TURBOCOMPRESSÃO I: Tecnologia chave para motores de alta performance

O desempenho de um motor de combustão interna pode ser melhorada pela adição de turbocompressor. Um turbocompressor comprime o ar de modo que mais oxigênio flua para o interior da câmara de combustão. Desta forma, mais combustível é queimado e a potência de saída do motor aumenta em conformidade. O turbocompressor é acionado pelos gases de escape, o que torna os motores diesesl turboalimentados muito eficientes. A própria MTU desenvolve esta tecnologia-chave para motores de alto desempenho.

Produção e desenvolvimento do turbo compressor na MTU

O turboalimentação é um componente integral na concepção do projeto do motor. Ela determina as características do motor quase mais do que qualquer outro sistema, uma vez que isso afeta sua economia, dinâmica e características de emissão. É por isso que a turboalimentação é uma das tecnologias-chave da MTU. A MTU tem uma tradição de manter uma equipe de profissionais experientes para desenvolver e produzir seus próprios turbocompressores. A gama de turbocompressores MTU estende-se através de motores com potência de 400 a 9.100 kW. Turbocompressores são adquiridos para projetos de motores em que os efeitos do esforço coordenado com o setor de veículos comerciais podem ser usados.

O mercado mundial de turbos é dominado por aplicações veicular e comercial. Por comparação, o número de turbocompressores montados em motores industriais é desprezível. O resultado é que os fabricantes de turbocompressores raramente produzem projetos especializados para os fabricantes de motores industrial.  Quando os requisitos dos clientes dos motores são tais que eles não podem ser satisfeitas por turbocompressores adquiridos no mercado, a própria MTU desenvolve e produz o turbo.

Fig. 1: Programa atual de turbocompressor da MTU (ZRT 12, 13, 35, 36, 57)

A família MTU de turbocompressor atual inclui cinco séries e baseia-se num conceito de utilização do máximo de partes comuns entre si quanto possível.

Levando em consideração todas as séries de motor, a MTU produz cerca de 50 por cento dos turbocompressores. A gama de turbocompressores da MTU atual engloba cinco séries - a ZRT 12, ZRT 13, ZRT 35, 36 e ZRT ZRT 57 (ver Figura 1), e baseia-se num conceito de utilização do máximo de partes comuns entre si quanto possível. No caso do novo motor da Série 4000 para aplicações ferroviárias com turboalimentação regulada em duas fases, por exemplo, todos os três turbocompressores no sistema são idênticos. Isso simplifica a logística de produção e o fornecimento de peças de reposição para os clientes.

Devido ao seu próprio desenvolvimento e produção de turbocompressores, a MTU está em posição para atender às demandas dos clientes para motores altamente responsivos e potentes. A MTU emprega o sistema de turboalimentação no motor de forma que ele ofereça alto desempenho em toda a gama de especificações do motor, desde o nível do mar até uma altitude de 4.000 metros, e de baixa a extremamente elevada temperatura ambiente. Como os turbos MTU estão configurados especificamente para atender às especificações do motor, eles são facilmente integrados no pacote geral do motor. Isso torna os motores muito compactos - uma vantagem decisiva em aplicações onde o espaço de instalação seja um desafio.

Nos últimos anos, as condições de funcionamento de algumas aplicações tornaram-se mais difíceis. As unidades de potência são submetidos a um elevado número de ciclos de carga, que também têm um efeito sobre o tempo de vida útil dos turbocompressores. A MTU tomou estas alterações em conta no desenvolvimento de seus turbocompressores, tem otimizado ainda mais o tempo entre as revisões gerais (TBO – Time Between Overhalls) e alinhou isto com os motores. No caso dos motores ferroviários da Série 4000, por exemplo, o TBO do turbocompressor pode chegar até 15.000 horas, dependendo do número de rotações por minuto. Isso significa períodos de manutenção curtos e custos reduzideos. Nos processos de desenvolvimento de turbocompressores, a MTU faz uso das possibilidades oferecidas pelos cálculos eficientes e das ferramentas de simulação.

Fig. 2: Uso de procedimentos computacional tri-dimensional para simular o fluxo de ar e as cargas estruturais mecânica para otimizar a performance do turbocompressor

O turbo deve conservar as características necessárias ao longo de toda sua vida útil. Com esta finalidade, a MTU trabalha com procedimentos tridimensionais de cálculo para simular o fluxo de ar e as cargas mecânicas estruturais.

Quando um novo turbocompressor é produzido, ele já passou por uma sequência completa de processos de optimização analíticos em termodinâmica, mecânica estrutural, resistência e durabilidade de contenção, por exemplo, no momento em que é colocado sobre o banco de ensaios. A análise fundamentalmente envolve a otimização do componente através da utilização de procedimentos de cálculo tridimensionais para simular o fluxo de ar e as cargas mecânicas estruturais (ver Figura 2). Desta forma, a MTU garante que os turbocompressores tenham as características requeridas quando finalmente entrarem em serviço e assim as mantém ao longo de toda sua vida útil.

Turbocompressores são submetidos a elevadas cargas térmicas em operação. Por conseguinte, vedações e rolamentos são termicamente isolados e, se necessário, arrefecidos a água. Para limitar a temperatura da superfície, a MTU utiliza uma lâmina impulsora arrefecido a água em motores de elevada carga de turboalimentação, o que, simultaneamente, alivia alguma carga sobre o trocador de calor. Em aplicações marítimas, a turbina é embalada num bloco arrefecido a água (ver Figura 3). Os turbocompressores, portanto, também satisfazem a Directiva SOLAS (Safety of Life at Sea) para aplicações marítimas, que estabelece que, por razões de segurança, a temperatura da superfície não pode exceder 220 graus Celsius.

Fig. 3: Turbocompressor de alta performance com carcaça arrefecido a água e impelidor do compressor

Utilizando arrefecimento a água para a carcaça e impelidor do compressor assegura-se que a temperatura da superfície do motor seja limitada, o que torna os turbocompressores MTU termicamente muito duráveis.

Implementação da turboalimentação na MTU

Por uma questão de princípio, a MTU equipa todos os motores da série de vários motores com turbocompressores. Dentro de uma série de projetos, o turbo atende os requisitos específicos da aplicação em particular. Isto significa que o o motor gerador de energia, que normalmente giram na mesma velocidade, precisam uma configuração de turbocompressor diferente daquele utilizado em um motor veicular. Um motor veicular é conduzido dinamicamente – tem que oferecer alto desempenho desde a marcha lenta até as rotações máximas - e as características do turbocompressor tem de ser adequadas a uma ampla faixa de potência. O desafio é que um turbocompressor pode ser configurado tanto para uma ampla faixa de velocidade ou uma elevada pressão de impulso. Para os motores destinados a aplicações dinâmicas, portanto, a MTU tem desenvolvido turbocompressores para fornecerem pressão de impulso suficiente ao mesmo tempo que cobrem uma gama de rotações do motor tão ampla quanto possível.

Para aplicações que exigem ainda mais respostas de potência dinamica, particularmente em aplicações marítimas, a MTU usa o princípio de turboalimentação sequencial. Trata-se de turboalimentadores múltiplos sendo sequencialmente ligados. Um turbocompressor produz a pressão de alimentação para baixas velocidades dos motores, e quando o motor está girando mais rápido ou quando mais potência tem de ser desenvolvido, turbocompressores adicionais são adicionados de modo que ar suficiente seja  fornecido aos cilindros.

Para fornecer dinâmica de motor altamente responsiva, os motores da série 890, que são projetados para alta performance em veículos militares, têm turbina de geometria variável. Com esta tecnologia, o escape passa por sobre asas ajustáveis ​​para as pás da turbina de maneira que a turbina desenvolva sua potência rapidamente em baixas rotações e, posteriormente, permita altas taxas de fluxo de gás de escape (vide detalhes das turbinas de geometria variável em artigo complementar postado ao final deste artigo). Para as gerações de motores novos para atingir alto desempenho, a MTU usa turbo de dois estágios. No início de 1980, a MTU já equipava a Série 1163 com turbocompressores de dois estágios completamente integrado com intercooler. Até cinco grupos de turbocompressor sequencialmente dispostos constituídos por estágios de alta e baixa pressão permitem que o motor desenvolva 7.400 kW de potência.

Novas demandas de turbo alimentadores devidos às novas legislações de emissões
Hoje o desenvolvimento contínuo de motores está definitivamente determinado pelas crescentes exigências de padrões de emissões. Isto significa que os sistemas adicionais que previnem a produção de partículas em motores diesel ou óxidos de nitrogênio durante o processo de combustão ou os processos para limpar estas formações, tais como o processo de Miller, recirculação de gases de escape (EGR), a redução catalítica selectiva (SCR) ou um filtro de partículas para motores diesel (DPF) têm que ser integrados no conceito global do design do motor. Para a MTU, turboalimentação é uma das tecnologias-chave nestes conceitos de baixa emissão. Isto porque somente com um sistema compatível de turboalimentação que a tendência destes sistemas adicionais que afetam negativamente o desempenho do motor e a capacidade de resposta podem ser evitados. Uma característica comum de todas as tecnologias de redução de emissões é que eles diminuem o efeito da turboalimentação. Filtro de partículas diesel, o processo Miller e o de recirculação de gases de escape criam contrapressão maior dos gases de escape; recirculação dos gases de escape aumenta a massa de ar que tem de ser entregue ao cilindro. Para simplificar, o turbocompressor tem a comprimir o ar a uma taxa mais elevada, isto é, deve forçar mais ar para dentro da câmara de combustão para fornecer a mesma quantidade de oxigênio para a combustão quanto a fornecida anteriormente.

Conforme as pesquisas realizadas pela MTU tem mostrado, o turbocarregamento de fase única utilizado anteriormente já não será suficiente para a maioria das aplicações no futuro. Para os motores destinados a cumprir normas rigorosas de emissões, o especialista em soluções de propulsão optarão  por duplo estágio regulado de turboalimentação (Figura 4). Este é um sistema que garante uma taxa  constantemente elevada de entrega de ar de admissão para o motor em todos os pontos de funcionamento e mesmo sob condições ambientais extremas (temperatura do ar de entrada, altitude, contrapressão,). Isto envolve a pré-compressão do ar de admissão pelos turbocompressores de baixa pressão seguido por compressão adicional em turbocompressores de alta pressão. O controle do sistema de turbocompressão está integrado ao sistema de gerenciamento eletrônico do motor da MTU, o ECU (Engine Control Unit), que foi desenvolvido pela própria MTU.

O inovador sistema de turboalimentação de dois estágios regulados está sendo usado pela primeira vez para a nova série 4000 de motor para aplicações ferroviárias. Atende os requisitos de emissão da Directiva da UE 97/68/EC Estágio IIIB que entram em vigor para locomotivas diesel na Europa em 2012. Turboalimentação em dois estágios regulado também é definitivamente planejado para futuras versões da Série de motores1600, 2000 e 4000 em outras aplicações móveis, tais como construção e indústria. Para aplicações estacionárias, tais como a geração de energia, em que as exigências sobre a resposta do turbocompressor dinâmico não são tão elevados, o turboalimentação mais econômico de um único estágio continuará a ser utilizado.

Fig. 4:Turboalimentação em dois estágios regulado para atender os futuros padrões de emissão

Uma vez que a turboalimentação em um estágio único já não será suficiente para cumprir as normas de emissões futuras cada vez mais exigentes, a MTU, no futuro, irá optar por um duplo estágio regulado de turboalimentação.

Inter-resfriamento (intercooler)

Quando o ar é comprimido pelo turbocompressor, ele se aquece. O resfriamento (intercooler) aumenta ainda mais a densidade do ar de modo que uma maior massa de ar e consequentemente mais oxigênio entra no cilindro. O sistema de turboalimentação de duas fases regulado funciona com dois intercoolers. O primeiro está localizado entre a pressão baixa e a fase de alta pressão, e o segundo a jusante da fase de alta pressão. O resfriamento (intercooler) proporciona uma compressão mais eficiente na fase de alta pressão seguinte, o que leva a um maior nível de eficiência do sistema de sobrealimentação. No caso de todos os motores MTU, os inter-resfriadores (intercooler) são altamente integrados na unidade motor e têm uma necessidade de espaço muito reduzida.

Resumo

Turbocompressor auxilia os motores MTU a alcançarem baixo consumo de combustível e alto desempenho em uma ampla gama de velocidades de funcionamento. Além de outras tecnologias-chave da MTU, é um componente importante das estratégias para cumprir com as restrições de emissões cada vez mais severas a vir sem comprometer a eficiência ou performance do motor. A empresa tem uma tradição de desenvolver e produzir seus próprios turbocompressores de alta performance. Eles estão configurados especificamente para satisfazer as altas demandas dos motores em termos de economia, desempenho, resposta dinâmica e vida útil. Devido ao elevado nível de integração dos turbocompressores da MTU  no conjunto do motor, os clientes se beneciam de um projeto compacto com a necessidade de pouco espaço.

Turboalimentação de estágio único

No caso de turboalimentação de estágio único, a pressão de impulso para toda a gama de velocidades e cargas do motor é gerado por um único turbocompressor.

Turbocarregamento sequencial de estágio único

No caso turbocarregamento sequencial de estágio único, turbocompressores individuais são acrescentados sequencialmente em paralelo dependendo da velocidade e carga do motor por meio de válvulas nos sistemas de admissão e descarga.

Turbocarregamento sequencial de dois-estágios

Basicamente se  falando, o turbo sequencial de dois estágios opera da mesma  maneira que o turbo carregamento de estágio único. No entanto, em vez de um turbocompressor individual em cada caso, um par de turbocompressores é adicionado ou desligado conforme necessário.

Turbocarregamento de dois estágios regulado

No caso de turbocarregamento regulado de dois estágios, dois turbocompressores são conectados em série. Na configuração do sistema empregado pela MTU, o fluxo de descarga dos cilindros é dividido de maneira que parte dele passa através da turbina de alta pressão (HP) e o restando é desviado através de um bypass por uma válvula controlável. O fluxo total de massa então flui através da turbina de baixa pressão (LP).

Continua no próximo blog...