Conhecer os tipos e entender o principio de funcionamento das turbinas de geometria variáveis aplicadas aos motores diesel leves e pesados.
A turbina de geometria variável (VGT)
O turbocompressor de geometria variável consiste em um compressor centrífugo e uma turbina dotada de um dispositivo de lâmina móvel capaz de modificar a direção e a seção de passagem de gases de escape direcionados para o rotor da turbina.
Graças a esta solução, é possível manter alta a velocidade dos gases e da turbina mesmo quando o motor funciona em baixas rotações.
Durante as baixas rotações do motor, temos pouco volume de gás de descarga sendo expelido. Como a energia utilizada para girar a turbina provém dos gases de escape, em baixas rotações a turbina gira devagar o que não proporciona um grande enchimento do compressor.
Neste momento, a central pilota o acionamento do atuador da turbina (Turbo VGT), este restringe a passagem dos gases de escape e esta restrição aumenta a velocidade com que o gás toca a pá da turbina (ganha energia cinética) aumentando assim a rotação da turbina em baixas rotações do motor (baixas cargas) o que resulta em mais ar sendo comprimido pelo compressor e admitido pelo motor, este processo proporciona torque mesmo em baixas cargas e auxilia o condutor em situações como arrancar com o caminhão carregado, subida de serra, ultrapassagens, melhora as retomadas, dentre outras.
figura 1 – turbina de geometria variável
Figura 2 – posição da turbina em baixas rotações
Nesta condição, as lâminas móveis (1) estão na posição máxima fechada, e as seções reduzidas passagem entre as pás aumenta a velocidade com que os gases de escape atingem o rotor da
turbina. Consequentemente, a velocidade da turbina (2) aumenta e, portanto, a pressão de sobre alimentação.
Figura 3 – posição da turbina em altas rotações
Ao aumentar a velocidade de rotação do motor, obtém-se um aumento progressivo na velocidade dos gases de escape. A unidade de controle eletrônico, por meio de um atuador do tipo elétrico ou pneumático, controla a abertura das lâminas móveis (1) orientando-as para que alcancem a posição máxima. Obtém-se assim um aumento nas seções de passagem, cuja consequência é uma desaceleração do fluxo de gases de escape que passam pela turbina (2) com velocidades iguais ou inferiores à condição de regime baixo. A unidade de controle do motor regula a orientação das lâminas móveis, podendo regular a pressão em qualquer situação de superalimentação.
Tipos de turbinas VGT
As turbinas de geometria variável são gerenciadas pela central de controle do motor que faz a sua gestão por meio de um atuador pneumático ou atuador elétrico.
Turbinas com atuador pneumático
O comando pneumático serve para regular a quantidade de ar transmitido pela turbina ao eixo do turbocompressor. Ele é alimentado em depressão pelo circuito de vácuo do motor. Um sensor de posição sobre o comando pneumático permite enviar a informação de posição ao módulo do motor. O sensor indica com precisão a posição exata das aletas móveis da turbina.
figura 4 – exemplo turbina com atuador pneumático
O comando pneumático permite mudar a posição do platô de acionamento móvel por meio da biela de comando. A mudança de posição do suporte de acionamento móvel faz pivotar as aletas. A rotação das aletas relativamente ao seu eixo permite:
- A variação da secção de entrada dos gases de escape na turbina de escape.
- Dirigir com maior precisão os gases de escape na turbina de escape.
Figura 5 – aletas da turbina VGT com atuador pneumático
- Tirante de comando das pás móveis da turbina.
- Prato de engrenagem móvel.
- Aletas móveis.
- Retorno das aletas móveis.
Eletroválvula de regulagem da pressão de sobre alimentação
Figura 6 – eletroválvula pneumática
- Eletroválvula.
- Entrada de depressão.
- Saída de depressão.
- Entrada de ar.
- Conector elétrico.
A eletroválvula é do tipo normalmente fechada. Ela permite regular e limitar a depressão de comando na entrada do acionador pneumático da turbina, a partir de vácuo da bomba de vácuo.
O comando da eletroválvula é do tipo RCA (relação cíclica de abertura) e é ligada aos seguintes elementos:
- Pressão atmosférica.
- Depressão fornecida pela bomba de vácuo.
- Acionador pneumático da turbina.
Turbina VGT com atuador elétrico
Turbocompressor de geometria variável (VGT) gerenciado pelo Modulo de controle do motor via controle elétrico e atuador.
Figura 7 – Turbina VGT com atuador elétrico
1 – Motor elétrico com sensor de posição integrado
2 – Compressor
3 – Turbina
4 – Haste da VGT
Operação:
O sensor (T-MAP) instalado no coletor de admissão mede uma pressão de sobre alimentação em relação ao fluxo de ar que passa pelo coletor.
O T-MAP envia esta informação diretamente para o Módulo de Controle do motor. Paralelo a esta medição, uma verificação direta da posição do atuador eletrônico é enviada através do sensor de posição interno.
O controle eletrônico do atuador de geometria variável permite maior controle de emissões e otimização do consumo de combustível. Além disso, o tempo de resposta de abertura e fechamento é menor em comparação com o atuador pneumático equivalente.
Motor elétrico com sensor de posição integrado – PIN-OUT
Figura 8 – motor elétrico com sensor de posição integrado
1 – Fornecimento de alimentação do atuador de geometria variável
2 – Terra do atuador de geometria variável
3 – Massa do sensor de posição
4 – Sinal do Sensor de posição
5 – Positivo do sensor de posição
Esta solução tem várias vantagens:
- A conexão mecânica entre o dispositivo de variação de geometria e o atuador permite ter uma posição definidos mecanicamente, ao contrário do que acontece com os atuadores VGT do tipo pneumático onde a posição do dispositivo de variação de geometria depende do equilíbrio que é criado entre as pressões.
- Em atuadores do tipo pneumático, para ter feedback sobre a posição do atuador, é necessário instalar um sensor de posição, enquanto no atuador E-VGT isso não é necessário, porque possui o sensor integrado.
- Cada vez que o motor é ligado, o atuador faz um curso até atingir o batente mecânico (A); aqui o sistema de controle de posição é zerado e todas as posições subsequentes a serem tomadas pelo atuador são referentes a este ponto.
- Em caso de falha do atuador, há uma mola que mantém as palhetas móveis em uma posição intermediária fixa e permite o funcionamento do motor com desempenho limitado.
Exemplo de aplicação motores diesel pesados
Em alguns modelos de motores diesel pesados O comando da turbina e o sinal do sensor de posição integrado são enviados e recebidos via rede CAN entre o atuador e a central de controle do motor.
Figura 9 – Turbina VGT com comunicação via CAN
Sensor de rotações da turbina VGT
Algumas aplicações diesel (principalmente pesados) podem utilizar um sensor de rotações da turbina para a central de injeção monitorar a rotação da mesma o que pode ajudar na proteção e controle do sistema.
Figura 10 – Sensor de rotações da turbina VGT
Figura 11 – Sensor de rotações indutivo
É um sensor do tipo indutivo com a finalidade de controlar a rotação máxima da turbina.
Se a rotação ultrapassar o limite máximo, a central de controle do motor detecta falha e em caso de falhas a central limita a atuação do motor elétrico limitando a pressão da turbina protegendo a turbina contra excessos de giro e também o próprio motor.
Muito importante conhecer esse sistema para um correto diagnostico e solução dos problemas relacionados ao sistema de alimentação de ar.
Um bom Scanner e o auxílio de um esquema elétrico são fundamentais para análise de parâmetros e diagnostico preciso desses sistemas.
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Renato França
Consultor técnico e instrutor de formação profissional
Proprietário da Inovar Treinamentos Automotivos
Socio-proprietário da Inovar Centro automotivo
Belo Horizonte – MG
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