BRPI0410068B1 - Sistema turbocharger para um motor de combustão interna - Google Patents

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BRPI0410068B1
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turbine
pressure turbine
compressor
low pressure
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BRPI0410068-9B1A
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English (en)
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Ulrich Gobert
Magnus Ising
Daniel Grunditz
Per Andersson
Sebastian Krausche
Lars Sundin
Kent Giselmo
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Volvo Lastvagnar Ab
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Description

" SISTEMA TURBOCHARGER PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA " CAMPO TÉCNICO DA PRESENTE INVENÇÃO A presente invenção se refere a um sistema turbocharger (turbo alimentador) para um motor de combustão interna possuindo pelo menos uma linha de exaustão para evacuação de gases de exaustão a partir da câmara de combustão do motor e pelo menos uma linha de admissão para suprimento de ar para a referida câmara de combustão, compreendendo uma turbina de alta pressão, interagindo com um compressor de alta pressão, e uma turbina de baixa pressão, interagindo com um compressor de baixa pressão, de maneira a extrair energia a partir do fluxo de exaustão do motor e pressurizar o ar de admissão do motor.
PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA DA PRESENTE INVENÇÃO O estado da técnica com respeito para os sistemas turbocharger para motores de combustão interna do tipo diesel supercharging (diesel de super alimentação), preferivelmente para veículos comerciais pesados, usualmente compreende um compressor de estágio único tracionado por uma turbina de estágio único, ambos do tipo radial. Os sistemas turbocharger (turbo alimentados) com dois estágios supercharge (super alimentados) são também verificados, algumas vezes também incluindo refrigeração intermediária, mas a construção está usualmente fundamentada em montagens padrão (standard) intencionadas para supercharging (super alimentação) de estágio único.
Os superchargers (super alimentadores) adequados para um motor a diesel de 6 litros até 20 litros de capacidade cúbica normalmente possuem uma eficiência de, sob condições estacionárias, entre 50 % e 60 % (ilcompressor * Mecânico * T|turbina) · Em motores a diesel contemporâneos, o beneficio de eficiência é mais baixo do que para futuros motores, que irão requerer pressão de alimentação mais alta. Exemplos de sistemas que elevam as exigências de supercharging são recirculação de gás de exaustão para emissões de óxido de nitrogênio mais baixas ou sistemas que oferecem controle variável de válvulas de admissão.
Os sistemas turbocharger com eficiência mais alta do que 60 %, sob condições estacionárias, oferecem um probabilidade maior para satisfazer futuras demandas para motores ambientalmente favoráveis e eficientes em combustível. Previamente, demandas ambientais sob motores a diesel têm usualmente conduzido para eficiência piorada (prejudicada), que tem, conseqüentemente, significado que a fonte de energia do combustível tem sido menos bem utilizada (ineficientemente utilizada).
OBJETIVO DA PRESENTE INVENÇÃO
Um objetivo da presente invenção é, conseqüentemente, produzir um sistema turbocharger economicamente conceptível que faz uma melhor utilização da energia no fluxo de exaustão do motor, para eficiência aumentada, e sem engendrar requerimentos espaciais significativos.
Um sistema turbocharger, configurado para este propósito em concordância com a presente invenção, para um motor de combustão interna possuindo pelo menos uma linha de exaustão para evacuação de gases de exaustão a partir da câmara de combustão do motor e pelo menos uma linha de admissão para suprimento de ar para a referida câmara de combustão, compreende uma turbina de alta pressão, interagindo com um compressor de alta pressão, e uma turbina de baixa pressão, interagindo com um compressor de baixa pressão, de maneira a extrair energia a partir do fluxo de exaustão do motor e pressurizar o ar de admissão do motor, e está caracterizado pelo fato de que, em concordância com a presente invenção, ambos os estágios de compressor são do tipo radial e estão proporcionados com rodas de compressor possuindo lâminas retro propulsoras, nas quais o ângulo de lâmina ( Pb2) r entre uma extensão imaginária da lâmina -da linha central da lâmina entre a seção de raiz e a seção de ponta na direção da tangente de saida e uma linha conectando o eixo geométrico central da roda de compressor para o ponto externo da lâmina, é de pelo menos cerca de 40 graus, e de que a turbina de alta pressão é do tipo radial e está conectada para a turbina de baixa pressão por um duto intermediário curto, e de que a turbina de baixa pressão está proporcionada com palhetas de guia de admissão. Esta configuração do sistema turbocharger possibilita um aumento na eficiência dos respectivos estágios da montagem para entre 65 % e 70 %. Este sistema de dois estágios, conseqüentemente, adquire uma eficiência turbo efetiva em excesso de 70 %.
Concretizações vantajosas ilustrativas em concordância com a presente invenção podem ser derivadas a partir das reivindicações de patente independentes posteriormente.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS DA PRESENTE INVENÇÃO A presente invenção irá ser descrita em maiores detalhes posteriormente, de uma maneira não limitante, com referência para as concretizações ilustrativas mostradas nos desenhos acompanhantes nos quais: A Figura 1 mostra diagramaticamente um motor de combustão interna possuindo um sistema turbocharger de dois estágios em concordância com a presente invenção; A Figura 2 é uma seção longitudinal através dos dois estágios turbocharger formando o sistema turbocharger; A Figura 3 mostra, em uma vista plana parcialmente cortada (vista de corte parcial), uma roda de compressor utilizada no sistema turbocharger em concordância com a presente invenção; e A Figura 4 mostra, em uma vista plana, a roda de turbina da turbina de alta pressão.
As Figuras são somente representações esquemáticas e a presente invenção não está limitada para estas concretizações.
DESCRIÇÃO DAS CONCRETIZAÇÕES ILUSTRATIVAS DA PRESENTE
INVENÇÃO A presente invenção se refere a um sistema supercharging (super alimentação) para, em primeiro lugar, motores a diesel possuindo uma capacidade cúbica de entre cerca de 6 litros e cerca de 20 litros, para utilização, preferivelmente, em veiculos comerciais pesados, tais como caminhões, ônibus e maquinaria de construção. 0 sistema supercharging possui a característica de que este oferece um supercharge consideravelmente mais efetivo do que os sistemas rotineiros. 0 supercharge é realizado em dois estágios com dois compressores conectados em série, do tipo radial, com refrigeração intermediária. 0 primeiro estágio de compressor, referido como o compressor de baixa pressão, é tracionado por uma turbina de baixa pressão do tipo axial. 0 segundo estágio de compressor, referido como o compressor de alta pressão, é tracionado por uma turbina de alta pressão do tipo radial. A Figura 1 mostra um bloco de motor (10) possuindo seis cilindros de motor (11) , que se comunicam de uma maneira convencional com um misturador (manifold) de admissão (12) e dois misturadores de exaustão separados (13, 14). Cada um destes dois misturadores de exaustão recebe gases de exaustão a partir de três dos cilindros de motor. Os gases de exaustão são conduzidos através de tubulações separadas (15, 16) até para uma turbina (17) em uma unidade turbo de alta pressão (18) , que compreende um compressor (19) montado sobre um eixo comum com a turbina (17) .
Os gases de exaustão são conduzidos para a frente através de uma tubulação (20) para uma turbina (21) em uma unidade turbo de baixa pressão (22), que compreende um compressor (23) montado sobre um eixo comum com a turbina (21) . Os gases de exaustão são finalmente conduzidos para a frente através de uma tubulação (24) para o sistema de exaustão do motor, que pode compreender unidades para o pós-tratamento de gases de exaustão. 0 ar de admissão filtrado é admitido para o motor através da tubulação (25) e conduzido para o compressor (23) da unidade turbo de baixa pressão (22) . Uma tubulação (26) conduz o ar de admissão para a frente através de um primeiro refrigerador de carga a ar (charge-air cooler) (27) para o compressor (19) da unidade turbo de alta pressão (18). Depois deste supercharge de dois estágios com refrigeração intermediária, o ar de admissão é conduzido para a frente através da tubulação (28) para um segundo refrigerador de carga a ar (charge-air cooler) (29), depois de onde o ar de admissão alcança o misturador de admissão (12) por intermédio da tubulação (30). 0 sistema turbocharger em concordância com a presente invenção está mostrado em maiores detalhes na Figura 2, que ilustra as espirais de admissão, duplas (15, 16) para a turbina de alta pressão (17) , cada uma das quais proporciona metade da turbina com fluxo de gás por intermédio de palhetas de guia de admissão (17a). A turbina de alta pressão (17) é do tipo radial e está conectada para a turbina de baixa pressão (21) por um duto intermediário curto (20) , que é utilizável na medida que a turbina de baixa pressão (21) é do tipo axial. Este caminho de fluxo curto minimiza perdas de pressão entre os estágios de turbina. A turbina de alta pressão (17) está montada juntamente com o compressor de alta pressão (19) sobre o eixo (31). A turbina de baixa pressão (21) está correspondentemente montada juntamente com o compressor de baixa pressão (23) sobre o eixo (32) . As duas unidades turbo de alta pressão e de baixa pressão (18, 22) estão orientadas ao longo de essencialmente o mesmo eixo geométrico longitudinal. 0 duto intermediário curto (20) está equipado com vedações (33), que combatem tensões de instalação e vazamento pela possibilitação de uma determinada mobilidade nas direções axial e radial, e que absorvem estresses térmicos e determinada deficiência de montagem. A turbina de baixa pressão do tipo axial (21) está proporcionada com palhetas de guia de admissão (34), que estão configuradas para otimizar o trabalho próximo para a seção central da turbina para eficiência máxima (assim chamada configuração de "composto improdutivo" com uma palheta de guia de admissão na qual o centro de gravidade dos perfis repousam ao longo de uma linha encurvada, com uma função para distribuir o trabalho no estágio de turbina de maneira que este trabalho é otimizado em direção do centro da lâmina de turbina onde efeitos marginais e perdas são mínimos). 0 compressor de baixa pressão (23) é do tipo radial com lâminas configuradas com uma grande retro propulsão, como irá ser descrito em maiores detalhes posteriormente com referência para a Figura 3. 0 compressor de alta pressão (19) é semelhantemente do tipo radial, as lâminas do qual rotineiramente são retro propulsoras de uma maneira correspondente para aquelas no compressor de baixa pressão (23) .
Pode ser observado a partir da Figura 3 que um ângulo de lâmina (A>2), entre uma extensão imaginária da lâmina (35) ao longo da linha central entre a seção de raiz e a seção de ponta na direção da tangente de saída e uma linha (36) ( em representação tracejada) conectando o eixo geométrico central da roda de compressor para o ponto externo da lâmina (35) , é de pelo menos cerca de 40 graus, rotineiramente de pelo menos cerca de 45 graus - 50 graus.
Os turbo compressores disponíveis no mercado possuem ângulos de lâmina (/¼^) , entre cerca de 25 graus e cerca de 35 graus. Em testagem de um sistema turbocharger em concordância com a presente invenção, foi provado ser vantajoso aumentar o ângulo de lâmina para pelo menos cerca de 40 graus. 0 efeito deste aumento em ângulo de lâmina consiste primordialmente na roda de compressor com turbina associada rotacionando em uma velocidade mais alta para uma determinada proporção de pressão. 0 aumento em velocidade significa que o diâmetro, e portanto, também o momento de massa de inércia, da roda de turbina pode ser reduzido.
Como um efeito colateral disto, a resposta transiente do motor é também aperfeiçoada, na medida que o momento de massa de inércia reduzido significa que a roda de turbina pode mais facilmente acelerar para a faixa de velocidade efetiva desta roda de turbina. Em adição, a eficiência de compressor aumenta, inter alia, como um resultado de diferencial de velocidade reduzido entre o fluxo ao longo da lateral de pressão e da lateral de sucção da lâmina, conduzindo para menos fluxo secundário, e portanto, perdas mais baixas, e como um resultado de uma redução em velocidade de fluxo na saída de rotor, conduzindo para perdas mais baixas no difusor seguinte.
Ambos os compressores estão proporcionados com palhetas de guia a jusante da respectiva roda de compressor de maneira a otimizar a construção de pressão. Este difusor é vantajosamente do tipo LSA (Low Solidity Airfoil - Aerodinâmica de Baixa Solidez), significando um difusor com lâminas configuradas aerodinamicamente cujos comprimentos possuem uma proporção para a distância entre as lâminas (passo) estando na faixa entre 0,75 e 1,5.
Um difusor de saida (37) está localizado depois da turbina de baixa pressão (21) de maneira a recuperar pressão dinâmica deixando a turbina. 0 difusor de saida (37) abre para um coletor de exaustão (38) , que guia os gases de exaustão para fora para a tubulação de exaustão (24) . 0 difusor de saida (37) está projetado como um duto anular com admissão axial e com saida virtualmente radial. 0 duto exterior do difusor de saida (37) está fechado com um flange (37a) de maneira a prevenir que o fluxo de saida venha a ser perturbado pelos gases de recirculação a partir do coletor seguinte. Este flange (37a) pode ser localizado assimetricamente de maneira a reduzir o tamanho do coletor de exaustão (38). 0 flange (37a) possui a sua maior altura radial diretamente em frente da saida do coletor de exaustão (38) e a sua menor altura radial sobre a lateral diametricamente oposta. A turbina de alta pressão (17) mostrada na Figura 4, que traciona o compressor de alta pressão (19) , é do tipo radial, possuindo uma roda de turbina que, para velocidade de rotação relativamente alta, é idealizada com pequeno diâmetro. Isto torna possível evitar aquelas espécies de recessos (39) no cubo de roda de turbina (40) que são normalmente utilizados no estado da técnica em turbinas deste tipo (assim chamados "recessos de pentéola"). Estes recessos (39) estão mostrados com linhas tracejadas na Figura 4, simplesmente de maneira a ilustrar o estado da técnica. Como um resultado da eliminação destes recessos (39), a roda de turbina tem a capacidade para operar mais efetivamente para uma eficiência global mais alta.
As turbinas possuem palhetas de guia de admissão a montante de cada roda de turbina para fluxo otimizado contra a roda de turbina. A disposição compreendendo uma turbina de alta pressão do tipo radial e uma turbina de baixa pressão do tipo axial significa que perdas de fluxo entre os estágios de turbina podem ser minimizadas por intermédio de um duto intermediário curto. A turbina de alta pressão tem sido proporcionada com uma rosca sem fim de alimentação com admissão dupla de maneira a conseguir utilização otimizada da energia nos gases de exaustão a partir do motor a diesel. A presente invenção pode também, entretanto, ser utilizada em admissões convencionais possuindo admissão única, admissão dupla ou admissão múltipla.
De maneira a produzir uma pressão adequada para um motor a diesel de 6 litros até 20 litros de capacidade cúbica, cerca de 4 Jbar - 6 Jbar de pressão absoluta, cada compressor necessita somente possuir um aumento de pressão de 2 vezes - 2,5 vezes a pressão de admissão e é, conseqüentemente, otimizado para proporções de pressão mais baixas do que compressores de estágio único normais. 0 sistema turbocharger que está descrito anteriormente pode vantajosamente ser aplicado para um motor a diesel de quatro tempos com um assim chamado excêntrico de Miller (fixo ou ajustável) , o que significa que alguma da compressão efetiva é movimentada no exterior do cilindro para os turbo compressores com subseqüente refrigeração nos refrigeradores de carga a ar (charge-air coolers) , por intermédio do que a temperatura do volume de ar é reduzida, o que produz um processo termodinâmico mais efetivo no cilindro e emissões de exaustão mais baixas, por exemplo, de óxidos de nitrogênio (NOx) . 0 sistema turbocharger que está descrito anteriormente pode também vantajosamente ser utilizado para motores com recirculação de gás de exaustão do tipo "Long Route EGR", isto é, nos quais gases de exaustão podem ser removidos depois da saida da turbina de baixa pressão (21) e recirculados para a lateral de admissão do motor antes do compressor de baixa pressão (23).
Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência para concretizações especificas, deverá ser observado por aqueles especializados no estado da técnica que a presente invenção não é para ser considerada como estando limitada para as concretizações ilustrativas descritas anteriormente, mas certamente, um número de variações e de modificações são conceptiveis dentro do escopo de proteção das subsequentes reivindicações de patente. Por exemplo, o sistema turbocharger em concordância com a presente invenção está descrito em conexão com um motor a diesel de seis cilindros, mas o sistema turbocharger é aplicável para todos os diversos motores a pistão a partir de um cilindro e acima (um ou mais cilindros) e que são tracionados em ciclo de dois tempos ou em ciclo de quatro tempos. A presente invenção pode também ser aplicada para motores marinhos e para motores com outras capacidades cúbicas do que aquelas anteriormente mencionadas. Uma concretização ilustrativa envolvendo uma turbina de baixa pressão do tipo axial foi descrita anteriormente, mas a presente invenção pode também ser utilizada com uma turbina de baixa pressão do tipo radial. Adicionalmente, a turbina de alta pressão (17) pode estar proporcionada com palhetas de guia de admissão (17a) fixas ou geometricamente rotativas.
Como anteriormente mencionado, aqueles especializados no estado da técnica irão compreender que a presente invenção não é para ser considerada como estando limitada para as concretizações ilustrativas descritas anteriormente, mas certamente, um número de variações e de modificações são conceptiveis dentro do escopo de proteção das subsequentes reivindicações de patente.

Claims (19)

1. Um sistema turbocharger para um motor de combustão interna (10) possuindo pelo menos uma linha de exaustão (15, 16) para evacuação de gases de exaustão a partir da câmara de combustão (11) do motor e pelo menos uma linha de admissão (12) para suprimento de ar para a referida câmara de combustão (11), compreendendo uma turbina de alta pressão (17) interagindo com um compressor de alta pressão (19) e uma turbina de baixa pressão (21) interagindo com um compressor de baixa pressão (23), para extração de energia a partir do fluxo de exaustão do motor e pressurização do ar de admissão do motor, caracterizado pelo fato de que ambos os estágios de compressor são do tipo radial e estão proporcionados com rodas de compressor possuindo lâminas retro propulsoras (35) nas quais o ângulo de lâmina (/%>2) , entre uma extensão imaginária da linha central da lâmina entre seção de raiz e seção de ponta na direção da tangente de saida e uma linha (36) conectando o eixo geométrico central da roda de compressor para o ponto externo da lâmina, é de pelo menos cerca de 40 graus, e de que a turbina de alta pressão (17) é do tipo radial e está conectada para a turbina de baixa pressão (21) por um duto intermediário curto (20) , e de que a turbina de baixa pressão (21) está proporcionada com palhetas de guia de admissão (34) .
2. 0 sistema turbocharger, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida turbina de baixa pressão (21) é do tipo axial.
3. 0 sistema turbocharger, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida turbina de baixa pressão (21) é do tipo radial.
4. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 - 3, caracterizado pelo fato de que o referido ângulo de lâmina (fib2) é de pelo menos cerca de 45 graus.
5. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 - 3, caracterizado pelo fato de que o referido ângulo de lâmina (fib2) é de pelo menos cerca de 50 graus.
6. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 - 5, caracterizado pelo fato de que a referida turbina de alta pressão (17) está proporcionada com um anel de estator com palhetas de guia de admissão fixas.
7. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 - 5, caracterizado pelo fato de que a referida turbina de alta pressão (17) está proporcionada com um anel de estator com palhetas de guia de admissão geometricamente variáveis.
8. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 até 5, caracterizado pelo fato de que a referida turbina de alta pressão (17) está proporcionada com uma rosca sem fim de alimentação com admissão dupla, na qual cada duto de admissão (15, 16) supre metade da turbina com fluxo de gás por intermédio das palhetas de guia de admissão (34) .
9. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 até 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos referidos compressores (19 e 23) está proporcionada com um difusor.
10. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 até 9, caracterizado pelo fato de que a referida turbina de alta pressão (17) que traciona o referido compressor de alta pressão (19) é do tipo radial, possuindo uma roda de turbina que, para velocidade de rotação relativamente alta, está idealizada com pequeno diâmetro e um cubo de roda livre de recesso.
11. 0 sistema turbocharger, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a referida palheta de guia de admissão (34) da turbina axial está configurada para otimizar o trabalho próximo para a seção central da turbina (assim chamada configuração de "composto improdutivo") para eficiência máxima.
12. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os dois estágios de compressor (19, 23) estão conectados em fluxo por um refrigerador de carga a ar (charge-air cooler) (27).
13. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o referido duto intermediário curto (20) é anular, possuindo um corpo interno (20a) de uma seção transversal que aumenta na direção a jusante.
14. 0 sistema turbocharger, de acordo com quaisquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que um difusor de saida anular (37) está colocado a jusante da turbina de baixa pressão (21) para a recuperação de energia cinética a partir do fluxo de gás.
15. 0 sistema turbocharger, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o referido difusor de saída anular (37) abre para um coletor de exaustão (38) .
16. 0 sistema turbocharger, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a parede exterior do difusor de saída anular (37) está fechada com um flange simetricamente localizado (37a).
17. 0 sistema turbocharger, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a parede exterior do difusor de saída anular (37) está fechada com um flange simetricamente localizado (37a) possuindo pelo menos a sua extensão radial diametricamente oposta para a saída do coletor de exaustão (38) .
18. A utilização de um sistema turbocharger conforme definido em quaisquer uma das reivindicações 1 até 17, caracterizado pelo fato de que a referida utilização é em um motor de combustão interna com obturação inicial ou final da válvula de admissão (relacionada para o ponto morto inferior do pistão).
19. A utilização de um sistema turbocharger conforme definido em quaisquer uma das reivindicações 1 até 17, caracterizado pelo fato de que a referida utilização é em um motor de combustão interna com recirculação de gás de exaustão, no qual gases de exaustão podem ser removidos depois da saída da turbina de baixa pressão (21) e recirculados para a lateral de admissão do motor antes da admissão do compressor de baixa pressão (23).
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