BRPI0905344B1

BRPI0905344B1 - unidade de acionamento

Info

Publication number: BRPI0905344B1
Application number: BRPI0905344-1A
Authority: BR
Inventors: Gottfried Raab; Markus Raup; Josef Klammer
Original assignee: MAN Truck & Bus Österreich AG
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2020-04-07
Also published as: EP2196661A2; AT507096A4; CN101749096B; EP2196661A3; US8365527B2; RU2009145742A; BRPI0905344A2; RU2435052C2; US20100139626A1; AT507096B1; CN101749096A; EP2196661B1

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 [0001] A invenção refere-se a uma unidade de acionamento de um veículo automotor, provida de um motor de combustão interna carregado em dois estágios por dois turbocarregadores de exaustão, que dispõe de um compressor de baixa pressão, de um compressor de alta pressão, de um intercooler de ar de admissão entre o compressor de baixa pressão e o compressor de alta pressão, assim como de uma alimentação de ar de admissão que apresenta cooler principal de ar de admissão conectado em seguida ao compressor de alta pressão, e além disso, de uma descarga de gás de escape., este último apresentando uma turbina de alta pressão, uma turbina de baixa pressão e um pós-tratamento de gás de escape conectado em seguida à esta última no duto de gás de escape, e que além disso apresenta uma instalação de refrigeração com um circuito de refrigeração e um circuito de recuperação de calor desacoplado hidraulicamente desta.

[0002] A invenção se baseia em uma unidade de acionamento de acordo com a publicação DE 10 2006 010 247 A1. A principal característica dessa unidade de acionamento conhecida é o fato de seu primeiro circuito de refrigeração e de seu segundo circuito de refrigeração que serve de circuito de recuperação de calor, ficarem em contato térmico através de pelo menos um transferidor de calor. Como trocador de calor são previstos, neste caso, por exemplo, um refrigerador AGR e um trocador de calor de gás de escape conectado em seguida no duto de gás de escape a um dispositivo de tratamento posterior de gás de escape, que ficam dispostos no segundo circuito de refrigeração nesta sequência um após o outro, ou seja, em uma série um atrás do outro, e, portanto, termicamente acoplados transferem calor

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2/20 ao fluido de trabalho que circula no segundo circuito de refrigeração. O fluido de trabalho do segundo circuito de refrigeração é aquecido durante sua passagem pelo trocador de calor AGR e, em seguida, pelo trocador de calor de gás de escape, transferido pelo menos parcialmente ao estado de agregação em forma de vapor e superaquecido, para depois ser empregado em um expansor, proporcionando potência útil. Em seguida, o fluido de trabalho circula no segundo circuito de refrigeração através de pelo menos um condensador refrigerado a ar, e depois, novamente no estado fluido de agregação, através do cooler principal de ar de admissão e do intercooler de ar de admissão, bem como opcionalmente por outros trocadores de calor. Portanto, nessa instalação conhecida, são utilizados tanto ar de admissão como a água de refrigeração do motor, adicionalmente ao gás de escape como fontes de calor, que conectadas em série uma atrás da outra absorvem o calor dos respectivos meios. Estudos avançados mostraram que o expansor somente opera eficazmente a elevadas pressões, as temperaturas do ar de admissão, meio refrigerante do motor e gás de escape durante a passagem em série pelo referido trocador de calor, não são porém suficientes para evaporar o fluido de trabalho a elevadas pressões. Neste caso, é preciso levar em conta que tanto o ar de admissão comprimido em dois estágios, como também o motor de combustão interna precisam ser suficientemente resfriados em todas as faixas de potência para assegurar um modo operacional favorável do motor de combustão interna, mas também para evitar um superaquecimento do mesmo. Por isso, é preciso, para tal finalidade no caso da instalação conhecida, bombear uma grande quantidade de fluido de trabalho através do segundo circuito de refrigeração, resultando assim que a

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3/20 quantidade de fluido de trabalho também possa ser não totalmente evaporada através do calor das fontes de calor de alto valor durante a passagem deste, o que tornaria obrigatoriamente necessário um sistema de separação para a fase líquida. Além disso, devido às circunstâncias mencionadas o gás de escape retornado durante a passagem pelo(s) trocador(es) de calor AGR não pode ser refrigerado a um nível de temperatura baixo desejado já que o fluido de trabalho já entra pré-aquecido no(s) trocador(ES) de calor AGR.

[0003] Por isso, é tarefa da presente invenção melhorar o dispositivo de acionamento conhecido pela publicação DE 10 2006 010 247 A1, e sua instalação de refrigeração partindo do fato de ser possível uma refrigeração eficaz tanto do motor de combustão interna como do ar de admissão e do gás de escape a ser retornado, ao mesmo tempo porém sendo possível uma recuperação de calor altamente eficiente mediante o aproveitamento otimizado das fontes de calor gás de escape.

[0004] Esta tarefa é solucionada, de acordo com a invenção, no caso de uma unidade de acionamento do tipo de acordo com o gênero, através dos meios indicados na identificação da reivindicação 1.

[0005] Arranjos vantajosos dessa solução aparecem identificados nas reivindicações dependentes.

[0006] De acordo com a invenção, neste caso, é atribuído à unidade de acionamento um circuito de refrigeração especial com dois circuitos de refrigeração parciais e um circuito de recuperação de calor hidraulicamente desacoplado. O circuito de refrigeração, neste caso, é subdividido em dois circuitos de refrigeração parciais, que podem ser acoplados hidraulicamente entre si ou hidraulicamente separados. Nestes

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4/20 circuitos de refrigeração parciais é possível recircular um meio refrigerante através de pelo menos uma bomba. Neste caso, no primeiro circuito de refrigeração parcial fica disposto um trocador de calor refrigerável pelo ar ambiente e no segundo circuito de refrigeração parcial fica disposto um outro trocador de calor refrigerável pelo ar ambiente, assim como em linha descendente deste, o cooler principal de ar de admissão e o intercooler de ar de admissão. Além disso, é possível obter, de acordo com a invenção, um aumento de pressão e recirculação de um fluido de trabalho, dentro do circuito de recuperação de calor por meio de pelo menos uma bomba, e neste caso, em trocadores de calor é possível produzir uma transição de fase do mesmo, passando do estado de agregação líquido para a forma de vapor e vice-versa. Neste caso, este fluido de trabalho após a bomba, é subdividido em dois fluxos parciais paralelos, e neste caso, transformado no estado de agregação na forma de vapor em uma derivação em paralelo em um trocador de calor AGR pela qual circula gás de escape retornável assim como em um trocador de calor de gás de escape, na segunda derivação em paralelo, pela qual pode circular o gás de escape presente, em curso descendente da turbina de baixa pressão na linha de gás de escape. Esse fluido de trabalho em forma de vapor é, em seguida, conduzido a um expansor e, por meio deste, convertido em energia útil mecânica sob alívio de pressão correspondente. Em seguida, o fluido de trabalho é transformado em seu estrado de agregação líquido durante sua passagem por um condensador resfriado, assim como introduzido no circuito de recuperação de calor novamente, por meio da bomba.

[0007] Através do conceito da disposição paralela, de acordo com a invenção, dos dois trocadores de calor - trocador

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5/20 de calor AGR e trocador de calor de gás de escapa - que servem como evaporadores do fluido de trabalho, é possível gerar imediatamente vapor sob utilização respectivamente de uma fonte de calor, adicionalmente o fluido de trabalho entra em cada um dos dois trocadores de calor com baixa temperatura, sendo assim obtida também a ação refrigerante desejada altamente eficiente para o fluido de trabalho, do qual é retirado o calor (gás de escape retornado e gás de escape antes de sair para a atmosfera). Uma outra vantagem reside no fato de no condensador poder ser evacuado somente o calor do vapor útil. A energia do calor de gás de escape disponível no circuito de recuperação de calor nos dois trocadores de calor conectados em paralelo, é, portanto, de acordo com a invenção, convertida de forma ideal na energia de vapor, que pode ser convertida em seguida, em energia útil mecânica com uma cota máxima por meio do expansor. Essa energia mecânica, neste caso, pode ser convertida em energia de rotação, por exemplo, por meio do expansor, e ser alimentada, por exemplo, para o motor de combustão interna aumentando sua potência, ou para um gerador para gerar energia elétrica, respectivamente com rendimento de potência suficientemente elevado.

[0008] Outros detalhes, opções de concretização e vantagens da invenção constam da descrição a seguir de outros exemplos de concretização, onde;

[0009] A figura 1 mostra um esquema de um primeiro exemplo de concretização da invenção;

[0010] A figura 2 mostra um esquema de um segundo exemplo de concretização da invenção;

[0011] A figura 3 mostra um esquema de um terceiro exemplo de concretização da invenção;

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6/20 [0012] A figura 4 mostra um esquema de um quarto exemplo de concretização;

[0013] A figura 5 mostra um exemplo de concretização de uma unidade de válvula para a distribuição do fluido de trabalho nas duas derivações em paralelos do circuito de recuperação de calor;

[0014] A figura 6 mostra esquematicamente uma alternativa em relação à unidade de válvula de acordo com a figura 5;

[0015] A figura 7 mostra uma variante do arranjo para um trocador de calor de gás de escape na linha de gás de escape;

[0016] A figura 8 mostra um arranjo alternativo à figura 7 para o trocador de calor de gás de escape na linha de gás de escape;

[0017] A figura 9 mostra um outro arranjo alternativo em relação à figura 7 e 8 para o trocador de calor na linha de gás de escape; e [0018] A figura 10 mostra um outro arranjo alternativo em relação às figuras de 7 a 9 para o trocador de calor de gás de escape.

[0019] Nas figuras são mostrados componentes ou peças iguais ou correspondentes entre si para uma melhor compreensão com sinais de referência iguais.

[0020] A invenção é atribuída a uma unidade de acionamento, cujo órgão principal é formado através de um motor de combustão interna 1, que por sua vez forma a fonte de acionamento de veículos automotores, de qualquer tipo de veículos utilitários, veículos ferroviários, embarcações, mas também em instalações estacionárias tais como fábricas de cogeração, grupos geradores de emergência, etc.

[0021] O motor de combustão interna 1 é carregado por meio

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7/20 de turbocarregadores de gás de escape 2,3 em dois estágios. Neste caso, o turbocarregador de gás de escape 2 que forma o estágio de baixa pressão é composto de uma turbina de baixa pressão 2/1 e de um compressor de baixa pressão 2/2 acionado por esta última. O turbocarregador de gás de escape 3 que forma o estágio de alta pressão é composto de uma turbina de alta pressão 3/1 e de um compressor de alta pressão 3/2 acionado por esta última.

[0022] A descarga de gás de escape do motor de combustão interna 1 é feita através de uma linha de gás de escape 4 iniciando com tubos recurvados que saem no lado do motor, os quais se comunicam com um segmento 4b da linha de gás de escape, que fica conectada com a entrada da turbina de alta pressão 3/1. Esta última fica em contato com a entrada da turbina de baixa pressão 2/1 através de um segmento de linha de gás de escape 4c. Na saída da turbina de baixa pressão segue um segmento da linha de gás de escape 4d, no qual pode ficar alojado um dispositivo de tratamento posterior de gás de escape 5 .

[0023] A alimentação de gás de admissão do motor de combustão interna 1 é composta do ar vindo da atmosfera através de um filtro 6 e um compressor de baixa pressão 2/2 que aspira o segmento 7 a da linha de ar de admissão, de um segmento da linha de ar de admissão 7b entre o compressor de baixa pressão 2/2 e o compressor de alta pressão 3/2 com um intercooler de ar de admissão 8 ali alojado assim como de um cooler principal de ar de admissão 9 conectado em seguida a um compressor de alta pressão 3/2, para o qual se dirigi um segmento 7c da linha de gás de admissão e do qual sai um segmento 7d da linha de ar de admissão que se comunica com as entradas de ar 7 e do

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8/20 motor de combustão interna 1 ou de um conduto coletor de ar de admissão 7f, do qual saem as entradas de ar 7e.

[0024] Além	disso, a	unidade	de acionamento, de acordo	com
a invenção,	dispõe de um	circuito	de	refrigeração	10
especialmente	formado	provido de	dois	circuitos	de
refrigeração	parciais	10/1,	10/2 e	de	um circuito	de
recuperação	de calor	11	desacoplado	hidraulicamente,

independente em relação a este. Neste caso, dentro do circuito de refrigeração 10, de acordo com a figura 1 a 3, por meio de pelo menos uma bomba 12 é recirculado um fluido refrigerante, por exemplo, água misturada com agente anticongelante, no primeiro circuito de refrigeração parcial 10/1 e no segundo circuito de refrigeração parcial 10/2 acoplado hidraulicamente a este. Em uma outra concretização da invenção, os circuitos de refrigeração parciais 10/1 e 10/2 também podem ser hidraulicamente desacoplados, e neles ser recirculado um agente refrigerante por meio de uma bomba 12. No exemplo, de acordo com a figura 4, por meio de uma bomba 12 projetada em dois estágios, com estágios 12/1 e 12/2, é recirculado um agente refrigerante nos circuitos de refrigeração parciais 10/1 e 10/2, sendo atribuído a cada circuito de refrigeração parcial um estágio 12/1 ou 12/2 da bomba 12. No caso do primeiro circuito de refrigeração parcial 10/1 trata-se do circuito de refrigeração do motor a alta temperatura, no qual fica alojado um trocador de calor 13 refrigerável com ar ambiente (refrigerador de água a alta temperatura), sendo que para este último se dirige um segmento 10/1 do circuito de refrigeração, que parte da saída do agente refrigerante do motor de combustão interna 1, e do trocador de calor 13 sai um segmento 10/1b do circuito de refrigeração que se dirige à bomba 12,

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9/20 sendo a bomba 12 conectada à entrada do agente refrigerante do motor de combustão interna 1 através de um segmento 10/1c do circuito de refrigeração. No segmento 10/1 do circuito de refrigeração é instalado um elemento de regulação 14 que fica em contato com o segmento 10/1b do circuito de refrigeração através de uma linha de desvio 15, e serve para a regulação da vazão através do trocador de calor 13. No segundo circuito de refrigeração 10/2 parcial, no qual se trata de um circuito de refrigeração a baixa temperatura, fica alojado um outro trocador de calor 16 refrigerável pelo ar ambiente (refrigerador de água a baixa temperatura) assim como em curso descendente deste, encontram-se alojados o cooler principal de ar de admissão 9 e o intercooler de ar de admissão 8. Neste caso, nos circuitos de refrigeração parciais acoplados hidraulicamente 10/1 e 10/2, de acordo com os exemplos da figura 1 a 3, um segmento 10/2 a do circuito de refrigeração deriva, na direção do fluxo, após a bomba 12, do segmento do circuito de refrigeração 10/1c do primeiro circuito de refrigeração parcial 10 ab, e se dirige ao trocador de calor 16. Na saída do trocador de calor 16 segue um segmento do circuito de refrigeração 10/2b, no qual o cooler principal do ar de admissão 9 e o intercooler do ar de admissão 8 ficam alojados seja em série um após o outro ou - favoravelmente conectados em paralelo em respectivamente uma derivação em paralelo do segmento 10/2 c ou 10/2 d. Na direção do fluxo, após o intercooler 8 do ar de admissão 8, se prolonga o segundo circuito de refrigeração parcial 10/2 com um segmento 10/2 que a seguir será mais detalhadamente esclarecido.

[0025] O circuito de recuperação de calor 11, de acordo com a invenção, é a seguir apresentado. No circuito de recuperação

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10/20 de calor 11 é possível obter, por meio de uma bomba 12, um aumento de pressão e recirculação de um fluido de trabalho, e neste caso, realizar nos trocadores de calor 18, 19, 20 uma transição de fases do mesmo do estado de agregação líquido para a forma de vapor e vice-versa. Neste caso, esse fluido de trabalho é dividido, na direção do fluido após a bomba 17, em dois fluxos parciais paralelos, e transformado em um estado de agregação na forma de vapor, em uma primeira derivação em paralelo 11 em um trocador de calor 18 AGR pelo qual passa o gás de escape retornável, assim como em uma segunda derivação em paralelo 11b em curso descendente da turbina de baixa pressão 2/1, no trocador de calor 19 de gás de escape pelo qual passa o gás de escape presente no segmento da linha de gás de escape 4d. Esse fluido de trabalho na forma de vapor, que fica sob elevada pressão, é dirigido até o expansor após religação das duas derivações em paralelo 11a, 11b através de um segmento 11c do circuito conjunto, e por meio deste convertido em energia útil mecânica. Em seguida, o fluido de trabalho sob baixa pressão é conduzido a um condensador 20 refrigerado através de segmento de circuito 11d subsequente na saída do expansor 21, e na condução através deste, é novamente reconduzido ao seu estado de agregação líquido, em seguida por meio da bomba 17 aspirado através de um segmento de circuito 11e e novamente armazenado no circuito de recuperação de calor 11 acima descrito.

[0026] O gás de escape a ser retornado, que circula pelo trocador de calor AGR 18 é conduzido ao trocador de calor AGR 18, neste caso, na direção do fluxo, antes da turbina de alta pressão 3/1 através de um conduto AGR 22 que deriva do segmento da linha de escape 4b, e depois de sua passagem - assim como

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11/20 de sua passagem eventualmente por outro trocador de calor 44 alojado em curso descendente do trocador de calor 18 - ele é injetado no ar de admissão presente na saída do cooler principal de ar de admissão 9, sendo que o conduto AGR 22, na direção do fluxo, após o trocador de calor AGR e após o outro trocador de calor 44 (se este também estiver previsto) desemboca naquele segmento do conduto de ar de admissão que estabelece a união entre cooler principal de ar de admissão 9 e as entradas de ar no lado do motor de combustão interna 7e ou o conduto coletor de ar de admissão 7f (vide figura 1 e 3) ou é reconduzido diretamente ás entradas de ar 7 e do motor de combustão interna ou de um conduto coletor de ar de admissão 7f, do qual saem as entradas de ar 7e (vide figura 2).] [0027] A seguir os diferentes arranjos e conexões dos circuitos, de acordo com a invenção, são mais detalhadamente esclarecidos sob referência aos desenhos.

[0028] No caso da variante de concretização de acordo com a figura 1, o condensador 20 do circuito de recuperação de calor 11 é conectado para sua refrigeração ao segundo circuito de refrigeração parcial 10/2, sendo que o segmento do conduto 10/2 e se dirige ao condensador 20. Na saída deste último o segundo circuito parcial 10/2 se estende por um segmento do conduto 10/2f e desemboca com este na direção de fluxo ou no lado de aspiração antes da bomba 12, novamente no primeiro circuito de refrigeração parcial 10/1, ali no respectivo segmento de conduto 10/1b. Como meio de refrigeração e refluidificação do fluido de trabalho no condensador 20, serve, neste caso, o agente refrigerante do circuito de refrigeração parcial 10/2 a baixa temperatura, depois de ele ter absorvido o calor do fluxo de ar de admissão nos dois

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12/20 coolers de ar de admissão 8,9 preferivelmente conectados em paralelo. O calor transferido ao condensador 20 sobrecarrega na verdade o sistema de refrigeração do motor de combustão interna 1, uma parte do calor absorvido é novamente convertida em energia mecânica e apenas uma determinada porção é levada ao sistema de refrigeração. Com auxílio de sistemas de regulação altamente desenvolvidos, o sistema de refrigeração do motor pode portanto - especialmente no caso de temperaturas ambientes elevadas - ser balanceado, ou ser mantido em um nível neutro, ou - especialmente no caso de excesso de potencial de refrigeração sob temperaturas ambientes baixas ser adicionalmente carregado.

[0029] No caso da variante de concretização, de acordo com a figura 2, o condensador 20 é conectado para sua refrigeração ao primeiro circuito de refrigeração parcial 10/1, na verdade, ao segmento de conduto 10/1b entre o trocador de calor a alta temperatura 13 e a bomba 12, que é circulada pelo agente refrigerante resfriado. O segundo circuito de refrigeração parcial 10/2 desemboca, neste caso pelo seu segmento de conduto 10/2e na direção de fluxo ou no lado de aspiração antes da bomba 12, porém após o condensador 20, no primeiro circuito de refrigeração parcial 10/1, ali no respectivo segmento de conduto 10/1b.

[0030] Como meio de refrigeração e refluidificação o do fluido de trabalho no condensador 20 serve, neste caso, o agente refrigerante do circuito de refrigeração parcial 10/1 a alta temperatura, depois deste ter circulado pelo trocador de calor a alta temperatura 13. Essa variante exige que em relação à figura 1 a elevadas temperaturas e com pressões elevadas seja necessária condensação, sendo o sistema, neste

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13/20 caso, através das elevadas quantidades de vazão, insensível ao superaquecimento em caso de trocas dinâmicas de carga e número de rotações.

[0031] No caso da variante, de acordo com a figura 3, para a refrigeração do condensador 20 ou para refrigeração e fluidificação do fluido de trabalho, que circula por este, é empregado ar comprimido, que pode ser gerado por meio de um compressor adicional que aspira ar vindo da atmosfera, ou soprador 23, e ser conduzido ao condensador 20 através de um conduto 24. O compressor ou o soprador 23 pode ser acionado pelo motor de combustão interna 1 através de uma engrenagem de transmissão ou trem de acionamento ou alternativamente através de um motor elétrico.

[0032] No caso da variante de concretização, de acordo com a figura 4, em relação à figura 3, no conduto 24, em curso ascendente do condensador 20 e/ou em curso descendente deste último, encontra-se pelo menos um outro trocador de calor 42, 43. Dependendo do nível de temperatura necessário de um fluxo de refrigeração pode ser produzida uma outra ação de refrigeração por exemplo para um condensador de ar condicionado, através do ar comprimido, que pode ser gerado por meio de um compressor ou soprador adicional que aspira ar vindo da atmosfera. Em relação às variantes na figura 1 a figura 3, a figura 4 mostra a concretização dos circuitos de refrigeração parciais 10/1, 10/2, hidraulicamente desacoplados, nos quais pode ser recirculado um agente refrigerante através respectivamente pelo menos um estágio atribuído 12/1, 12/2 da bomba 12. Além disso, a figura 4 mostra um arranjo especial do outro trocador de calor 44, que é conectado hidraulicamente, em um fluxo paralelo 10/2g, às

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14/20 derivações 10/2d, 10/2c do segundo circuito de refrigeração parcial 10/2. No lado do gás de escape, portanto, o gás de escape que circula pela conduto AGR 22 após deixar o evaporador AGR 18, pode ser refrigerado por meio do outro trocador de calor 44 a um nível de temperatura mais baixo.

[0033] No que diz respeito ao arranjo do trocador de calor de gás de escape 19, são neste caso mostradas nas figuras de 1 a 4 e 7 a 10 diferentes possibilidades.

[0034] Consta na figura 2 uma forma de concretização, na qual o trocador de calor de gás de escape 19 fica alojado próximo à turbina de baixa pressão 2/1 no segmento de linha de gás de escape por último em série - onde o calor residual do gás de escape que deixa a turbina 2/1 é aproveitado.

[0035] Podemos observar nas figura 1,3 e 4 uma forma de concretização, na qual o trocador de calor de gás de escape 19 fica alojado no segmento 4d da linha de gás de escape, subsequente à saída da turbina de baixa pressão 2/1, onde em curso descendente de um dispositivo de tratamento posterior de gás de escape 5, o calor residual do gás de escape que sai após sua passagem, é aproveitado. Neste caso, o dispositivo de tratamento posterior de gás de escape 5 e o trocador de calor de gás de escape 19 ficam alojados diretamente um após o outro. No caso da variante de acordo com a figura 7, o trocador de calor de gás de escape 19 fica alojado um pouco distante do dispositivo de tratamento posterior de gás de escape 5, no segmento da linha de gás de escape 4d. A figura 8 mostra uma determinada forma de concretização de um dispositivo de tratamento posterior de gás de escape 5 assim como a atribuição do trocador de calor de gás de escape 19 a ele. Neste caso, são instalados vários módulos de tratamento

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15/20 posterior de gás de escape 5a do dispositivo de tratamento posterior de gás de escape 5, em um silenciador 25, e ali mantidos em posição de montagem, pelos quais a circulação é feita paralelamente entre duas paredes 26, 27. O silenciador 25 é limitado radialmente externamente através por exemplo de uma parede externa cilíndrica e na frente e atrás por um fundo 29, 30.

[0036] As duas paredes 26, 27 ficam paralelamente alojadas em relação aos fundos 29, 30. A parede 26 delimita juntamente com o fundo dianteiro 29 um compartimento de saída de gás de escape 31 e a parede 27 juntamente com o fundo traseiro 30 delimita um compartimento de entrada de gás de escape 32. Em um compartimento de entrada de gás de escape 32 desemboca uma tubulação de entrada 33, que forma 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 no módulo de tratamento posterior de gás de escape 5 a e é então conduzido para fora do compartimento de saída 31 e do silenciador através de um tubo terminal interno no silenciador 34, para então circular em seguida pelo trocador de calor 19 de gás de escape instalado neste exemplo imediatamente fora no silenciador 25. Este último é fixado no fundo traseiro 30 do silenciador 25.

[0037] No exemplo de concretização, de acordo com a figura 9, o silenciador 25 projetado a princípio igual àquele da figura 8, é empregado com os módulos de tratamento posterior de gás de escape 5 a, porém neste caso, o trocador de calor de gás de escape 19 fica alojado não externamente no silenciador, mas sim na parte interna deste. Neste caso, a alimentação e desvio do gás de escape até o trocador de calor de gás de

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16/20 escape 19 são feitas através do tubo terminal 34. O trocador de calor de gás de escape 19 pode, neste caso, ser fixado junto ao ou dentro do tubo terminal 34 ou no lado interno do fundo 30 ou do revestimento externo 28. Alternativamente a este arranjo, no compartimento de entrada 32, o trocador de calor de gás de escape 19 - conforme se observa na figura 10- pode ser porém também alojado no compartimento de saída 31, ali em um ponto que não dificulta a circulação do gás de escape limpo.

[0038] A seguir são esclarecidos mais detalhadamente outros diferentes detalhes do circuito de recuperação de calor 11.

[0039] A bomba 17 pode ser acionada seja por via mecânica a partir do motor de combustão interna 1, por um trem de engrenagem ou trem de acionamento (vide figura 1 e 3). Alternativamente, a bomba 17, porém, pode ser também acionada por um motor elétrico (vide figura 2). Por meio da bomba 17, o fluido de trabalho é transportado no circuito de recuperação de calor 11 até a unidade de válvula 36, de onde saem as duas derivações em paralelo 11 a, 11b. Por meio da unidade de válvula 36, são gerados dois fluxos em massa nas duas derivações em paralelo 11 a, 11b independentemente do fornecimento de calor disponível, fluxos estes que podem ser regulados independentemente entre si e do número de rotações do motor de combustão interna 1 ou do motor elétrico 35. No caso do acionamento eletromotor 17, a unidade de válvula 36 conforme observamos na figura 5 - é composto por exemplo de uma válvula mista, que divide o fluxo em massa do fluido de trabalho controlado pela bomba 17 em dois fluxos parciais em massa a serem introduzidos nas duas derivações em paralelo 11 a, 11b. No caso do acionamento mecânico da bomba 17, pelo motor

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17/20 de combustão interna, a unidade válvula 36 - conforme observamos na figura 6 - pode ser composta por exemplo de duas válvula reguladoras de fluxo 37, 38, por um acumulador de pressão 39 e por uma válvula limitadora de pressão 40, sendo que por meio de cada válvula reguladora de fluxo 37 e 38 é retirado do acumulador de pressão 39 o fluxo em massa do fluido de trabalho a ser conduzido à derivação em paralelo subsequente 11 a ou 11b. Neste caso, a bomba 17, dependendo do número de rotações do motor de combustão interna 1 transporta o fluido de trabalho para o acumulador de pressão 39. A quantidade de fluido de trabalho em excesso é descarregada em um reservatório de compensação 41 através da válvula delimitadora de pressão 40. Em cada caso, são gerados pela unidade de válvula 36, dois fluxos parciais de fluido de trabalho, através dos quais as quantidades de vapor e pressões de vapor, que podem ser geradas no trocador de calor AGR 18 e no trocador de calor de gás de escape 19, podem ser ajustadas dentro de uma margem variável. [0040] O fluido de trabalho empregado no circuito de recuperação de calor 11 ou, pelo menos, um componente do mesmo, apresenta uma temperatura de evaporação ajustada a uma operação eficiente do circuito de recuperação de calor. Como fluido de trabalho, pode ser utilizada água ou uma mistura de água, sendo que a substância mencionada pode apresentar propriedades tais como por exemplo de anticorrosão e anticongelamento. Alternativamente pode ser empregado como fluido de trabalho um composto de hidrocarboneto com temperatura de ebulição ou evaporação. Neste caso, parecem especialmente indicados compostos de butano e pentano. Consta na tabela a seguir uma relação de possíveis fluidos de trabalho com suas propriedades físicas ou químicas fundamentais para a invenção.

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Meio	Massa molar	Ponto crítico	Temp. ebulição (10⁵Pa)	Calor de evaporação (10⁵Pa)	Aumento da curva de vapor saturado	Decomposição em aprox.
NH3	17	405,3 K	11,33 MPa	239,7 K	1347 kJ/kg	negativo	750K
Água	18	647,0 K	22,06 MPa	373,0 K	2256 kJ/kg	negativo
n-butano C4H10	58, 1	425 2 K	3,80 MPa	272,6 K	383,8 kJ/kg
n-pentano C5H12	72,2	469, 8 K	3,37 MPa	309,2 K	357,2 kJ/kg
C6H6	78, 14	562 2 K	4,90 MPa	353,0 K	438,7 kJ/kg	Positivo	600K
C7H8	92,1	591,8 K	4,10 MPa	383,6 K	362,5 kJ/kg	Positivo
R134a (HFC-134^a)	102	374,2 K	4,06 MPa	248,0 K	215,5 kJ/kg	Isentropo	450K
C8H10	106, 1	616,2 K	3,50 MPa	411,0 K	339,9 kJ/kg	positivo
R12	121	385,0 K	4,13 MPa	243,2 K	166,1 kJ/kg	Isentropo	450K
HFC-245fa	134,1	430,7 K	3,64 MPa	288,4 K	208,5 kJ/kg
HFC-245ca	134,1	451,6 K	3,86 MPa	298,2 K	217,8 kJ/kg
R11(CFC-11)	137	471,0 K	4,41 MPa	296,2 K	178,8 Kj/kg	Isentropo	420 K
HFE-245fa	150	444,0 K	3,73 MPa
HFC-236fa	152	403,8 K	3,18 MPa	272,0 K	168,8 kJ/kg
R123	152,9	456,9 K	3,70 MPa	301,0 K	171,5 kJ/kg	Positivo
CFC 114	170, 9	418,9 K	3,26 MPa	276,7 k	136,2 Kj/kg
R113	187	487,3 K	3,41 MPa	320,4 k	143,9 kJ/kg	Positivo	450K
n-perfluoropentano C5F12	288	420,6 K	2,05 MPa	302,4 K	87,8 kJ/kg

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19/20 [0041] O fluido de trabalho empregado é transformado totalmente para o estado de agregação da forma líquida para forma em vapor, no circuito de recuperação de calor de gás de escape 19, dentro do trocador de calor 18 e do trocador de calor 19. Através da transferência de calor no trocador de calor AGR 18, neste caso, é produzida uma refrigeração altamente eficiente do gás de escape a ser retornado, por um lado, e uma completa evaporação do fluido de trabalho por outro. Através da transferência de calor no trocador de calor de gás de escape 19, é feita uma refrigeração o mais eficiente possível do gás de escape circulante, por um lado, e uma evaporação completa do fluido de trabalho, por outro. O fluido de trabalho presente na saída dos dois trocadores de calor 18, 19 que atuam como evaporador no estado de agregação na forma de vapor, é em seguida injetado no expansor 19 e convertido por este em energia útil mecânica. No caso do expansor 19, pode se tratar por exemplo de um motor térmico ou de uma instalação de turbina, através da qual a energia que escapa no fluido de trabalho evaporado é convertida pelo menos parcialmente em energia de rotação promotora da potência útil, e que para a introdução da energia gerada, por exemplo, fica em contato por exemplo com o motor de combustão interna ou com um gerador que produz fluxo, ou outros redutores de potência seja diretamente ou através de um trem de acionamento ou trem de engrenagem.

[0042] Portanto, através da solução, de acordo com a invenção, pode-se obter por um lado uma refrigeração altamente eficiente do motor de combustão interna 1, assim como do ar de admissão a ser alimentado e do gás de escape a ser retornado, e por outro, aproveitar a energia calorífica do gás de escape

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20/20 a uma taxa máxima em diferentes pontos, a fim de gerar por um lado potência mecânica adicional, e por outro, minimizar a quantidade de combustível queimado durante o débito de potência no motor de combustão interna 1 e, desse modo, reduzir a poluição ambiental.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Unidade de acionamento, particularmente de um veículo automotor, provida de um motor de combustão interna carregado em dois estágios por meio de dois turbo-carregadores, que dispõe de uma alimentação de ar de admissão que por sua vez apresenta um compressor de baixa pressão, um compressor de alta pressão, um intercooler de ar de admissão entre o compressor de baixa pressão e o compressor de alta pressão assim como um cooler principal de ar de admissão conectado em seguida ao compressor de alta pressão, além disso dispõe de uma descarga de gás de escape com uma turbina de alta pressão e de uma turbina de baixa pressão e, opcionalmente, de um dispositivo de tratamento posterior de gás de escape conectado em seguida à esta última no duto de gás de escape, além disso apresenta uma instalação de refrigeração com um circuito de refrigeração de um circuito de recuperação de calor desta hidraulicamente desacoplado, caracterizada pelo fato de o circuito de refrigeração (10) compreender dois circuitos de refrigeração parciais (10/1, 10/2) hidraulicamente acoplados ou desacoplados e de neste referido circuito um agente refrigerante pode ser recirculado por meio de pelo menos uma bomba (12), no primeiro circuito de refrigeração parcial (10/1) sendo alojado 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 ar ambiente assim como em curso descendente destes, ser também alojado o cooler principal de ar de admissão (9) e o intercooler de ar de admissão (8) , de dentro do circuito de recuperação de calor (11) pode ser recirculado um fluido de trabalho com aumento de pressão através de pelo menos uma bomba (12), e neste caso,

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2/9 ser realizada a transição de fase do mesmo em trocadores de calor (18, 19, 20), passando do estado de agregação líquido para o estado de agregação na forma de vapor e vice-versa, sendo que este fluido de trabalho, depois da bomba (17), dividido em dois fluxos parciais paralelos, pode ser transformado passando para o estado de agregação na forma de vapor em uma primeira derivação em paralelo (11a) em um trocador de calor AGR (18) pelo qual circula gás de escape a ser retornado e em um trocador de calor de gás de escape (19) pelo qual circula gás de escape presente na segunda derivação em paralelo (11b) em curso descendente da turbina de baixa pressão (2/1) na linha de gás de escape (4d), sendo que então esse fluido de trabalho na forma de vapor pode ser conduzido a um expansor (21), assim como ser convertido por meio deste em energia útil mecânica e em seguida pode circular por um condensador resfriado (20) e depois ser novamente armazenado no circuito acima referido por meio da bomba (17) novamente no estado de agregação líquido.

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) com gás de escape a ser retornado, conduto este que deriva de um segmento do duto de gás de escape que conecta os tubos recurvados no lado da saída (4a) do motor de combustão interna (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 ser retornado pode ser conduzido ao trocador de calor AGR (18) através do conduto AGR (22) e depois da passagem pelo mesmo poder ser injetado em um segmento do conduto de ar de admissão (7d), que

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3/9 estabelece a união entre o cooler principal de ar de admissão (9) com as entradas de ar no lado do motor de combustão interna (7e) ou de um conduto coletor de ar de admissão (7f), do qual saem as entradas de ar (7e).
4. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de no conduto AGR (22) em curso descendente do trocador de calor AGR (18) ser alojado pelo menos um outro trocador de calor (44), pelo qual pode circular o agente refrigerante de uma outra derivação (10/2g) que passa em sentido paralelo às derivações (10/2d, 10/2c) do segundo circuito de refrigeração parcial (10/2), e portanto, depois do trocador de calor AGR (18) produz outra refrigeração do gás de escape que circula pelo conduto AGR (22), e de o gás de escape a ser retornado depois da passagem também pelo trocador de calor (44) poder ser injetado através do conduto AGR (22) em um segmento do conduto de ar de admissão (7d), que estabelece a união entre o cooler principal do ar de admissão (9) e as entradas de ar no lado do motor de combustão interna (7e) ou um conduto coletor de ar de admissão (7f), do qual saem as entradas de ar (7e).
5. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de o gás de escape a ser retornado pode ser conduzido ao trocador de calor AGR (18) através do conduto AGR (22), e depois da passagem pelo mesmo poder ser retornado ás entradas de ar (7e) do motor de combustão interna (1) ou a um conduto coletor de ar 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 gás de escape (19) ficar alojado próximo à turbina de baixa pressão (2/1) no

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4/9 segmento (4d) da linha de gás de escape que vem em seguida a esta última onde o calor residual do gás de escape que deixa a turbina (2/1) referida, é aproveitado.
7. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o trocador de calor de gás de escape (19) ficar alojado no segmento (4d), que vem em seguida à saída da turbina de baixa pressão (2/1) da linha de gás de escape, onde em curso descendente de um dispositivo de tratamento posterior de gás de escape (5) onde o calor residual do gás de escape que deixa este após sua passagem, é aproveitado.
8. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de o dispositivo de tratamento posterior de gás de escape (5) e o trocador de calor de gás de escape (19) ficarem alojados diretamente um após o outro 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 gás de escape (19) ficar alojado após o dispositivo de tratamento posterior de gás de escape (5) um pouco distante 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 tratamento posterior de gás de escape (5) ser composto de vários módulos de tratamento posterior de gás de escape (5a), que são integrados em um silenciador (25) e se estendem ali entre uma câmara de entrada de gás de escape (32) e uma câmara de saída de gás de escape (31), de a câmara de entrada de gás de escape (32) poder conduzir gás de escape através de uma tubulação de entrada (33), que forma uma parte do segmento da linha de gás de escape (4b) que vem em seguida à saída da turbina de baixa

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5/9 pressão (2/1), de o gás de escape purificado após sua passagem pelos módulos de tratamento posterior de gás de escape (5a) poder ser conduzido para fora da câmara de saída de gás de escape (32) através de um tubo terminal (34) vindo do silenciador (25) , e de o trocador de calor de gás de escape (19) ficar alojado ou dentro ou fora do silenciador (25).
11. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de o trocador de calor de gás de escape (19) ser fixado externamente junto ao silenciador (25) e poder ser conduzido a este (19) gás de escape no lado da entrada através do tubo terminal (34).
12. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de o trocador de calor de gás de escape (19) ficar alojado dentro do silenciador (25), ali dentro de seu compartimento de entrada de gás de escape (32) e poder ser conduzido a este (19) gás de escape 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 gás de escape (19) ficar alojado dentro do silenciador (25), ali dentro de sua câmara de saída de gás de escape (31), e de o gás de escape poder ser conduzido, após sua passagem 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) ser conectado para sua refrigeração ou ao primeiro circuito ou ao segundo circuito de refrigeração parcial (10/1) ou (10/2) e desse modo, o agente refrigerante recirculado respectivamente ali poder ser utilizado para a refrigeração e fluidificação do fluido de

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6/9 trabalho do circuito de recuperação de calor (110) que circula também pelo condensador (20) .
15. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de o condensador (20) ficar alojado em um segmento de conduto (10/2e) do segundo circuito de refrigeração parcial (10/2), que conecta

- no caso de conexão em série no lado do agente refrigerante do cooler principal de ar de admissão (9) e intercooler de ar de admissão (8) sua saída, ou

- no caso de conexão paralela no lado do agente refrigerante do cooler principal de ar de admissão (9) e intercooler de ar de admissão (8) suas duas saídas unidas ou com a entrada da bomba (12) ou com um ponto de entrada presente na frente no lado de aspiração no segmento de conduto (10/1b) que conecta a saída do trocador de calor (13) com a bomba (12), do primeiro circuito de refrigeração parcial (10).
16. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de o condensador (20) ficar alojado em um segmento de conduto (10/1b) do primeiro circuito de refrigeração parcial (10/1), que conecta a saída 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 (10/1b) do primeiro circuito de refrigeração parcial (10/1), o segundo circuito de refrigeração parcial (10/2) deriva em curso descendente da bomba (12), pelo seu segmento de conduto (10/2a) do segmento de conduto (10/1b) que conduz até o motor de combustão interna (1), e desemboca pelo seu segmento de conduto (10/2a) novamente na parte do segmento de conduto (10/1b) do primeiro circuito

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7/9 parcial (10/1), que conecta a saída do condensador (20) à bomba (12) .
18. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de ser conduzido ao condensador (20) ar comprimido como agente refrigerante que pode ser gerado por meio de um compressor ou soprador (23) que aspira ar vindo da atmosfera, que pode ser acionado pelo motor de combustão interna (1) através de um trem de engrenagem correspondente ou por um trem de acionamento ou alternativamente a este, através de um motor elétrico.
19. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de no conduto (24) em curso ascendente do condensador (20) e/ou em curso descendente deste último em um conduto ficar alojado pelo menos um outro trocador de calor (42, 43) pelo qual pode circular ar, por meio do qual através do ar comprimido pode ser feita uma outra ação de refrigeração.
20. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a bomba (17) do circuito de recuperação de calor (11) pode ser acionada mecanicamente pelo motor de combustão interna (1).
21. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a bomba (17) do circuito de recuperação de calor (11) pode ser acionada através de um motor elétrico (35).
22. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o fluido de trabalho no circuito de recuperação de calor (11) pode ser transportado por meio da bomba (17) a uma unidade de válvula (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

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8/9 dois fluxos em massa de fluido de trabalho poderem ser gerados nas duas derivações em paralelo (11a, 11b) e de estes poderem ser regulados independentemente entre si e do número de rotações do motor de combustão interna ou do motor elétrico.
23. Unidade de acionamento, de acordo com as reivindicações 21 e 22, caracterizada pelo fato de a unidade de válvula (36) no caso do acionamento eletromotor da bomba (17) ser composta de uma válvula (36') mista que divide o fluxo em massa do fluido de trabalho controlado pela bomba (17) em dois fluxos parciais em massa a serem injetados nas duas derivações em paralelo (11a, 11b).
24. Unidade de acionamento, de acordo com as reivindicações 20 e 22, caracterizada pelo fato de a unidade de válvula (36) ser composta no caso de acionamento mecânico da bomba (17) pelo motor de combustão interna (1), de duas válvulas reguladoras de fluxo (37, 38), de um acumulador de pressão (39) e de uma válvula limitadora de pressão (40), sendo que o fluido de trabalho pode ser transportado por meio da bomba (17) em função do número de rotações do motor de combustão interna (1) para o acumulador de pressão (39), por meio da válvula limitadora de pressão (40) o fluido de trabalho em excesso pode ser conduzido a um reservatório de compensação (41) e por meio de cada válvula reguladora de fluxo (37 ou 38) um fluxo parcial de fluido de trabalho pode ser retirado do acumulador de pressão (39) e ser conduzido à derivação em paralelo subsequente (11a, 11b).
25. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de serem empregados como fluido de trabalho no circuito de recuperação de calor (11) água ou uma mistura de água, sendo que a substância adicionada pode

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9/9 interferir em propriedades tais como por exemplo de anticorrosão e anticongelamento.
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 qual a energia presente no fluido de trabalho em forma de vapor pode ser convertida pelo menos parcialmente em energia de rotação que por sua vez pode ser eficazmente empregada como potência útil.
27. Unidade de acionamento, de acordo com a reivindicação 26, caracterizada pelo fato de o expansor (21) ficar em conexão de trabalho com o motor de combustão interna (1) ou um gerador que produz fluxo ou uma outra unidade de agregação, com ação redutora da potência útil, sendo que essa conexão de trabalho pode ser estabelecida direta ou indiretamente através de um trem de acionamento ou trem de engrenagem em relação a um eixo a ser acionado do grupo agregado em questão.