Turbocompresores BorgWarner con turbina de geometría variable (VTG)
BorgWarner Turbochargers with Variable Turbine Geometry (VTG)
ESTE AUMENTO EN LA EFICIENCIA DEL MOTOR LO PLANTEA LA COMBUSTIÓN MILLER/ATKINSON THIS INCREASE IN ENGINE EFFICIENCY IS PRESENTED BY MILLER/ATKINSON COMBUSTION
Los conceptos híbridos requieren motores de combustión interna de máxima eficiencia para lograr una reducción significativa de las emisiones de CO2. Los motores de gasolina de ciclo Miller/Atkinson están mostrando un excelente progreso en la lucha por alcanzar los niveles reducidos de CO2 que los fabricantes de automóviles de la UE deben cumplir con fecha límite en 2030. Los turbocompresores VTG de BorgWarner constituyen un sistema de sobrealimentación ideal para este proceso. / Hybrid concepts require maximum efficient internal combustion engines to achieve a significant reduction in CO2 emissions. Miller/Atkinsoncycle gasoline engines are showing excellent progress in striving for the reduced CO2 levels that EU carmakers must comply with by 2030. BorgWarner's VTG turbochargers are an ideal charging system for this process.
POR DR. RALF CHRISTMANN, DIRECTOR DE DESARROLLO DE PRODUCTOS EN TURBOCOMPRESORES PARA TURISMOS, BORGWARNER TURBO SYSTEMS, DR. SASCHA WEISKE, LÍDER DEL EQUIPO DE SIMULACIÓN DE MOTORES Y TERMODINÁMICA, BORGWARNER TURBO SYSTEMS, AMIR ROHI, DIRECTOR DE PROGRAMA DE RODAMIENTOS DE BOLAS, BORGWARNER TURBO SYSTEMS DR. MARC GUGAU, LÍDER DEL EQUIPO DE ETAPA DE RENDIMIENTO DE TURBINAS, BORGWARNER TURBO SYSTEMS. FOTOS: BORGWARNER/ DR. RALF CHRISTMANN, DIRECTOR PRODUCT DEVELOPMENT PC TURBOCHARGER, BORGWARNER TURBO SYSTEMS, DR. SASCHA WEISKE, TEAM LEADER THERMODYNAMICS & ENGINE SIMULATION, BORGWARNER TURBO SYSTEMS, AMIR ROHI, PROGRAM MANAGER BALL BEARING, BORGWARNER TURBO SYSTEMS DR. MARC GUGAU, TEAM LEADER PERFORMANCE TURBINE STAGE, BORGWARNER TURBO SYSTEMS. FOTOS-PHOTOS: BORGWARNER / TRADUCCIÓN-TRANSLATION: BORGWARNER
Además de la electrificación del sistema de propulsión, los conceptos de propulsión alternativos basados en motores de combustión interna de alta eficiencia son necesarios a fin de cumplir los objetivos futuros de emisiones de CO2, todavía más estrictos. La hibridación del tren motriz ofrece posibilidades de integración del apoyo eléctrico del sistema de carga y, al mismo tiempo, nuevas estrategias de diseño para la turboalimentación impulsada por gases de escape. El objetivo común de estos conceptos es ampliar el aumento de la eficiencia a las zonas operativas del motor relacionadas con el consumo de combustible y llevar el funcionamiento estequiométrico del motor a todo el campo característico del motor a plena carga. Este aumento en la eficiencia del motor lo plantea la combustión Miller/Atkinson, para la cual el turbocompresor con geometría de turbina variable (VTG) es la solución de sobrealimentación perfecta. El turbocompresor VTG de BorgWarner ofrece más fuentes de eficiencia, gracias a una geometría de flujo mejorada en la
In addition to the electrification of the powertrain, alternative propulsion concepts based on highly efficient internal combustion engines are necessary in order to achieve even stricter CO2 targets in the future. The hybridization of the powertrain offers possibilities for integrating the electrical support of the charging system and at the same time new design strategies for exhaust turbocharging. The common goal of these concepts is to extend the spread from increasing efficiency in fuelrelevant operating areas of the engine and to display the stoichiometric motor operation in the entire motor characteristic field at full load. This increase in engine efficiency is presented by Miller/Atkinson combustion, for which the turbocharger with variable turbine geometry (VTG) is the perfect charging solution. BorgWarner’s VTG turbocharger offers additional efficiencies through improved flow geometry in the turbine and reduced friction performance by using ball bearings instead of journal bearings.
turbina y un rendimiento de fricción reducido mediante el uso de rodamientos de bolas en lugar de cojinetes lisos. Disponemos de varias herramientas de ajuste para inDESARROLLO DE MOTORES DE GASOLINA crementar la eficiencia del motor de combustión de gasolina: mayor relación de compresión geométrica, dilución de la carga, ciclo de Miller/Atkinson y varias combinaciones de estas medidas. La creciente gama de motores completamente híbridos y enchufables justifica el desarrollo de motores de combustión interna optimizados para el funcionamiento híbrido. Los motores de gasolina turboalimentados con ciclos Miller logran una mayor densidad de potencia específica con un consumo mejorado en comparación con los motores atmosféricos optimizados para sistemas híbridos. Además de los mayores requisitos de presión de carga debido a la dilución de la carga y la expansión intermedia, el aumento de la eficiencia de los motores de combustión interna también plantea nuevos retos. Aquí, el turbocompresor VTG para motores de gasolina mejora la eficiencia del sistema en comparación con la tecnología clásica con válvula de descarga. Además de un aumento en el rendimiento de 15 a 20 kW respecto al turbocompresor con válvula de descarga, el turbocompresor VTG para gasolina permite una reducción en el consumo de combustible. Se consigue mediante la posibilidad de incrementar la tasa de Miller utilizando toda la entalpía de los gases de escape. Entre la salida del motor y la entrada al sistema de postratamiento de gases de escape, el turbocompresor VTG puede lograr un gradiente de temperatura de aproximadamente 25 C superior que los turbocompresores con válvula de descarga. Al mismo tiempo, se mantiene un par constante a baja velocidad, lo que permite el cumplimiento de las emisiones reales en conducción (RDE, por sus siglas en inglés) hasta en categorías de potencia superiores a 100 kW/l (Fig. 1). Se ofrece un mayor potencial de reducción de consumo mediante la dilución de carga a cargas parciales medias. El potencial correspondiente está limitado por la eficiencia del sistema de sobrealimentación. En este sentido, el diseño optimizado de los componentes aerodinámicos y
A number of adjusting screws are available to GASOLINE ENGINE DEVELOPMENT increase the efficiency of the gasoline combustion engine: higher geometric compression ratio, charge dilution, Miller/Atkinson cycle and various combinations of these measures. The growing range of full and plugin hybrids justifies the development of internal combustion engines optimized for hybrid operation. Turbocharged gasoline engines with Miller cycles achieve a higher specific power density with improved consumption compared to hybridoptimized naturally aspirated engines. In addition to the higher requirements for charging pressure due to charge dilution and intermediate expansion, the increase in efficiency of ,internal combustion engines also brings new challenges. Here, the VTG turbocharger for the gasoline engine offers a better system efficiency compared to the classic Wastegate technology. In addition to an increase in performance from 15 to 20 kW compared to the Wastegate turbocharger, the VTG turbocharger for gasoline allows a reduction in fuel consumption. This is done by the possibility of increasing the Miller rate using the entire exhaust gas enthalpy. The VTG turbocharger can achieve a temperature gradient between the engine outlet and the entrance into the exhaust aftertreatment system, which is about 25 °C higher compared to Wastegate turbochargers. At the same time, it remains at a constant lowspeed torque, enabling RDE (Real Driving Emissions, RDE) compliance up to power classes above 100 kW/l (Fig. 1). Further consumption potential is offered by charge dilution in the middle partial load. The corresponding potential is limited by the efficiency of the boosting system. The optimized design of the aerodynamic components and the use of ball bearings instead of the classic oil lubricated journal bearings ensures an increase in turbocharger efficiency of up to five percent compared to the Wastegate turbocharger. In addition, the use of ball bearings helps to compensate the delayed load buildup caused by the
el uso de rodamientos de bolas en lugar de los cojinetes lisos tradicionales lubricados con aceite garantiza un aumento en la eficiencia del turbocompresor de hasta un 5 % en comparación con un turbocompresor con válvula de descarga. Además, el uso de rodamientos de bolas ayuda a compensar el retardo en la acumulación de carga causado por el nuevo proceso de combustión. En comparación con la tecnología de válvula de descarga tradicional, la combinación de un ciclo Miller optimizado con recirculación de gases de escape enfriados y un soporte dinámico reducido del módulo P2 puede reducir las emisiones de CO2 hasta en un 3 %. La tecnología de VTG, presentada por primera vez DESARROLLO DEL TURBOCOMPRESOR VTG para motores diésel en 1997 (Fig. 2), se ha convertido en el sistema de turbocompresor preferido para motores diésel de turismos. Este aumento de popularidad se está extendiendo ahora a los motores de gasolina con la introducción del ciclo Miller/Atkinson. En 2006, new combustion process. Compared to traditional Wastegate technology, the combination of an optimized Miller cycle with cooled exhaust gas recirculation and reduced dynamic support of the P2 module can reduce CO2 emissions by up to 3%. VTG technology, first introduced for diesel engines VTG TURBOCHARGER DEVELOPMENT in 1997 (Fig. 2), has advanced to be the preferred turbocharging system for passenger car diesel engines. This rise in popularity is nowexpanding to gasoline engines with the introduction of the Miller/ Atkinson cycle. A BorgWarner turbocharger for the Porsche 911 Turbo 3.6 l engine marked the first series application of the gasoline VTG in 2006. Once the Miller cycle was introduced, this technology quickly moved into the mass market, where prior experience with the diesel VTG enabled considerable cost optimization. The aerodynamic setup of the turbine is comprised ADVANCED PERFORMANCE DESIGN of the adjustable stator blades and the turbinewheel. The VTG uses an adjustable stator vane ring (VTG cartridge) upstream of the turbine wheel to control exhaust gas mass flow and provide improved efficiencies for the turbine across a wider engine operating range. Because of the high demands of the VTG cartridge materials, the system was initially limited to use in diesel engine applications at exhaust gas temperatures of up to around 860°C. BorgWarner was able to use experience gained from the hightemperature Porsche 911 Turbo gasoline engine application to further technical development of the VTG. Considerable
un turbocompresor BorgWarner para el motor Porsche 911 Turbo de 3,6 l marcó la primera aplicación en serie del VTG de gasolina. Una vez implantado el ciclo Miller, esta tecnología se trasladó rápidamente al mercado de masas, donde la experiencia previa con el VTG para diésel permitió una optimización de costes considerable. La configuración aerodinámica de la turbina consta de DISEÑO DE RENDIMIENTO AVANZADO las aspas del estator ajustables y el rotor de la turbina. El VTG utiliza un anillo de álabes de estator ajustable (cartucho del VTG) aguas arriba del rotor de la turbina, para controlar el flujo másico de los gases de escape y mejorar la eficiencia de la turbina en un rango de funcionamiento más amplio del motor. Debido a las elevadas exigencias de los cartuchos del VTG sobre los materiales, el sistema se limitó inicialmente a su uso en aplicaciones de motores diésel, con temperaturas de los gases de escape de hasta aproximadamente 860 °C. BorgWarner pudo servirse de la experiencia obtenida de la aplicación al motor de gasolina Porsche 911 Turbo de alta temperatura para incrementar el desarrollo técnico del VTG. Los avances considerables en materiales y costes, junto con la técnica de combustión Miller/ Atkinson a temperaturas de gases de escape de hasta 950 °C, se han combinado para hacer que la tecnología VTG sea muy atractiva para su aplicación a motores de gasolina actualmente en desarrollo para su uso en sistemas híbridos de próxima generación. El mayor grado de eficiencia y control aerodinámicos de la turbina del VTG se logra a través de álabes guía de entrada ajustables, que permiten más del doble de dispersión del caudal que las turbinas de carcasa fija con control de válvula de descarga y diámetros de rotor comparables. La amplia meseta de eficiencia es posible gracias a una combinación única de ángulos de las aspas de los álabes guía de entrada y el rotor. La turbina proporciona una gran flexibilidad en la creación de contrapresión y potencia de salida de la turbina, lo que garantiza el control de la presión de carga. Esto contribuye a una reducción sustancial del CO2, al mismo tiempo que se adapta eficazmente a las características de eficiencia del motor empleado. El diseño de los componentes aerodinámicos es especialmente importante para influir de manera eficaz en la parábola de eficiencia del VTG. Las turbinas BorgWarner se adaptan a la posición de las bridas de conexión del motor y el sistema de gases de escape para optimizar el flujo para cada aplicación del cliente. La cámara espiral está diseñada para que su superficie esté mínimamente humedecida por los gases de escape y para caber en un espacio de instalación pequeño. Ambos componentes están alineados aerodinámicamente para producir un flujo dirigido hacia los álabes guía de entrada. El innovador guiado del flujo del turbocompresor VTG reduce la deformación termomecánica del cartucho y, junto con el diseño del álabe en sí, contribuye a minimizar las holguras laterales de los álabes guía de admisión Figura 5. Parábolas de eficiencia de las turbinas con cojinetes de bolas frente aquellas con cojinetes lisos (izquierda) y eficiencia general del turbocompresor (derecha)./Figure 5. Ball bearing vs. journal bearing turbine advancements efficiency parabolas in material (left) and overall and cost, turbocharger along with efficiency the (right). Miller/Atkinson combustion technique at exhaust gas temperatures of up to 950°C, have combined to make VTG technology very attractive for use with gasoline engines now being developed for use in next generation hybrid systems. The enhanced aerodynamic efficiency and control of the VTG turbine is achieved through adjustable inlet guide vanes, which allow a flow rate spread of more than twice that of fixedhousing turbines with wastegate control at comparable wheel diameters. The wide efficiency plateau is made possible by a unique combination of blade angles of the inlet guide vanes and wheel. The turbine provides high flexibility in creating turbine backpressure and turbine power output, ensuring boost pressure control. This contributes to substantial CO reductions while also effectively adapting to efficiency characteristics for the engine in use. Design of the aerodynamic components is especially important in effectively influencing the VTG efficiency
74
• AutoRevista (Fig. 3). Esto permite una elevada eficiencia en la zona de par máximo del motor. Los álabes guía de entrada del turbocompresor cuentan con la forma S patentada de BorgWarner para garantizar que se minimizan tanto las mínimas pérdidas por deflexión del flujo como el par en los álabes guía, mientras se mantiene la función de seguridad, con la capacidad de apertura en todo momento. El cartucho está diseñado como un sistema modular, que se ofrece en varios tamaños para cumplir con los objetivos de mapeado termodinámico óptimos para todas las cilindradas relevantes en motores de gasolina de los turismos. Las opciones adicionales de la familia de rotores de turbina también permiten la adaptación de la parábola de eficiencia a fin de cumplir con los diferentes objetivos de un motor. Debido a que los motores de gasolina requieren una contrapresión más baja de la turbina y un caudal más alto para evitar picados, BorgWarner usa rotores radiales en las turbinas de VTG. También es necesario mejorar la eficiencia cuando los caudales de turbina son pequeños, alrededor del 3040 % de su máximo, para mejorar la respuesta del motor y el par máximo. El comportamiento de respuesta de la turbina VTG, similar a los turbocompresores de carcasa fija con rotores pequeños de inercia optimizada, se logra a través de la mejora de la eficiencia y de una reducción del 1020 % en el momento de inercia del rotor de la turbina en comparación con generaciones anteriores de VTG BW para aplicaciones diésel. El rotor de turbina del VTG está diseñado para caudales altos, con el disco del rotor optimizado mecánicamente que reduce las tensiones para prolongar la vida útil con un momento de inercia reducido (Fig. 4). parabola. BorgWarner turbines are adapted to the position of the connecting flanges of engine and exhaust gas system to optimize flow for each customer application. The volute is designed to have a surface that is wetted minimally by exhaust gas and to fit in a small installation space. Both components are aligned aerodynamically to produce a directed flow to the inlet guide vanes. The innovative flow guidance of the VTG turbocharger reduces thermomechanical deformation of the cartridge and, along with the design of the vane itself, works to minimize the inlet guide vane side clearances (Fig. 3). This allows for high efficiencies at the knee torque of the engine. The turbocharger’s inlet guide vanes feature BorgWarner’s patented S form to ensure that lowloss flow deflection and the torque on the guide vanes is as low as possible, while maintaining the failsafe function to open at all times. The cartridge is designed as a modular system, offered in various sizes to meet the optimum thermodynamic mapping objectives for all relevant passenger car gasoline engine displacements. Additional turbine wheel family options also allow adaptation of the efficiency parabola to meet different engine targets. Because gasoline engines require a lower turbine backpressure and an enlarged flow rate to avoid knocking, BorgWarner uses radial wheels in VTG turbines. Higher efficiencies are also necessary at small turbine flow rates, around 3040 % of its maximum, for improved engine response and knee torque. The response behavior of the VTG
TURBOCOMPRESORES MÁS EFICIENTES Las pérdidas mecánicas en los turbocompresores con CON RODAMIENTOS DE BOLAS cojinetes de bolas se reducen considerablemente en comparación con los que utilizan cojinetes lisos del mismo tamaño. La eficiencia general de un turbocompresor con cojinetes de bolas aumenta aún más gracias a la estabilidad mejorada del rotor, que permite la reducción del espacio libre tanto en el lado del compresor como en el de la turbina (Fig. 5). Este concepto único de rodamiento de bolas optimiza la línea de transmisión acústica y la estabilidad del movimiento del eje durante la aceleración y la desaceleración del rotor. La mayor rigidez de los rodamientos de bolas requiere líneas optimizadas de transmisión de vibraciones que se transfieran al entorno con eficacia. También se presta especial atención al uso de aceites de baja viscosidad (HTHS [alto cizallamiento a alta temperatura] ≈ 2,0 mPa·s) a presiones de aceite relativamente bajas, a fin de lograr el equilibrio óptimo entre la máxima estabilidad del rodamiento y la reducción de vibraciones. Este diseño optimizado culmina con un cartucho de rodamiento de bolas que flota en una película de aceite dentro de la carcasa del rodamiento (Fig. 6). Se utiliza un amortiguador de película comprimible para garantizar la amortiguación del sistema del rotor. BorgWarner utiliza un sistema patentado de anillos de desacoplamiento para asegurar la acumulación de las películas de aceite de amortiguación, al tiempo que permite que el cartucho se centre en el canal del rodamiento, de modo que mejora el equilibrio y, por consiguiente, el comportamiento acústico. Los anillos también aíslan el área de presión del amortiguador del resto de la carcasa del cojinete. De este modo se controla el caudal de aceite y se reducen las pérdidas por batido, al tiempo que permite que el amortiguador de compresión formado por la película de aceite contrarreste el modo propio de flexión de un rodamiento de bolas. Con la introducción del ciclo de combustión Miller/ RESUMEN Atkinson y una mayor hibridación del tren motriz, la turboalimentación optimizada con un VTG de gasolina se ha postulado como una aportación significativa al progreso en el cumplimiento de los objetivos específicos de emisiones de CO2 para los motores de gasolina. El desarrollo del VTG, impulsado inicialmente en el ámbito del diésel, avanza ahora gracias a numerosas mejoras en las turbinas. Los VTG de gasolina BorgWarner están disponibles para todas las cilindradas típicas de los turismos, principalmente para cumplir con el “funcionamiento a λ = 1” en motores de gasolina con un nivel elevado de sobrealimentación. A ello se suma un catálogo completo de rodamientos de bolas para una mayor eficiencia. turbine, similar to fixedcasing turbochargers with small inertiaoptimized wheels, is achieved through improved efficiencies and a 1020% reduction in the moment of inertia of the turbine wheel compared to earlier BW VTG generations for diesel applications. The VTG turbine wheel is designed for high flow rates, with the mechanically optimized wheel disk reducing stresses to provide long service life at a reduced moment of inertia (Fig. 4). MORE EFFICIENT TURBOCHARGERS Mechanical losses in turbochargers with ball bearings WITH BALL BEARINGS are reduced considerably compared to those using journal bearings of the same size. Overall efficiency of a ball bearing turbocharger is further increased by enhanced rotor stability which allows contour clearance reduction on both the compressor and turbine sides (Fig. 5). This unique ball bearing concept optimizes the acoustic transmission path and shaft motion stability during both rampup and rampdown of the rotor. The higher stiffness of the ball bearings requires optimized vibration transmission paths which are effectively transferred to the surroundings. Special attention is also paid to use lowviscosity oils (HTHS ≈ 2,0 mPa s) at relatively low oil pressures to achieve the optimum balance between maximum bearing stability and reduced vibrations. This optimized design ends in a ball bearing cartridge floating in oil film within the bearing housing (Fig. 6). A squeeze film damper is used to ensure the system damping of the rotor. BorgWarner uses a patented system of decoupling rings to ensure buildup of the damping oil films, while allowing the cartridge to be centered in the bearing channel, improve the balancing and consequently acoustic behavior. The rings also seal off the pressure area of the damper from the rest of the bearing housing. This controls the oil flow rate and reduces churning losses, while allowing the bending eigenmode of a ball bearing to be countered by the squeeze film damper. With the introduction of the Miller/Atkinson SUMMARY combustion cycle and further hybridization of the drivetrain, optimized turbocharging with a gasoline VTG has emerged as a significant contributor to progress being made in meeting specified CO2 goals for gasoline engines. VTG development, initially driven by the diesel field, is now being advanced by many enhancements on the turbineside. BorgWarner gasoline VTGs are available for all typical passenger car displacements, mainly to comply with “λ=1 operation” for highly boosted gasoline engines, along with a comprehensive portfolio of ball bearings for better efficiency.