Motor Turbo 2

 

Desenvolvimento pela VW do Brasil do Motor  

Turbo 1.0 16V

Para

Gol e Parati

 

Roteiro de Apresentação 1) Motivação para o desenvolvimento 2) Objetivos do Projeto 3) Por quê Turbo-Compressor ? Base do Projeto 4) Resumo do Conceito 5) Descrição do Motor e Sistemas Auxiliares  

6) Resultados

 

Motivação para o Desenvolvimento • • • • •

Mercado e concorrência em crescimento; Incentivo fiscal para a categoria 1.0; Críticas ao desempenho dos veículos 1.0; Garantia da liderança tecnológica na categoria; Entusiasmo da equipe de projeto;

 

 

Objetivo do Projeto p/ o CLIENTE Oferecer uma opção de propulsor de 1000cc com um desempenho absolutamente diferenciado dos motores já existentes.

 

 

Objetivos do Projeto: Especificações Técnicas • Motor 1000cm³, câmbio logitudinal; • Torque e Potência máx. AP 1800/2000 cm³ • Consumo AP 1600 cm³; • Durabilidade / Manutenção: Padrão VW; • Legislação de Emissões / Ruídos; • Alto conteúdo de peças nacionais.

 

 

Por quê o sobrecarregamento sobrecarregamento? ?

 V  d    N      H comb      *   Potência   m  t  v *   *  ar    2      stoich 

 

 

Potencial de melhoria dos Fatores Eficiência Térmica

 Aumenta com a melhoria da tecnologia de



materiais, controle de detonação, etc;  Têm evolução relativamente lenta; Eficiência Mecânica 

 Melhora com o projeto dos componentes internos e auxiliares;  Seu valor já é alto: Sua otimização impacta relativamente menos na performance;  

 

Potencial de melhoria dos Fatores Cilindrada e Combustível

 A cilindrada é restrita por lei p/ veículos populares;



 O combustível não é controlado pela montadora e suas características variam bastante. Poder calorífico é fixo. Razão A/C: sua redução excessiva provoca falhas de combustão e alto consumo. 

 

 

Potencial de melhoria dos Fatores Enchimento: Efic. Volumétrica   Parâmetro já bastante estudado para motores 1000cc na VW Brasil: 

Minuncioso estudo das dimensões dos sistemas de admissão/ escape Utilização de dutos de ar plásticos de baixa rugosidade Pesquisa de curvas de comando de válvulas  Pesquisa com comando de válvulas variável 



 

Introdução pela VW Brasil da tecnologia 16V para motores 1000cc

 

Potencial de melhoria dos Fatores Densidade do Ar: SUPER CARREGAMENTO  

 Influencia diretamente o torque e a potência obtidos;

 A elevação do torque e da potência são expressivos pois os outros fatores da fórmula são pouco prejudicados; 

 Tecnologia já utilizada em motores de maior cilindrada.



 

 

Por que supercarregar com Turbo-Compressor ?   

 Tecnologia já utilizada em outros veículos da VW já em Produção, inclusive no Brasil;  Possibilidade de atendimento aos objetivos de



 performance: torque e potência;  Possibilidade de atendimento aos objetivos de consumo; Possibilidade de usar componentes nacionais.



 

 

Por que partir do

EA-111 1.0 16V ?



 Possibilidade de melhoria da eficiência volumétrica: otimização do timing de abertura e fechamento das válvulas de admissão e escape independentemente;



 

 16 Válvulas: permitiria alta potência mesmo com um turbo adequado p/ pequenas vazões.

 

Por que partir do

EA-111 1.0 16V ?  Alta durabilidade dos componentes ligados à geração 

de potência:  Possibilidade de aumento da Pressão Média no cilindro;  Motor nacionalizado:  VW e fornecedores  possuem experiência com



 

este motor;

 

Desafios:  Desafios:  Colocar em produção um motor Turbo Alimentado com 1000cc de cilindrada

 Dimensionar um turbo compressor adequado para a aplicação e  produzi-lo em escala;  Manter ou superar o torque em baixas rotações  Curva de comando de válvulas adequada para altas e baixas rpm’s; 

 

 Garantir energia suficiente nas velas de ignição;  Protejer o motor contra detonação;  Reprojetar praticamente todos os componentes a fim de garantir sua durabilidade; 

 Produzir o motor com alto conteúdo nacional: custo.

 

 

 

 

Sensor HFM

Corpo de Borboleta Válvula controle do turbo

Filtro de ar 

Sensor de fase Válvula de recirculação Bobinas

Comando variável Turbo Intercooler 

 

 

Sensor de Massa de Ar 

Tipo HFM (“Heiss Film Messer” - Sensor de Filme  

Aquecido): precisão 2%.

 

Sensor de Massa de Ar  • Indica a Vazão de Ar (kg/seg) à Unidade Eletrônica de Controle (ECU) a fim de que esta ajuste, independente de variações de temperatura e altitude (pressão atmosférica), a quantidade exata de combustível que o motor  precisa em qualquer situação situação de funcionamento. funcionamento. • Permite vazão deàarECU para(através o motor:da válvula Waste-Gate) um preciso controle da  –  A potência não varia com a altitude. • Atua como elemento de segurança para evitar sobregiro do turbo e sobre pressão do sist. sist. de admissão.

 

 

Compressor  • Comprime o ar de admissão em até 2,4 vezes aumentando o fluxo de ar  para o motor e, consequentemente, a  pressão da combustão e a potência. • Tipo Centrífugo: o ar entra paralelo ao seu eixo e sai radialmente. • Dimensionado especialmente p/ este motor: diam. 41mm.

 

 

Compressor 

 

•  Alta resistência mecânica suportando até 240.000 rpm: velocidade da borda externa do rotor: 1855 km/h. •  Fundido em Al: baixa inércia, rápida aceleração.

 

3.2

Matching do Compressor com o motor Turbo 1.0 16V

3.0

"

1) Funcionar com alta razão de  pressões e baixa vazão sem entrar em “surge”; 2) Atingir a vazão requerida em alta rpm p/ atender o objetivo de potência do motor.

LIMITE DE SEGURANÇA QUANTO A RESISTÊNCIA ESTRUTURAL

SURGE":

FUNCIONAMENTO INSTÁVEL, COM POSSÍVEL "BACKFLOW", RUIDOSO E SUJEITO A DANIFICAR O COMPRESSOR

   12.8    P    /    2    P    )    t 2.6    /    t    (

Mapa do Compressor é “largo”o suficiente para:

SOBREGIRO:

REGIÃO DE

  r   o   s   s   e   r 2.4   p   m   o    C2.2   o    d   s    é   v 2.0   a   r    t   a   s   e    õ1.8   s   s   e   r    P   e    d1.6   o    ã   z   a    R1.4

CURVA DE

PLENA CARGA DO MOTOR

240000

0.75

220000 200000 180000 160000 140000  

1.2

LIMITE DE VAZÃO:

CHOKING"

"

120000

Vazão de Ar Corrigida (lbs/min) 1.0 0

3

6

9

12

COMPRESSOR: Garret GT14 C101D(41mm) 50 TRIM 0,33 A/R

15

18

 

Válvula de Recirculação: Evita que o compressor entre em “surge” em desacelerações

 

 

“Intercooler” • Radiador Ar-Ar; • Reduz a temperatura do ar    comprimido:  –  Aumenta sua densidade;  –  Reduz as chances de ocorrência de detonação.

• Matriz construída totalmente em Alumínio brasado com aletamento interno e externo; • Posicionado junto a grade frontal do veículo.

 

 

Parati Turbo T urbo 1.0 16 16V V Efeito do Intercooler sobre Densidade do Ar  160 16 0

   ] 160    %    [   e    d   a    d    i   s   n 120   e    D   e    d   o 80    t   n   e   m   u    A

ANTES DO INTERCOOLER    ]    C    º    [

120 12 0 80 AP S INTE INTER RCOO OOLE LER R

40

40 80

100

120

140

160

Velocidade [km/h]  

180

200

  a   r   u    t   a   r   e   p   m   e    T

 

Corpo de Borboleta / Coletor de Admissão • Corpo de borboleta c/ controle de marcha lenta independente; • Coletor em Al fundido p/ suportar variações de pressão; • Integrado com válvulas injetoras e sensor de temperatura t emperatura do ar de admissão.

 

 

Comando de Válvulas Variável • Permite o atingir alta potência garantindo também o desempenho em baixa rotação do motor; • Eixo comando de válv. de admissão variável 26º em relação ao virabrequim; •  É comandado pelo módulo de injeção através de válvula solenóide

Polia

Eixo comando adm.

 

 

 

 

Influência do VVT sobre o Torque 180

140

   N    [   e   u   q   r   o    T1 0 0

Curva d o motor para Curva  b  baa ixa s rota ro ta çõ e s

60 1000

2000

3000

4000

Rotação Rotaçã o [rpm [rpm]]

 

5000

6000

 

Influência do VVT sobre o Torque 180

140

   N    [   e   u   q   r   o    T1 0 0

Curva do motor c/ Curva comando 26º atrasa do em rel relaçã açã o ao Virabrequim

60 1000

2000

3000

4000

Rotação Rotaçã o [rpm [rpm]]

 

5000

6000

 

Influência do VVT sobre o Torque 180 Curva uti Curva utilliza nd o comando variável

140

   N    [   e   u   q   r   o    T1 0 0

60 1000

2000

3000

4000

Rotação Rotaçã o [rpm [rpm]]

5000

6000

   

Sistema de Ignição • Centelhamento deve ocorrer em ambiente de grande pressão:  –   Necessidade de aumento da potência potênc ia elétrica disponível;  –  Elim. do distribuidor e dos contatos elétricos a ele associados.

• Bobina Dupla fornece centelha para 4 cilindros (1 - 4 e 3-2); • Velas de ignição com eletrodo central em platina e reposicionada na câmara de combustão.

   

Controle da Ignição • Sistema de ignição utiliza 2 sensores:  –   de rotação e ponto morto superior, posicionado na flange traseira do motor   –   de fase do pistão, posicionado na parte posterior do comando de válvulas de admissão: informa o tempo em que se encontra o pistão e confirma o funcionamento funcionamen to do comando variável;

• Controle de detonação através de 2 knock-sensors, que vigiam os cilindros 1/2 e 3/4 respec.  –  Maior segurança contra ocorrência de detonação

   

Controle da Ignição: Posicionamento dos sensores de detonação A qualidade do sinal dos sensores depende: - Rigidez de bloco; - Posicionamento dos sensores; - Torque de aperto.

cil. 4

cil. 3

cil. 2

cil. 1

   

Combustão

   

Bloco • Pressão de Combustão aprox. 70% maior; • Bloco em Ferro Fundido, reforçado estruturalmente • Virabrequim = Motor Aspirado • Biela = Motor Aspirado

   

Bloco: Injetor de Óleo sob Pistões • Para redução da temperatura média de trabalho dos pistões; • Abertura regulada por válvulas:  –  Não é acionado acionado quando a pressão pressão do óleo for baixa;

 –  Refrigera sem desperdício de  pressão.

   

Pistões •  Novo Desenho Desenho de câmara para: para:  –  Taxa de compressão: 8,5:1.  –  Garantir folgas entre pistão e válvulas com qualquer  posição do do comando variável. • Aneis (compressão) com “gap” reduzido em 40%: - Baixo Blow-by.

   

Pistões • Pistões Forjados:  –   (resist.mecâ (resist.mecânica) nica) • Lateral grafitada  –  Redução de atrito;  –  Redução de ruídos esp. a frio.

   

Injetor de Óleo: Efeito sobre o pistão • Redução da temperatura de trabalho de diversas  posições do pistão:  redução de desgaste. 

Possibilidade de maior avanço de ignição. 

Pontos de avaliação de temperaturas Desgaste de canaleta

   

Blow-By / Consumo de Óleo Após Durabilidade •Blow-by < AP 1800 •Consumo de Óleo:

50 40

•aprx.=aspirado

30

Blow by (l/min) 20 10 0    2    0    1

   0    2

   0    3

Carga (Nm)

   0    5

   0    7

   0    9

6200 5500 4500 3500 Rotação 2000

   0    1

   T    C

(1/min)

   

Válvulas de Escape • Devem suportar temperaturas da ordem de 1100 ºC. • Possuem inserto de sódio p/ absorção e transmissão de calor:  –  Evitam formação de pontos quentes;  –  Reduzem a possibilidade de ocorrência de detonação.

Inserto de Região sede: da material de alta dureza

Sódio

   

Inserto Sódiode

Pto de Fusão: 98ºC



Coef. de Transf. de Calor: 90% maior que aço





Calor Específico: 175% maior que aço

   

Coletor de Escape • Conduz o gás de escape em alta temperatura (aprox. 950ºC) e  pressão p/ a turbina; • Projeto baseado em fluxo, tensões estruturais e térmicas.

   

   

Coletor de Escape: certificação em fadiga térmica • Certificação em ciclos de fadiga térmica indicaram:  –  Utilização de ferro fundido com alto teor de elem. de liga;  –  Tratamento térmico na  produção: estabilização dimensional e metalográfica;  –  Projeto especial de elementos de fixação (prisioneiros, porcas e  juntas).

   

Coletor de Escape: Junta de vedação • Quatro camadas metálicas:  –  Aumento de sua resistência à deformação permanente;  –  Compensação de eventuais deformações plásticas do coletor 

   

Turbina • É o “motor” do compressor: ela transforma temperatura e  pressão em velocidade:  –   –   –   – 

 o gás de escape (alta temp. e pressão) entra radialmente no rotor  é acelerado em canais convergentes; deixa o rotor axialmente (baixa temp./pressão alta velocidade); o rotor é girado.

• Reaproveita energia do gás de escape, recuperando a eficiência do motor.

   

Turbina • Aplicação específica para este motor:  –  Pequeno diâmetro: 35,5 mm; • Promove alta rotação do compressor com baixa vazão de gás;

 –  Tem resistência estrutural e estalibilidade para girar a 240.000 RPM; • Permite atendimento do objetivo de  potência.

• Construída em ferro fundido com elem. de liga.

   

Conjunto Turbo-Compressor  • Constitui-se de:  –  Carcaça + Rotor do compressor em Al;  –  Carcaça Central: Mancais, câmaras câmaras de óleo e líquido de arrefecimento;  –  Carcaça + Rotor de Turbina em Fofo.

• Produzido no Brasil, projeto nacional específico para este motor; • Cuidadoso processo produtivo (esp. quanto a  balanceamento);  balanceament o); •  Processo de distensioname distensionamento nto da carcaça de turbina.

   

Waste-Gate • Utilizada para controle da  pressão do compressor; • Quando aberta, permite ao escape fluir diretamente aogás de escapamento, não passando pelo rotor de turbina; •  pelo É controlada eletronicamente módulo de injeção.

   

Sistemas Auxiliares do Powertrain • Transmissão  –  Embreagem redimensionada;  –  Marchas reescalonadas (12% + longas);  –  Melhoria do material das engrenagens;  –  Semi eixos similares ao do Gol 2.0. • Foram redimensionados ou reprojetados : - Sistema de arrefecimento: compensar maior potência; - Sistema de recirculação: Blow-by: Coletor adm. sob pressão; - Sistema de Canister: Coletor adm. sob. pressão;

   

Catalisador  • Posicionado sob o assoalho; • Recebe gases em temperaturas inferiores;  –  Light off aprox. 180 seg.  –  Temp. Média FTP 75 aprox. 400ºC

• Utiliza tecnologia de Wash-Coat double Layer:  –  Traz benefícios para a durabilidade do catalisador 

   

ECU: Eletronic Control Unit • Através das informações dos sensores, faz o gerenciamento do motor cujas principais tarefas são:  –  Cálculo  Cálculo do combustível necessário;  –  Cálculo  Cálculo do avanço de ignição;  –    Controle turbo;  –  Controle  Controle Controle da do pressão comandodovariável;  –  Controle  Controle da limpeza do “canister”;  –  Controle  Controle da rotação de marcha lenta;  –  Auto-adaptação  Auto-adaptação (por ex.a variações do combustível). • Motronic M3.8.3 com 80 pinos, Micro controlador de 16  bits e 12MHz, EPROM de 128 kbytes e RAM de 8 kbytes.

   

Sensores 1) HFM: sensor de massa de ar  2) Sensor de temperatura do ar de admissão 3) Sensor de Altitude (pressão atmosférica) 4) 5) Sensor Sensor de de Rotação Fase 6) 02 sensores de detonação 7) Sensor de posição da borboleta 8) Sensor de oxigênio (sonda Lambda) 9) Sensor de Temp. Líq. Arrefecimento

   

Desempenho EA111 1.0 l Turbo    ]   m    N    [   e   u   q   r   o    T

160 150 140 130 120 110 100 90

85 75 65 55 45 35 25 15

80 70 60

5 -5 -1 5

1000 2000 3000 4000 5000 6000 Rotação [rpm]

   ]    W    k    [   a    i   c   n    ê    t   o    P

   

To r q u e

Po Pottênc iia a

   

   

Motor + Câmbio

Força na Roda

100

Força Disponíve Disponívell na Roda 80 1ªMarcha

Gol 2.0

60

Gol Turbo 1.0 16V

   ]    N    k    [

2ª

40

3ª 4ª

5ª

20

0 0

40

80

120

160

200

Vel.[km/h]

   

Performance: Gol Turbo 1.0 16V Velocidade Máxima [km/h]

5ª marcha

192

Aceleração [s]

0 -

80 km/h

7.3

  0 - 100 km/h

9.5

40 - 100 km/h 60 - 100 km/h

11.4 / 17.0 7.4 / 10.0

80 - 120 km/h

8.0 / 11.0

Retomada [s], 4. / 5.M

Consumo [km/l]

Peso do veículo [kg] cw x A Relação de marchas:

Cidade:

11.5

Estrada:

16.5

Misto (PECO):

13.8

vazio/ carga total 0.34 x 1.9 m2 1./ 2./ 3./ 4./ 5./Ré

996 / 1485 0.646 m2 3.90/ 2.12/ 1.37/ 0.91/ 0.73/3.17

Diferencial

4.78

Roda / Pneu

185/60 R 14

Raio dinâmico: 0.28 m

   

Benchmarking Turbo    ]    l    / 170   m    N    [ 160   e

DAIHATSU

VOLVO T4

GOL 1.0l Turbo

SAAB 2.3

  u   q   r 150   o    T

SAAB 2.0 AUDI S4

140

VOLVO S70

PORSCHE 911 MASERATI 3200 GT AUDI S3

ALFA ROMEO 166

130 120 110 60

70

80

90 1 00 Potência [kW/l]

   

Benchmarking Categoria 1.0 l 160 150

GOL 1.0l Turbo

140    ]    l    /   m    N130    [   o   m120    i   x    á    M110   e   u 100   q   r

GOL 16 V

  o 90    T

 KA,FIESTA

GOL Mi

80

CLIO

CORSA 16V CORSA

UNO

PALIO

106 PEUGEOT

70 35

45

55

65

Potência [kW/l]

75

85

   

Considerações

Envolvência de cerca de  de 350 350  pessoas em diversas áreas de conhecimento: - Termodinâmica/ Química, Dinâmica de Fluidos, Estática e Dinâmica de Estruturas, Acústica, Processos, etc. Números (desenv. EA-111 1.0l 4v Turbo): Turbo):  Da

aprovação até a produção: 18 meses

 Horas

de durabilidade em bancada: 15.000 c/ cerca de 50 motores