Explicação detalhada do turbocompressor de seção transversal variável VGT

A tecnologia de turboalimentação de seção transversal variável VGT é comum em motores diesel, e qual é o papel de alguns?

Com o desenvolvimento da tecnologia, os requisitos das pessoas para os motores de automóveis estão se tornando cada vez mais exigentes, não apenas para terem uma potência forte, mas também para terem uma eficiência muito alta e emissões limpas o suficiente. Isso exige que o motor em uma variedade de condições de trabalho possa atingir sua condição de trabalho mais eficiente, por isso deve atender o motor sob diversas condições de operação para a demanda de entrada de ar. Isto exige que os componentes do motor sejam “variáveis” para atender às condições sob diferentes condições de operação. Por exemplo, estamos familiarizados com a tecnologia de comando / elevação de válvula variável, e a tecnologia de coletor de admissão variável é assim. Então, no motor diesel comum tecnologia de turboalimentação de seção transversal variável VGT, e qual é o papel de alguns? Vamos descobrir abaixo.

'O gás de exaustão aciona a turbina, e a turbina aciona o impulsor para pressurizar o ar, aumentando assim efetivamente o volume de admissão'

A tecnologia de turboalimentação é uma das tecnologias comuns no motor e seu princípio é na verdade muito simples: o O turboalimentador equivale a uma bomba de ar acionada pelos gases de escape emitidos pelo motor. Em todo o processo de combustão do motor, cerca de 1/3 da energia vai para o sistema de refrigeração, 1/3 da energia é usada para empurrar o virabrequim e o último 1/3 é descarregado com os gases de escape. Pegue um motor de 200 kW, por exemplo, de acordo com a relação acima mencionada, ele consumirá cerca de 70 kW de potência no escapamento. Uma grande parte desta energia é consumida na forma de energia térmica com os gases de escape de alta temperatura, e a energia cinética dos próprios gases de escape pode ser de apenas dez quilowatts. Mas não subestime esses dez quilowatts, para saber que a potência do ventilador doméstico é de apenas 60 watts! Em outras palavras, mesmo dez quilowatts são suficientes para acionar mais de duzentos ventiladores elétricos! Pode-se imaginar que o efeito de sobrealimentação trazido pela turbina de gases de escape para movimentar o ar é muito impressionante.

'Tecnologia de turbinas gêmeas paralelas da BMW'

Embora a energia de exaustão do motor sob plena carga seja muito impressionante, quando a rotação do motor é baixa, a energia de exaustão é muito pequena. Neste momento, o o turbocompressor não consegue atingir a velocidade de trabalho devido à força motriz insuficiente. Como resultado, o turbocompressor não pode desempenhar um papel em baixa velocidade. Neste momento, o desempenho de potência do motor turboalimentado é ainda menor do que o de um motor naturalmente aspirado com a mesma cilindrada, que é o que costumamos chamar de fenômeno 'Turbo lag'.

'A turbina de pequeno porte do motor Volkswagen 1.4TSI tem baixa inércia de partida'

Para motores turboalimentados tradicionais, uma maneira de resolver o fenômeno da histerese da turbina é usar turbinas leves de pequeno porte. Em primeiro lugar, as turbinas pequenas têm um pequeno momento de inércia, de modo que a turbina pode atingir a melhor velocidade de trabalho em baixas rotações do motor, melhorando assim efetivamente o fenômeno da histerese da turbina. No entanto, o uso de pequenas turbinas também tem suas desvantagens: quando o motor está em alta velocidade, a pequena turbina aumentará a resistência de escape (contrapressão de escape) devido à pequena seção transversal de escape, de modo que a potência máxima e o torque máximo do motor serão afetados até certo ponto. Para uma turbina grande com pequena contrapressão, embora possa ter excelente efeito de superalimentação em alta velocidade e o motor tenha desempenho de potência mais forte, a turbina é mais difícil de acionar em baixa velocidade, então a histerese da turbina será mais óbvia.

'A Porsche aplicou tecnologia de turbina de seção variável em motores a gasolina'

A fim de resolver esta contradição e garantir um bom efeito de sobrealimentação do motor turboalimentado em altas e baixas velocidades, a Geometria Variável A tecnologia de turboalimentação de seção transversal variável Turbocharger (VGT) ou VNT surgiu. No campo dos motores diesel, a tecnologia de turboalimentação de seção variável VGT tem sido amplamente utilizada. Como a temperatura de exaustão do motor a gasolina é muito superior à do motor a diesel, atingindo cerca de 1000°C (cerca de 400°C para o motor a diesel), e o material de hardware utilizado pelo VGT é difícil de suportar um ambiente de temperatura tão alta, a tecnologia foi atrasada na aplicação do motor a gasolina. Nos últimos anos, a BorgWarner uniu forças com a Porsche para superar esse problema, usando tecnologia de materiais de aviação resistentes ao calor para desenvolver com sucesso o primeiro motor a gasolina com turboalimentador de seção transversal variável, que a Porsche chama de tecnologia de pás de turbina variável VTG (Variable Turbine Geometry).

Usando dois turbocompressores de seção variável VTG, o Porsche 911 Turbo produz uma potência máxima de 368 kW/6.000 rpm e um torque máximo de 650 Nm/1.950-5.000 rpm usando apenas um deslocamento de 3,8 litros. No modo sobrealimentado, a potência é aumentada para 390 kW e o torque máximo é aumentado para impressionantes 700 Nm, enquanto a potência em litros também atinge impressionantes 102,6 kW/L. O melhor de tudo é que este motor, com a ajuda da tecnologia VTG, pode manter um torque máximo de 650 Nm entre 1.950 e 5.000 rpm, e o atraso da turbina é quase imperceptível em baixas rotações.

Do ponto de vista do princípio, não há diferença essencial entre a tecnologia VGT do motor diesel e o VTG da Porsche, e o princípio básico e a estrutura são semelhantes. A seguir, daremos uma olhada no princípio de funcionamento dos turbocompressores de seção variável através da tecnologia Porsche VTG.

'As pás vermelhas na parte externa da turbina na imagem são as pás guia'

A parte central da tecnologia VGT é a lâmina guia com seção de correntes parasitas ajustável. Como pode ser visto na figura, uma lâmina guia com ângulo controlado pelo sistema eletrônico é adicionada na parte externa da turbina. A posição relativa da lâmina guia é fixa, mas o ângulo da lâmina pode ser ajustado. Controle o fluxo e a velocidade do gás que flui através das pás da turbina, controlando assim a velocidade da turbina. Quando a pressão de escape do motor é baixa em baixa velocidade, o ângulo de abertura da lâmina guia é pequeno.

'Uma turbina típica não possui estrutura de palhetas'

De acordo com o princípio da mecânica dos fluidos, neste momento, a vazão de ar na entrada da turbina será acelerada e a pressão na turbina será aumentada, de modo que a turbina possa ser acionada mais facilmente para girar, de modo a reduzir efetivamente o fenômeno da histerese da turbina e melhorar o tempo de resposta e a capacidade de aceleração do motor em baixa velocidade. Com o aumento da velocidade e da pressão de exaustão, o ângulo de abertura das pás aumenta gradativamente. Sob carga total, as pás permanecem totalmente abertas, reduzindo a contrapressão de exaustão e, assim, alcançando o efeito de sobrealimentação de uma grande turbina geral. Além disso, como a mudança do ângulo da pá pode controlar efetivamente a velocidade da turbina, o que também realiza a proteção contra sobrecarga da turbina, de modo que o turboalimentador que utiliza a tecnologia VGT não precisa ajustar a válvula de alívio de pressão de exaustão.

Deve-se ressaltar que os turbocompressores de seção variável VGT só podem alterar as características da turbina alterando a área transversal da entrada de escape, mas o tamanho da turbina não mudará. Se compreendido a partir do valor A/R da turbina, o princípio das turbinas de seção variável será mais intuitivo.

'Há também fabricantes que chamam essa tecnologia de VNT, como Volvo e Audi, que são essencialmente a mesma'

O valor A/R é um importante indicador do turboalimentador, que é utilizado para expressar as características da turbina, sendo frequentemente indicado no folheto de vendas do turboalimentador no mercado de retrofit. A representa a região Aera, que se refere à área de seção transversal mais estreita na entrada do lado de exaustão da turbina (ou seja, 'seção transversal' na tecnologia de turbina de seção transversal variável), e R (Raio) significa raio, que se refere à distância do ponto central da área de seção transversal mais estreita na entrada até o ponto central do corpo da turbina, e a relação entre os dois é o valor A/R. Relativamente falando, o impulsor do compressor não é muito afetado pelo valor A/R, mas o valor A/R é muito importante para a turbina de exaustão.

A abertura da lâmina guia pode afetar a velocidade do ar da lâmina guia da turbina. A abertura da lâmina guia é pequena em baixa velocidade (conforme imagem superior esquerda), o que aumenta a velocidade do ar; a abertura da lâmina guia é grande em alta velocidade (como mostrado na imagem superior direita) e a pressão negativa de exaustão é reduzida.

Quando o valor A/R é menor, significa que a taxa de fluxo dos gases de escape através da turbina é maior, o que pode efetivamente reduzir a histerese da turbina, e a turbina pode obter maior sobrealimentação na região de velocidade mais baixa, enquanto o motor produzirá maior contrapressão de escape em alta velocidade, de modo que a potência seja limitada em alta velocidade. Pelo contrário, quando o valor A/R é maior, a velocidade de resposta da turbina é mais lenta e a histerese da turbina é óbvia em baixa velocidade. Porém, em alta velocidade, a turbina tem menor contrapressão de exaustão e pode aproveitar melhor a energia de exaustão, obtendo assim um desempenho de potência mais forte.

A secção variável obtida pela tecnologia VGT significa alterar o valor A. Quando o ângulo da pá é pequeno, a área de corte transversal da entrada de exaustão será reduzida de acordo, então o valor A mudará de acordo, e a pequena turbina terá as características de resposta rápida. Quando o ângulo da lâmina aumenta, o valor A aumenta e o valor A/R aumenta, obtendo assim uma potência mais forte em alta velocidade. Em resumo, ao alterar o ângulo das pás, o sistema VTG pode alterar o valor A/R da turbina de exaustão a qualquer momento, levando em consideração as vantagens das turbinas grandes e pequenas.

Embora a estrutura e o princípio sejam muito simples, mas a tecnologia de turbina de seção variável VGT para o efeito de impulso é muito significativa, no atual motor diesel turboalimentado convencional, essa tecnologia tem sido amplamente utilizada. No entanto, devido às limitações dos materiais de hardware, esta tecnologia apenas começou em motores a gasolina com temperaturas de escape mais elevadas, e pode-se dizer que a cooperação entre a Porsche e a BorgWarner criou um precedente. No entanto, com o avanço da tecnologia de materiais, esta tecnologia será mais amplamente utilizada em futuros motores a gasolina.