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

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Última modificação: 2024-02-19 18:18

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

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

Conseqüentemente, com uma A/R excessivamente alta, a turbina não conseguirá criar pressão em baixas coletor de escape, o 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 limite de aumento baixo 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 bico variável (VNT), rotor variável (VVT), bico 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 ocupem mais de 63% do mercado global de turbinas. A expansão do uso desta tecnologia e seu desenvolvimento se deve principalmente ao endurecimento das regulamentações ambientais.

Design

O dispositivo de turbina de 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 é usado para estreitar/ampliar a passagem para o fluxo de gases.

Devido ao fato de que o anel da pá desliza na direção axial, este 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 na parte inferior, confiabilidade.

A segunda opção também assume a presença de um anel de palheta. 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 tem a melhor eficiência.

No entanto, devido ao grande número de peças móveis, este projeto é menos confiável, especialmente em condições de alta temperatura. Marcadoos problemas são causados pelo 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.

Turbocompressor de área variável (VAT) possui lâminas que giram em torno do ponto de instalação. 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 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 blades, 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 pá VFT.

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

Ress alte-se que essas 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

Turbinas de geometria variável funcionam mantendo o A/R ideal e o ângulo de turbilhão alterando 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 peça de entrada é reduzida. Com o aumento da velocidade para aumentar o fluxo, ele se expande gradativamente.

Mecanismo para mudança de geometria

O mecanismo para a implementação deste 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 ficam em uma posição escalonada.

Turbinas de anel deslizante com parede móvel possuem um movimento axial do anel, que também altera a seção do canal.

O princípio de funcionamento 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 amortecedorsobe para permitir o fluxo através de ambas as baias para expandir a capacidade.

Para os modelos VAT e Switchblade, a geometria é alterada 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, expandindo Taxa de transferência. As turbinas Switchblade tipo 2 apresentam operação de lâmina invertida.

Assim, no "fundo" é adjacente ao rotor, pelo que o fluxo segue apenas ao longo da parede externa da carcaça. À medida que a rotação aumenta, a lâmina sobe, abrindo uma passagem ao redor do impulsor para aumentar o rendimento.

Dirigir

Entre 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 à dificuldade de prever o estado do gás após a compressão, principalmente quando aquecido. Por isso mais perfeitosão acionamentos hidráulicos e elétricos.

Os atuadores hidráulicos operam com o mesmo princípio dos atuadores pneumáticos, mas em vez de ar no cilindro, é utilizado um líquido, que pode ser representado pelo óleo do motor. Além disso, ele não compacta, portanto, este sistema oferece 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 conforme a pressão do óleo aumenta.

Acionamento elétrico é o mais preciso, porque a tensão pode fornecer um controle muito fino. No entanto, requer refrigeração adicional, que é fornecida por tubos de refrigeração (as versões pneumática e hidráulica usam líquido para remover o calor).

O mecanismo seletor serve para acionar o trocador 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 fornecefornecimento de corrente em uma determinada faixa para movê-los para uma posição predeterminada, após o que, tendo recebido um sinal do sensor, desenergiza a válvula de feedback.

Unidade de controle do motor

Do exposto, segue-se que o princípio de funcionamento das turbinas de 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. É uma tecnologia versátil que permite uma variedade de 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 de referência: o modelo de motor médio e artificialredes neurais. Este último inclui duas estratégias. Um deles envolve manter o impulso em um determinado nível, o outro - manter uma diferença de pressão negativa. No segundo caso, o melhor desempenho ambiental é alcançado, mas a turbina está acelerando demais.

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 que são projetadas para esses turbos.

Disposições Gerais

As principais características das turbinas são o fluxo de massa de ar e a velocidade do fluxo. A área de entrada é um dos fatores limitantes de desempenho. As opções de geometria variável permitem que você altere essa área. Assim, a área efetiva é determinada pela altura da passagem e pelo ângulo das pás. O primeiro indicador é mutável 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 têm o atraso associado 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 baixa e em altas rotações em totalmente abertoas lâminas não são capazes de lidar com um grande fluxo de massa. Portanto, para evitar contrapressão excessiva, ainda é recomendável usar uma válvula de descarga.

Prós e contras

O ajuste da turbina ao modo de operação do motor proporciona uma melhora em todos os indicadores em relação às opções de geometria fixa:

• melhor capacidade de resposta e desempenho em toda a faixa de rotação;
• curva de torque de médio alcance mais plana;
• capacidade de operar o motor em carga parcial em uma mistura ar/combustível pobre mais eficiente;
• melhor eficiência térmica;
• prevenindo aumento excessivo em altas rotações;
• 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 não projetados para elas.

Deve-se notar que em termos de desempenho máximo, as turbinas de geometria variável são muitas vezes inferiores às suas contrapartes convencionais. 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 generalidadeA eficiência 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. Por exemplo, motores com lâminas rotativas são instalados em motores de carros e veículos comerciais leves, e modificações com anel deslizante são usadas principalmente em caminhões.

Em geral, as turbinas de geometria variável são mais usadas em motores a diesel. Isso se deve à baixa temperatura de seus gases de escape.

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

Em 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 seja prejudicial à 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 purgar o filtro de partículas oxidando as partículas de carbono presas por aquecimento.

Dadosfunções 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, portanto, 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, este tipo de motor tem uma faixa de fluxo de gases de escape mais ampla, exigindo, portanto, a capacidade de lidar com uma faixa de fluxo de massa maior.

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, é, por exemplo, alcançar um desempenho recorde no Koenigsegg One: 1 ou adaptar um Porsche 911 Turbo a um civiloperação.

Em geral, a grande maioria dos carros turboalimentados é 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, um estudo de H. Ishihara, K. Adachi e S. Kono classificou a turbina de fluxo variável (VFT) como o VGT mais ideal. 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. Esse problema foi resolvido usando um coletor de alumínio resfriado a água.

A solução da BorgWarner para motores a gasolina foi combinar a tecnologia de rolagem dupla e o design de geometria variável em uma turbina de geometria variável de rolagem dupla apresentada na SEMA 2015.mesmo design da turbina twin scroll, este turbocompressor tem entrada dupla e roda de turbina monolítica dupla e é combinado com coletor twin scroll, sequenciamento para eliminar a pulsação de exaustão para um fluxo mais denso.

A diferença está na presença de um amortecedor na parte de entrada, que, dependendo da carga, distribui o fluxo entre os rotores. 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 de mecanismo de mudança de 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 dependendo 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, válvula de carretel rápido), mas por algum motivo essa tecnologia não ganhou popularidade.

Manutenção econserto

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 contaminação intensa indica um mau funcionamento, que pode ser causado por pressão excessiva, desgaste das gaxetas ou buchas dos rotores, bem como do compartimento do pistão, entupimento do respiro.

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 feita 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. Portanto, limpar a turbina de geometria variável é um pouco difícil.

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 limpeza, será necessário balancear, mas o interior do cartucho geralmente não é limpo.

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. Limpeza semeliminar esses defeitos do motor ou reparar a turbina é impraticável.

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 a turbina de geometria variável.

CV

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 a gasolina são muito caros.