentando melhorar sua consistência com motores e eficiência. A solução serial tecnicamente mais avançada é uma mudança na geometria da entrada. Além disso, o projeto de turbinas de geometria variável, o princípio de operação e os recursos de manutenção são considerados.

Características gerais

As turbinas em questão diferem das usuais na capacidade de se adaptar ao modo de operação do motor alterando a relação A / R, que determina o rendimento. Esta é uma característica geométrica das carcaças, representada pela razão entre a área da seção transversal do canal e a distância entre o centro de gravidade desta seção e o eixo central da turbina.

A relevância dos turbocompressores com geometria variável se deve ao fato de que, para altas e baixas velocidades, os valores ideais desse parâmetro diferem significativamente. Assim, com um pequeno valor de A/R, o fluxo tem uma alta velocidade, como resultado da turbina gira rapidamente, mas o rendimento máximo é baixo. Grandes valores deste parâmetro, pelo contrário, determinam um grande rendimento e uma baixa velocidade dos gases de escape.

Portanto, se o A/R estiver muito alto, a turbina não será capaz de criar pressão em baixas velocidades, e se estiver muito baixo, sufocará o motor na parte superior (devido à contrapressão no coletor de escape, desempenho cairá). Portanto, em turbocompressores de geometria fixa, é selecionado um valor médio de A/R que permite operar em toda a faixa de velocidade, enquanto o princípio de operação das turbinas com geometria variável se baseia na manutenção de seu valor ideal. Portanto, essas opções com um baixo limite de aumento e atraso mínimo são altamente eficazes em altas velocidades.

Além do nome principal (turbinas de geometria variável (VGT, VTG)), essas variantes são conhecidas como modelos de bocal variável (VNT), impulsor variável (VVT), bocal de turbina de área variável (VATN).

A turbina de geometria variável foi desenvolvida por Garrett. Além dele, outros fabricantes estão envolvidos no lançamento de tais peças, incluindo MHI e BorgWarner. O principal fabricante de variantes de anéis deslizantes é a Cummins Turbo Technologies.

Apesar do uso de turbinas de geometria variável principalmente em motores a diesel, elas são muito comuns e estão ganhando popularidade. Supõe-se que em 2020 tais modelos irão ocupar mais de 63% do mercado global de turbinas. A expansão do uso desta tecnologia e seu desenvolvimento se deve principalmente ao endurecimento das normas ambientais.

Projeto

O dispositivo da turbina com geometria variável difere dos modelos convencionais pela presença de um mecanismo adicional na parte de entrada da carcaça da turbina. Existem várias opções para o seu design.

O tipo mais comum é o anel de remo deslizante. Este dispositivo é representado por um anel com várias pás rigidamente fixas localizadas ao redor do rotor e se movendo em relação à placa fixa. O mecanismo deslizante serve para estreitar/ampliar a passagem para o fluxo de gases.

Como o anel da pá desliza na direção axial, esse mecanismo é muito compacto e o número mínimo de pontos fracos garante resistência. Esta opção é adequada para motores grandes, por isso é usada principalmente em caminhões e ônibus. Caracteriza-se pela simplicidade, alto desempenho nos “fundos”, confiabilidade.

A segunda opção também pressupõe a presença de um anel laminado. Porém, neste caso, ela é fixada rigidamente em uma placa plana, e as lâminas são montadas em pinos que garantem sua rotação no sentido axial, do outro lado da mesma. Assim, a geometria da turbina é alterada por meio das pás. Esta opção é a mais eficiente.

No entanto, devido ao grande número de peças móveis, este projeto é menos confiável, especialmente em condições de alta temperatura. Os problemas observados são devidos ao atrito das peças metálicas, que se expandem quando aquecidas.

Outra opção é uma parede móvel. É semelhante em muitos aspectos à tecnologia de anéis deslizantes, no entanto, neste caso, as lâminas fixas são montadas em uma placa estática em vez de um anel deslizante.

Um turbocompressor de área variável (VAT) envolve lâminas que giram em torno de um ponto de montagem. Ao contrário do esquema com lâminas rotativas, elas são instaladas não ao longo da circunferência do anel, mas em uma fileira. Como esta opção requer um sistema mecânico complexo e caro, foram desenvolvidas versões simplificadas.

Um deles é o turbocompressor de fluxo variável Aisin Seiki (VFT). A carcaça da turbina é dividida em dois canais por uma lâmina fixa e é equipada com um amortecedor que distribui o fluxo entre eles. Mais algumas lâminas fixas são instaladas ao redor do rotor. Eles fornecem retenção e mesclagem de fluxo.

A segunda opção, chamada de esquema Switchblade, está mais próxima do VAT, mas em vez de uma fileira de lâminas, é usada uma única lâmina, também girando em torno do ponto de instalação. Existem dois tipos de tal construção. Uma delas envolve a instalação da lâmina na parte central do corpo. No segundo caso, fica no meio do canal e o divide em dois compartimentos, como uma lâmina VFT.

Para controlar a turbina com geometria variável, são utilizados acionamentos: elétrico, hidráulico, pneumático. O turbocompressor é controlado pela unidade de controle do motor (ECU, ECU).

Deve-se notar que tais turbinas não necessitam de válvula de derivação, pois devido ao controle preciso é possível desacelerar o fluxo dos gases de escape de forma não descompressiva e passar o excesso pela turbina.

Princípio de funcionamento

As turbinas de geometria variável funcionam mantendo o A/R ideal e o ângulo de turbilhão variando a área da seção transversal da entrada. Baseia-se no fato de que a velocidade do fluxo dos gases de escape é inversamente relacionada à largura do canal. Portanto, nos “fundos” para promoção rápida, a seção transversal da parte de entrada diminui. Com um aumento na velocidade para aumentar o fluxo, ele se expande gradualmente.

Mecanismo de Modificação de Geometria

O mecanismo para implementar este processo é determinado pelo design. Nos modelos com lâminas rotativas, isso é feito alterando sua posição: para garantir uma seção estreita, as lâminas são perpendiculares às linhas radiais e, para alargar o canal, elas se movem em uma posição escalonada.

Nas turbinas com anel deslizante e parede móvel, ocorre o movimento axial do anel, o que também altera a seção transversal do canal.

O princípio de operação do VFT é baseado na separação de fluxo. Sua aceleração em baixas velocidades é realizada fechando o compartimento externo do canal com um amortecedor, fazendo com que os gases cheguem ao rotor da maneira mais curta possível. À medida que a carga aumenta, o amortecedor sobe para permitir o fluxo através de ambos os compartimentos para expandir a capacidade.

Para os modelos VAT e Switchblade, a mudança na geometria é feita girando a lâmina: em baixas velocidades ela sobe, estreitando a passagem para acelerar o fluxo, e em altas velocidades fica adjacente à roda da turbina, ampliando o rendimento. As turbinas switchblade do segundo tipo são caracterizadas pela ordem inversa da lâmina.

Assim, nos “fundos” é adjacente ao rotor, pelo que o fluxo segue apenas ao longo da parede externa da carcaça. À medida que a velocidade aumenta, a lâmina sobe, abrindo uma passagem ao redor do impulsor para aumentar o rendimento.

Unidade de acionamento

Dentre os acionamentos, os mais comuns são as opções pneumáticas, onde o mecanismo é controlado por um pistão que movimenta o ar dentro do cilindro.

A posição das palhetas é controlada por um atuador de diafragma conectado por uma haste ao anel de controle das palhetas, de modo que a garganta pode mudar constantemente. O atuador aciona a haste dependendo do nível de vácuo, contrariando a mola. A modulação a vácuo controla uma válvula elétrica que fornece uma corrente linear dependendo dos parâmetros de vácuo. O vácuo pode ser gerado pela bomba de vácuo do servofreio. A corrente é fornecida pela bateria e modula a ECU.

A principal desvantagem de tais acionamentos é devido ao estado dificilmente previsível do gás após a compressão, especialmente quando aquecido. Portanto, os acionamentos hidráulicos e elétricos são mais perfeitos.

Os atuadores hidráulicos funcionam com o mesmo princípio dos atuadores pneumáticos, mas em vez de ar no cilindro, é usado um líquido, que pode ser representado pelo óleo do motor. Além disso, não comprime, o que faz com que esse sistema forneça um melhor controle.

A válvula solenoide usa a pressão do óleo e um sinal da ECU para mover o anel. O pistão hidráulico move a cremalheira e o pinhão, que gira a engrenagem dentada, como resultado do qual as lâminas são conectadas de forma articulada. Para transferir a posição da lâmina da ECU, um sensor de posição analógico se move ao longo do came de seu acionamento. Quando a pressão do óleo está baixa, as palhetas abrem e fecham à medida que a pressão do óleo aumenta.

O atuador elétrico é o mais preciso, pois a tensão pode fornecer um controle muito fino. No entanto, requer refrigeração adicional, que é fornecida por tubos de refrigeração (nas versões pneumática e hidráulica, o líquido é usado para remover o calor).

Um mecanismo seletor é usado para acionar o dispositivo de mudança de geometria.

Alguns modelos de turbinas utilizam acionamento elétrico rotativo com motor de passo direto. Neste caso, a posição das pás é controlada por uma válvula de realimentação eletrônica através do mecanismo de cremalheira e pinhão. Para feedback da ECU, é usado um came com um sensor magnetoresistivo conectado à engrenagem.

Se for necessário girar as lâminas, a ECU fornece uma alimentação de corrente em uma determinada faixa para movê-las para uma posição predeterminada, após o que, ao receber um sinal do sensor, desenergiza a válvula de feedback.

A unidade de controle do motor

Do exposto, segue-se que o princípio de funcionamento das turbinas com geometria variável se baseia na coordenação ótima de um mecanismo adicional de acordo com o modo de operação do motor. Portanto, seu posicionamento preciso e monitoramento constante são necessários. Portanto, as turbinas de geometria variável são controladas por unidades de controle do motor.

Eles usam estratégias para maximizar a produtividade ou melhorar o desempenho ambiental. Existem vários princípios para o funcionamento do BUD.

O mais comum deles envolve o uso de informações de referência baseadas em dados empíricos e modelos de motores. Nesse caso, o controlador feedforward seleciona valores de uma tabela e usa o feedback para reduzir erros. Esta é uma tecnologia versátil que permite aplicar várias estratégias de controle.

Sua principal desvantagem são as limitações durante os transientes (aceleração acentuada, mudanças de marcha). Para eliminá-lo, foram utilizados controladores multiparâmetros, PD e PID. Estes últimos são considerados os mais promissores, mas não são suficientemente precisos em toda a faixa de cargas. Isso foi resolvido aplicando algoritmos de decisão de lógica fuzzy usando MAS.

Existem duas tecnologias para fornecer informações básicas: o modelo de mecanismo médio e as redes neurais artificiais. Este último inclui duas estratégias. Um deles envolve manter o impulso em um determinado nível, o outro é manter uma diferença de pressão negativa. No segundo caso, o melhor desempenho ambiental é alcançado, mas a velocidade da turbina é excedida.

Poucos fabricantes estão desenvolvendo ECUs para turbocompressores de geometria variável. A grande maioria deles são representados por produtos de montadoras. No entanto, existem algumas ECUs de terceiros no mercado projetadas para essas turbinas.

Disposições gerais

As principais características das turbinas são representadas pelo fluxo de massa de ar e vazão. A área de entrada é um dos fatores limitantes de desempenho. Variantes com geometria variável permitem alterar esta área. Assim, a área efetiva é determinada pela altura da passagem e pelo ângulo das pás. O primeiro indicador é alterado em versões com anel deslizante, o segundo – em turbinas com lâminas rotativas.

Assim, os turbocompressores de geometria variável fornecem constantemente o impulso necessário. Como resultado, os motores equipados com eles não apresentam atraso devido ao tempo de rotação da turbina, como nos turbocompressores convencionais de grande porte, e não engasgam em altas velocidades, como nos pequenos.

Finalmente, deve-se notar que, embora os turbocompressores de geometria variável sejam projetados para operar sem uma válvula de derivação, eles fornecem ganhos de desempenho principalmente na “extremidade inferior” e em altas velocidades com pás totalmente abertas, não sendo capazes de lidar com grande fluxo de massa. Portanto, para evitar contrapressão excessiva, ainda é recomendável usar uma válvula de descarga.

Vantagens e desvantagens

Ajustar a turbina ao modo de operação do motor proporciona uma melhoria em todos os indicadores em comparação com as opções de geometria fixa:

• melhor capacidade de resposta e desempenho em toda a faixa de rpm;
• curva de torque mais suave em velocidades médias;
• a capacidade de operar o motor em carga parcial em uma mistura ar-combustível pobre mais eficiente;
• melhor eficiência térmica;
• prevenção de impulso excessivo em altas velocidades;
• melhor desempenho ambiental;
• menor consumo de combustível;
• faixa de operação estendida da turbina.

A principal desvantagem dos turbocompressores de geometria variável é seu design significativamente complicado. Devido à presença de elementos móveis e acionamentos adicionais, eles são menos confiáveis ​​e a manutenção e o reparo de turbinas desse tipo são mais difíceis. Além disso, as modificações para motores a gasolina são muito caras (cerca de 3 vezes mais caras que as convencionais). Finalmente, essas turbinas são difíceis de combinar com motores que não foram projetados para elas.

Deve-se notar que as turbinas de geometria variável são muitas vezes inferiores às contrapartes convencionais em termos de desempenho máximo. Isso se deve a perdas na carcaça e ao redor dos suportes dos elementos móveis. Além disso, o desempenho máximo cai drasticamente ao se afastar da posição ideal. No entanto, a eficiência geral dos turbocompressores deste projeto é maior do que a das variantes de geometria fixa devido à maior faixa de operação.

Aplicativo e funções adicionais

O escopo das turbinas de geometria variável é determinado pelo seu tipo. Assim, nos motores de automóveis e comerciais leves, são instaladas opções com lâminas rotativas e modificações com anel deslizante são usadas principalmente em caminhões.

Em geral, as turbinas de geometria variável são mais usadas em motores a diesel. Isto é devido à baixa temperatura de seus gases de escape.

Nos motores diesel leves, esses turbocompressores servem principalmente para compensar a perda de desempenho do sistema de recirculação dos gases de escape.

Nos caminhões, as próprias turbinas podem melhorar o desempenho ambiental controlando a quantidade de gases de escape recirculados para a admissão do motor. Assim, com o uso de turbocompressores de geometria variável, é possível aumentar a pressão no coletor de escape para um valor maior do que no coletor de admissão para acelerar a recirculação. Embora a contrapressão excessiva tenha um efeito negativo na eficiência do combustível, ela ajuda a reduzir as emissões de óxido de nitrogênio.

Além disso, o mecanismo pode ser modificado para reduzir a eficiência da turbina em uma determinada posição. Isso é usado para aumentar a temperatura dos gases de escape para limpar o filtro de partículas oxidando as partículas de carbono presas como resultado do aquecimento.

Estas funções requerem acionamento hidráulico ou elétrico.

As vantagens notadas das turbinas de geometria variável sobre as convencionais as tornam a melhor opção para motores esportivos. No entanto, eles são extremamente raros em motores a gasolina. Apenas alguns carros esportivos equipados com eles são conhecidos (atualmente o Porsche 718, 911 Turbo e Suzuki Swift Sport). De acordo com um gerente da BorgWarner, isso se deve ao custo muito alto de produção dessas turbinas, devido à necessidade de usar materiais resistentes ao calor especializados para interagir com os gases de escape de alta temperatura dos motores a gasolina (os gases de escape do diesel têm um temperatura, então as turbinas são mais baratas para eles).

Os primeiros VGTs usados ​​em motores a gasolina eram feitos de materiais convencionais, de modo que sistemas de refrigeração complexos tiveram que ser usados ​​para garantir uma vida útil aceitável. Assim, no Honda Legend de 1988, essa turbina foi combinada com um intercooler refrigerado a água. Além disso, esse tipo de motor possui uma faixa mais ampla de taxas de fluxo de gases de escape, exigindo, portanto, a capacidade de lidar com uma faixa maior de fluxo de massa.

Os fabricantes atingem os níveis exigidos de desempenho, capacidade de resposta, eficiência e respeito ao meio ambiente da maneira mais econômica. A exceção são os casos isolados em que o custo final não é prioritário. Neste contexto, isso é, por exemplo, alcançar um desempenho recorde no Koenigsegg One: 1 ou adaptar um Porsche 911 Turbo para uso civil.

Em geral, a grande maioria dos carros turboalimentados está equipada com turbocompressores convencionais. Para motores esportivos de alto desempenho, as opções de rolagem dupla são frequentemente usadas. Embora esses turbocompressores sejam inferiores aos VGTs, eles oferecem as mesmas vantagens em relação às turbinas convencionais, apenas em menor grau, e ainda têm quase o mesmo design simples que o último. Quanto à afinação, o uso de turbocompressores de geometria variável, além do alto custo, é limitado pela complexidade de sua afinação.

Para motores a gasolina, em um estudo de H. Ishihara, K. Adachi e S. Kono, a turbina de fluxo variável (VFT) foi apontada como a mais ideal entre os VGTs. Graças a apenas um elemento móvel, os custos de produção são reduzidos e a estabilidade térmica é aumentada. Além disso, tal turbina opera de acordo com um algoritmo de ECU simples, semelhante às opções de geometria fixa equipadas com uma válvula de derivação. Resultados particularmente bons foram obtidos quando tal turbina é combinada com um iVTEC. No entanto, para sistemas de indução forçada, observa-se um aumento na temperatura dos gases de escape em 50-100 °C, o que afeta o desempenho ambiental. Este problema foi resolvido usando um coletor de alumínio resfriado a água.

A solução da BorgWarner para motores a gasolina foi combinar a tecnologia twin scroll e o design de geometria variável na turbina de geometria variável twin scroll apresentada na SEMA 2015. Seu design é semelhante à turbina twin scroll: este turbocompressor tem uma entrada dupla e uma roda de turbina monolítica dupla e é combinado com um coletor de rolagem dupla, levando em consideração a sequência de cilindros para eliminar a pulsação dos gases de escape, a fim de criar um fluxo mais denso.

A diferença está na presença de um amortecedor na parte de entrada, que, dependendo da carga, distribui o fluxo pelos impulsores. Em baixas velocidades, todos os gases de escape vão para uma pequena parte do rotor, e a grande parte é bloqueada, o que proporciona uma rotação ainda mais rápida do que uma turbina twin-scroll convencional. À medida que a carga aumenta, o amortecedor se move gradualmente para a posição intermediária e distribui uniformemente o fluxo em altas velocidades, como em um projeto de rolagem dupla padrão. Ou seja, em termos do mecanismo de alteração da geometria, tal turbina está próxima de um VFT.

Assim, esta tecnologia, assim como a tecnologia de geometria variável, proporciona uma mudança na relação A/R em função da carga, ajustando a turbina ao modo de operação do motor, o que amplia a faixa de operação. Ao mesmo tempo, o projeto considerado é muito mais simples e barato, pois apenas um elemento móvel é usado aqui, operando de acordo com um algoritmo simples, e não são necessários materiais resistentes ao calor. Este último é devido a uma diminuição da temperatura devido à perda de calor nas paredes da carcaça dupla da turbina. Deve-se notar que soluções semelhantes foram encontradas antes (por exemplo, uma válvula de carretel rápida), mas por algum motivo essa tecnologia não ganhou popularidade.

Manutenção e reparo

A principal operação de manutenção das turbinas é a limpeza. A necessidade disso se deve à sua interação com os gases de escape, representados pelos produtos da combustão de combustíveis e óleos. No entanto, a limpeza raramente é necessária. A poluição intensa indica violações do modo de funcionamento, que podem ser causadas por pressão excessiva, desgaste das juntas ou buchas dos impulsores, bem como do compartimento do pistão, entupimento do respiro.

As turbinas de geometria variável são mais sensíveis à incrustação do que as turbinas convencionais. Isso se deve ao fato de que o acúmulo de fuligem na palheta guia do dispositivo de mudança de geometria leva ao seu encravamento ou perda de mobilidade. Como resultado, o funcionamento do turbocompressor é interrompido.

No caso mais simples, a limpeza é realizada com um líquido especial, mas muitas vezes é necessário trabalho manual. A turbina deve primeiro ser desmontada. Ao desmontar o mecanismo de mudança de geometria, tome cuidado para não cortar os parafusos de montagem. A perfuração subsequente de seus fragmentos pode causar danos aos furos. Assim, a limpeza da turbina de geometria variável é um pouco complicada.

Além disso, deve-se ter em mente que o manuseio descuidado do cartucho pode danificar ou deformar as pás do rotor. Se for desmontado após a conclusão da limpeza, o balanceamento será necessário, mas a limpeza geralmente não é feita dentro do cartucho.

A fuligem de óleo nas rodas indica desgaste nos anéis do pistão ou no grupo de válvulas, bem como nas vedações do rotor no cartucho. Não é aconselhável limpar sem eliminar estas avarias do motor ou reparar a turbina.

Após a substituição do cartucho por turbocompressores do tipo em questão, é necessário o ajuste da geometria. Para isso, são utilizados parafusos de ajuste persistentes e ásperos. Deve-se notar que alguns modelos da primeira geração não foram configurados inicialmente pelos fabricantes, pelo que seu desempenho no “fundo” é reduzido em 15 a 25%. Em particular, isso é verdade para as turbinas Garrett. Instruções podem ser encontradas online sobre como ajustar uma turbina de geometria variável.

Resumo

Os turbocompressores de geometria variável representam o estágio mais alto no desenvolvimento de turbinas seriais para motores de combustão interna. Um mecanismo adicional na parte de entrada garante que a turbina seja adaptada ao modo de operação do motor ajustando a configuração. Isso melhora o desempenho, economia e respeito ao meio ambiente. No entanto, o design do VGT é complexo e os modelos para motores a gasolina são muito caros.