Turbo e sobrealimentação IMT 2009

Sobrealimentação em Motores a combustão Interna. Junho / Julho de 2009.

1 turbochargers & t urbocha urbocharging rging

P r o g r a m a d o cu cu r so • Intr Introd oduç ução ão e His Histó tóri ria a da Sob Sobre real alim imen enta taçã ção o (I); (I); • Prin Princí cípi pios os de func funciionam onamen ento to (I); I); • Inte Interração ação do turb turbo o com com o mot motor or (I); I); • Comp Compone onent ntes es prin princi cipa pais is e det detal alhe hess con const stru rutitivo voss (II) (II);; • Roto otordynamics e ruído (II); • Compressores (III); • Turbinas (III); • Matching (IV); • Novas Tecnologias (IV).


Histórico


H i st ó r i co d a Tu r b o a l i m e n t a çã o . •Dr. Otto inventou o motor a combustão interna de quatro tempos-1876; •Herbert Akroyd-Stuart patenteou o motor a ignição por compressão 1890; •Dr. Diesel patenteou o motor a combustão por compressão -1896; •Dr. Büchi patenteou o primeiro compressor acionado por turbina em 1905 na Suíça; •Lee Chadwick iniciou a produção do primeiro veículo que alcançava 100 mph (160 km/h) com sobrealimentação em 3estágios1907.

4 turbochargers & t urbocharging

H i st ó r i co d a Tu r b o a l i m e n t a çã o . • 1920: O Bi plano LePere estabelece o recorde de altitude com um motor turbo – cerca de 11.000m; • 1925: Dois navios Alemães são equipados com dois motores de 2.000 CV; • 1940: Turbocompressores começam a ser largamente utilizados em aplicações marítimas e aeronáuticas; • 1955: O Caterpillar D9 é o primeiro veículo Americano a usar um motor turbo; • 1962: O Oldsmobile Jetfire é o primeiro automóvel com motor turbo com produção em escala; • 1974: A Porsche apresenta a versão turbo do 911 na salão de Paris; • 1977: A Renault introduz o turbo na Fórmula 1.


H i st ó r i co d a Tu r b o a l i m e n t a çã o . • 1978: Mercedes-Benz lança 300 TD; • 1979: Primeira vitória de um veículo turbo numa prova do mundial de Rally; • 1983: Nelson Piquet é o primeiro campeão mundial de F1 com um motor turbo - BMW; • 1995: Primeiro aplicação em larga escala da tecnologia VNT – geometria variável de turbina – nos motores TDi da VW; • 1998: Segunda geração de VNTs em carros de passageiros na Europa; • 2000: Início da utilização de geometria variável em veículos comerciais; • 2001: A VW lança o Gol Turbo no Brasil; • 2004: A BMW introduz a terceira geração de turbina com geometria variável.


H i st ó r i co d e f a b r i ca n t e s • BorgWarner – Fusão da americana Schwitzer, fundada por Louis Schwitzer em 1918, com a alemã KKK, fundada em 1899 por Kühnle, Kopp & Kausch. Ambas iniciam produção de turbocompressores em 1952. • Garrett – Fundada por Cliff Garrett nos EUA em 1936, com início de produção de turbocompressores em 1953. • Holset – Fundada em 1952 na Inglaterra por W.C.Holmes e Paul Croset. JV com a Schwitzer em 1957 para produzir e desenvolver turbos para o mercado europeu. • MHI – Parte da Mitsubishi Heavy Industries iniciou a produção de turbocompressores em 1957 no Japão. • IHI – Toyota – Hitachi; • New comers : Continental, Bosch / Mahle; • Brasileiros: Master Power e Biagio. 7 turbochargers & t urbocharging

Princípio de Funcionamento


M ét o d o s d e So b r e al i m e n t a çã o .

Turbocompressor

Compressor Mecânico


Métodos de Sobrealimentação


Co m p r e sso r M ecâ n i co - Ro o t s .


Co m p r e sso r M ecâ n i co - Pa r a f u so .


Comprex.


V isã o Ge r a l d o Tu r b o c o m p r e sso r .


Tu r b o c o m p r e sso r v e r su s Cp M ecâ n i c o . Tipo de Sobrealimentador

Roots (Eaton)

Screw (Lysholm)

Categoria

Deslocamento Positivo 10 PSI (0.7 bar) Bom 14,000 RPM Pobre Nenhuma 50% 97° C Moderado

Deslocamento Positivo com compres. Interna 22 PSI (1.5 bar) Bom 16,000 RPM Moderado até 2.5 70% 70° C Alto

Alta/Moderada Moderado Moderado Moderado Médio +20%

Capacidade de Pressão Pressão em baixas rotações Rotação Máxima típica Ruído Relação de Pressões interna Eficiência do Compressor Aumento de Temp. @ 10 PSI Energ. do Rotor (Desgast. Embr) Perdas parasitas em carga parcial Facilidade de controle Facilidade de fabricação Custo Tamanho relativo Aumento de Pot. p/ cada 1 Liter

200 HP 1500KG

Centrífugo

Turbocharger

Aerodinâmico

Aerodinâmico

10 PSI (0.7bar) Bom 60,000 RPM Bom N/A 75% 65° C Moderado/Alto

30-42 PSI (2.1 – 2.9 bar) Pobre/Mediano 160,000 – 200,000RPM Bom N/A 75% 65° C N/A

Alta/Moderada

Baixa

Nenhuma

Moderado Especializado Alto Médio +25%

Moderado Moderado Moderado Pequeno +25%

Difícil Difícil Moderado Pequeno +++25%

Aspiração Natural

Roots (Eaton)

Screw (Lysholm)

Centrífugo

Turbocharger

23 MPG 9.8 km/l

24 MPG 10.2 km/l

25 MPG 10.6 km/l

24 MPG 10.2 km/l

27 MPG 11.5 km/l


Turboalimentação e Turbocompressores


M o t o r e s Tu r b o .


M o t o r e s Tu r b o

Motor Porsche Motor Audi


T u r b o n a FF- 1

Formula 1 Specific Power Motores turbo

500 400 ) l 300 / W k 200 (

Specific Power

100 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Years Years

Turbocompressores


V i st s t a em e m Co r t e Lo Lo n g i t u d i n a l


“Engine Downsizing”


Em i s sõ e s g l o b a i s

140

The Auto-Oil II Program me (Working Group 7) Transport Base Case Emission Profiles --EU9 Selected Pollutants (4/7)

Base Case --Transport Sector Emissions - EU Overview

120

) 0 0 100 1 = 0 9 9 1 ( 80 s e c i d n 60 I n o i s s i m 40 E 20

0 1990

1993

1996 CO

1999 Nox

2002

2005

VOC

2008 PM

2011 SO2

2014

2017

2020

CO2


O q u e é a Tu r b o a l i m e n t a çã o ? Fluxo de Ar Pressurizado.

Motor Charge Air Cooler

Turbina

Melhora Cons.Comb. / Reduz Emissões +8-15% Gasolina +15-20% Diesel

Compressor Gases de Escape do Motor.

EGR Cooler Entrada de ar filtrado

Gases de escape do motor.

•Turbos em mais de 20 milhões de carros a diesel e mais de 4 milhões de veículos a gasolina em todo o mundo. •Motores ciclo Otto com turbo devem ter sua penetração atingindo até 25% em 2012, por causa da redução do tamanho dos motores – “engine downsizing” e redução de CO2 principalmente na Europa. •Penetração ainda significativa dos carros de passeio Diesel na Europa. Turbos são INDISPENSÁVEIS para motores diesel. 24

turbochargers & t urbocharging

M e l h o r a n d o co n s .d e c o m b . e Em i s sõ e s d e CO2 a t r a v é s d a Tu r b o a l i m e n t a çã o ? Turboalimentar significa aumentar a performance do motor. Ter o mesmo desempenho com um motor menor, utilização mais eficiente do combustível. V6

L4 Turbo

V8

V6 Turbo

10-20% Red. consumo •Desempenho equivalente (CV, Torque, 0-60) •Mesmo veículo (sem comprometer segurança e conforto) •Mesmo custo do veículo (motor peq + turbo = motor grande) 25 turbochargers & t urbocharging

O e f ei t o t u r b o DOWNSIZING em gasolina

DIESEL vs. GASOLINA

Saab Motor BMW 325

Saab 9-3 2.0 L Turbo

HP

Torque [Nm]

184 2.8L NA

175

205

209

Golf Econ. De Comb cid/estrada

Motor

HP

0-60 MPH

Econ. De Comb cid/estrada

19/27 mpg 8.1/11.5 km/l

2.3L I5 Gas

150

8.8 sec

18/32 mpg 7.7/13.6 km/l

1.9L I4 TDI

150

8.6 sec

33/54 mpg

23/33 mpg

14/23 km/l

9.8/14 km/l

Fonte: VW

Dados Públicos de fabricantes.

Melhor Melhor Desempenho Desempenho & & 20% 20% de de economia economia de de combustível combustível Com Com oo motor motor Downsized Downsized Turbo Turbo

Até Até 50% 50% de de redução redução de de consumo consumo com com oo motor motor turbo turbo Diesel Diesel


O e f ei t o t u r b o DOWNSIZING em Gasolina

DIESEL vs. GASOLINE

Fuel Economy - MY 2000-01 NA

28 g 27 p m26 ( y 25 m o 24 n o c 23 E l e 22 u F 21 20 145

TC

Linear (TC)

Linear (NA) Km/l 11.9

11.1

10.2

9.4

Km/l

) 60 g p m ( n 50 o i t p m 40 u s n o C 30 l e u F

25.5 Diesel Better

8.5

20 8.5

170

195

220

0

30

60

90

120

150

180

Power (kW)

Rated Power HP

• Potência igual; • Cilindrada menor; • 10% de Red. de Consumo

Gasoline

Worse

• Mesmo veículo; • Potências equivalentes; • Diesel com cons. de até 60% melhor. 27 turbochargers & t urbocharging

O e f ei t o t u r b o Fuel Economy MY 1992-93 NA

TC

Fuel Economy - MY 2000-01

Linear (TC)

Linear (NA) NA

30 29 28 ) 27 g p 26 m 25 ( y 24 m 23 o n 22 o c 21 E 20 l e 19 u F 18 17 16 15

TC

Linear (TC)

Linear (NA)

28

g 27 p m 26 ( y 25 m o 24 n o c 23 E l e 22 u F 21 20 145

150

175

200

225

170

250

195

220

Rated Power HP

Rated PowerHP

Engine Size - MY 2000-01

Engine Size MY 1992-93 NA

TC

Linear (TC)

Linear (NA)

NA

4

Linear (NA)

Linear (TC)

3.4

) s r e t 3 i L ( t n e 2.6 m e c a 2.2 l p s i D

) 3.5 s e r t i 3 L ( t n e 2.5 m e c a 2 l p s i D 1.5

1.8 150

1 150

TC

175

200

225

250

Rated Power HP turbochargers & t urbocharging

175

200

Rated PowerHP

225

28

I m p a ct o em CO2 Green 200

180

160

140 ] p H [ r 120 e w o P

100

80

60

40 100

120

140

160

180

200

220

240

260

CO2 [g/km] Turbo Gasoline

Turbo Diesel

Gasoline

Linear (Turbo Gasoline)

Linear (Turbo Diesel)

Linear (Gasoline)


En g i n e D o w n s i zi n g

Same Torque Three Mechanisms • Funcionamento em cargas maiores; • Menos atrito • Relação superfície/volume, menor perda de calor.

SAE 2001-01-3192


30

Re l a ç ão d e Co m p r e ss ã o


En g i n e D o w n s i zi n g Fonte: Produção de veículos de Março de 2002.

Turbo Waste-Gate

Motor

Potência

0-60 MPH

Cons.Combust. cid/estrada

3L V6

200

10.0 seg.

18/24 mpg

2L I4 turbo

185

9.8 seg.

2.3L I4 NA

150

11.4 seg.

2L Turbo / 2.3 L NA

+ 24%

+ 14%

2L Turbo / 3 L NA

- 7%

Futuro com Melhora esperada Geometria Variável Versus Wastegate Turbo

10% to 20%

+ 2%

15% to 30 %

7.7/10.2 km/l

22/27 mpg 9.4/11.5 km/l 21/25 mpg 8.9/10.6 km/l

+ 5% / + 8 % + 22% / + 12%

5% to 15%





Motor

HP

2.0L NA

115

0 - 60 Torque mph. (ft/lbs..............) (sec) 122

10.6

165 Nm

1.8L Turbo

Família de Motores Turbo

150

162

170

166

8.2

180

173

7.8

225

207

0.74

27 mpg 26 mpg 11.1 km/l

7.7

235 Nm

1.8L Turbo

27 mpg

11.5 km/l

225 Nm

1.8L Turbo

CO2 (lbs./mile)

11.5 km/l

220 Nm

1.8L Turbo

Consumo Combust. 55/45

26 mpg 11.1 km/l

6.7

281 Nm

24 mpg 10.2 km/l

0.209 kg/km

0.74 0.209 kg/km

0.76 0.214 kg/km

0.76 0.214 kg/km

0.82 0.231 kg/km

Fonte: VW / Audi


En g i n e D o w n s i zi n g Benefícios do Turbo

OEM

Família De Motores

Motor

Performance Equivalemte

Ganho Ganho de Red. Em ac. De Pot. Torque De 0 - 60 [s]

Ganho em Cons.

Reducão de Emis. CO2.

Redução De Massa

Ao MotorAN Comparado com 2.0L AN

Comparado ao equivalente AN

2.0L NA

2.0L I4

---

---

---

---

---

---

1.8L Turbo

2.4L I4

+35 30%

+40 33%

-2.4 sec -23%

+2 mpg 8%

-0.1 -12%

---

1.8L Turbo

2.8L V6

+55 48%

+44 36%

-2.8 sec -26%

+2.5 mpg 11%

-0.125 -14%

-5-20 lbs

1.8L Turbo

3.0L V6

+65 57%

+51 42%

-2.9 sec -27%

+3.75 mpg 17%

-0.19 -20%

-30-50 lbs

1.8L Turbo

3.2 V6

+110 96%

+85 70%

-3.9 sec -37%

+1 mpg 4%

-0.04 -5%

-30-50 lbs

2.3 – 9 kg

13 – 23 kg

13 – 23 kg

Fonte: VW - Audi

1.8 1.8 L L Turbos Turbos Mostram Mostram Performance Performance Superior Superior que que os os 2L 2L AN AN ee Melhor Melhor cons. cons. De De combust. combust. ee Emissões Emissões que que motores motores Equivalentes Equivalentes turbochargers & t urbocharging

35

Si t u a çõ e s d e M e r ca d o s Volume de Motores na Comun. Européia e porcentagem de motores sobrealimentados. 16

2,5

14

) s12 n o i l l i 10 m ( s 8 e l a 6 S U4 E 2

2,25

Part. S/Alim. 25-30%by 2010

Cilindrada (L)

2

1,75

Part. S/Alim. 13%by 2005

) L ( t n e m e c a l p s i D 15%

0 1995

Aceitação de turbos na América do Norte

Penetração de marcas Eur. nos US

1,5 2000

2005

2010

Year

A Europa tem adotado a turboalimentação por performance (fun-to-drive!) ao mesmo tempo que melhorando emissões de CO 2 .

s 10% e l a S S U f 5% o %

Mot. S/Alim. são 20% dos veículos Europeus.

0% 1990

1995

2000

Year


Si t u a çõ e s d e M e r ca d o s

1.8L 1.8L (180Hp) (180Hp) Benefícios Benefícios do do Turbo Turbo versus versus 3.0L 3.0L V6 V6 AN. AN.

3,1

Na Na mesma mesma Performance Performance 17% 17% de de red. red. de de cons. cons. 20% 20% de de red. red. de de C02 C02

2,9 2,7

] 2,5 l [ a d 2,3 a r d 2,1 n i l i C1,9 1,7

25 kg 25 kg de de red. red. massa massa 23 Kg Redução Redução de de custos custos

Cilindrada Salva.

Melhor Melhor segurança segurança Fun-to-drive! Fun-to-drive! Faixa de Performance dos 1.8L Turbo

1,5 115

150

170

180

Potência [CV]


B en e f íci o s d o Tu r b o Co m p r e ss o r Meio Meio Ambiente Ambiente •• Redução Redução de de Cons. Cons. Combust. Combust. •• Redução Redução de de CO CO22 •• Redução Redução de de Massa Massa

Performance Performance •• Excede Excede expectativas expectativas de de performance performance p/ p/ linhas linhas de de prod. prod. •• Aumento de Torque e Aumento de Torque e Potência. Potência.

Benefícios Benefícios dos dos Motores MotoresTurbo Turbo

Manufatura Manufatura // Custos Custos •• Redução Redução de de custos custos versus versus aumento aumento de de núm. núm. de de cil. cil. •• Suporta racionalização Suporta racionalização de de plataformas. plataformas.

Segurança Segurança •• Otimização Otimização do do compartimento compartimento do motor do motor •• Atende Atende req. req. de de cons. cons. de de comb comb sem sem sacrificar sacrificar segurança. segurança.

Marketing Marketing •• Drive-ability Drive-ability •• Permite Permite diversas diversas variações variações na na mesma mesma plataforma. plataforma.


Sumário • 9000 Litros de ar para cada litro de gasolina • 20000 Litros de ar por Litro de Diesel; • Turboalimentação e gerenciamento inteligente de fornecimento de ar estão sendo as novas diretrizes de desenvolvimento; • Turboalimentção é benéfica para motores cilco Otto e Diesel; • Turboalimentação e Engine Downsizing - 10 to 15% em redução de consumo de combustível; • Turbodiesel é de 30 a 60% melhor em consumo de combustível que o correspondente motor a gasolina; • Wastegate e VNT trouxeram melhorias substanciais à turboalimentação convencional; 39 turbochargers & t urbocharging

Principais Componentes


Pr i n c i p a i s Co m p o n e n t e s 1 – Carcaça da Turbina 2 – Colar 3 – Anel de Pistão – Turbina 4 – Anel de Pistão – Compressor 5 – Porca Frenante 6 – “O” Ring Prato e Central 7 – “O” Ring Ccp e Prato 8 – Mancal Radial 9 – Mancal de Encosto 10 – Proteção Térmica 11 – Parafusos 12 – Placas de Aperto – Compr. 13 – Placas de Aperto – Turbina 14 – Anéis de Retenção 15 – Conj. Eixo e Rotor Turb. 16 – Espaçador 17 – Carcaça do Compressor 18 – Rotor do Compressor 19 – Prato do Compressor 20 – Carcaça Central 21 – Parafusos M.Encosto


D e sa f i o s e Co n s i d e r a ç õ e s Stress centrífugo Vibração

Oxidação

Alta temperatura

Temperatura cíclica Desgaste turbochargers & t urbocharging

42

Pr i n c i p a i s Co m p o n e n t e s Principais Características Necessárias para os principais componentes:

Carcaça de Turbina: • Resistência a Oxidação; • Resistência a trincas; • Resistência e ductilidade em toda a faixa de temperaturas; • Estabilidade geométrica em altas temperaturas.

Rotor de Turbina: • Resistência a Oxidação; • Bom acabamento superficial; • Resistência em altas temperaturas; • Estabilidade geométrica em altas temperaturas; • Resistência a fadiga;

Carcaça de Compressor: • Bom acabamento superficial; • Resistência a impactos; • Estabilidade geométrica em temperaturas limite.

Rotor de Compressor: • Bom acabamento superficial; • Resistência a fadiga; • Estabilidade geométrica em temperaturas limite.

Carcaça Central: • Boa usinabilidade; • Bom acabamento superficial;


Compressor Carcaça do Compressor • Fundida em liga de Alumínio e raramente em ferro. O alumínio tem como vantagens o peso, limite de tensão moderado e é fácil de fundir. • Tem boa condutibilidade térmica, relativo baixo custo. • Fundição em areia ou coquilha e mais raramente injeção; • É um componente estrutural; • É um componente se segurança com relação à contenção de estilhaços do rotor de compressor. • Deve ter estabilidade dimensional pela pequena folga entre o rotor e ela. • Resistente a temperaturas de até 220 C.

Prato do Compressor • Fundido em liga de Alumínio; • Fundição em areia, coquilha ou injetado; • É um componente estrutural; • É um componente se segurança com relação à contenção de estilhaços do RCp • Estabilidade dimensional e o mesmo limite de temperatura. 44 turbochargers & t urbocharging

Ro t o r d e Co m p r e sso r

Rotor do Compressor • Fundido em liga de Alumínio, como C354 ou 355; • Fundição com modelo de borracha e molde de gesso perdido; • É um componente de performance; • Necessitam de tratamento térmico para garantia de durabilidade. • Necessita de tratamentos especiais para redução de inclusões e porosidades; • Temperaturas de trabalho de até 220 C. • Dependendo do nível de exigência da aplicação, processos e materiais alternativos poderão ser necessários.


Ro t a çã o M áx i m a p e r m i t i d a p o r v i b r a çã o Freqüência [Hz] Rotação Máxima Permitida

Série1 Série2 Terceiro Harmônico Quarto Harmônico Quinto Harmônico Sexto Harmônico

Freqüência Natural de Vibração

Rotação [rpm] turbochargers & t urbocharging

46

Co m p r e sso r – Lo w Cy c l e Fa t i g u e Rotação Máxima [rpm]

Ciclo severo Ciclo leve

Rotação Mínima [rpm]

Tempo =>

• Ciclo severo é caracterizado pela grande amplitude e freqüência na variação da rotação do turbo. • Aplicações características que requerem cuidados especiais sob esse aspecto são: ônibus urbanos, lotações, pás carregadeiras. • Normalmente requerem soluções especiais na definição do rotor de compressor como material empregado e processo de fundição e/ou fabricação. 47 turbochargers & t urbocharging

Co m p r e sso r – Lo w Cy c l e Fa t i g u e


Co m p r e ss s s o r – L o w Cy c l e F a t i g u e


Ex p e ct c t a t i v a d e v i d a – R o t o r d e Co Co m p r e ss ss o r 1000 kkm

I – Alum Alumín ínio io – fund fundiç ição ão std std IV – Titâni Titânio o usin usinado ado IV Vida* 100 kkm

I

10 kkm Rotação Máxima [rpm] * - Vida calculada baseada no ciclo gravado e para uma taxa de falhas definida, B05, B2 ou B5, etc... turbochargers & t urbocha urbocharging rging

50

R o t o r d o Co Co m p r e ss sso r Elementos importantes de projeto: • FEA – caracterí característic sticas as de stress stress no cubo e nas pás pás (stress (stress triaxial triaxial); ); • Ciclo Ciclo de utiliz utilizaçã ação o – defini definido do para para cada cada aplicaç aplicação; ão; • Testes Testes em bancada bancada de cada desenho desenho para definiçã definição o de vida; • Testes Testes de corpos corpos de prova dos materia materiais is utilizados utilizados;; • Feedback de falhas em campo campo para calibração calibração do software de previsão de vida. • Interação entre grupos de aero aero e mecânica nas definições de “Blade Shape Shape e distribuição de espessura.


Ro t o r d e Tu r b i n a Rotor de Turbina • Fundido em ligas com base em níquel, pois possuem muito boa resistência à oxidação em altas temperaturas; • Muito boa resistência e ductilidade moderada; • Muito bom acabamento superficial; • Processo de fundição normalmente é o de cera ou plástico perdido. • Ponto de fusão dessas ligas dá uma boa margem para a maioria das aplicações; • Temperaturas de trabalho de até 950 C. • Difíceis de usinar e de alto custo pelo teor de níquel; • Definição das áreas de remoção para balanceamento; • Possibilidade de “cutback” para refinamento do matching; • Baixa inércia. 52 turbochargers & t urbocharging

Ro t a çã o M áx i m a p e r m i t i d a p o r v i b r a çã o Freqüência [Hz] Exemplo de Rotação Máxima Permitida

Série1 Série2 Terceiro Harmônico Quarto Harmônico Quinto Harmônico Sexto Harmônico

Freqüência Natural de Vibração

Rotação [rpm] turbochargers & t urbocharging

53

Ro t o r e s d e Tu r b i n a 650 C 500 C

• Grande gradiente térmico; • Vibrações tanto na entrada quanto na saída das pás limita rotação; • A lingüeta da carcaça da turbina também excita a entrada do rotor; • Pás-guia dos desenhos com geometria variável excitam a pás em vários harmônicos.

250 C


Ro t o r e s d e Tu r b i n a - H CF

Primeiro Modo de Vibr.

Segundo Modo de Vibr. turbochargers & t urbocharging

Terceiro Modo de Vibr.

55

Ca r c aç a s d e T u r b i n a Carcaças de Turbina • Fundidas com diversos elementos de liga tendo como base o ferro fundido nodular, dependendo da máxima temperatura alcançada pela aplicação; • Muito boa resistência e ductilidade; • Muito bom acabamento superficial; • Boa resistência a oxidação; • Processo de fundição normalmente é em areia ou “Shell molding”; • Facilidade de fundição e usinagem de alta a moderada; • Custo moderado. • É um componente se segurança com relação à contenção de estilhaços do rotor de compressor; • Componente estrutural; • Vários graus de complexidade, desde as volutas abertas sem controle, até as de geometria variável com “waste-gate”; • Ligas ferríticas e austeníticas. 56 turbochargers & t urbocharging

D em a i s co m p o n e n t e s Carcaça Central • Fundida em ferro fundido cinzento; • Fundição em areia ou Shell molding; • Componente estrutural mas não exposto a altas temperaturas;

Mancais • Mancais Radiais normalmente usinados à partir de barras de cobre; • Mancais de encosto normalmente fabricados em Cobre, podem também ser de ferro, à partir de um bruto sinterizado; • O cobre apresenta alta condutividade térmica, custo moderado, boa resistência à corrosão e boas propriedades para mancais. Eixos, colares e espaçadores em aço, componentes do “waste-gate” em aço inoxidável, atuadores pneumáticos em chapa. 57 turbochargers & t urbocharging

Si st e m a d e M a n ca i s Fl u t u a n t e s

Wheel Overhang turbochargers & t urbocharging

58

V ist a em Co r t e Figure 7.1.1a: Areas of Collection of Oil Contamination Particles

Entr. de Óleo

Mancal de Encosto

Mancais Radiais Saída. de Óleo turbochargers & t urbocharging

59

Si st e m a d e M a n ca i s Fl u t u a n t e s


S i s t e m a d e M a n c ai ai s


V ed e d a çã ç ã o d o l a d o d o Co C o m p r e ss sso r

V ed e d a çã ç ã o d o l a d o d a Tu Tu r b i n a


M a n c a i s Ra d i a i s Mancais Flutuantes

Semi Flutuantes

Com Mancal de encosto Integrado.

Rolamento 64 turbochargers & t urbocharging

M a n c ai s d e En c o st o


M a n c a i s d e En co s t o o u A x i a i s. Alimentação de óleo Rampa

Sapata


M a n ca i s d e Ro l a m e n t o

Reduz perdas por arraste hidrodinâmico no Sistema de mancais, aumentando ƞt+m em baixas Relações de expansão.


Re f r i g e r a çã o d a ca r ca ça ce n t r a l .


M a n ca i s d e Ro l a m e n t o Azulamento do eixo e do conjunto do mancal de rolamento.

Anel de retenção destruído pelo “soak back”.

Refrigeração a água da carcaça central é mandatória nos turbos com mancais de rolamento para durabilidade adequada.


Rotordynamics


Rotordynamics Vista esquemática do conjunto girante com absorções Carcaça Central Mancais Radias

Eixo Rotor de Compressor Vedação

Vedação

Rotor de Turbina

Mancal de Encosto e Colar

Avaliações de vibrações e excitações síncronas e não-síncronas. “Shaft motion” 71 turbochargers & t urbocharging

Rotordynamics


Rotordynamics

Vibrações e Excitações Síncronas: • Freqüências naturais, modos de vibrações e rotações críticas; • Resposta a desbalanceamento residual e deflexão; • Carregamento dos mancais – ruído e vida do sistema; Vibrações e Excitações não-síncronas: • Comportamentos sub-síncronos do sistema que possam torná-lo instável; • Comportamentos super-síncronos do sistema relacionados com problemas de montagem • Carregamento sub-síncrono dos mancais.


Sh a f t m o t i o n Espaço (XY)

Tempo Y=Y(t)

Freqüências (FFT)

20 15

20

10

15

t n e 10 m e5 c a l p0 s i D -5 l a t -10 o T

5

Z

0

-20 -15 -10 - 5

-5

0

5

10

15

20

-10 -15

Ttot

-15 -20

-20

0

X

1

2

Time

3

4

5

l a t o T o t n e m i v o M

Y=Y(t) e d u t i n g a M

f sub

Órbitas

20

20

t n e 15 m e c 10 a l p s i 5 D s u 0 o n o r-5 h c n -10 y s b u -15 S

15

a n a o r t i c n b r í s Ó b u S

10

5

Y

-20

0 -15

-10

-5

0

5

10

15

20

-5

-10

-15

Tsub

-20 -20

0

X

1

2

Time

3

4

5

o t n o e n o m r a c t n r í o s p b m u o S C

f syn

Freq. (Hz)

Y=Y(t) e d u t i n g a M Y=Y(t)

f sub

Freq. (Hz)

20

15

10

a a n t o i r b r c n Ó í S

5

Y -20

0 -15

-10

-5

0 -5

-10

-15

5

10

15

20

20 t n e 15 m e 10 c a l p5 s i D0 s u -5 o n o r -10 h c -15 n y S -20

Tsyn 0

-20

1

2

Time

3

4

5

o t n e o m n a o t r r c o í p n S m o C

X

e d u t i n g a M

f syn

Freq. (Hz)


Sh a f t m o t i o n

Janelas de Folgas dos Mancais Radiais:

n o i t o M s u o n o r h c n y S & l a t o T

Total Motion Limit

s a n r e t n I s a g l o F

Synchronous Motion limit

Máx.

Mín.

. x á M

. n í M

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Turbocharger Speed (%/max)

Folgas Externas


Ruído

Ruído

AFTERCOOLER

Entrada de óleo

Silencioso Filtro de Ar

Saída de óleo

O Turbo precisa dos componentes do veículoe para produzir ruído audível. turbochargers & t urbocharging

76

Ruído Propagação de vibrações mecânicas

Propagação de vibrações geradas na pulsação do ar e gases


Compressores


Compressores

• Compressores são definidos como máquinas que continuamente transferem energia para um fluido compressível por meio de um rotor acoplado a um eixo. • Os compressores podem ser de três modelos diferentes:

I – Radiais: Entrada do fluido a ser comprimido na direção axial e saída na radial. É usado quando altas relações de compressão por estágio são requeridas. II – Fluxo Misto: Entrada do fluido na direção radial e saída em ângulo menor que 90 graus com o eixo de rotação. É usado para solicitações de pressão semelhantes aos radiais só que com maior capacidade de vazão. III – Axial: Entrada e saída do fluido na direção axial. Pressão de compressão por estágio é baixa, portanto multi-estágios são comuns.


Compressores Compressor radial

Compressor de Fluxo Misto

Compressor axial 80 turbochargers & t urbocharging

Compressores Saída da carcaça do compressor Seção T-T da carcaça do Compressor 4

3 2

T

5

6

0 1

Saída do difusor

Saída do rotor.

T

Saída do estágio.

Entrada do Rotor Entrada do estágio.


Compressores

• Diâmetro de entrada;

3

• Ângulos de entrada das pás principais; • Presença de Spliters; • Altura – b2 – na saída;

2

• Ângulos de curvatura e inclinação na

saída das pás; • Número de pás;

0 1

Saída do difusor

• Diâmetro do difusor; • Considerações gerais de “Packaging”

Saída do rotor. Entrada do Rotor Entrada do estágio.


Compressores Perdas Saída Rotor T-T, estágio

(Eficiência Total-p/-Total ) =

∆ E ideal ( Adição Ideal de Energia) ∆ E (Adição Real deEnergy) Cp x (T 06, ideal - T00) = Cp x ( T06 - T00) T 0 0 ( PR T- T

k -1/ k

( T0 6 - T0 0 )

- 1)

P02 P03 P06

T02 = T06

=

Saída

T02,ideal

a r u T06,ideal t a r e p m eProcesso de T

Compressão Ideal

T00

Saída Difusor Processo de Compressão Real

P00 Entrada

Entropia (Perdas)

Eficiência do Estágio, T-T,stage : PRT-T = P06 (Press. Total Saída Est.) / P00 (Press. Total Entr.

Est.

Diagrama T-S Cp = 1013.2 J / kg K = 1.395

Compressores Turbina

P06 (Pres. Tot saida)

P00 (Pres. Abs Tot Entr) T00

( Temp abs Tot Entr)

M compressor

Compressor

(Mass Cp )

Psaída Motor

Mancais / Vedações

Potência do Compressor = Potência na Turbina (Consid. Mancais e Ved.) -1/

M compressor x Cp x T00 x ((P06 /P00) - 1) = T-T (eficiência do compressor) Portanto, maiores eficiências de compressor,

PMotor. Escape, , , ) T-T.

reduzem restrição imposta ao motor

Compressores

V1 , para casos típicos Onde não há compon. tangencial

Direção Axial

Ângulo entre pá e Vel. Rel.

V1=Vel. Abs. do Ar

U1=Vel. da Pá.

W1=Vel. Rel. do Ar Direção Radial


Compressores V2r => Comp. radial da Vel. Abs.

V2θ => Comp. tangencial da Vel. Abs. V2 => Vel. Abs.

W2 => Vel. Rel. do ar. U2 => Vel. Da Pá

Equação de Euler: ∆

β2

(Trans. Energia) = ( U2 x V2θ - U1 x V1θ)

Como não há pré-rotação do ar, V1θ = 0 Portanto : ∆ (Trans. Energia) = ( U2 x V2θ) Para rotores com pás radiais no caso ideal Sem escorregamento: ∆

(Trans. Energia) = U22

Equação de Euler: ∆

(Trans. Energ.) = U2(k slip( U2 - V2r tgβ2)

k slip reduz-se com aumento de β2 e/ou redução do número de pás.


Compressores

Vetores velocidade na saída do rotor tanto para saídas radiais quanto para curvadas.

Vetores velocidade na entrada do rotor.


Compressores

Rotor com pás curvadas

Rotor com pás radiais


Compressores r 1t r 1h r 2

- Raio entrada - tip - Raio entrada - hub - Radio de saída

b2 L1-2

- Altura saída ‘b’ - Comprimento

1t, pá 2

- Ângulo de entrada - tip

- Ângulo de curvat. saída * Trim = (r 1t / r 2 ) 2 x 100 2

L1-2

b2

r 1t

r 2 r 1h

β1t

Compressores • Difusores sem pás guias

Difusor b3

r 3 b2

• Minimizar perda de pressão, • Evitar recirculação, - Reduzir velocidade do ar entrando na Ccp, - Preparação para pre-projeto 1D - Definição de principais parâmetros para início de interações

r 2

M a p a d o Co m p r e ss o r


Compressores


Co m p r e sso r e s co m “ Po r t e d Sh r o u d ”


Fa m íl i a s d e Co m p r e ss o r e s


Compressores • Dimensionamento usando CFD para o rotor, carcaça e todo o

estágio, tendo o problema aerodinâmico bem definido. • Protótipos com elementos usinados; • Desenhos específicos; • Ruído de passagem de pás; • Spliters; • Avaliação de “Surge” como fenômeno

de todo o estágio na aplicação; • Testes em bancada de turbo, dinamômetro e veículo. • Fadiga de baixo ciclo.


So b r e al i m e n t a çã o p o r r e sso n â n c i a


Turbinas


Turbinas Turbinas Radiais Carcaça Aberta

Carcaça Dividida

Turbinas Fluxo Misto Carcaça Aberta

Turbinas Axiais Carcaça Dividida

A decisão de utilização é direcionada pelos seguintes pontos: • Experiência e histórico de projeto; • Relação de expansão necessária; • Vazão e eficiências requeridas pelos projeto; • “Packaging”; 98 turbochargers & t urbocharging

Turbina Direção Radial Direção Tangencial,

V2r (Componente Radial) V2 (Vel. abs. Escoam.) V2 (Comp. Tangen.)

U2 (Vel. da Pá) V3 (Vel. Esc. Abs) U3

Direção Axial (Vel. Pá)

Direção Tangencial ,

Apr. zero

Equação de Euler: ∆E (Energia real extraída) = U2 x V2θ – U3 x V3θ Potência gerada pela Turb. = M [kg/s] x ∆E por unidade de massa. turbochargers & t urbocharging

99

Turbina

Secção da garganta Entrada Estágio

1

r , direção radial

Saída do Rotor Saída do Estágio

3

Entrada Rotor

θ, direção tangencial

2

4 a , direção axial

Exemplos: P00 @ Estação 0 Pressão Total Absoluta

p4 @ Estação 4 Pressão estática

0

Turbina Vazão de Saída p4 (Pressão de Saída Estática)

Nturbina (Rotação)

PRT-S (Relação de Pressões Total-para-Estática ) = P00 (Pressão na entrada Total) P4 (Pressão de saída Estática) Mturbina (Vazão em Massa pela Turbina)

P00 (Pressão total de entrada) =

Pressão de Escape do motor

T00 (Temperatura de entrada na Turbina)

Mturbina (Vazão em massa pela turbina) = Mcompressor (Vaz. Mass. Compressor) + Mcomb (Vaz. Comb.)

Turbina

T-S

Diagrama T-S Entrada Estág. P00

(Eficiência Total - Estática) =

∆ E (Energia real Extraida )* ∆ Eideal (Energia ideal Extraida) Cp x (T00 - T04, real)

=

=

Cp x ( T00 - T4, ideal) Cp x ( T00 - T04, actual ) Cp x T00 x ( 1 - 1/PRT-S

1 -1/

T00 Processo

Processo de Expansão Real

a r Expansão u t Ideal a r e p T m 04, real e T

P04

T4, ideal

P4

) Entropia

Eq. 1 Pot turbina =

T-S

x Mturbina x Cp x T00 x ( 1 - 1/PRT-S

* Por unid. de Massa

-1/

)

Cp = 1147.2 J / kg K (Calor Específico) = 1.34 (Rel. de Calores Específicos)

Saída Estág.

Turbina Eq . 2

Mecânico

(Efic. Mancais/Ved.)

=

Pot. compressor

1

Pot. turbina Eq . 3 TM

(Ef. Turbina-Mecânico) =

T-S

x

Mecânico

Eq. Balanço de Potências (Eq’s. 1, 2 and 3) Pot. compressor =

T-M

x Mturbina x Cp x T00 ( 1 - 1 / PRT-S

-1/

)

Examplos de Necessidades de potências de Compressores: Vazão [kg/s] P2/P1 [ - ] Ef [%]

0,12 2,1 0,70

0,65 3,0 0,72

1,40 4,0 0,79

Pot [kW]

16,1

120,6

328,5

923

873

(k-1)/k cp [J/kgK] T1t [k]

0,253731 1147,2 973


103

Turbina


Pr e ss õ e s n o s i st e m a d e e s ca p e


Pr e ss õ e s n o s i st e m a d e e s ca p e


Turbinas


Turbinas

• Principais parâmetros com grandes variações na entrada da turbina; • Pulsações de temperatura, pressão e vazão levam a uma grande variação de Incidência e eficiência.


Matching


Matching

Dependendo da aplicação e características do motor podemos ter: • Turbo free floating; • Turbo waste-gate; • Turbo com geometria variável de turbina – VNT; • Turbos em mais de um estágio com combinações das tecnologias

acima.


Matching Princípios de Performance de Turbocompressores

•Balanço de Energia Compressor - Turbina Trabalho executado pelo compressor=Trabalho exec. pela Turbina menos perdas mc×Cpa× Tc=mt×Cpg× Tt×

Wc×Cpa×T1c×(

0.283-1) c

= onde e

m

0.25) oa×Wt×Cpg×T1t×(1-(1/ t) oa= c× tm tm= t× m

•Balanço de vazões Compressor-turbinaFor free-floating turbocharger Wt=Wc+Wf

•Balanço de rotação Compressor-turbina Nc=Nt 111 turbochargers & t urbocharging

Matching View Test Data

Turbo Free Floating

Help

3,2

3

2,8

2,6

2,4

180000

c 1 P / c 2 P 2,2 ) t / t (

0.68

o i t a R e 2 r u s s e r P

0.65 160000 0.73 0.72 0.7

1,8 140000

0.74 1,6

120000 1,4 100000 1,2 80000

1 0


5

10

15

Corrected Air Flow (lbs/min)

20

25

30

112


Turbo Waste-Gate

Help

3,2

3

2,8

2,6

2,4

180000

c 1 P / c 2 P 2,2 ) t / t (

0.68

o i t a R e r 2 u s s e r P

0.65 160000 0.73 0.72 0.7

1,8 140000

0.74 1,6

120000 1,4 100000 1,2 80000

1 0

5

10

15


20

25

30



Turbo VNT

Help

3,2

3

2,8

2,6

2,4

180000

c 1 P / c 2 P 2,2 ) t / t (

0.68


0.65 160000 0.73 0.72 0.7

1,8 140000

0.74 1,6

120000 1,4 100000 1,2 80000

1 0

5

10

15


20

25

30


Matching Contra - Pressão 18 16 14

VNT

GT15

12 ] g 10 H n i [ E 1 8 P

6

T2 - A/R 0.35

T2 - A/R 0.47

4 2 0 27 P1T [ in Hg]


Matching A/R de carcaças

Trim = (d/D)2x100


Matching Trim

Diâmetro

TRIM 50 TRIM 60

2,8

2,8

c 1 P / c 22,4 P ) t / t (

c 1 P / c 22,4 P ) t / t (

2,2

2,2

s e õ s 2 s e r P e d1,8 o ã ç a l e R1,6

s e õ s 2 s e r P e d1,8 o ã ç a l e R1,6

190000 190000

170000

170000

150000150000

110000 110000 90000 90000

1,2

190000 190000 170000 170000150000

1,4

130000130000

1,4

Ø 49

Ø 44

2,6

2,6

150000 130000 130000 110000 110000 90000 90000

1,2 1

1 0

5

10

15

20

25

3

0

Vazão corrigida de ar (lbs/min)

5

10

15

20

25

Vazão corrigida de ar (lbs/min)


Cu r v a s t íp i c as n o m a p a d o co m p r e sso r

Grandes desafios da indústria são: • Aumentar capacidade de vazão; largura útil do mapa; • Aumentar eficiência; • Aumentar relação de pressões; • Diminuir tamanho. 118 turbochargers & t urbocharging

I n t e r co o l er s o u A f t e r co o l er s.

ε=

T2 – T2s T2 – Tcool

Efetividade de Resfriadores de Ar. 119 turbochargers & t urbocharging

Matching

13 12 11 10 ) 9 n i m / b 8 l ( a 7 d i g 6 i r r o c 5 s e s a 4 G e d 3 o 2 ã z a V1 0 1,00

A/ R

1,2 A / R 0 .6 7

1,1 1

A / R 0 .4 0

0,9 a i 0,8 c n ê i c i f 0,7 E

0,6 0,5

1,50

2,00 2,50 Relaçãode Pressões (T/s) P1T /P2S

3,00

0,4 3,50 120


Co l e t o r e s d e e sc a p e


Matching Várias famílias são necessárias para cobrir as solicitações de uma ampla gama de motores.


V ál v u l a d e A l ív i o o u r e ci r cu l a ç ão


Matching

Notações

Descrições

Unidade

Cálculos

Campo

Termodinâmicos P0

P atm

Pressão Atmosférica

Bar

hPa

in Hg

P1A

P atm

Pressão antes do filtro de ar

Bar

hPa

in Hg

P1C

PAVC

Pressão antes do compressor

Bar

hPa

in Hg

T1C

TAVC

Temperatura antes do compressor

°C

°K

°R

P2C

PAPC

Pressão depois do compressor

Bar

hPa

in Hg

T2C

PAPC

Temperatura depois do compressor

°C

°K

°R

Wc

Qar

Vazão de ar de admissão

Kg/s

Kg/s

lb/mn

Relação de Compressão do turbo

-

-

-

¶c = P2C/P1C P1E

P col

Pressão na entrada do motor

Bar

hPa

in Hg

T1E

T col

Temperatura na entrada do motor

°C

°K

°R

P1T

PAVT

Pressão na entrada da turbina

Bar

hPa

in Hg

T1T

TAVT

Temperatura na saída da turbina

°C

°K

°R

Wt

Q gaz

Vazão de gases de escapamento

Kg/s

Kg/s

lb/mn

P2T

PECH

Pressão na saída da turbina

Bar

hPa

in Hg

T2T

TECH

Temperatura na saída da turbina

°C

°K

°R

Relação de Expansão

-

-

-

¶t = P1T/P2T


Matching - Dados de motor necessários:

• • • • • • • • • • • •

Cilindrada; Rotação máxima; Rotação de torque máximo; Pressão máxima de sobrealimentação 1; Condições ambiente de pressão e temperatura Valor almejado de potência e a respectiva rotação; Valor almejado de consumo específico no torque e potência máximos; A/F em potência e torque máximos 1; Depressão máxima no filtro de ar 1; Restrição máxima do sistema de escapamento 1; Rendimento volumétrico VOL na potência e torque máximos 1; ENGINE T VS A/F RATIO 1

Esses valores podem ser estimados mas como influem diretamente no Matching é preferível que sejam fornecidos pelo cliente. 1


Matching - Determinação de Pressão e Temperatura na entrada do motor • Condições de entrada do compressor:

P1C T1C,

1 In Hg or customer data

•

P1C (IN HgA ) = PAMB − ∆PAIR FILTER

P2C, T2C,

• Condições de entrada do motor: •

Motor Turboalimentado: = Pressão “Boost” solicitada pelo cliente

• P1E = P2C(IN HgA)

• •

M N

T1E = T2C = T1C 1 +

= . 285

π C

P2C P1C

-1

Assumir 70% cálculos iniciais

η C

P1E, T1E

Motor Turbo com intercooler:

Usar 0.9 para veículos de estrada ou dados do cliente

•

T1E = T2C - EH(T2C - TAMB ) Usar 100 mm Hg para veículos de estrada ou dados de clientes

• P1E = P2C - ∆ PAFTERCOOLE R 126 turbochargers & t urbocharging

Matching •

USANDO A EQUAÇÃO:

WE = (.767)10-3

P1E N (DISPL) T1E 2

VOL

• WHERE: • WE = Vazão de ar do motor (LBM/MIN) 1.326 (Fator de Densid. do ar • (.767)10-3 = 1728 (IN3/FT3 convers. Unid. • P1E = Pressão no Col. Admissão (IN Hg) • T1E = Temperatura no Col. Admissão (OR) • DISPL =

Cilindrada do motor (IN3)

N

• 2 = Rotação do motor (rpm) x ½ (Ciclos de Pot./rot) , E R U = Eficiência volumétrica do motor (%) • VOL

(De dados do fabricante ou experiência)

• CALCULATE ENGINE FLOW • Para turbos free floating • Rotação Máxima • 70% a rotação máxima • 60% rotação Máxima

• Para turbos wastegate

5

RATED SPEED

S 4 S E R P 3 D L I O S P F I 2 N A M E 1 K A T N I

70%

60%

ROT.MÁX

INTERSECÇÃO

0 0

• Rotação Máxima

1

2

3

4

5

ENGINE SPEED, RPM/1000

• Rotação de Intersecção


Matching - Selecionando o compressor correto: •

Boa Eficiência?

Dados devem ser corrigidos para as condições do mapa: T 545 • CORRIGIR VAZÃO USANDO: W = WE 1C P1C 28.4 * C

• ONDE:

3.0 Limite Rot.

Reserva p/ Alt.

• Wc* = Vazão de ar corrigida (LBM/MIN) • PLOTAR NO MAPA DO COMPRESSOR: • ROTAÇÃO MÁXIMA

• 70% DA ROTAÇÃO MÁXIMA • 60% DA ROTAÇÃO MÁXIMA • VERIFICAR TARGETS DO MATCHING: • Boa Eficiência em baixas rotações, Rot. Máx, e no

Torque máximo • Reserva para altitude

)

C

( s e õ s s e r P 1.5 e d o ã ç a l e R

ROT. MÁX.

70% 60%

• Margem adequada para “Surge”

• SE OS TARGETS NÃO FOREM ATINGIDOS: • Tente um trim maior ou menor;

0

Margem para Surge 0

10 VAZÃO (WC), LB/MIN

20

• Tente outro Compressor


Matching - Preparar para seleção da Turbina • TURBINE SELECTION IS BASED ON THE ASSUMPTION THAT: POTÊNCIA DA TURBINA (WT) = POTÊNCIA DO COMPRESSOR (WC) • ONDE:

• E:

WT=WA (1+F/A)(CPT)(T1T)

k-1/k – tm(¶

1/¶k-1/k)

Wc=WA (CPc)(T1C / C(¶k-1/k – 1)

• COMBINANDO E RESOLVENDO PARA πT: 1 ⎡ ⎢ .882T1C ( ⎢1 − ⎢ (1+ F A )T1T ⎢⎣

⎤ .283 ⎥ ) C −1 ⎥ TM C⎥ ⎥⎦

4

• OU SIMPLESMENTE: ⎡ .882∆TC ⎤ ⎢1− T1T TM ⎥ ⎣ ⎦

−4


Matching • Determine T1T • Como base usar relação TE vs F/A ou informações do cliente

• Determine

TM

• Use valores aparentes de dados de motor

20

• Calcule relação de expansão da turbina usando: T

PONTOS DE MATCHING

⎡ .882∆TC ⎤ ⎢1− T1T TM ⎥ ⎣ ⎦

−4

• Calcule vazão pela turbina usando: 519 WT = WC PT1T29.92 1T

N I M / B L , ) T W ( O10 Ã Z A V

VAZÃO EFICIÊNCIA (Regime Constante)

EFICIÊNCIA (Aparente)

Onde: P1T = (29.92 + ∆PEscape ) 0

• Selecione o mapa com relação à faixa de vazão. • Plote WT e TM para os valores calculados de T

M T

70% (

A I C N I 60% Ê C I F E

50%

0

2.0 1.8 1.4 RELAÇÃO DE EXPANSÃO ( T)

• Se os pontos coincidirem com o mapa a turbina está selecionada

• Se os targets não foram atingidos: • Tente um A/R maior ou menor • Tente outra Turbina


)

Matching Considerações Mecânicas •

VERIFICAR CONSIDERAÇÕES MECHÂNICAS – COM RESERVA PARA ALTITUDE •

ROTAÇÃO MÁXIMA • ROTAÇÃO MÁXIMA PERMITIDA PARA O SIST. DE MANCAIS - TESTES DE SHAFT MOTION

•

ROTAÇÃO MÁXIMA PARA O COMPRESSOR – A MAIS BAIXA DAS ABAIXO: • LIMITE DE ROTAÇÃO PARA ENTRADA DA PÁ (ORDEM Nth DE VIBRAÇÃO) • LIMITE DE ROTAÇÃO PARA A SAÍDA DA PÁ (ORDEM Nth DE VIBRAÇÃO) • ROTAÇÃO LIMITE DE STRESS (BASEADO NO MAIOR VALOR: FURO, PÁ, OU DISCO TRASEIRO)

•

ROTAÇÃO MÁXIMA DA TURBINA – A MAIS BAIXA DAS ABAIXO • LIMITE DE ROTAÇÃO PARA ENTRADA DA PÁ (ORDEM Nth DE VIBRAÇÃO) • LIMITE DE ROTAÇÃO PARA A SAÍDA DA PÁ (ORDEM Nth DE VIBRAÇÃO) • ROTAÇÃO LIMITE DE STRESS (BASEADO NO MAIOR VALOR: FURO, PÁ, OU DISCO TRASEIRO)

•

TEMPERATURA DE ENTRADA DA TURBINA • VERIFICAR SE T1T NÃO EXCEDE A CAPACIDADE DO MATERIAL PROPOSTO

•

REFRIGERAÇÃO DA CARCAÇA CENTRAL • RECOMENDADA PARA MOTORES CICLO OTTO E DIESEL COM ALTAS TEMP.

•

VERIFICAR CAPACIDADES DE VEDAÇÕES • ASSEGURAR OPERAÇÃO DENTRO DA FAIXA DE

•

CONFIRMAR CAPACIDADE DE CONTENÇÃO DAS CARCAÇAS

•

LCF: FADIGA DE BAIXO CICLO PARA COMPRESSORES – DETERMINAR VIDA

•

HCF: FADIGA DE ALTO CICLO PARA TURBINAS - VNT

P POSITIVO


Matching MATCHING - W.GATE Engine: 2779 [cm3] Displac.: 4 [-] Cyl. no.: 17 [ - ] Compre.rat.: 0,84 [ g/cm3]...... Fuel Dens.: 14,45 [ - ]....... .... ... Stoich.rat.: Application Engineer:

DATE: CAC.:

Atm.pres.:

700 [ mmHg ]

Air to Air

( D. 0,84; G. O,75) ( D. 14,5; G. 14,7; A. 9,0; Nat.Gas 16,8; E22.13.3 )

INPUTS Eng. Speed [ rpm ] Power [ HP ] BSFC [ g/HPh ] t1c [C] p1c [ mmH2O ] t1t [C] p2t [ mmH2O ] Cooler effec. [%] Cooler delt.P [ mmHg ] Cac cool.temp. [ C ] P2/P1 [-] ETA C [%] ETA T+ M [%] Vol. Effic. [%] V.turb/V.comp [ - ]

1 1000 26 185 31 50 550 40 65 30 35 1,1 60 70 0,9 1

2 1000 26 185 31 50 550 40 65 30 35 1,3 60 70 0,9 1

3 1000 26 185 31 50 550 40 65 30 35 1,5 60 70 0,9 1

4 1600 72 160 31 150 650 100 65 40 35 1,6 74 65 0,92 1

5 1600 72 160 31 150 650 100 65 40 35 1,8 74 65 0,92 1

6 1600 72 160 31 150 650 100 65 40 35 2 74 65 0,92 0,9


Matching

27 OUTPUTS 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Eng. Speed Torque BMEP BOOST t2c t2s p2s Obs. Air Flow Corr.Air Flow Corr.Air Flow HADC HADT P3/P4 Corr.Gas Flow p1t p2s/p1t Overall Effic. Lambda

[ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [

rpm ] mKgf ] bar ] bar ] C] C] mmHg ] Kg/s ] Kg/s ] lb/min ] J/Kg ] J/Kg ] -] lb/min. ] mmHg ] -] %] -]

1000 18,62 8,26 0,09 44,85 38,45 35,96 0,023 0,025 3,14 8430 20072 1,090 5,07 66 0,961 0,420 1,18

1000 18,62 8,26 0,27 70,05 47,27 175,22 0,026 0,029 3,63 23766 56586 1,280 4,99 200 0,973 0,420 1,37

1000 18,62 8,26 0,46 92,61 55,16 314,49 0,030 0,033 4,11 37493 89268 1,487 4,86 345 0,971 0,420 1,55

1600 32,23 14,29 0,54 89,44 54,06 362,35 0,051 0,057 7,13 43868 91201 1,433 9,12 313 1,048 0,481 1,11

1600 32,23 14,29 0,72 105,35 59,62 500,15 0,057 0,063 7,92 55807 116022 1,589 9,13 424 1,068 0,481 1,23

1600 32,23 14,29 0,90 120,03 64,76 637,94 0,063 0,069 8,70 66829 138938 1,876 7,65 627 1,008 0,481 1,36

1600 32,23 14,29 1,09 133,70 69,54 775,74 0,068 0,075 9,46 77088 160266 2,086 7,48 775 1,000 0,481 1,47

4000 23,28 10,32 1,03 136,55 70,54 715,29 0,151 0,170 21,47 77088 214133 2,663 12,75 1243 0,728 0,360 1,48

4000 23,28 10,32 1,12 143,23 72,88 782,35 0,157 0,177 22,34 81968 227689 2,859 12,35 1385 0,711 0,360 1,54


4000 23,28 10,32 1,21 149,71 75,15 849,41 0,163 0,184 23,20 86698 240828 3,066 11,96 1537 0,693 0,360 1,60

Matching Turbochargers 3,2

3

2,8

2,6

2,4

180000

c 1 P / c 2 P 2,2 ) t / t (

0,68


0,65 160000 0,73 0,72 0,7

1,8 140000

0,74 1,6

120000 1,4 100000 1,2 80000

1 0

5

10

15


20


25

30

134

Matching 50207

61236

72391

83459

94602

105840

Série28

Série29

15 14 13 12 ) n11 i m / b l (10 w o l F9 e n8 i b r u T7 s a G6 d e t c e 5 r r o C4 3 2 1 0 1

1,5

2

Pressure Ratio (T/s) P 1T /P 2S

2,5

3


Novas Tecnologias


N o v a s Te cn o l o g i a s Principais desafios da Indústria: I: Redução do tamanho da máquina: • Aerodinâmica básica II: Redução do tempo de resposta a variações de solicitações: • Redução de inércia dos componentes girantes; • Redução de perdas por atrito no sistema de mancais; • Aumento de eficiência; • Adoção de geometrias variáveis; • Aumento de eficiência dos sub-conjuntos. • Multi-estágios. III: Redução de Peso: • Utilização de novos materiais. IV: Melhoria de atuação em controles: • Migração da atuação pneumática para elétrica. V: Melhor integração de sistemas. turbochargers & t urbocharging

137

N o v a s Te cn o l o g i a s Coletor de escape integrado à CT

Carcaças de Turbina divididas

Sistema com dois estágios Turbina com geometria variável


N o v a s Te cn o l o g i a s

Escoamento em compressores Escoamento em turbinas Variação de Pressão. Variação de Entalpia.

Vazão próx. da Máxima turbochargers & t urbocharging

139


Sistema com dois turbos 140 turbochargers & t urbocharging

N o v a s Te cn o l o g i a s Processo de Lavagem : Padm > Pesc

conventional turbo :

1

3

4

2

1

(Pressão inst. na admissão PMS) air Pint

scavenging

Twin scroll turbo :

1

4

1

residual ga ses Pexh

cyl. 1 situation at intake TDC (in case of valve overlap)

exhaust pressure at intake TDC cyl. 1 (4 cylinder engine)

GDI tempos de válvulas com separação de escoamento proporciona: de 20 a 30 % mais de Torque; de 5 a 10% redução de consumo específico

Sistema com Carc. de Turbina divid. 141 turbochargers & t urbocharging


Sistema com Carc. de Turbina divid. 142 turbochargers & t urbocharging


Sistema com dois estágios turbochargers & t urbocharging

143


144

Sistema com dois estágios







400

2,2l Parallel Sequential 350

2,7l VGT 300

m . N ) e 250 u q r o T (

2,2l VGT

200

150

100

Time turbochargers & t urbocharging

146




Turbocompound com conexão Mecânica turbochargers & t urbocharging

148

N o v a s Te cn o l o g i a s 1- Gases de escape entram na turbina do turbo compressor a até 700 C. 2- Depois de usados no turbo principal, os gases de escape são direcionados para a segunda turbina, do turbocompound. 3- Os gases ainda estão com temperatura alta, cerca de 600 C, portanto com energia para elevar a rotação da segunda turbina, até cerca de 55.000 rpm. 4- A rotação dessa segunda turbina é reduzida num redutor mecânico. Também há uma acoplamento hidráulico para compensar variações de rotação entre o volante do motor e a tomada de saída do sistema turbocoumpound. 5- Quando chega ao volante, a rotação está em cerca de 1.900 rpm. 6- Há um acréscimo de energia ao volante do motor e sua rotação tornase mais estável.



Turbocompound com conexão Elétrica


N o v a s Te cn o l o g i a s Motivadores para utilização de turbocompound: 1- Melhoria do consumo de combustível de 5 a 10%. 2- Aumento da densidade de potência de até 20%. 3- Benefícios para emissões e pós tratamento de gases. 4- Facilidades para sistemas EGR pelas altas pressões exigidas. 5- Sistema elétrico mais simples que o mecânico.




N o v a s Te cn o l o g i a s 50207

61236

72391

83459

94602

105840

15

1,2

14 1,1

13 12

) n i 11 m / b l (10 w o l F9 e n i 8 b r u T7 s a G 6 d e t c e5 r r o C4

1

0,9

y c n e 0,8 i c i f f E 0,7

0,6

3 2

0,5

1 0 1,00

0,4 1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

Pressure Rati o (T/s) P1T /P2S

Mapa de turbina com geometria de turbina variável turbochargers & t urbocharging

153


Turbo com geometria de turbina variável e atuação elétrica.

Turbo com geometria de turbina variável 154 turbochargers & t urbocharging


Turbo com geometria de turbina variável









Turbo eletricamente assistido.


N o v a s Te cn o l o g i a s Transiente à partir de 2400 rpm

“Steady-State” Torque 200

250

180 160

) 200 a P k ( t s 150 o o B o ã 100 s s e r P 50

Ca. 50-60%

1400W 700W 0W

) 140 m N ( 120 e u 100 q r o 80 T

Ca. 40% 0W 700W 1400W

60 40 20 0

0 0

1 1000

2 2000

3 3000

4 4000

Tempo (seg)

5 5000

0

6 6000

1000

2000

3000

4000

Ne(rpm)

Motor 1.3 l Gasolina Resultados com turbo eletricamente assistido

• Aumento de torque temporário de até 40% • 50-60% de melhoria em respostas em transiente 159 turbochargers & t urbocharging

5000


200

1250 rpm Aum. Carga Com potência elétrica 150

Sem potência elétrica

Boost à pl. Carga

100

Borboleta Aberta

1 Segundo

A P k , t s o o B o ã s s e r P

50

0

Motor a Gasolina turbochargers & t urbocharging

160

N o v a s T e cn cn o l o g i a s 450 400 350 m * 300 N , e u 250 q r o T 200

1500 +11% 1250 +6% 1000 +17%

150 100 500

1 0 00

1500

2000

2500 3000 3500 4000 4500

5000

Engine Speed, rpm

Motor a Diesel turbochargers & t urbocha urbocharging rging

161

N o v a s T e cn cn o l o g i a s Turbo com mancais de rolamento Floating sleeve bearing vs. Ball bearing 0.1 0.1

Speed response response whenthrottle throttle is suddenly opened at 2000 rpm( 2 litre S.I engine )

1.1

0.09

2500

1

0.08 0.07

) s / g 0.05 k ( , t W0.04

2000

0.9

Gas flow

0.06

y c n e 0.8 i c i f f e e n i 0.7 b r u T

Ball bearing efficiency Sleeve bearing efficiency

0.03 0.02

) z H ( 1500 d e e p s o 1000 b r u T

Ball Bearings SleeveBearings

500 500

0.6

0.01 0

0 -0.2

0.5 1

1.2

1.4

1.6

1.8

2.2

2.6

3

0

0.4

0.8 Time (s)

Turbine Pressure Ratio

Manifold pressure response when throttle throttle is suddenly opened at 2000 rpm

1.2

1.6

2

BMEP response when throttle is suddenly suddenly opened at 2000 rpm

0.2 2

0.18

1.8

0.16

1.6

0.14

P ( 0.12 d M l o e r f i u 0.1 a s M s 0.08 e r P

1.4 a P 1.2 M ( P 1 E M B 0.8

0.06

0.6

0.04

Ball Bearings

0.4

Ball Bearings

0.02

Sleeve B earings earings

0.2

Sleeve Bearings

0 - 0 .2 0

0

0 .2 0 .4 0 .6 0 .8

1

Time (s)

1 .2 1 .4 1 .6 1 .8

2

0

0 .2

0 .4

0. 6

0. 8

1 1 .2 Time (s)

1 .4

1. 6

1 .8

2

2 .2

N o v a s T e cn cn o l o g i a s Sistema com dois estágios



T1t 1050 C



VNT com dois anéis e dois eixos por vane. 165 turbochargers & t urbocharging


Dois estágios de Compressão num só “pacote”. 166 turbochargers & t urbocharging


VNT com atuador elétrico. 167 turbochargers & t urbocharging

Turbo e sobrealimentação IMT 2009

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