Sábado, 1 de Maio de 2010

Como funciono o Turbo de Geometria Variável?

Os turbos convencionais têm o inconveniente de que a baixas rotações do motor o rodete da turbina apenas é impulsionado pelos gases de escape, pelo que o motor se comporta como se fosse atmosférico. Uma solução para isto é utilizar um turbo pequeno de baixa pressão que comece a comprimir o ar aspirado pelo motor desde rotações muito baixas, mas isto tem um inconveniente, é que a altas rotações do motor o turbo de baixa pressão não tem capacidade suficiente para comprimir todo o ar que necessita o motor, por tanto, a potência que ganhamos a baixas rotações vamos perde-la em altas. Para corrigir este inconveniente procurou-se a solução de dotar uma mesma máquina “sopradora” da capacidade de comprimir o ar com eficácia tanto a baixas rotações como em altas, para isso desenvolveram-se os turbo-compressores de geometria variável.

Funcionamento

O turbo TGV (Geometria Variável) diferencia-se do turbo convencional pela utilização de um prato ou coroa no qual estão montados umas aletas moveis que podem ser orientadas (todas em conjunto) num ângulo determinado mediante um mecanismo de vareta e alavanca empurradas por uma cápsula pneumática, sistema parecido com o utilizado na Válvula Wastegate
Turbos de geometria variável (TGV)


 

 

 

 

 

Para conseguir a máxima compressão do ar a baixas r.p.m. devem fechar-se as aletas já que diminuindo a secção entre elas, aumenta a velocidade dos gases de escape que incidem com mais força sobre as pás do rodete da turbina (menor Secção = maior velocidade). Quando o motor aumenta de r.p.m e aumenta a pressão no colector de admissão, a cápsula pneumática detecta-o através de um tubo ligado directamente ao colector de admissão e transforma-o num movimento que empurra o sistema de comando das aletas para que estas se movam para uma posição de abertura que faz diminuir a velocidade dos gases de escape que incidem sobre a turbina (maior secção = menor velocidade).
As aletas estão montadas sobre uma coroa (como se vê na imagem abaixo), podendo regular-se o veio roscado de união à cápsula pneumática para que as aletas abram antes ou depois. Se as aletas estiverem em abertura máxima, indica que há uma avaria já que a máxima inclinação só a adoptam para a função de emergência.



As posições fundamentais que podem adoptar as aletas podem ser descritas como no texto e imagem seguintes:

Na figura da esquerda: vemos como as aletas adoptam uma posição fechada que apenas deixa espaço para a passagem dos gases de escape. Esta posição é adoptada pelo turbo quando o motor gira a baixas rotações e a velocidade dos gases de escape é baixa. Com isto consegue-se acelerar a velocidade dos gases de escape, ao passar pelo estreito espaço que fica entre as aletas, o que faz incidir com mais força os gases sobre a turbina. Também adoptam esta posição quando se exige ao motor as máximas prestações partindo de uma velocidade baixa ou relativamente baixa, o que faz com que o motor possa acelerar de uma forma tão rápida como a exigida pelo condutor, por exemplo numa ultrapassagem ou numa aceleração brusca do veiculo.
Na figura do centro: as aletas tomam uma posição mais aberta que corresponde a um funcionamento do motor com um regime de médio de rotações e marcha normal, neste caso o turbo VTG comportar-se-ia como um turbo convencional. As aletas adoptam uma posição intermédia que não interfere na passagem dos gases de escape que incidem e sem variar a sua velocidade sobre a turbina.
Na figura da direita: as aletas adoptam uma posição muito aberta devido a que o motor gira a muitas rotações, os gases de escape entram a muita velocidade no turbo fazendo girar a turbina muito depressa. A posição muito aberta das aletas actua como um travão para os gases de escape pelo que se limita a velocidade da turbina. Neste caso, a posição das aletas realiza a função que realizava a válvula wastegate nos turbos convencionais, quer dizer, limita a velocidade da turbina quando o motor gira a altas rotações e há uma pressão muito alta no colector de admissão, isto explica por que é que os turbos VTG não têm válvula wastegate.
As posições fundamentais que podem adoptar as aletas podem ser descritas como no texto e imagem seguintes:

Na figura da esquerda: vemos como as aletas adoptam uma posição fechada que apenas deixa espaço para a passagem dos gases de escape. Esta posição é adoptada pelo turbo quando o motor gira a baixas rotações e a velocidade dos gases de escape é baixa. Com isto consegue-se acelerar a velocidade dos gases de escape, ao passar pelo estreito espaço que fica entre as aletas, o que faz incidir com mais força os gases sobre a turbina. Também adoptam esta posição quando se exige ao motor as máximas prestações partindo de uma velocidade baixa ou relativamente baixa, o que faz com que o motor possa acelerar de uma forma tão rápida como a exigida pelo condutor, por exemplo numa ultrapassagem ou numa aceleração brusca do veiculo.
Na figura do centro: as aletas tomam uma posição mais aberta que corresponde a um funcionamento do motor com um regime de médio de rotações e marcha normal, neste caso o turbo VTG comportar-se-ia como um turbo convencional. As aletas adoptam uma posição intermédia que não interfere na passagem dos gases de escape que incidem e sem variar a sua velocidade sobre a turbina.
Na figura da direita: as aletas adoptam uma posição muito aberta devido a que o motor gira a muitas rotações, os gases de escape entram a muita velocidade no turbo fazendo girar a turbina muito depressa. A posição muito aberta das aletas actua como um travão para os gases de escape pelo que se limita a velocidade da turbina. Neste caso, a posição das aletas realiza a função que realizava a válvula wastegate nos turbos convencionais, quer dizer, limita a velocidade da turbina quando o motor gira a altas rotações e há uma pressão muito alta no colector de admissão, isto explica por que é que os turbos VTG não têm válvula wastegate.

 

 

 

Se as aletas estiverem em abertura máxima, indica que há uma avaria já que a máxima inclinação só a adoptam para a função de emergência.
O funcionamento que vimos para o Turbo VTG é teórico já que o controlo da cápsula manométrica, da mesma forma que nos turbos convencionais mais modernos, se faz mediante uma gestão electrónica que se encarrega de regular a pressão que chega à cápsula manométrica nos turbos VTG e à válvula wastegate nos turbos convencionais, em todas as margens de funcionamento do motor e tendo em conta outros factores como sejam a temperatura do ar de admissão, a pressão atmosférica (altitude sobre o nível do mar) e as exigências do condutor.


As vantagens do turbo-compressor VTG advêm de se conseguir um funcionamento mais progressivo do motor sobrealimentado. A diferença dos primeiros motores dotados com turbo-compressor convencional onde havia um grande salto de potência de baixas rotações para altas, o comportamento deixou de ser brusco para conseguir uma curva de potencia muito progressiva com grande quantidade de par desde baixas rotações e mantido durante uma ampla zona do nº de rotações do motor.

O inconveniente que apresenta este sistema é a sua maior complexidade, e por isso, o preço quando comparado com um turbo-compressor convencional. Assim como o sistema de lubrificação que necessita usar óleos de maior qualidade e mudas mais frequentes.
Até agora, o turbo-compressor VTG só se pode utilizar em motores Diesel, já que nos de gasolina a temperatura dos gases de escape é demasiado alta (200 - 300 ºC mais alta) para admitir sistemas como estes.

Gestão electrónica da pressão do turbo

Com a utilização da gestão electrónica tanto nos motores de gasolina como nos diesel, a regulação do controlo da pressão do turbo já não se deixa nas mãos de uma válvula de accionamento mecânico como é a válvula wastegate, que esta submetida a altas temperaturas, e os seus componentes como: a mola e a membrana; sofrem deformações e desgastes que influem num mau controlo da pressão do turbo, além de que no têm em conta factores tão importantes para o bom funcionamento do motor como são a altitude e a temperatura ambiente.
Para descrever como funciona um sistema de regulação da pressão do turbo, temos um esquema (figura inferior) que pertence a um motor Diesel (1.9 TDi) no qual se vêem todos os elementos que intervêem no controlo da pressão do turbo. A Gestão Electrónica Diesel (EDC Electronic Diesel Control) interpõe uma electroválvula de controlo da pressão (3) entre o colector de admissão e a válvula wastegate (4) que controla a todo momento a pressão que chega à válvula wastegate. Como se vê no circuito de controlo da pressão do turbo, é similar a um circuito de controlo convencional com a única diferença da incorporação da electroválvula de controlo (3).

As características principais deste sistema são:

- Permite ultrapassar o valor máximo da pressão do turbo.
- Tem corte de injecção a altas rotações.
- Proporciona uma boa resposta ao acelerador em toda a margem de rotações.
- A velocidade do turbo-compressor pode subir até às 110.000 r.p.m.


 

A electroválvula de controlo (AMAL): comporta-se como una “chave de acesso” que deixa passar mais ou menos pressão até à válvula wastegate. Esta é comandada pela ECU (unidade de controlo) que mediante impulsos eléctricos provoca a sua abertura ou fecho. Quando o motor gira a baixas e médias rotações, a electroválvula de controlo deixa passar a pressão que há no colector de admissão através da sua entrada (1) até à saída (2) e directamente até à válvula wastegate, cuja membrana é empurrada para provocar a sua abertura, mas isto não se terá efeito até que a pressão de sopro do turbo seja suficiente para vencer a força da mola. Quando as rotações do motor são altas a pressão que chega à válvula wastegate é muito alta, o suficiente para vencer a força da sua mola e abrir a válvula para derivar os gases de escape pelo bypass (baixa a pressão de sopro do turbo). Quando a ECU considera que a pressão no colector de admissão pode ultrapassar as margens de funcionamento normais, quer seja por circular em altitude, alta temperatura ambiente ou por uma solicitação por parte do condutor de altas prestações (acelerações fortes e repentinas), sem que isto ponha em risco o bom funcionamento do motor, a ECU pode modificar o valor da pressão do turbo que chega à válvula wastegate, cortando a passagem da pressão mediante a electroválvula de controlo, fecha a passagem (1) e abre a passagem (2) a (3), pondo assim em contacto a válvula wastegate com a pressão atmosférica que a manterá fechada e assim aumenta-se a pressão de sopro do turbo.


 

Para que fique claro, o que faz a electroválvula de controlo durante o seu funcionamento, é enganar a válvula wastegate desviando parte da pressão do turbo para que esta não actue.
A electroválvula de controlo é gerida pela ECU (unidade de controlo), ligando à massa um dos seus terminais eléctricos com uma frequência fixa, onde a amplitude do sinal determina quando deve abrir a válvula para aumentar a pressão de sopro do turbo no colector de admissão. A ECU para calcular quando deve abrir ou fechar a electroválvula de controlo tem em conta a pressão no colector de admissão por meio do sensor de pressão do turbo que vem incorporado na própria ECU e que recebe a pressão através de um tubo (7) ligado ao colector de admissão. Também tem em conta a temperatura do ar no colector de admissão por meio de um sensor de temperatura (6), o nº de r.p.m do motor e a altitude por meio de um sensor que por vezes está incorporado na ECU ou fora.

No esquema abaixo temos o circuito de admissão e escape de um motor Diesel de injecção directa (TDi) que utiliza um turbo-compressor de geometria variável (VTG). Como se vê no esquema ya não aparece a válvula de descarga ou wastegate, apesar disso a electroválvula de controlo da pressão do turbo (3) continua presente e dela sai um tubo que vai directamente ao turbo-compressor. Ainda que não se veja onde liga em concreto, o tubo, está ligado à cápsula pneumática ou actuador (nº 8 no primeiro desenho). O funcionamento do controlo da pressão do turbo é muito similar ao estudado anteriormente, a diferença é que a válvula wastegate é substituída pela cápsula pneumática, ambas têm um funcionamento parecido, enquanto que uma abre ou fecha uma válvula, a outra move um mecanismo de accionamento de aletas.
Neste caso o sensor de altitude está fora da ECU (unidade de controlo).



TVG em motores a gasolina

Tal como tudo, também a tecnologia avança, e o sonho dos TVG em motores a gasolina é já uma realidade, em finais de 2006 o Porsche 911 sai para a rua com um turbo de geometria variável fabricado pela conceituada BorgWarner, detentora da marca KKK, para contornar o problema das altas temperaturas que se verificam nos motores a gasolina a BorgWarner recorreu a ligas metálicas normalmente utilizadas na aeronáutica espacial, o permitiu que finalmente um carro de série a gasolina pudesse utilizar um turbo de geometria variável, em baixo, uma imagem do interior do KKK de geometria variável utilizado no Porsche911.



Outra forma de controlar a pressão de sopro do turbo:
Até agora vimos como se usava a pressão existente no colector de admissão para actuar sobre a válvula wastegate dos turbos convencionais e na cápsula pneumática nos turbos de geometria variável. Há outro sistema de controlo da pressão do turbo (figura da direita) que utiliza uma bomba de descarga eléctrica (2) que gera uma depressão ou descarga que actua sobre a válvula wastegate (3) através da electroválvula de controlo ou actuador de pressão de sobrealimentação (1). Na figura de baixo vemos o esquema de admissão, escape e alimentação de um motor Diesel Common Rail, assim como a sua gestão electrónica. O turbo está colocado de forma similar ao visto anteriormente (não se vê o intercooler), mas não existe nenhum tubo que leve a pressão existente no colector de admissão até à válvula wastegate através da electroválvula de controlo. Aparece como novidade a bomba de descarga que se liga através de um tubo com a electroválvula de controlo (actuador de pressão) e outros elementos actuadores que são accionados por vácuo como a válvula EGR (recirculação de gases de escape). Este sistema de controlo da pressão do turbo tem como vantagem frente aos anteriormente estudados, o facto de não depender da pressão que há no colector de admissão, que em caso de rotura do tubo que transmite dita pressão se perderia parte do ar comprimido pelo turbo que tem que entrar nos cilindros e diminui a potência do motor sensivelmente.

 

 

 

 

 

 

 

 

A lubrificação do turbo

Como o turbo está submetido a altas temperaturas de funcionamento, a lubrificação dos elementos móveis (suportes e eixo comum) é muito comprometida; por ser submetido a altas temperaturas e desequilíbrios dinâmicos existe o risco de uma má escolha ou muda tardia do óleo provocar o aparecimento de película e restos de carvão nos assentos do eixo comum, o que pode provocar vibrações com distintas frequências que ao entrar em ressonância podem provocar micro-gripagens. Além de que o eixo está sujeito a todo o momento a grandes contrastes de temperatura, em que o calor do extremo mais quente é transmitido ao extremo mais frio, o vem acentuar as exigências de lubrificação, deve-se por isso utilizar óleos homologados pela API e a ACEA e ter em conta o país onde se vive.
È recomendável que após uma utilização severa do motor em percursos longos e altas velocidades, não parar de imediato o motor, deixa-lo ao ralenti durante um mínimo de 30 seg. para garantir uma lubrificação e refrigeração adequadas. A explicação é simples e pura física; o lado mais exposto ao calor (turbina) pode sobreaquecer demasiado se desligar-mos o motor de imediato depois de uma utilização intensiva do motor, tendo em conta que o óleo arde a 221ºC pode-se carbonizar o turbo.
A lubrificação nos turbos de geometria variável é ainda mais exigente, porque além das normais peças moveis do turbo tradicional, tem que lubrificar todo o conjunto da alavancas e varetas que são movidas pelo depressor pneumático, ao apanhar sujidades (impurezas de má qualidade do óleo) as guias e comportas prendem e o turbo deixa de trabalhar correctamente provocando perda de potência no motor.


Recomendações de manutenção e cuidados para os turbo-compressores

O turbo-compressor está desenhado para durar o mesmo tempo que o motor (dizem os construtores). Não necessita de manutenção especial. Para garantir que a vida útil do turbo corresponda com a do motor, devem-se cumprir as seguintes instruções de manutenção:

- Intervalos de muda de óleo curtos.
- Muda de filtro de óleo, sempre.
- Controlo da pressão do óleo.
- Manutenção do filtro de ar.

Em 90% das falhas que se produzem nos turbos as causas são:

- Penetração de corpos estranhos na turbina ou no compressor.
- Sujidade no óleo.
- Utilização de óleo desadequado.
- Altas temperaturas nos gases de escape (deficiências no sistema de ignição e alimentação).
Estas falhas podem ser evitadas com uma manutenção frequente.


O futuro do turbo-compressor

O turbo-compressor ainda não atingiu o auge da sua potência nem desenvolvimento, enumeremos agora algumas das melhorias que já se encontram em estudo e testes, algumas já se encontram mesmo em produção embora sob o olhar atento dos engenheiros.
- Fabricação do cárter (carcaça) da turbina e do colector de escape de uma só peça. Com isto pode-se poupar na selagem e fixadores (que são caros) entre o cárter da turbina e o colector de escape. Ao mesmo tempo também se reduz o peso, alem de melhorar a resposta do motor já que existe menos material para aquecer. O primeiro turbo a recorrer a esta tecnologia foi o nosso conhecido KKK16

- Redução da grossura das paredes do cárter da turbina. A consequência é um menor peso e um melhor comportamento na resposta.
- As turbinas de liga de titânio e alumínio são mais leves que as rodas de aço de grande qualidade. Isto também favorece o comportamento de resposta do motor, porque o turbo-compressor acelera mais rapidamente.
- A geometria variável do cárter da turbina melhora o rendimento de um turbo-compressor e, por tanto, do motor com respeito a todo o regime de rotações. No motor Diesel estes turbo-compressores já se utilizam com bons resultados, em motores de gasolina ainda não, ainda falta aperfeiçoar melhor as características térmicas dos materiais com que são construídos.
- A colocação de dois turbo-compressores pequenos (em vez de um grande) sobre tudo em motores em "V" ou motores que tenham 6 ou mais cilindros. Também a utilização de motores biturbo com turbos geminados ou escalonados (figura inferior) que utilizam um turbo pequeno para quando o motor funciona a baixas r.p.m. e um turbo maior para quando o motor funciona a altas r.p.m.

 

Aqui ficam mais uns videos sobre o funcionamento do trubo TGV:

 

 

publicado por adm às 19:34
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