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?
Vd 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: 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 de funcionamento. • Permite à ECU (através da válvula Waste-Gate) um preciso controle da vazão de ar para o motor: – A potência não varia com a altitude. • Atua como elemento de segurança para evitar sobregiro do turbo e sobrepressão do 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
Mapa do Compressor é “largo”o suficiente para: 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.
Razão de Pressões através do Compressor(t/t) P2 / P1
Matching do Compressor com o motor Turbo 1.0 16V
SOBREGIRO:
REGIÃO DE
3.0
LIMITE DE SEGURANÇA QUANTO A RESISTÊNCIA ESTRUTURAL
SURGE":
"
FUNCIONAMENTO INSTÁVEL, COM POSSÍVEL "BACKFLOW", RUIDOSO E SUJEITO A DANIFICAR O COMPRESSOR
2.8 2.6
CURVA DE
PLENA CARGA DO MOTOR
2.4 2.2
240000 0.75
2.0
220000 1.8
200000 1.6
180000 LIMITE DE VAZÃO:
160000 140000
1.4
CHOKING"
"
120000
1.2
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.
160
160 ANTES DO INTERCOOLER
120
120
80
80 APร S INTERCOOLER
40
40 80
100
120
140
160
Velocidade [km/h]
180
200
Temperatura [ยบC]
Aumento de Densidade [%]
Parati Turbo 1.0 16V Efeito do Intercooler sobre Densidade do Ar
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 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
Torque [Nm]
180
140 Curva do motor para baixas rotações
100
60 1000
2000
3000
4000
Rotação [rpm]
5000
6000
Influência do VVT sobre o Torque
Torque [Nm]
180
140
100
Curva do motor c/ comando 26º atrasado em relação ao Virabrequim
60 1000
2000
3000
4000
Rotação [rpm]
5000
6000
Influência do VVT sobre o Torque 180
Torque [Nm]
Curva utilizando comando variável
140
100
60 1000
2000
3000
4000
Rotação [rpm]
5000
6000
Sistema de Ignição • Centelhamento deve ocorrer em ambiente de grande pressão: – Necessidade de aumento da potência 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 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
CombustĂŁo
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 quando a pressão do óleo for baixa;
– Refrigera sem desperdício de pressão.
Pistões • Novo Desenho de câmara para: – Taxa de compressão: 8,5:1. – Garantir folgas entre pistão e válvulas com qualquer posição do comando variável. • Aneis (compressão) com “gap” reduzido em 40%: - Baixo Blow-by.
Pistões • Pistões Forjados: – (resist.mecânica) • 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
•aprx.=aspirado
40 30
Blow by (l/min) 20 10
6200 5500 4500 3500 2000 CT
110
90
Carga (Nm)
70
50
30
20
10
2
0
Rotação (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.
Região da sede: material de alta dureza
Inserto de Sódio
Inserto de Sódio
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 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); • Processo de distensionamento da carcaça de turbina.
Waste-Gate • Utilizada para controle da pressão do compressor; • Quando aberta, permite ao gás de escape fluir diretamente ao escapamento, não passando pelo rotor de turbina; • É controlada eletronicamente pelo 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 do combustível necessário; – Cálculo do avanço de ignição; – Controle da pressão do turbo; – Controle do comando variável; – Controle da limpeza do “canister”; – Controle da rotação de marcha lenta; – 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) Sensor de Rotação 5) Sensor de Fase 6) 02 sensores de detonação 7) Sensor de posição da borboleta 8) Sensor de oxigênio (sonda Lambda) 9) Sensor de Temp. Líq. Arrefecimento
160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60
85 75 65 55 45 35 25 15 5 -5 -15
1000 2000 3000 4000 5000 6000 Rotação [rpm] Torque
Potência
Potência [kW]
Torque [Nm]
Desempenho EA111 1.0 l Turbo
Motor + Câmbio
Força na Roda
100
Força Disponível na Roda 80 1ªMarcha
Gol 2.0
60 [kN]
Gol Turbo 1.0 16V 2ª
40
3ª 4ª
5ª
20
0 0
40
80
120 Vel.[km /h]
160
200
Performance: Gol Turbo 1.0 16V Velocidade Máxima [km/h] 5ª marcha Aceleração [s] 0 - 80 km/h 7.3 0 - 100 km/h 9.5
192
Retomada [s], 4. / 5.M 40 - 100 km/h 60 - 100 km/h 7.4 / 10.0 80 - 120 km/h 8.0 / 11.0
11.4 / 17.0
Consumo [km/l] Cidade: Estrada: 16.5 Misto (PECO): 13.8
11.5
Peso do veículo [kg] vazio/ carga total cw x A 0.34 x 1.9 m2 0.646 m2 Relação de marchas: 1./ 2./ 3./ 4./ 5./Ré Diferencial 4.78 Roda / Pneu 185/60 R14 Raio dinâmico: 0.28 m
996 / 1485 3.90/ 2.12/ 1.37/ 0.91/ 0.73/3.17
Torque [Nm/l]
Benchmarking Turbo 170 160
DAIHATSU
VOLVO T4 SAAB 2.3
150
SAAB 2.0 AUDI S4
140
GOL 1.0l Turbo
VOLVO S70
PORSCHE 911 MASERATI 3200 GT AUDI S3
ALFA ROMEO 166
130 120 110 60
70
80
90 100 Potência [kW/l]
Benchmarking Categoria 1.0 l 160
Torque Máximo [Nm/l]
150
GOL 1.0l Turbo
140 130 120 110 100
GOL 16 V
90
KA,FIESTA
GOL Mi
80
CLIO CORSA
UNO
CORSA 16V
PALIO
106 PEUGEOT
70 35
45
55 65 Potência [kW/l]
75
85
Considerações Envolvência de cerca de 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): Da aprovação até a produção: 18 meses Horas de durabilidade em bancada: 15.000 c/ cerca de 50 motores Rodagem em veículos: >1.700.000 km c/ cerca de 70 veículos