BRPI1003077A2 - sistema de admissão hìbrido para carga superatmosférica de um coletor de admissão de motor utilizando mistura de egr de baixa pressão/ar fresco - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE ADMISSãO HìBRIDO PARA CARGA SUPERATMOSFéRICA DE UM COLETOR DE ADMISSãO DE MOTOR UTILIZANDO MISTURA DE EGR DE BAIXA PRESSãO/AR FRESCO. A presente invenção refere-se a um coletor de admissão (16) de um motor de combustão interna (10) que é carregado para pressão superatmosférica pela operação de um primeiro compressor (44) para comprimir ar fresco diluído pelo gás de escape para dentro do coletor de admissão enquanto operando um segundo compressor (24C) para comprimir ar fresco não diluído para dentro do coletor de admissão através de um dispositivo (40) que permite o fluxo em uma direção a partir do segundo compressor para dentro do coletor de admissão, mas não em uma direção oposta.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE ADMISSÃO HÍBRIDO PARA CARGA SUPERATMOSFÉRICA DE UM CO- LETOR DE ADMISSÃO DE MOTOR UTILIZANDO MISTURA DE EGR DE BAIXA PRESSÃO/AR FRESCO".
Campo Técnico
A presente invenção refere-se a motores de combustão interna, tais como motores a diesel para propelir veículos automotores, que possuem dispositivos de carga para criar pressão superatmosférica, isto é, impulso, em um coletor de admissão e que utilizam recirculação dos gases de escape (EGR) como um componente de uma estratégia de controle de emissão de tubo de escape. Antecedentes da Descrição
Uma estratégia EGR para um motor a diesel com turbocompres- sor compreende o uso de um circuito EGR de alta pressão que possui um ponto de penetração para o sistema de escape do motor, próximo ou em um coletor de escape. Uma válvula EGR controla o fluxo de gás de escape re- circulado para um misturador no sistema de admissão do motor onde os ga- ses de escape se misturam com ar fresco que foi comprimido por um com- pressor turbocompressor antes da mistura entrar no coletor de admissão servindo aos cilindros do motor.
Por medir uma quantidade controlada do gás de escape dentro do ar fresco, a válvula EGR efetivamente dilui o ar de modo que a elevação da temperatura dentro do cilindro resultante da combustão é limitada em re- lação à elevação que ocorreria na ausência de tal diluição. Como conse- quência, a quantidade de óxidos de nitrogênio (NOx) no gás de escape que resulta da combustão também fica limitada.
Devido ao gás de escape para um circuito EGR de alta pressão ser alimentado diretamente a partir do coletor de escape do motor sem qual- quer esfriamento apreciável, ele é muito quente, e isto obriga ao caminho de recirculação que contém a válvula EGR a proporcionar rejeição de calor sufi- ciente para permitir que o gás de escape se misture com o ar fresco para ser adequadamente esfriado antes de ele entrar com o ar fresco no sistema de admissão.
De modo a proporcionar esfriamento adequado, o caminho de recirculação tipicamente compreende um trocador de calor de gás para lí- quido funcionando como um resfriador EGR. Quanto maior a quantidade de esfriamento necessária, maior a capacidade de rejeição de calor do resfria- dor EGR, e se a válvula EGR estiver à montante do resfriador EGR, a válvu- la é exposta ao escape em alta temperatura saindo do coletor de escape. O uso de um resfriador EGR no caminho de recirculação também cria um po- tencial para a condensação dos constituintes no gás, o que eventualmente pode levar à incrustação dos componentes EGR.
Outra estratégia EGR para um motor a diesel com turbocom- pressor compreende o uso de um circuito EGR de baixa pressão que possui um ponto de penetração para o sistema de escape do motor que fica á ju- sante de uma turbina do turbocompressor. Uma válvula EGR ainda controla o fluxo de gás de escape recirculado para um misturador no sistema de ad- missão do motor, mas o misturador fica à montante do compressor do turbo- compressor, exigindo que o compressor seja dimensionado grande o sufici- ente para lidar não somente com a massa de ar fresco, mas também com esta da EGR adicionada. Para grandes quantidades de EGR, isto eleva um problema potencial de incompatibilidade do turbocompressor e pode afetar a resposta do turbocompressor. Sumário da Descrição
Esta descrição se relaciona a um motor de combustão interna compreendendo cilindros do motor dentro dos quais ocorre a combustão de combustível para operar o motor, um sistema de admissão de ar compreen- dendo um coletor de admissão através do qual o ar entra nos cilindros do motor para suportar a combustão de combustível, e um sistema de escape para transportar o gás de escape criado pela combustão a partir dos cilin- dros do motor.
O sistema de admissão de ar adicionalmente compreende uma entrada de ar fresco levando ao primeiro e ao segundo caminhos de fluxo mutuamente paralelos para o coletor de admissão. O primeiro caminho de fluxo compreende um compressor de um turbocompressor possuindo uma turbina operada pelo gás de escape sendo transportado através do sistema de escape e trocador de calor através do qual o ar comprimido pelo compressor passa.
O segundo caminho de fluxo compreende uma parte inicial que coloca a entrada de ar fresco em comunicação com uma primeira abertura de entrada de uma válvula que adicionalmente compreende uma segunda abertura de entrada, uma abertura de saída, e um mecanismo para seleti- vamente estabelecer proporções relativas dos respectivos fluxos que entra- ram na primeira abertura de entrada e na segunda abertura de entrada em um fluxo combinado levando à abertura de saída.
Um caminho de fluxo EGR transporta o gás de escape a partir do sistema de escape para a segunda abertura de entrada da válvula, e o segundo caminho de fluxo compreende uma parte final que compreende uma bomba de deslocamento positivo para comprimir o fluxo a partir da a- bertura de saída da válvula e um trocador de calor através do qual o fluxo comprimido a partir da bomba de deslocamento positivo passa para o coletor de admissão.
A descrição também se relaciona a um método para carregar um coletor de admissão de um motor de combustão interna para pressão supe- ratmosférica compreendendo: operar um primeiro compressor para compri- mir ar fresco diluído pelo gás de escape dentro do coletor de admissão en- quanto operando um segundo compressor que comprime ar fresco não diluí- do dentro do coletor de admissão através de um dispositivo que permite o fluxo em uma direção a partir do segundo compressor para dentro do coletor de admissão, mas não em uma direção oposta.
O sumário anterior é acompanhado por detalhes adicionais da descrição apresentados na Descrição Detalhada abaixo com referência aos desenhos seguintes, que são parte da descrição.
Breve Descrição dos Desenhos
A figura 1 é um diagrama esquemático apresentando um motor a diesel e os componentes relevantes para a presente descrição. A figura 2 é um desenho apresentando mais detalhes de uma parte da figura 1.
Descrição Detalhada
A figura 1 apresenta um motor 10 possuindo os componentes estruturais montados juntos para formar os cilindros do motor 12 dentro dos quais ocorre a combustão de combustível para operar um mecanismo cine- mático compreendendo pistões, hastes de conexão, e um virabrequim. O ar fresco para suportar a combustão de combustível é distribuído para os cilin- dros 12 através de um sistema de admissão de ar 14 que compreende um coletor de admissão 16 servindo aos cilindros 12.
Um sistema de escape 18 compreende um coletor de escape 20 no qual os gases de escape criados pela combustão a partir dos cilindros 12 entram no sistema de escape para o transporte para o tubo de escape 22 através do qual eles passam para dentro da atmosfera ambiente. Os gases de escape deixando o coletor de escape 20 passam através de um turbo- compressor 24 antes de passarem através de um ou mais dispositivos de tratamento após o escape 26 e então pelo tubo de escape 22. Exemplos de dispositivos de tratamento após o escape são um filtro de particulados de diesel (DPF) e um catalisador de oxidação de diesel (DOC).
O turbocompressor 24 é apresentado como um turbocompressor do tipo com válvula de alívio compreendendo uma turbina 24T manobrada por uma válvula de alívio 24W que estabelece as respectivas quantidades de gases de escape que atravessam e que desviam da turbina 24T. A quanti- dade de gás de escape que passa através da turbina 24T opera a turbina 24T e por conseqüência um compressor do turbocompressor 24C que está disposto no sistema de admissão de ar 14 e com o qual a turbina 24T está mecanicamente acoplada.
O sistema de admissão de ar 14 compreende uma entrada de ar fresco 28 levando ao primeiro e ao segundo caminho de fluxo mutuamente paralelos 30, 32, respectivamente, antes de ele se dividir nestes respectivos caminhos de fluxo, o fluxo de ar de entrada passa através de um filtro de ar 34 e então de um dispositivo de medição de massa de fluxo de ar 36. O caminho de fluxo 30 compreende um compressor 24C e um resfriador de ar de admissão (CAC) 38 através do qual o ar comprimido pelo compressor passa. O CAC 38 é um trocador de calor que pode ser do tipo ar para líquido ou do tipo ar para ar, para esfriar o ar comprimido. Uma válvula de retenção 40 permite ao fluxo de ar a partir do CAC 38 se mover para fren- te para dentro do coletor de admissão 16, mas impede o fluxo inverso a par- tir do coletor de admissão 16.
O caminho de fluxo 32 compreende uma válvula 42, um supera- limentador 44, e um trocador de calor (intercooler) 46, nesta ordem, para transportar o fluxo para o coletor de admissão 16. O superalimentador 44 compreende uma bomba rotativa de deslocamento positivo, tal como uma bomba do tipo torno automático, que é mecanicamente acionada pelo torque obtido a partir de uma extremidade de eixo externo 48 do virabrequim do motor. A figura 1 apresenta um exemplo de uma transmissão mecânica 50 como transmissão por correia que acopla as respectivas roldanas na extre- midade do eixo 48 com a bomba do superalimentador. O resfriador interme- diário 46 é um trocador de calor através do qual o fluxo que foi comprimido pelo superalimentador 4 passa, e é retratado a título de exemplo como um trocador de calor do tipo ar para líquido.
Um caminho de fluxo de recirculação do gás de escape 52 pos- sui uma entrada 54 em um ponto de penetração para o sistema de escape 18 que está a frisante dos dispositivos de tratamento posterior 26. De lá, o caminho de fluxo 52 continua através de um resfriador EGR 56 até a válvula 42.
A válvula 42 compreende uma primeira abertura de entrada 42A, uma segunda abertura de entrada 42B e uma abertura de saída 42C. Uma parte inicial do caminho do fluxo 32 comunica ar fresco para a abertura de entrada 42A enquanto uma parte final que contém o superalimentador 44 e o resfriador intermediário 46 comunica a abertura de saída 42C com o coletor de admissão 16.
A válvula 42 é apresentada em mais detalhes na figura 2 como compreendendo um corpo em Y 58 possuindo as passagens convergentes 60, 62 a partir das aberturas de entrada 42A, 42B, respectivamente. A partir da convergência das passagens 60, 62, uma passagem 64 se estende até a abertura de saída 42C.
O corpo em Y 58 proporciona que os respectivos fluxos que en- traram na abertura de entrada 42A e na abertura de entrada 42B se aproxi- mem um do outro ao longo de vetores imaginários V1 e V2 em um ângulo agudo 66. A válvula 42 adicionalmente compreende um mecanismo interno na forma de uma lâmina 68 que pode ser seletivamente posicionada através de uma faixa de ângulos 70 ao redor de um eixo geométrico 72 para seleti- vãmente estabelecer as proporções relativas dos respectivos fluxos que en- traram na abertura de entrada 42A e na abertura de entrada 42B para formar um fluxo combinado deixando a abertura de saída 42C.
A lâmina 68 é eficaz para estabelecer as proporções relativas por canalizar os respectivos fluxos a partir dos vetores V1 e V2 com vários graus de restrição dependendo da posição angular da lâmina ao redor do eixo geométrico 72 que é perpendicular a um plano contendo os vetores V1 e V2. O posicionamento da lâmina 68 ao redor do eixo geométrico 72 é con- trolado por um atuador 74 que atua sobre a lâmina 68 via uma ligação 76. No ponto médio da faixa angular 70, cada fluxo se aproximando é parcial- mente restrito pela lâmina 68. À medida que a lâmina 68 gira em qualquer direção, ela crescentemente restringe um fluxo se aproximando enquanto diminuindo a restrição do outro.
A válvula pode ser considerada uma válvula de controle do tipo porta oscilante que cria uma pequena perda de pressão enquanto sendo capaz de modular o fluxo de saída através de uma faixa se estendendo de EGR de 0% até EGR de 100%.
A disposição descrita pode proporcionar economia melhorada de combustível devido à relação de contrapressão melhorada de impulso para escape poder atender às especificações relevantes sem turbocompressão com dois estágios, e sem turbocompressão de geometria variável que algu- mas vezes é utilizada para controlar a pressão do coletor de escape para o controle de EGR. Devido a todo o fluxo de gás de escape deixando o coletor de escape 20 fluir através do turbocompressor 24, uma resposta melhorada do turbocompressor também se torna possível. O gás de escape recirculado é relativamente limpo e frio devido a ele ter a sua origem a frisante da turbi- na e dos dispositivos de tratamento posterior.
À medida que o motor 10 opera, o superalimentador 44 bombeia uma combinação controlada de EGR relativamente mais fria, relativamente mais limpa, e de ar fresco através do resfriador intermediário 46 para o cole- tor de admissão 16 em paralelo com um turbocompressor com válvula de alívio convencional 24 que está exclusivamente forçando o ar fresco através do resfriador do ar de impulsão 38.
O turbocompressor 24 é dimensionado para fornecer a maior parte do ar turbocomprimido no coletor de admissão 16 na maior parte das condições de operação do motor, particularmente, estas além da carga sua- ve e da baixa velocidade. O superalimentador 44 pode fornecer a maior par- te do ar de impulsão no coletor de admissão e uma quantidade apropriada de gás de escape recirculado relativamente mais frio e mais limpo na opera- ção de carga suave/de baixa velocidade, e que permite que o motor tenha resposta transitória melhorada.

Claims (20)

1. Motor de combustão interna, compreendendo: cilindros do motor dentro dos quais ocorre a combustão de com- bustível para operar um motor; um sistema de admissão de ar compreendendo um coletor de admissão através do qual o ar entra nos cilindros do motor para suportar a combustão de combustível; um sistema de escape para transportar o gás de escape criado pela combustão a partir dos cilindros do motor; um sistema de admissão de ar adicionalmente compreendendo uma entrada de ar fresco levando aos primeiro e segundo caminhos de fluxo mutuamente paralelos até o coletor de admissão, um primeiro caminho de fluxo compreendendo um compressor de um turbocompressor possuindo uma turbina operada pelo gás de escape sendo transportado através do sistema de escape e um trocador de calor através do qual o ar comprimido pelo compressor passa; um segundo caminho de fluxo compreendendo uma parte inicial que coloca a entrada de ar fresco em comunicação com uma primeira aber- tura de entrada de uma válvula que adicionalmente compreende uma se- gunda abertura de entrada, uma abertura de saída, e um mecanismo para seletivamente estabelecer proporções relativas dos respectivos fluxos que entraram na primeira abertura de entrada e na segunda abertura de entrada em um fluxo combinado deixando a abertura de saída, um caminho de fluxo de EGR para transportar o gás de escape a partir do sistema de escape para a segunda abertura de entrada da válvula, e o segundo caminho de fluxo compreendendo uma parte final que compreende uma bomba de deslocamento positivo para comprimir o fluxo a partir da abertura de saída da válvula e um trocador de calor através do qual o fluxo comprimido a partir da bomba de deslocamento positivo passa para o coletor de admissão.
2. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação 1, adicionalmente compreendendo um dispositivo de impedimento de fluxo in- verso para impedir o fluxo inverso do coletor de admissão para o primeiro caminho de fluxo.
3. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação 2, no qual o dispositivo de impedimento de fluxo inverso compreende uma vál- vula de retenção que permite o fluxo adiante para o coletor de admissão e inibe o fluxo inverso a partir do coletor de admissão.
4. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação 1, no qual a bomba de deslocamento positivo é mecanicamente acionada pelo motor.
5. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação 1, no qual o caminho de fluxo de EGR compreende um ponto de penetração para o sistema de escape disposto a frisante da turbina do turbocompressor.
6. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação 5, no qual o sistema de escape inclui pelo menos um dispositivo de tratamento após o escape a frisante da turbina, e o ponto de penetração para o sistema de escape é disposto a frisante do, pelo menos um, dispositivo de tratamen- to após o escape.
7. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação 1, no qual a válvula compreende um corpo em Y que proporciona que os res- pectivos fluxos que entraram na primeira abertura de entrada e na segunda abertura de entrada se aproximem um do outro em um ângulo agudo, e o mecanismo da válvula compreende uma lâmina que pode ser seletivamente posicionada para seletivamente estabelecer proporções relativas dos res- pectivos fluxos que entraram na primeira abertura de entrada e na segunda abertura de entrada no fluxo combinado deixando a abertura de saída por seletivamente desviar os respectivos fluxos que entraram na primeira abertu- ra de entrada e na segunda abertura de entrada.
8. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação 7, no qual a lâmina é disposta para girar ao redor de um eixo geométrico que é perpendicular a um plano contendo vetores imaginários representando dire- ções dos respectivos fluxos que entraram na primeira abertura de entrada e na segunda abertura de entrada.
9. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação 1, adicionalmente incluindo um filtro de ar disposto para filtrar o ar fresco en- trando na entrada de ar fresco e um dispositivo de medição de massa de fluxo de ar disposto para medir o fluxo de ar deixando o filtro de ar antes de se desviarem para o primeiro e para o segundo caminhos de fluxo.
10. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação -1, no qual o caminho de fluxo de EGR proporciona toda a quantidade de gás de escape sendo recirculado para o coletor de admissão.
11. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação -10, no qual toda a quantidade de gás de escape deixando o coletor de esca- pe flui através do turbocompressor.
12. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação -1, no qual toda a quantidade de gás de escape deixando o coletor de escape flui através do turbocompressor.
13. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação -1, no qual o caminho de fluxo de EGR inclui um resfriador de EGR disposto entre o sistema de escape e a segunda abertura de entrada da válvula.
14. Método para carregar um coletor de admissão de um motor de combustão interna para pressão superatmosférica compreendendo: operar um primeiro compressor para comprimir ar fresco diluído pelo gás de escape para dentro do coletor de admissão enquanto operando um segundo compressor para comprimir ar fresco não diluído para dentro do coletor de admissão através de um dispositivo que permite o fluxo em uma direção a partir do segundo compressor para dentro do coletor de admissão, mas não em uma direção oposta.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, no qual a etapa de operar o primeiro compressor compreende mecanicamente acionar o primeiro compressor pelo torque a partir de um virabrequim do motor.
16. Método, de acordo com a reivindicação 15, no qual a etapa de mecanicamente acionar o primeiro compressor pelo torque a partir de um virabrequim do motor compreende acionar uma bomba do tipo bomba heli- coidal de deslocamento positivo para comprimir ar fresco diluído pelo gás de escape para dentro do coletor de admissão.
17. Método, de acordo com a reivindicação 14, no qual a etapa de operar o segundo compressor compreende mecanicamente acionar o segundo compressor por uma turbina que é operada pelo fluxo de gás de escape através de um sistema de escape do motor.
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, no qual a etapa de mecanicamente acionar o segundo compressor por uma turbina que é operada pelo fluxo de gás de escape através de um sistema de escape do motor compreende acionar o segundo compressor por uma turbina do tipo com válvula de alívio.
19. Método, de acordo com a reivindicação 14, adicionalmente compreendendo distribuir ar fresco diluído pelo gás de escape para o primei- ro compressor através de uma válvula que compreende um corpo em Y que causa que o ar fresco distribuído para uma primeira abertura de entrada do corpo em Y e o gás de escape distribuído para uma segunda abertura de entrada do corpo em Y se aproximem um do outro em um ângulo agudo, e seletivamente posicionar uma lâmina dentro do corpo em Y para estabelecer proporções relativas de ar fresco e de gás de escape que entraram na pri- meira abertura de entrada e na segunda abertura de entrada em um fluxo combinado deixando uma abertura de saída do corpo em Y.
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, no qual a etapa de seletivamente posicionar a lâmina dentro do corpo em Y compreende se- letivamente posicionar a lâmina ao redor de um eixo geométrico que é per- pendicular a um plano contendo vetores imaginários representando direções dos respectivos fluxos que entraram na primeira abertura de entrada e na segunda abertura de entrada.
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