{"id":263109,"date":"2022-07-30T17:41:00","date_gmt":"2022-07-30T14:41:00","guid":{"rendered":"https:\/\/auto.inform.click\/?p=263109"},"modified":"2022-04-20T14:04:18","modified_gmt":"2022-04-20T11:04:18","slug":"turbina-com-geometria-variavel-principio-de-operacao-dispositivo-reparo","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/auto.inform.click\/pt-pt\/turbina-com-geometria-variavel-principio-de-operacao-dispositivo-reparo\/","title":{"rendered":"Turbina com geometria vari\u00e1vel: princ\u00edpio de opera\u00e7\u00e3o, dispositivo, reparo"},"content":{"rendered":"

Com o desenvolvimento de turbinas para motores de combust\u00e3o interna<\/a>, os fabricantes est\u00e3o tentando melhorar sua consist\u00eancia com motores e efici\u00eancia<\/a>. A solu\u00e7\u00e3o serial tecnicamente mais avan\u00e7ada \u00e9 uma mudan\u00e7a na geometria da entrada. Al\u00e9m disso, o projeto de turbinas de geometria vari\u00e1vel, o princ\u00edpio de opera\u00e7\u00e3o e os recursos de manuten\u00e7\u00e3o s\u00e3o considerados.<\/p>\n

Caracter\u00edsticas<\/a> gerais<\/h2>\n

As turbinas em<\/a> quest\u00e3o diferem das usuais na capacidade de se adaptar ao modo de opera\u00e7\u00e3o do motor alterando a rela\u00e7\u00e3o A \/ R, que determina o rendimento. Esta \u00e9 uma caracter\u00edstica geom\u00e9trica das carca\u00e7as, representada pela raz\u00e3o entre a \u00e1rea da se\u00e7\u00e3o transversal do canal e a dist\u00e2ncia entre o centro de gravidade desta se\u00e7\u00e3o e o eixo central da turbina.<\/p>\n

A relev\u00e2ncia dos turbocompressores com geometria vari\u00e1vel se deve ao fato de que, para altas e baixas velocidades, os valores ideais desse par\u00e2metro 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 m\u00e1ximo \u00e9 baixo. Grandes valores deste par\u00e2metro, pelo contr\u00e1rio, determinam um grande rendimento e uma baixa velocidade dos gases de escape.<\/p>\n

Portanto, se o A\/R estiver muito alto, a turbina n\u00e3o ser\u00e1 capaz de criar press\u00e3o em baixas velocidades, e se estiver muito baixo, sufocar\u00e1 o motor na parte superior (devido \u00e0 contrapress\u00e3o no coletor de escape, desempenho cair\u00e1). Portanto, em turbocompressores de geometria fixa, \u00e9 selecionado um valor m\u00e9dio de A\/R que permite operar em toda a faixa de velocidade, enquanto o princ\u00edpio de opera\u00e7\u00e3o das turbinas com geometria vari\u00e1vel se baseia na manuten\u00e7\u00e3o de seu valor ideal. Portanto, essas op\u00e7\u00f5es com um baixo limite de aumento e atraso m\u00ednimo s\u00e3o altamente eficazes em altas velocidades.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Al\u00e9m do nome principal (turbinas de geometria vari\u00e1vel (VGT, VTG)), essas variantes s\u00e3o conhecidas como modelos de bocal vari\u00e1vel (VNT), impulsor vari\u00e1vel (VVT), bocal de turbina de \u00e1rea vari\u00e1vel (VATN).<\/p>\n

A turbina de geometria vari\u00e1vel<\/a> foi desenvolvida por Garrett. Al\u00e9m dele, outros fabricantes est\u00e3o envolvidos no lan\u00e7amento de tais pe\u00e7as, incluindo MHI e BorgWarner. O principal fabricante de variantes de an\u00e9is deslizantes \u00e9 a Cummins Turbo Technologies.<\/p>\n

Apesar do uso de turbinas de geometria vari\u00e1vel principalmente em motores a diesel, elas s\u00e3o muito comuns e est\u00e3o ganhando popularidade. Sup\u00f5e-se que em 2020 tais modelos ir\u00e3o ocupar mais de 63% do mercado<\/a> global de turbinas. A expans\u00e3o do uso desta tecnologia e seu desenvolvimento<\/a> se deve principalmente ao endurecimento das normas ambientais.<\/p>\n

Projeto<\/h2>\n

O dispositivo da turbina com geometria vari\u00e1vel difere dos modelos convencionais pela presen\u00e7a de um mecanismo adicional na parte de entrada da carca\u00e7a da turbina. Existem v\u00e1rias op\u00e7\u00f5es para o seu design<\/a>.<\/p>\n

O tipo mais comum \u00e9 o anel de remo deslizante. Este dispositivo \u00e9 representado por um anel com v\u00e1rias p\u00e1s rigidamente fixas localizadas ao redor do rotor e se movendo em rela\u00e7\u00e3o \u00e0 placa fixa. O mecanismo deslizante serve para estreitar\/ampliar a passagem para o fluxo de gases.<\/p>\n

Como o anel da p\u00e1 desliza na dire\u00e7\u00e3o axial, esse mecanismo \u00e9 muito compacto e o n\u00famero m\u00ednimo de pontos fracos garante resist\u00eancia. Esta op\u00e7\u00e3o \u00e9 adequada para motores grandes, por isso \u00e9 usada principalmente em caminh\u00f5es e \u00f4nibus. Caracteriza-se pela simplicidade, alto desempenho<\/a> nos “fundos”, confiabilidade.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

A segunda op\u00e7\u00e3o tamb\u00e9m pressup\u00f5e a presen\u00e7a de um anel laminado. Por\u00e9m, neste caso, ela \u00e9 fixada rigidamente em uma placa plana, e as l\u00e2minas s\u00e3o montadas em pinos que garantem sua rota\u00e7\u00e3o no sentido axial, do outro<\/a> lado da mesma. Assim, a geometria da turbina \u00e9 alterada por meio das p\u00e1s. Esta op\u00e7\u00e3o \u00e9 a mais eficiente.<\/p>\n

No entanto, devido ao grande n\u00famero de pe\u00e7as m\u00f3veis, este projeto \u00e9 menos confi\u00e1vel, especialmente em condi\u00e7\u00f5es<\/a> de alta temperatura. Os problemas observados s\u00e3o devidos ao atrito das pe\u00e7as met\u00e1licas, que se expandem quando aquecidas.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Outra op\u00e7\u00e3o \u00e9 uma parede m\u00f3vel. \u00c9 semelhante em muitos aspectos \u00e0 tecnologia de an\u00e9is deslizantes, no entanto, neste caso, as l\u00e2minas fixas s\u00e3o montadas em uma placa est\u00e1tica em vez de um anel deslizante.<\/p>\n

Um turbocompressor de \u00e1rea vari\u00e1vel (VAT) envolve l\u00e2minas que giram em torno de um ponto de montagem. Ao contr\u00e1rio do esquema com l\u00e2minas rotativas, elas s\u00e3o instaladas n\u00e3o ao longo da circunfer\u00eancia do anel, mas em uma fileira. Como esta op\u00e7\u00e3o requer um sistema mec\u00e2nico complexo e caro, foram desenvolvidas vers\u00f5es simplificadas.<\/p>\n

Um deles \u00e9 o turbocompressor de fluxo vari\u00e1vel Aisin Seiki (VFT). A carca\u00e7a da turbina \u00e9 dividida em dois canais<\/a> por uma l\u00e2mina fixa e \u00e9 equipada com um amortecedor que distribui o fluxo entre eles. Mais algumas l\u00e2minas fixas s\u00e3o instaladas ao redor do rotor. Eles fornecem reten\u00e7\u00e3o e mesclagem de fluxo.<\/p>\n

A segunda op\u00e7\u00e3o, chamada de esquema Switchblade, est\u00e1 mais pr\u00f3xima do VAT, mas em vez de uma fileira de l\u00e2minas, \u00e9 usada uma \u00fanica l\u00e2mina, tamb\u00e9m girando em torno do ponto de instala\u00e7\u00e3o. Existem dois tipos de tal constru\u00e7\u00e3o. Uma delas envolve a instala\u00e7\u00e3o da l\u00e2mina na parte central do corpo. No segundo caso, fica no meio do canal e o divide em dois compartimentos, como uma l\u00e2mina VFT.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Para controlar a turbina com geometria vari\u00e1vel, s\u00e3o utilizados acionamentos: el\u00e9trico, hidr\u00e1ulico, pneum\u00e1tico. O turbocompressor \u00e9 controlado pela unidade de controle do motor (ECU, ECU).<\/p>\n

Deve-se notar que tais turbinas n\u00e3o necessitam de v\u00e1lvula de deriva\u00e7\u00e3o, pois devido ao controle preciso \u00e9 poss\u00edvel desacelerar o fluxo dos gases de escape de forma n\u00e3o descompressiva e passar o excesso pela turbina.<\/p>\n

Princ\u00edpio de funcionamento<\/h2>\n

As turbinas de geometria vari\u00e1vel funcionam mantendo o A\/R ideal e o \u00e2ngulo de turbilh\u00e3o variando a \u00e1rea da se\u00e7\u00e3o transversal da entrada. Baseia-se no fato de que a velocidade do fluxo dos gases de escape \u00e9 inversamente relacionada \u00e0 largura do canal. Portanto, nos “fundos” para promo\u00e7\u00e3o r\u00e1pida, a se\u00e7\u00e3o transversal da parte de entrada diminui. Com um aumento na velocidade para aumentar o fluxo, ele se expande gradualmente.<\/p>\n

Mecanismo de Modifica\u00e7\u00e3o de Geometria<\/h2>\n

O mecanismo para implementar este processo \u00e9 determinado pelo design. Nos modelos com l\u00e2minas rotativas, isso \u00e9 feito alterando sua posi\u00e7\u00e3o: para garantir uma se\u00e7\u00e3o estreita, as l\u00e2minas s\u00e3o perpendiculares \u00e0s linhas radiais e, para alargar o canal, elas se movem em uma posi\u00e7\u00e3o escalonada.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Nas turbinas com anel deslizante e parede m\u00f3vel, ocorre o movimento axial do anel, o que tamb\u00e9m altera a se\u00e7\u00e3o transversal do canal.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

O princ\u00edpio de opera\u00e7\u00e3o do VFT \u00e9 baseado na separa\u00e7\u00e3o de fluxo. Sua acelera\u00e7\u00e3o em baixas velocidades \u00e9 realizada fechando o compartimento externo do canal com um amortecedor, fazendo com que os gases cheguem ao rotor da maneira mais curta poss\u00edvel. \u00c0 medida que a carga aumenta, o amortecedor sobe para permitir o fluxo atrav\u00e9s de ambos os compartimentos para expandir a capacidade.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Para os modelos VAT e Switchblade, a mudan\u00e7a na geometria \u00e9 feita girando a l\u00e2mina: em baixas velocidades ela sobe, estreitando a passagem para acelerar o fluxo, e em altas velocidades fica adjacente \u00e0 roda da turbina, ampliando o rendimento. As turbinas switchblade do segundo tipo s\u00e3o caracterizadas pela ordem inversa da l\u00e2mina.<\/p>\n

Assim, nos “fundos” \u00e9 adjacente ao rotor, pelo que o fluxo segue apenas ao longo da parede externa da carca\u00e7a. \u00c0 medida que a velocidade aumenta, a l\u00e2mina sobe, abrindo uma passagem ao redor do impulsor para aumentar o rendimento.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Unidade de acionamento<\/h2>\n

Dentre os acionamentos, os mais comuns s\u00e3o as op\u00e7\u00f5es pneum\u00e1ticas, onde o mecanismo \u00e9 controlado por um pist\u00e3o que movimenta o ar dentro do cilindro.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

A posi\u00e7\u00e3o das palhetas \u00e9 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 n\u00edvel de v\u00e1cuo, contrariando a mola. A modula\u00e7\u00e3o a v\u00e1cuo controla uma v\u00e1lvula el\u00e9trica que fornece uma corrente linear dependendo dos par\u00e2metros de v\u00e1cuo. O v\u00e1cuo pode ser gerado pela bomba de v\u00e1cuo do servofreio. A corrente \u00e9 fornecida pela bateria e modula a ECU.<\/p>\n

A principal desvantagem de tais acionamentos \u00e9 devido ao estado dificilmente previs\u00edvel do g\u00e1s ap\u00f3s a compress\u00e3o, especialmente quando aquecido. Portanto, os acionamentos hidr\u00e1ulicos e el\u00e9tricos s\u00e3o mais perfeitos.<\/p>\n

Os atuadores hidr\u00e1ulicos funcionam com o mesmo princ\u00edpio dos atuadores pneum\u00e1ticos, mas em vez de ar no cilindro, \u00e9 usado um l\u00edquido, que pode ser representado pelo \u00f3leo<\/a> do motor. Al\u00e9m disso, n\u00e3o comprime, o que faz com que esse sistema forne\u00e7a um melhor controle.<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

A v\u00e1lvula solenoide usa a press\u00e3o do \u00f3leo e um sinal da ECU para mover o anel. O pist\u00e3o hidr\u00e1ulico move a cremalheira e o pinh\u00e3o, que gira a engrenagem dentada, como resultado do qual as l\u00e2minas s\u00e3o conectadas de forma articulada. Para transferir a posi\u00e7\u00e3o da l\u00e2mina da ECU, um sensor de posi\u00e7\u00e3o anal\u00f3gico se move ao longo do came de seu acionamento. Quando a press\u00e3o do \u00f3leo est\u00e1 baixa, as palhetas abrem e fecham \u00e0 medida que a press\u00e3o do \u00f3leo aumenta.<\/p>\n

O atuador el\u00e9trico \u00e9 o mais preciso, pois a tens\u00e3o pode fornecer um controle muito fino. No entanto, requer refrigera\u00e7\u00e3o adicional, que \u00e9 fornecida por tubos de refrigera\u00e7\u00e3o (nas vers\u00f5es pneum\u00e1tica e hidr\u00e1ulica, o l\u00edquido \u00e9 usado para remover o calor).<\/p>\n

\"Turbina<\/a><\/p>\n

Um mecanismo seletor \u00e9 usado para acionar o dispositivo de mudan\u00e7a de geometria.<\/p>\n

Alguns modelos de turbinas utilizam acionamento el\u00e9trico rotativo com motor de passo direto. Neste caso, a posi\u00e7\u00e3o das p\u00e1s \u00e9 controlada por uma v\u00e1lvula de realimenta\u00e7\u00e3o eletr\u00f4nica atrav\u00e9s do mecanismo de cremalheira e pinh\u00e3o. Para feedback da ECU, \u00e9 usado um came com um sensor magnetoresistivo conectado \u00e0 engrenagem.<\/p>\n

Se for necess\u00e1rio girar as l\u00e2minas, a ECU fornece uma alimenta\u00e7\u00e3o de corrente em uma determinada faixa para mov\u00ea-las para uma posi\u00e7\u00e3o predeterminada, ap\u00f3s o que, ao receber um sinal do sensor, desenergiza a v\u00e1lvula de feedback.<\/p>\n

A unidade de controle do motor<\/h2>\n

Do exposto<\/a>, segue-se que o princ\u00edpio de funcionamento das turbinas com geometria vari\u00e1vel se baseia na coordena\u00e7\u00e3o \u00f3tima de um mecanismo adicional de acordo com o modo de opera\u00e7\u00e3o do motor. Portanto, seu posicionamento preciso e monitoramento constante s\u00e3o necess\u00e1rios. Portanto, as turbinas de geometria vari\u00e1vel s\u00e3o controladas por unidades de controle do motor.<\/p>\n

Eles usam estrat\u00e9gias para maximizar a produtividade ou melhorar o desempenho ambiental. Existem v\u00e1rios princ\u00edpios para o funcionamento do BUD.<\/p>\n

O mais comum deles envolve o uso de informa\u00e7\u00f5es de refer\u00eancia baseadas em dados emp\u00edricos e modelos de motores. Nesse caso, o controlador feedforward seleciona valores de uma tabela e usa o feedback para reduzir erros. Esta \u00e9 uma tecnologia vers\u00e1til que permite aplicar v\u00e1rias estrat\u00e9gias de controle.<\/p>\n

Sua principal desvantagem s\u00e3o as limita\u00e7\u00f5es durante os transientes (acelera\u00e7\u00e3o acentuada, mudan\u00e7as de marcha). Para elimin\u00e1-lo, foram utilizados controladores multipar\u00e2metros, PD e PID. Estes \u00faltimos s\u00e3o considerados os mais promissores, mas n\u00e3o s\u00e3o suficientemente precisos em toda a faixa de cargas. Isso foi resolvido aplicando algoritmos de decis\u00e3o de l\u00f3gica fuzzy usando MAS.<\/p>\n

Existem duas tecnologias para fornecer informa\u00e7\u00f5es b\u00e1sicas: o modelo de mecanismo m\u00e9dio e as redes neurais artificiais. Este \u00faltimo inclui duas estrat\u00e9gias. Um deles envolve manter o impulso em um determinado n\u00edvel, o outro \u00e9 manter uma diferen\u00e7a de press\u00e3o negativa. No segundo caso, o melhor desempenho ambiental \u00e9 alcan\u00e7ado, mas a velocidade da turbina \u00e9 excedida.<\/p>\n

Poucos fabricantes est\u00e3o desenvolvendo ECUs para turbocompressores de geometria vari\u00e1vel. A grande maioria deles s\u00e3o representados por produtos de montadoras. No entanto, existem algumas ECUs de terceiros no mercado projetadas para essas turbinas.<\/p>\n

Disposi\u00e7\u00f5es gerais<\/h2>\n

As principais caracter\u00edsticas das turbinas s\u00e3o representadas pelo fluxo de massa de ar e vaz\u00e3o. A \u00e1rea de entrada \u00e9 um dos fatores limitantes de desempenho. Variantes com geometria vari\u00e1vel permitem alterar esta \u00e1rea. Assim, a \u00e1rea efetiva \u00e9 determinada pela altura da passagem e pelo \u00e2ngulo das p\u00e1s. O primeiro indicador \u00e9 alterado em vers\u00f5es com anel deslizante, o segundo – em turbinas com l\u00e2minas rotativas.<\/p>\n

Assim, os turbocompressores de geometria vari\u00e1vel fornecem constantemente o impulso necess\u00e1rio. Como resultado, os motores equipados com eles n\u00e3o apresentam atraso devido ao tempo de rota\u00e7\u00e3o da turbina, como nos turbocompressores convencionais de grande porte, e n\u00e3o engasgam em altas velocidades, como nos pequenos.<\/p>\n

Finalmente, deve-se notar que, embora os turbocompressores de geometria vari\u00e1vel sejam projetados para operar sem uma v\u00e1lvula de deriva\u00e7\u00e3o, eles fornecem ganhos de desempenho principalmente na “extremidade inferior” e em altas velocidades com p\u00e1s totalmente abertas, n\u00e3o sendo capazes de lidar com grande fluxo de massa. Portanto, para evitar contrapress\u00e3o excessiva, ainda \u00e9 recomend\u00e1vel usar uma v\u00e1lvula de descarga.<\/p>\n

Vantagens e desvantagens<\/h2>\n

Ajustar a turbina ao modo de opera\u00e7\u00e3o do motor proporciona uma melhoria em todos os indicadores em compara\u00e7\u00e3o com as op\u00e7\u00f5es de geometria fixa:<\/p>\n