BRPI0905344A2

BRPI0905344A2 - unidade de acionamento especialmente de um veìculo automotor

Info

Publication number: BRPI0905344A2
Application number: BRPI0905344-1A
Authority: BR
Inventors: Raab Gottfried; Raup Markus; Klammer Josef
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge Österreich AG
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-03-22
Also published as: EP2196661B1; US8365527B2; AT507096A4; RU2435052C2; CN101749096A; AT507096B1; EP2196661A3; CN101749096B; EP2196661A2; BRPI0905344B1; US20100139626A1; RU2009145742A

Abstract

UNIDADE DE ACIONAMENTO ESPECIALMENTE DE UM VEíCULO AUTOMOTOR. A presente invenção se refere a uma unidade de acionamento, a cujo motor de combustão interna carregado em dois estágios, de acordo com a invenção, é atribuído um circuito de refrigeração especial (10) e um circuitode recuperação de calor (11)independente hidraulicamente desacoplado deste último. Neste caso, dentro do circuito de refrigeração (10) pode ser recírculado por meio de pelo menos uma bomba (12) um agente refrigerante em um primeiro circuito de refrigeração parcial (10/1) e em um segundo circuito de refrigeração parcial (10/2) a este hidraulicamente acoplado ou deste desacoplado. Neste caso, o primeiro circuito (10/1) é um circuito de alta temperatura e o segundo circuito (10/2) um circuito de baixa temperatura. Em cada um deles fica alojado um trocador de calor (13 ou 16) refrigerado a ar. No segundo circuito de refrigeração parcial (10/2) ficam alojados além disso um cooler principal de ar de admissão (9) e um intercooler de ar de admissão (8) . Dentro do circuito de recuperação de calor (11) por meio de pelo menos uma bomba (17) pode-se obter um aumento de pressão e recirculação de um fluido de trabalho e neste caso, pode ser transformado passando do estado de agregação na forma líquida para um estado de agregação na forma de vapor ou vice-versa dentro dos trocadores de calor (18, 19, 20) Neste caso, o fluído de trabalho após a bomba (17), dividido em dois fluxos parciais paralelos em uma primeira derivação em paralelo (11 a) em um trocador de calor (18) AGR pelo qual circula gás de escape a ser retornado e em um trocador de calor de gás de escape (19) pelo qual pode circular gás de escape presente na linha de gás de escape (4, 4d) na segunda derivação em paralelo (11 b) em curso descendente da turbina de baixa pressão (2/1), pode ser transformado no estado em forma de vapor. Este é então conduzido a um expansor (21) e convertido em energia útil mecânica por meio deste. Em seguida este fluido de trabalho éencaminhado através de um condensador resfriado (20) neste caso novamente fluidificado, e depois armazenado por meio da bomba (17) novamente no circuito acima referido.

Description

"UNIDADE DE ACIONAMENTO ESPECIALMENTE DE UM VEICULOAUTOMOTOR".

A invenção refere-se a uma unidade de acionamento de umveiculo automotor, provida de um motor de combustãointerna carregado em dois estágios por doisturbocarregadores de exaustão, que dispõe de umcompressor de baixa pressão, de um compressor de altapressão, de um intercooler de ar de admissão entre ocompressor de baixa pressão e o compressor de altapressão, assim como de uma alimentação de ar de admissãoque apresenta cooler principal de ar de admissãoconectado em seguida ao compressor de alta pressão, ealém disso, de uma descarga de gás de escape., esteúltimo apresentando uma turbina de alta pressão, umaturbina de baixa pressão e um pós-tratamento de gás deescape conectado em seguida à esta última no duto de gásde escape, e que além disso apresenta uma instalação derefrigeração com um circuito de refrigeração e umcircuito de recuperação de calor desacopladohidraulicamente desta.

A invenção se baseia em uma unidade de acionamento deacordo com a publicação DE 10 2006 010 247 Al. Aprincipal característica dessa unidade de acionamentoconhecida é o fato de seu primeiro circuito derefrigeração e de seu segundo circuito de refrigeraçãoque serve de circuito de recuperação de calor, ficaremem contato térmico através de pelo menos um transferidorde calor. Como trocador de calor são previstos, nestecaso, por exemplo, um refrigerador AGR e um trocador decalor de gás de escape conectado em seguida no duto degás de escape a um dispositivo de tratamento posterior degás de escape, que ficam dispostos no segundo circuito derefrigeração nesta seqüência um após o outro, ou seja, emuma série um atrás do outro, e, portanto, termicamenteacoplados transferem calor ao fluido de trabalho quecircula no segundo circuito de refrigeração. O fluido detrabalho do segundo circuito de refrigeração é aquecidodurante sua passagem pelo trocador de calor AGR e, emseguida, pelo trocador de calor de gás de escape,transferido pelo menos parcialmente ao estado deagregação em forma de vapor e superaquecido, para depoisser empregado em um expansor, proporcionando potênciaútil. Em seguida, o fluido de trabalho circula nosegundo circuito de refrigeração através de pelo menos umcondensador refrigerado a ar, e depois, novamente noestado fluido de agregação, através do cooler principalde ar de admissão e do intercooler de ar de admissão, bemcomo opcionalmente por outros trocadores de calor.

Portanto, nessa instalação conhecida, são utilizadostanto ar de admissão como a água de refrigeração domotor, adicionalmente ao gás de escape como fontes decalor, que conectadas em série uma atrás da outraabsorvem o calor dos respectivos meios. Estudos avançadosmostraram que o expansor somente opera eficazmente aelevadas pressões, as temperaturas do ar de admissão,meio refrigerante do motor e gás de escape durante apassagem em série pelo referido trocador de calor, nãosão porém suficientes para evaporar o fluido de trabalhoa elevadas pressões. Neste caso, é preciso levar em contaque tanto o ar de admissão comprimido em dois estágios,como também o motor de combustão interna precisam sersuficientemente resfriados em todas as faixas de potênciapara assegurar um modo operacional favorável do motor decombustão interna, mas também para evitar umsuperaquecimento do mesmo. Por isso, é preciso, para talfinalidade no caso da instalação conhecida, bombear umagrande quantidade de fluido de trabalho através dosegundo circuito de refrigeração, resultando assim que aquantidade de fluido de trabalho também possa ser nãototalmente evaporada através do calor das fontes de calorde alto valor durante a passagem deste, o que tornariaobrigatoriamente necessário um sistema de separação paraa fase liquida. Além disso, devido às circunstânciasmencionadas o gás de escape retornado durante a passagempelo(s) trocador (es) de calor AGR não pode ser

refrigerado a um nível de temperatura baixo desejado jáque o fluido de trabalho já entra pré-aquecido no(s)trocador(ES) de calor AGR.

Por isso, é tarefa da presente invenção melhorar odispositivo de acionamento conhecido pela publicação DE10 2006 010 247 Al, e sua instalação de refrigeraçãopartindo do fato de ser possível uma refrigeração eficaztanto do motor de combustão interna como do ar deadmissão e do gás de escape a ser retornado, ao mesmotempo porém sendo possível uma recuperação de caloraltamente eficiente mediante o aproveitamento otimizadodas fontes de calor gás de escape.

Esta tarefa é solucionada, de acordo com a invenção, nocaso de uma unidade de acionamento do tipo de acordo como gênero, através dos meios indicados na identificação dareivindicação 1.

Arranjos vantajosos dessa solução aparecem identificadosnas reivindicações dependentes.

De acordo com a invenção, neste caso, é atribuído àunidade de acionamento um circuito de refrigeraçãoespecial com dois circuitos de refrigeração parciais e umcircuito de recuperação de calor hidraulicamentedesacoplado. O circuito de refrigeração, neste caso, ésubdividido em dois circuitos de refrigeração parciais,que podem ser acoplados hidraulicamente entre si ouhidraulicamente separados. Nestes circuitos derefrigeração parciais é possível recircular um meiorefrigerante através de pelo menos uma bomba. Nestecaso, no primeiro circuito de refrigeração parcial ficadisposto um trocador de calor refrigerável pelo arambiente e no segundo circuito de refrigeração parcialfica disposto um outro trocador de calor refrigerávelpelo ar ambiente, assim como em linha descendente deste,o cooler principal de ar de admissão e o intercooler dear de admissão. Além disso, é possível obter, de acordocom a invenção, um aumento de pressão e recirculação deum fluido de trabalho, dentro do circuito de recuperaçãode calor por meio de pelo menos uma bomba, e neste caso,em trocadores de calor é possível produzir uma transiçãode fase do mesmo, passando do estado de agregação líquidopara a forma de vapor e vice-versa. Neste caso, estefluido de trabalho após a bomba, é subdividido em doisfluxos parciais paralelos, e neste caso, transformado noestado de agregação na forma de vapor em uma derivação emparalelo em um trocador de calor AGR pela qual circulagás de escape retornável assim como em um trocador decalor de gás de escape, na segunda derivação em paralelo,pela qual pode circular o gás de escape presente, emcurso descendente da turbina de baixa pressão na linha degás de escape. Esse fluido de trabalho em forma de vaporé, em seguida, conduzido a um expansor e, por meio deste,convertido em energia útil mecânica sob alívio de pressãocorrespondente. Em seguida, o fluido de trabalho étransformado em seu estrado de agregação líquido durantesua passagem por um condensador resfriado, assim comointroduzido no circuito de recuperação de calornovamente, por meio da bomba.

Através do conceito da disposição paralela, de acordo coma invenção, dos dois trocadores de calor - trocador decalor AGR e trocador de calor de gás de escapa - queservem como evaporadores do fluido de trabalho, épossível gerar imediatamente vapor sob utilizaçãorespectivamente de uma fonte de calor, adicionalmente ofluido de trabalho entra em cada um dos dois trocadoresde calor com baixa temperatura, sendo assim obtida tambéma ação refrigerante desejada altamente eficiente para ofluido de trabalho, do qual é retirado o calor (gás deescape retornado e gás de escape antes de sair para aatmosfera). Uma outra vantagem reside no fato de nocondensador poder ser evacuado somente o calor do vaporútil. A energia do calor de gás de escape disponível nocircuito de recuperação de calor nos dois trocadores decalor conectados em paralelo, é, portanto, de acordo coma invenção, convertida de forma ideal na energia devapor, que pode ser convertida em seguida, em energiaútil mecânica com uma cota máxima por meio do expansor.

Essa energia mecânica, neste caso, pode ser convertida emenergia de rotação, por exemplo, por meio do expansor, eser alimentada, por exemplo, para o motor de combustãointerna aumentando sua potência, ou para um gerador paragerar energia elétrica, respectivamente com rendimento depotência suficientemente elevado.

Outros detalhes, opções de concretização e vantagens dainvenção constam da descrição a seguir de outros exemplosde concretização, onde;

A figura 1 mostra um esquema de um primeiro exemplo deconcretização da invenção;

A figura 2 mostra um esquema de um segundo exemplo deconcretização da invenção;

A figura 3 mostra um esquema de um terceiro exemplo deconcretização da invenção;

A figura 4 mostra um esquema de um quarto exemplo deconcretização;

A figura 5 mostra um exemplo de concretização de umaunidade de válvula para a distribuição do fluido detrabalho nas duas derivações em paralelos do circuito derecuperação de calor;

A figura 6 mostra esquematicamente uma alternativa emrelação à unidade de válvula de acordo com a figura 5;

A figura 7 mostra uma variante do arranjo para umtrocador de calor de gás de escape na linha de gás deescape;

A figura 8 mostra um arranjo alternativo à figura 7 parao trocador de calor de gás de escape na linha de gás deescape;

A figura 9 mostra um outro arranjo alternativo em relaçãoà figura 7 e 8 para o trocador de calor na linha de gásde escape; e

A figura 10 mostra um outro arranjo alternativo emrelação às figuras de 7 a 9 para o trocador de calor degás de escape.

Nas figuras são mostrados componentes ou peças iguais oucorrespondentes entre si para uma melhor compreensão comsinais de referência iguais.

A invenção é atribuída a uma unidade de acionamento, cujoórgão principal é formado através de um motor decombustão interna 1, que por sua vez forma a fonte deacionamento de veículos automotores, de qualquer tipo deveículos utilitários, veículos ferroviários, embarcações,mas também em instalações estacionárias tais comofábricas de cogeração, grupos geradores de emergência,etc.

0 motor de combustão interna 1 é carregado por meio deturbocarregadores de gás de escape 2,3 em dois estágios.

Neste caso, o turbocarregador de gás de escape 2 queforma o estágio de baixa pressão é composto de umaturbina de baixa pressão 2/1 e de um compressor de baixapressão 2/2 acionado por esta última. 0 turbocarregadorde gás de escape 3 que forma o estágio de alta pressão écomposto de uma turbina de alta pressão 3/1 e de umcompressor de alta pressão 3/2 acionado por esta última.

A descarga de gás de escape do motor de combustão interna1 é feita através de uma linha de gás de escape 4iniciando com tubos recurvados que saem no lado do motor,os quais se comunicam com um segmento 4b da linha de gásde escape, que fica conectada com a entrada da turbina dealta pressão 3/1. Esta última fica em contato com aentrada da turbina de baixa pressão 2/1 através de umsegmento de linha de gás de escape 4c. Na saída daturbina de baixa pressão segue um segmento da linha degás de escape 4d, no qual pode ficar alojado umdispositivo de tratamento posterior de gás de escape 5.

A alimentação de gás de admissão do motor de combustãointerna 1 é composta do ar vindo da atmosfera através deum filtro 6 e um compressor de baixa pressão 2/2 queaspira o segmento 7 a da linha de ar de admissão, de umsegmento da linha de ar de admissão 7b entre o compressorde baixa pressão 2/2 e o compressor de alta pressão 3/2com um intercooler de ar de admissão 8 ali alojado assimcomo de um cooler principal de ar de admissão 9conectado em seguida a um compressor de alta pressão 3/2,para o qual se dirigi um segmento 7c da linha de gás deadmissão e do qual sai um segmento 7d da linha de ar deadmissão que se comunica com as entradas de ar 7 e domotor de combustão interna 1 ou de um conduto coletor dear de admissão 7f, do qual saem as entradas de ar 7e.

Além disso, a unidade de acionamento, de acordo com ainvenção, dispõe de um circuito de refrigeração 10especialmente formado provido de dois circuitos derefrigeração parciais 10/1, 10/2 e de um circuito derecuperação de calor 11 desacoplado hidraulicamente,independente em relação a este. Neste caso, dentro docircuito de refrigeração 10, de acordo com a figura 1 a3, por meio de pelo menos uma bomba 12 é recirculado umfluido refrigerante, por exemplo, água misturada comagente anti-congelante, no primeiro circuito derefrigeração parcial 10/1 e no segundo circuito derefrigeração parcial 10/2 acoplado hidraulicamente aeste. Em uma outra concretização da invenção, oscircuitos de refrigeração parciais 10/1 e 10/2 tambémpodem ser hidraulicamente desacoplados, e neles serrecirculado um agente refrigerante por meio de uma bomba12. No exemplo, de acordo com a figura 4, por meio de umabomba 12 projetada em dois estágios, com estágios 12/1 e12/2, é recirculado um agente refrigerante nos circuitosde refrigeração parciais 10/1 e 10/2, sendo atribuído acada circuito de refrigeração parcial um estágio 12/1 ou12/2 da bomba 12. No caso do primeiro circuito derefrigeração parcial 10/1 trata-se do circuito derefrigeração do motor a alta temperatura, no qual ficaalojado um trocador de calor 13 refrigerável com arambiente (refrigerador de água a alta temperatura), sendoque para este último se dirige um segmento 10/1 docircuito de refrigeração, que parte da saída do agenterefrigerante do motor de combustão interna 1, e dotrocador de calor 13 sai um segmento 10/lb do circuito derefrigeração que se dirige à bomba 12, sendo a bomba 12conectada à entrada do agente refrigerante do motor decombustão interna 1 através de um segmento 10/lc docircuito de refrigeração. No segmento 10/1 do circuito derefrigeração é instalado um elemento de regulação 14 quefica em contato com o segmento 10/lb do circuito derefrigeração através de uma linha de desvio 15, e servepara a regulação da vazão através do trocador de calor13. No segundo circuito de refrigeração 10/2 parcial, noqual se trata de um circuito de refrigeração a baixatemperatura, fica alojado um outro trocador de calor 16refrigerável pelo ar ambiente (refrigerador de água abaixa temperatura) assim como em curso descendentedeste, encontram-se alojados o cooler principal de ar deadmissão 9 e o intercooler de ar de admissão 8. Nestecaso, nos circuitos de refrigeração parciais acopladoshidraulicamente 10/1 e 10/2, de acordo com os exemplos dafigura 1 a 3, um segmento 10/2 a do circuito derefrigeração deriva, na direção do fluxo, após a bomba12, do segmento do circuito de refrigeração 10/lc doprimeiro circuito de refrigeração parcial 10 ab, e sedirige ao trocador de calor 16. Na saida do trocador decalor 16 segue um segmento do circuito de refrigeração10/2b, no qual o cooler principal do ar de admissão 9 e ointercooler do ar de admissão 8 ficam alojados seja emsérie um após o outro ou - favoravelmente - conectados emparalelo em respectivamente uma derivação em paralelo dosegmento 10/2 c ou 10/2 d. Na direção do fluxo, após ointercooler 8 do ar de admissão 8, se prolonga o segundocircuito de refrigeração parcial 10/2 com um segmento10/2 que a seguir será mais detalhadamente esclarecido.O circuito de recuperação de calor 11, de acordo com ainvenção, é a seguir apresentado. No circuito derecuperação de calor 11 é possível obter, por meio de umabomba 12, um aumento de pressão e recirculação de umfluido de trabalho, e neste caso, realizar nos trocadoresde calor 18, 19, 20 uma transição de fases do mesmo doestado de agregação liquido para a forma de vapor e vice-versa. Neste caso, esse fluido de trabalho é dividido, nadireção do fluido após a bomba 17, em dois fluxosparciais paralelos, e transformado em um estado deagregação na forma de vapor, em uma primeira derivaçãoem paralelo 11 em um trocador de calor 18 AGR pelo qualpassa o gás de escape retornável, assim como em umasegunda derivação em paralelo Ilb em curso descendente daturbina de baixa pressão 2/1, no trocador de calor 19 degás de escape pelo qual passa o gás de escape presenteno segmento da linha de gás de escape 4d. Esse fluido detrabalho na forma de vapor, que fica sob elevada pressão,é dirigido até o expansor após religação das duasderivações em paralelo 11a, Ilb através de um segmento 11c do circuito conjunto, e por meio deste convertido emenergia útil mecânica. Em seguida, o fluido de trabalhosob baixa pressão é conduzido a um condensador 20refrigerado através de segmento de circuito Ildsubseqüente na saida do expansor 21, e na conduçãoatravés deste, é novamente reconduzido ao seu estado deagregação liquido, em seguida por meio da bomba 17aspirado através de um segmento de circuito lie enovamente armazenado no circuito de recuperação de calor11 acima descrito.

O gás de escape a ser retornado, que circula pelotrocador de calor AGR 18 é conduzido ao trocador de calorAGR 18, neste caso, na direção do fluxo, antes da turbinade alta pressão 3/1 através de um conduto AGR 22 quederiva do segmento da linha de escape 4b, e depois de suapassagem - assim como de sua passagem eventualmente poroutro trocador de calor 44 alojado em curso descendentedo trocador de calor 18 - ele é injetado no ar deadmissão presente na saida do cooler principal de ar deadmissão 9, sendo que o conduto AGR 22, na direção dofluxo, após o trocador de calor AGR e após o outrotrocador de calor 44 (se este também estiver previsto)desemboca naquele segmento do conduto de ar de admissãoque estabelece a união entre cooler principal de ar deadmissão 9 e as entradas de ar no lado do motor decombustão interna 7e ou o conduto coletor de ar deadmissão 7f (vide figura 1 e 3) ou é reconduzidodiretamente ás entradas de ar 7 e do motor de combustãointerna ou de um conduto coletor de ar de admissão 7f, doqual saem as entradas de ar 7e (vide figura 2).]

A seguir os diferentes arranjos e conexões doscircuitos, de acordo com a invenção, são maisdetalhadamente esclarecido sob referência aos desenhos.No caso da variante de concretização de acordo com afigura 1, o condensador 20 do circuito de recuperação decalor 11 é conectado para sua refrigeração ao segundocircuito de refrigeração parcial 10/2, sendo que osegmento do conduto 10/2 e se dirige ao condensador 20.Na saida deste último o segundo circuito parcial 10/2 seestende por um segmento do conduto 10/2f e desemboca comeste na direção de fluxo ou no lado de aspiração antes dabomba 12, novamente no primeiro circuito de refrigeraçãoparcial 10/1, ali no respectivo segmento de conduto10/lb. Como meio de refrigeração e refluidificação dofluido de trabalho no condensador 20, serve, neste caso,o agente refrigerante do circuito de refrigeração parcial10/2 a baixa temperatura, depois de ele ter absorvido ocalor do fluxo de ar de admissão nos dois coolers de arde admissão 8,9 preferivelmente conectados em paralelo. 0calor transferido ao condensador 20 sobrecarrega naverdade o sistema de refrigeração do motor de combustãointerna 1, uma parte do calor absorvido é novamenteconvertida em energia mecânica e apenas uma determinadaporção é levada ao sistema de refrigeração. Com auxiliode sistemas de regulação altamente desenvolvidos, osistema de refrigeração do motor pode portanto

especialmente no caso de temperaturas ambientes elevadas- ser balanceado, ou ser mantido em um nivel neutro, ou- especialmente no caso de excesso de potencial derefrigeração sob temperaturas ambientes baixas - seradicionalmente carregado.

No caso da variante de concretização, de acordo com afigura 2, o condensador 20 é conectado para suarefrigeração ao primeiro circuito de refrigeração parcial10/1, na verdade, ao segmento de conduto 10/lb entre otrocador de calor a alta temperatura 13 e a bomba 12, queé circulada pelo agente refrigerante resfriado. Osegundo circuito de refrigeração parcial 10/2 desemboca,neste caso pelo seu segmento de conduto 10/2e na direçãode fluxo ou no lado de aspiração antes da bomba 12, porémapós o condensador 20, no primeiro circuito derefrigeração parcial 10/1, ali no respectivo segmento deconduto 10/lb.

Como meio de refrigeração e refluidificação o do fluidode trabalho no condensador 20 serve, neste caso, o agenterefrigerante do circuito de refrigeração parcial 10/1 aalta temperatura, depois deste ter circulado pelotrocador de calor a alta temperatura 13. Essa varianteexige que em relação à figura 1 a elevadas temperaturas ecom pressões elevadas seja necessária condensação, sendoo sistema, neste caso, através das elevadas quantidadesde vazão, insensível ao superaquecimento em caso detrocas dinâmicas de carga e número de rotações.

No caso da variante, de acordo com a figura 3, para arefrigeração do condensador 20 ou para refrigeração efluidificação do fluido de trabalho, que circula poreste, é empregado ar comprimido, que pode ser gerado pormeio de um compressor adicional que aspira ar vindo daatmosfera, ou soprador 23, e ser conduzido ao condensador20 através de um conduto 24. 0 compressor ou o soprador23 pode ser acionado pelo motor de combustão interna 1através de uma engrenagem de transmissão ou trem deacionamento ou alternativamente através de um motorelétrico.

No caso da variante de concretização, de acordo com afigura 4, em relação à figura 3, no conduto 24, em cursoascendente do condensador 20 e/ou em curso descendentedeste último, encontra-se pelo menos um outro trocador decalor 42, 43. Dependendo do nível de temperaturanecessário de um fluxo de refrigeração pode ser produzidauma outra ação de refrigeração por exemplo para umcondensador de ar condicionado, através do ar comprimido,que pode ser gerado por meio de um compressor ou sopradoradicional que aspira ar vindo da atmosfera. Em relação àsvariantes na figura 1 a figura 3, a figura 4 mostra aconcretização dos circuitos de refrigeração parciais10/1, 10/2, hidraulicamente desacoplados, nos quais podeser recirculado um agente refrigerante atravésrespectivamente pelo menos um estágio atribuído 12/1,12/2 da bomba 12. Além disso, a figura 4 mostra umarranjo especial do outro trocador de calor 44, que éconectado hidraulicamente, em um fluxo paralelo 10/2g, àsderivações 10/2d, 10/2c do segundo circuito derefrigeração parcial 10/2. No' lado do gás de escape,portanto, o gás de escape que circula pela conduto AGR22 após deixar o evaporador AGR 18, pode ser refrigeradopor meio do outro trocador de calor 44 a um nível detemperatura mais baixo.

No que diz respeito ao arranjo do trocador de calor degás de escape 19, são neste caso mostradas nas figuras de1 a 4 e 7 a 10 diferentes possibilidades.

Consta na figura 2 uma forma de concretização, na qual otrocador de calor de gás de escape 19 fica alojadopróximo à turbina de baixa pressão 2/1 no segmento delinha de gás de escape por último em série - onde o calorresidual do gás de escape que deixa a turbina 2/1 éaproveitado.

Podemos observar nas figura 1,3 e 4 uma forma deconcretização, na qual o trocador de calor de gás deescape 19 fica alojado no segmento 4d da linha de gás deescape, subseqüente à saída da turbina de baixa pressão2/1, onde em curso descendente de um dispositivo detratamento posterior de gás de escape 5, o calor residualdo gás de escape que sai após sua passagem, éaproveitado. Neste caso, o dispositivo de tratamentoposterior de gás de escape 5 e o trocador de calor de gásde escape 19 ficam alojados diretamente um após o outro.

No caso da variante de acordo com a figura 7, o trocadorde calor de gás de escape 19 fica alojado um poucodistante do dispositivo de tratamento posterior de gás deescape 5, no segmento da linha de gás de escape 4d. Afigura 8 mostra uma determinada forma de concretização deum dispositivo de tratamento posterior de gás de escape5 assim como a atribuição do trocador de calor de gás deescape 19 a ele. Neste caso, são instalados váriosmódulos de tratamento posterior de gás de escape 5a dodispositivo de tratamento posterior de gás de escape 5,em um silenciador 25, e ali mantidos em posição demontagem, pelos quais a circulação é feita paralelamenteentre duas paredes 26, 27. 0 silenciador 25 é limitadoradialmente externamente através por exemplo de umaparede externa cilíndrica e na frente e atrás por umfundo 29,30.

As duas paredes 26, 27 ficam paralelamente alojadas emrelação aos fundos 29, 30. A parede 26 delimitajuntamente com o fundo dianteiro 2 9 um compartimento desaída de gás de escape 31 e a parede 27 juntamente com ofundo traseiro 30 delimita um compartimento de entrada degás de escape 32. Em um compartimento de entrada de gásde escape 32 desemboca uma tubulação de entrada 33, queforma uma parte do segmento da linha de gás de escape 4d,e injeta gás de escape em um compartimento de entrada 32.

Este gás de escape circula então para sua limpeza nomódulo de tratamento posterior de gás de escape 5 a e éentão conduzido para fora do compartimento de saída 31 edo silenciador através de um tubo terminal interno nosilenciador 34, para então circular em seguida pelotrocador de calor 19 de gás de escape instalado nesteexemplo imediatamente fora no silenciador 25. Este últimoé fixado no fundo traseiro 30 do silenciador 25.No exemplo de concretização, de acordo com a figura 9, osilenciador 25 projetado a principio igual àquele dafigura 8, é empregado com os módulos de tratamentoposterior degás de escape 5 a, porém neste caso, otrocador de calor de gás de escape 19 fica alojado nãoexternamente no silenciador, mas sim na parte internadeste. Neste caso, a alimentação e desvio do gás deescape até o trocador de calor de gás de escape 19 sãofeitas através do tubo terminal 34. 0 trocador de calorde gás de escape 19 pode, neste caso, ser fixado junto aoou dentro do tubo terminal 34 ou no lado interno do fundo30 ou do revestimento externo 28. Alternativamente a estearranjo, no compartimento de entrada 32, o trocador decalor de gás de escape 19 - conforme se observa na figura10- pode ser porém também alojado no compartimento desaída 31, ali em um ponto que não dificulta acirculação do gás de escape limpo.

A seguir são esclarecidos mais detalhadamente outrosdiferentes detalhes do circuito de recuperação de calor 11.

A bomba 17 pode ser acionada seja por via mecânica apartir do motor de combustão interna 1, por um trem deengrenagem ou trem de acionamento (vide figura 1 e 3).Alternativamente, a bomba 17, porém, pode ser tambémacionada por um motor elétrico (vide figura 2). Por meioda bomba 17, o fluido de trabalho é transportado nocircuito de recuperação de calor 11 até a unidade deválvula 36, de onde saem as duas derivações em paralelo11 a, 11b. Por meio da unidade de válvula 36, são geradosdois fluxos em massa nas duas derivações em paralelo 11a, Ilb independentemente do fornecimento de calordisponível, fluxos estes que podem ser reguladosindependentemente entre si e do número de rotações domotor de combustão interna 1 ou do motor elétrico 35. Nocaso do acionamento eletromotor 17, a unidade de válvula36 - conforme observamos na figura 5 - é composto porexemplo de uma válvula mista, que divide o fluxo em massado fluido de trabalho controlado pela bomba 17 em doisfluxos parciais em massa a serem introduzidos nas duasderivações em paralelo 11 a, 11b. No caso do acionamentomecânico da bomba 17, pelo motor de combustão interna, aunidade válvula 36 - conforme observamos na figura 6 -pode ser composta por exemplo de duas válvula reguladorasde fluxo 37, 38, por um acumulador de pressão 39 e poruma válvula limitadora de pressão 40, sendo que por meiode cada válvula reguladora de fluxo 37 e 38 é retirado doacumulador de pressão 39 o fluxo em massa do fluido detrabalho a ser conduzido à derivação em paralelosubseqüente 11 a ou 11b. Neste caso, a bomba 17,dependendo do número de rotações do motor de combustãointerna 1 transporta o fluido de trabalho para oacumulador de pressão 39. A quantidade de fluido detrabalho em excesso é descarregada em um reservatório decompensação 41 através da válvula delimitadora de pressão40. Em cada caso, são gerados pela unidade de válvula 36,dois fluxos parciais de fluido de trabalho, através dosquais as quantidades de vapor e pressões de vapor, quepodem ser geradas no trocador de calor AGR 18 e notrocador de calor de gás de escape 19, podem serajustadas dentro de uma margem variável.

0 fluido de trabalho empregado no circuito de recuperaçãode calor 11 ou, pelo menos, um componente do mesmo,apresenta uma temperatura de evaporação ajustada a umaoperação eficiente do circuito de recuperação de calor.

Como fluido de trabalho, pode ser utilizada água ou umamistura de água, sendo que a substância mencionada podeapresentar propriedades tais como por exemplo de anti-corrosão e anti-congelamento. Alternativamente pode serempregado como fluido de trabalho um composto dehidrocarboneto com temperatura de ebulição ou evaporação.

Neste caso, parecem especialmente indicados compostos debutano e pentano. Consta na tabela a seguir uma relaçãode possíveis fluidos de trabalho com suas propriedadesfísicas ou químicas fundamentais para a invenção.<table>table see original document page 18</column></row><table>O fluido de trabalho empregado é transformado totalmentepara o estado de agregação da forma liquida para forma emvapor, no circuito de recuperação de calor de gás deescape 19, dentro do trocador de calor 18 e do trocadorde calor 19. Através da transferência de calor notrocador de calor AGR 18, neste caso, é produzida umarefrigeração altamente eficiente do gás de escape a serretornado, por um lado, e uma completa evaporação dofluido de trabalho por outro. Através da transferência decalor no trocador de calor de gás de escape 19, é feitauma refrigeração o mais eficiente possível do gás deescape circulante, por um lado, e uma evaporação completado fluido de trabalho, por outro. 0 fluido de trabalhopresente na saída dos dois trocadores de calor 18, 19que atuam como evaporador no estado de agregação na formade vapor, é em seguida injetado no expansor 19 econvertido por este em energia útil mecânica. No caso doexpansor 19, pode se tratar por exemplo de um motortérmico ou de uma instalação de turbina, através da quala energia que escapa no fluido de trabalho evaporado éconvertida pelo menos parcialmente em energia de rotaçãopromotora da potência útil, e que para a introdução daenergia gerada, por exemplo, fica em contato por exemplocom o motor de combustão interna ou com um gerador queproduz fluxo, ou outros redutores de potência sejadiretamente ou através de um trem de acionamento ou tremde engrenagem.

Portanto, através da solução, de acordo com a invenção,pode-se obter por um lado uma refrigeração altamenteeficiente do motor de combustão interna 1, assim como doar de admissão a ser alimentado e do gás de escape a serretornado, e por outro, aproveitar a energia caloríficado gás de escape a uma taxa máxima em diferentes pontos,a fim de gerar por um lado potência mecânica adicional, epor outro, minimizar a quantidade de combustível queimadodurante o débito de potência no motor de combustãointerna 1 e, desse modo, reduzir a poluição ambiental.

Claims

1. Unidade de acionamento especialmente de um veiculoautomotor, provida de um motor de combustão internacarregado em dois estágios por meio de dois turbo-carregadores, que dispõe de uma alimentação de ar deadmissão que por sua vez apresenta um compressor de baixapressão, um compressor de alta pressão, um intercooler dear de admissão entre o compressor de baixa pressão e ocompressor de alta pressão assim como um cooler principalde ar de admissão conectado em seguida ao compressor dealta pressão, além disso dispõe de uma descarga de gás deescape com uma turbina de alta pressão e de uma turbinade baixa pressão e, opcionalmente, de um dispositivo detratamento posterior de gás de escape conectado emseguida à esta ultima no duto de gás de escape, alémdisso apresenta uma instalação de refrigeração com umcircuito de refrigeração de um circuito de recuperação decalor desta hidraulicamente desacoplado, caracterizadapelo fato de o circuito de refrigeração (10) compreenderdois circuitos de refrigeração parciais (10/1, 10/2)hidraulicamente acoplados ou desacoplados e de nestereferido circuito um agente refrigerante pode serrecirculado por meio de pelo menos uma bomba (12), noprimeiro circuito de refrigeração parcial (10/1) sendoalojado um trocador de calor refrigerável por ar ambiente(13) e no segundo circuito de refrigeração parcial (10/2)um outro trocador de calor (16) refrigerável por arambiente assim como em curso descendente destes, sertambém alojado o cooler principal de ar de admissão (9) eo intercooler de ar de amissão (8), de dentro do circuitode recuperação de calor (11) pode ser recirculado umfluido de trabalho com aumento de pressão através de pelomenos uma bomba (12), e neste caso, ser realizada atransição de fase do mesmo em trocadores de calor (18,-019, 20), passando do estado de agregação liquido para oestado de agregação na forma de vapor e vice-versa, sendoque este fluido de trabalho, depois da bomba (17),dividido em dois fluxos parciais paralelos, pode sertransformado passando para o estado de agregação na formade vapor em uma primeira derivação em paralelo (Ila) emum trocador de calor AGR (18) pelo qual circula gás deescape a ser retornado e em um trocador de calor de gásde escape (19) pelo qual circula gás de escape presentena segunda derivação em paralelo (Ilb) em cursodescendente da turbina de baixa pressão (2/1) na linha degás de escape (4d), sendo que então esse fluido detrabalho na forma de vapor pode ser conduzido a umexpansor (21), assim como ser convertido por meio desteem energia útil mecânica e em seguida pode circular porum condensador resfriado (20) e depois ser novamentearmazenado no circuito acima referido por meio da bomba(17) novamente no estado de agregação liquido.

2. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o trocador de calor AGR(18) pode ser provido através de um conduto AGR (22) comgás de escape a ser retornado, conduto este que deriva deum segmento do duto de gás de escape que conecta os tubosrecurvados no lado da saida (4a) do motor de combustãointerna (11) à entrada da turbina de alta pressão (3/1).

3. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de o gás de escape a serretornado pode ser conduzido ao trocador de calor AGR(18) através do conduto AGR (22) e depois da passagempelo mesmo poder ser injetado em um segmento do condutode ar de admissão (7d), que estabelece a união entre ocooler principal de ar de admissão (9) com as entradas dear no lado do motor de combustão interna (Te) ou de umconduto coletor de ar de admissão (7f), do qual saem asentradas de ar (7e).

4. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de no conduto AGR (22) emcurso descendente do trocador de calor AGR (18) seralojado pelo menos um outro trocador de calor (44), peloqual pode circular o agente refrigerante de uma outraderivação (10/2g) que passa em sentido paralelo àsderivações (10/2d, 10/2c) do segundo circuito derefrigeração parcial (10/2), e portanto, depois dotrocador de calor AGR (18) produz outra refrigeração dogás de escape que circula pelo conduto AGR (22) , e de ogás de escape a ser retornado depois da passagem tambémpelo trocador de calor (44) poder ser injetado através doconduto AGR (22) em um segmento do conduto de ar deadmissão (7d), que estabelece a união entre o coolerprincipal do ar de admissão (9) e as entradas de ar nolado do motor de combustão interna (7e) ou um condutocoletor de ar de admissão (7f), do qual saem as entradasde ar (7e).

5. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação-2, caracterizada pelo fato de o gás de escape a serretornado pode ser conduzido ao trocador de calor AGR(18) através do conduto AGR (22), e depois da passagempelo mesmo poder ser retornado ás entradas de ar (7e) domotor de combustão interna (1) ou a um conduto coletor dear de admissão (7f) do qual saem as entradas de ar (7e).

6. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação-1, caracterizada pelo fato de o trocador de calor de gásde escape (19) ficar alojado próximo à turbina de baixapressão (2/1) no segmento (4d) da linha de gás de escapeque vem em seguida a esta última onde o calor residual dogás de escape que deixa a turbina (2/1) referida, éaproveitado.

7. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação-1, caracterizada pelo fato de o trocador de calor de gásde escape (19) ficar alojado no segmento (4d), que vem emseguida à saida da turbina de baixa pressão (2/1) dalinha de gás de escape, onde em curso descendente de umdispositivo de tratamento posterior de gás de escape (5)onde o calor residual do gás de escape que deixa esteapós sua passagem, é aproveitado.

8. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação-7, caracterizada pelo fato de o dispositivo de tratamentoposterior de gás de escape (5) e o trocador de calor degás de escape (19) ficarem alojados diretamente um após ooutro no segmento (4d) da linha de gás de escape.

9. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação- 7, caracterizada pelo fato de o trocador de calor de gásde escape (19) ficar alojado após o dispositivo detratamento posterior de gás de escape (5) um poucodistante deste no segmento da linha de gás de escape(4d).

10. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de o dispositivo de tratamentoposterior de gás de escape (5) ser composto de váriosmódulos de tratamento posterior de gás de escape (5a),que são integrados em um silenciador (25) e se estendemali entre uma câmara de entrada de gás de escape (32) euma câmara de saida de gás de escape (31), de a câmara deentrada de gás de escape (32) poder conduzir gás deescape através de uma tubulação de entrada (33), queforma uma parte do segmento da linha de gás de escape(4b) que vem em seguida à saida da turbina de baixapressão (2/1), de o gás de escape purificado após suapassagem pelos módulos de tratamento posterior de gás deescape (5a) poder ser conduzido para fora da câmara desaida de gás de escape (32) através de um tubo terminal(34) vindo do silenciador (25), e de o trocador de calorde gás de escape (19) ficar alojado ou dentro ou fora dosilenciador (25).

11. Unidade de aci9onamento, de acordo com areivindicação 10, caracterizada pelo fato de o trocadorde calor de gás de escape (19) ser fixado externamentejunto ao silenciador (25) e poder ser conduzido a este(19) gás de escape no lado da entrada através do tuboterminal (34).

12. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de o trocador de calor de gásde escape (19) ficar alojado dentro do silenciador (25),ali dentro de seu compartimento de entrada de gás deescape (32) e poder ser conduzido a este (19) gás deescape no lado da entrada através do tubo terminal (34).

13. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação-10, caracterizada pelo fato de o trocador de calor de gásde escape (19) ficar alojado dentro do silenciador (25),ali dentro de sua câmara de saida de gás de escape (31),e de o gás de escape poder ser conduzido, após suapassagem pelo trocador de calor de gás de escape (19)para fora do silenciador (23) através do tubo terminal (34).

14. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação-1, caracterizada pelo fato de o condensador (20) serconectado para sua refrigeração ou ao primeiro circuitoou ao segundo circuito de refrigeração parcial (10/1) ou(10/2) e desse modo, o agente refrigerante recirculadorespectivamente ali poder ser utilizado para arefrigeração e fluidificação do fluido de trabalho docircuito de recuperação de calor (110) que circula tambémpelo condensador (20).

15. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação-14, caracterizada pelo fato de o condensador (20) ficaralojado em um segmento de conduto (10/2e) do segundocircuito de refrigeração parcial (10/2), que conectano caso de conexão em série no lado do agenterefrigerante do cooler principal de ar de admissão (9) eintercooler de ar de admissão (8) sua saida, ouno caso de conexão paralela no lado do agenterefrigerante do cooler principal de ar de admissão (9) eintercooler de ar de admissão (8) suas duas saídasunidas ou com a entrada da bomba (12) ou com um ponto deentrada presente na frente no lado de aspiração nosegmento de conduto (10/lb) que conecta a saída dotrocador de calor (13) com a bomba (12), do primeirocircuito de refrigeração parcial (10).

16. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação-14, caracterizada pelo fato de o condensador (20) ficaralojado em um segmento de conduto (10/lb) do primeirocircuito de refrigeração parcial (10/1) , que conecta asaida do trocador de calor (13) com a entrada da bomba(12).

17. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de quando o condensador (20)ficar conectado ao segmento de conduto (10/lb) doprimeiro circuito de refrigeração parcial (10/1), osegundo circuito de refrigeração parcial (10/2) deriva emcurso descendente da bomba (12), pelo seu segmento deconduto (10/2a) do segmento de conduto (10/lb) que conduzaté o motor de combustão interna (1), e desemboca peloseu segmento de conduto (10/2a) novamente na parte dosegmento de conduto (10/lb) do primeiro circuito parcial(10/1), que conecta a saida do condensador (20) à bomba(12) .

18. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de ser conduzido aocondensador (20) ar comprimido como agente refrigeranteque pode ser gerado por meio de um compressor ou soprador(23) que aspira ar vindo da atmosfera, que pode seracionado pelo motor de combustão interna (1) através deum trem de engrenagem correspondente ou por um trem deacionamento ou alternativamente a este, através de ummotor elétrico.

19. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de no conduto (24) em cursoascendente do condensador (20) e/ou em curso descendentedeste último em um conduto ficar alojado pelo menos umoutro trocador de calor (42, 43) pelo qual pode circularar, por meio do qual através do ar comprimido pode serfeita uma outra ação de refrigeração.

20. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a bomba (17) do circuito derecuperação de calor (11) pode ser acionada mecanicamentepelo motor de combustão interna (1).

21. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a bomba (17) do circuito derecuperação de calor (11) pode ser acionada através de ummotor elétrico (35).

22. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação-1, caracterizada pelo fato de o fluido de trabalho nocircuito de recuperação de calor (11) pode sertransportado por meio da bomba (17) a uma unidade deválvula (36), da qual saem as duas derivações em paralelo(11a, 11b), e de por meio da unidade de válvula (36)independentemente da geração de calor disponível doisfluxos em massa de fluido de trabalho poderem ser geradosnas duas derivações em paralelo (11a, 11b) e de estespoderem ser regulados independentemente entre si e donúmero de rotações do motor de combustão interna ou domotor elétrico.

23. Unidade de acionamento, de acordo com asreivindicações 21 e 22, caracterizada pelo fato de aunidade de válvula (36) no caso do acionamentoeletromotor da bomba (17) ser composta de uma válvula(36') mista que divide o fluxo em massa do fluido detrabalho controlado pela bomba (17) em dois fluxosparciais em massa a serem injetados nas duas derivaçõesem paralelo (11a, 11b).

24. Unidade de acionamento, de acordo com asreivindicações 20 e 22, caracterizada pelo fato de aunidade de válvula (36) ser composta no caso deacionamento mecânico da bomba (17) pelo motor decombustão interna (1), de duas válvulas reguladoras defluxo (37, 38), de um acumulador de pressão (39) e de umaválvula limitadora de pressão (40), sendo que o fluido detrabalho pode ser transportado por meio da bomba (17) emfunção do número de rotações do motor de combustãointerna (1) para o acumulador de pressão (39), por meioda válvula limitadora de pressão (40) o fluido detrabalho em excesso pode ser conduzido a um reservatóriode compensação (41) e por meio de cada válvula reguladorade fluxo (37 ou 38) um fluxo parcial de fluido detrabalho pode ser retirado do acumulador de pressão (39)e ser conduzido à derivação em paralelo subseqüente(11a, 11b).

25. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de serem empregados comofluido de trabalho no circuito de recuperação de calor(11) água ou uma mistura de água, sendo que a substânciaadicionada pode interferir em propriedades tais como porexemplo de anti-corrosão e anti-congelamento.

26. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de ser previsto como expansor(21) um motor térmico ou instalação de turbina pela quala energia presente no fluido de trabalho em forma devapor pode ser convertida pelo menos parcialmente emenergia de rotação que por sua vez pode ser eficazmenteempregada como potência útil.

27. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 26, caracterizada pelo fato de o expansor (21) ficar emconexão de trabalho com o motor de combustão interna (1)ou um gerador que produz fluxo ou uma outra unidade deagregação, com ação redutora da potência útil, sendo queessa conexão de trabalho pode ser estabelecida direta ouindiretamente através de um trem de acionamento ou tremde engrenagem em relação a um eixo a ser acionado dogrupo agregado em questão.