BRPI0508993B1

BRPI0508993B1 - Disposição para recirculação de gases de exaustão de um motor de combustão interna superalimentado

Info

Publication number: BRPI0508993B1
Application number: BRPI0508993-0A
Authority: BR
Inventors: Pelz Magnus; Skog Henrik
Original assignee: Scania Cv Ab
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2018-03-06
Also published as: CN1938511A; SE0400856L; WO2005095779A1; BRPI0508993A; CN100520042C; EP1751416B1; US20070199317A1; ATE486207T1; SE0400856D0; EP1751416A1; SE526818C2; DE602005024386D1; JP2007530867A

Abstract

disposição para recirculação de gases de exaustão de um motor de combustão interna de supercompressão. a presente invenção refere-se a uma disposição para recirculação de gases de exaustão em um motor de combustão de supercompressão (1). a disposição compreende uma linha de exaustão (3) pretendida para levar gases de exaustão para fora do motor de combustão (1) uma linha de entrada (6) pretendida para levar o ar acima da pressão atmosférica ao motor de combustão (1) , uma linha de retorno (7) que compreende uma conexão com a linha de exaustão (3) e uma conexão com a linha de entrada (6) , de modo que a linha de retorno (7) é possível de recircular gases de exaustão da linha de exaustão (3) para a linha de entrada (6). a disposição compreende um refrigerador de carga (12) que é resfriado por ar ambiente. o refrigerador de carga (12) é incorporado na linha de entrada (6) à jusante da conexão da linha de retorno (7) com a linha de entrada (6) de modo que, quando os gases de exaustão são retornados por meio da linha de retorno (7), o dito refrigerador de carga (12) resfria uma mistura de gases de exaustão e ar antes da mistura ser levada para o motor de combustão (1).

Description

(54) Título: DISPOSIÇÃO PARA RECIRCULAÇÃO DE GASES DE EXAUSTÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA SUPERALIMENTADO (73) Titular: SCANIA CV AB. Endereço: S-151 87 Sõdertalje, SUÉCIA(SE) (72) Inventor: MAGNUS PELZ; HENRIK SKOG

Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 06/03/2018, observadas as condições legais

Expedida em: 06/03/2018

Assinado digitalmente por:

Júlio César Castelo Branco Reis Moreira

Diretor de Patente

DISPOSIÇÃO PARA RECIRCULAÇÃO DE GASES DE-EXAUSTÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA SUPERALIMENTADO

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO, E ESTADO DA TÉCNICA

A presente invenção refere-se a uma disposição para recirculação de gases de exaustão em um motor de combustão superaiimentado de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.

A técnica conhecida como EGR (Recirculação de Gãs de Exaustão) é uma maneira conhecida de levar parte dos gases de exaustão de um processo de combustão em uma parte posterior do motor de combustão, por meio de uma linha de retorno, para uma linha de entrada para suprimento de ar para o motor de combustão. Uma mistura de ar e gases de exaustão é assim fornecida por meio da linha de entrada para os cilindros do motor em que a combustão ocorre. A adição de gases de exaustão ao ar causa uma temperatura de combustão menor resultando inter alia em um conteúdo reduzido de óxidos de nitrogênio N0_x nos gases de exaustão. Esta técnica é aplicada em motores Otto e motores a diesel.

A quantidade de ar que pode ser suprida a um motor de combustão superalimentado depende da pressão do ar mas também da temperatura do ar. Suprir a maior quantidade possível de ar ao motor de combustão portanto acarreta resfriar o ar comprimido em um dispositivo de resfriamento de ar de carga antes de ser levado ao motor de combustão. O ar comprimido é resfriado no dispositivo de resfriamento de ar de carga por ar ambiente que flui através do dispositivo de resfriamento de ar de carga. 0 ar comprimido pode assim ser resfriado a uma temperatura que é maior que a temperatura das adjacências somente uns poucos graus. Em casos onde a tecnologia EGR é usada, os gases de exaustão retornados também precisam resfriar. Isto é obtido por meio de um assim chamado dispositivo de resfriamento EGR. Um dispositivo de resfriamento EGR é usualmente conectado ao sistema de resfriamento do motor de combustão de modo que os gases de exaustão são resfriados no dispositivo de resfriamento EGR pelo refrigerante circulante no sistema de resfriamento 0 dispositivo de resfriamento EGR é assim sujeito â limitação que os gases de exaustão não podem ser resfriados a uma temperatura menor que a temperatura do refrigerante no sistema de resfriamento. Os gases de exaustão resfriados estão portanto usualmente a uma temperatura maior que o ar comprimido resfriado quando são colocados na linha de entrada para o motor de combustão. A mistura de gases de exaustão e ar sendo levados ao motor de combustão portanto estará a uma temperatura maior que o ar comprimido levado para dentro de um motor de combustão superaiimentado que não é fornecido com recirculação de gases de exaustão. 0 desempenho de um motor de combustão superalimentado equipado com EGR é portanto um pouco inferior àquele de um motor de combustão superalimentado não equipado com EGR.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO objetivo da invenção é fornecer uma disposição que efetua a recirculação de gases de exaustão em um motor de combustão superalimentado de tal maneira que a recirculação de gases de exaustão não resulta no desempenho do motor de combustão sendo inferior àquele de um motor d combustão correspondente não fornecido com recirculação de gases de exaustão.

Este objetivo é alcançado com a disposição do tipo mencionado na introdução é caracterizada pelos aspectos indicados na parte caracterizante da reivindicação 1. Os gases de exaustão são assim misturados com o ar comprimido antes de serem resfriados juntos em um dispositivo de resfriamento por um meio refrigerante que está a uma temperatura que corresponde substancialmente à temperatura das adjacências. Isto significa que a mistura de gases de exaustão e ar comprimido sendo levada ao motor de combustão é colocada a uma temperatura que corresponde àquela do ar comprimido fornecido a um motor de combustão não equipado com EGR. O desempenho de um motor de combustão com uma disposição, de acordo com a presente invenção, pode corresponder portanto àquele de um motor de combustão não equipado com EGR.

De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, o dito primeiro meio é ar ambiente. O ar ambiente ê todas as vezes um meio disponível e não precisa de equipamento complicado para fazê-lo fluir através do primeiro dispositivo de resfriamento. Usar ar ambiente como meio de resfriamento torna possível que os gases de exaustão sejam resfriados a um nível perto da temperatura do ar ambiente. 0 mesmo meio refrigerante é portanto usado no primeiro dispositivo de resfriamento como em um dispositivo de resfriamento de ar de carga convencional para resfriamento de ar comprimido. Isto significa que os gases de exaustão podem ser resfriados no mesmo nível que o ar comprimido em um dispositivo de resfriamento de ar de carga convencional. A disposição é usada com vantagem em um veículo que é acionado pelo motor de combustão. 0 resultado é um fluxo natural de ar ambiente através do primeiro dispositivo de resfriamento durante a operação do veículo. Um ventilador de resfriamento pode possivelmente ser incorporado para garantir o fluxo de ar através do primeiro dispositivo de resfriamento.

De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, a disposição compreende um segundo dispositivo de resfriamento adaptado para refrigerar os gases de exaustão na linha de retorno. Um meio refrigerante gasoso tal como ar é usualmente, não particularmente eficaz quanto a suportar calor em um dispositivo de resfriamento. Existem dispositivo de resfriamentoes substancialmente mais eficazes que aqueles que são resfriados por ar. É portanto vantajoso usar tal segundo dispositivo de resfriamento mais eficaz para refrigerar os gases de exaustão quentes como uma primeira etapa antes de serem resfriados pelo primeiro dispositivo de resfγιο amento. 0 segundo dispositivo de resfriamento é de preferência resfriado por um meio líquido. Um meio líquido fornece usualmente resfriamento muito mais efetiva que um meio gasoso. Um dispositivo de resfriamento resfriado por líquido que tem a mesma capacidade de resfriamento que um dispositivo de resfriamento resfriado a ar pode portanto se tornar consideravelmente menor. Quando tal segundo dispositivo de resfriamento resfriado a líquido ê incorporado na linha de retorno, a temperatura dos gases de exaustão pode ser diminuída em uma maneira efetiva como uma primeira etapa. Uma capacidade de resfriamento significantemente menor é portanto exigida do primeiro dispositivo de resfriamento e o último pode portanto se tornar significantemente menor. 0 meio líquido pode ser adaptado para circular em um sistema de resfriamento que é também adaptado para refrigerar o motor de combustão Em tais casos, o refrigerante existente no sistema de resfriamento do veículo é assim usado para refrigerar os gases de exaustão como uma primeira etapa. Embora a temperatura do refrigerante será maior que a temperatura do ar ambiente, o resultado é uma diferença relativamente grande entre a temperatura do refrigerante e a temperatura dos gases de exaustão. 0 refrigerante no dito segundo dispositivo de resfriamento pode assim fornecer resfriamento eficiente dos gases de exaustão.

De acordo com outra modalidade preferida da presente invenção, o dito primeiro dispositivo de resfriamento está situado em um dispositivo de resfriamento para refrigerar o refrigerante no sistema de resfriamento. 0 primeiro refrigerante está situado em uma região do veículo que já é designada para prover o fluxo direto de ar ambiente. Neste caso, um ventilador de resfriamento pode possivelmente ser incorporado com uma capacidade maior em fornecer resfriamento eficiente do refrigerante no sistema de resfriamento e da mistura de gases de exaustão e ar comprimido no primeiro dispositivo de resfriamento.

De acordo com outra modalidade preferida da presente invenção, a disposição compreende uma válvula de EGR incorporada na linha de retorno. Com tal válvula de EGR na linha de retorno, o fluxo de gás de exaustão pode ser cortado quando necessário. Até certo ponto a válvula EGR pode também ser usada para controlar a quantidade de gases de e5 xaustão retornada por meio da linha de retorno. Uma unidade de controle é usualmente adaptada para controlar a válvula EGR. A unidade de controle controla a válvula EGR com base de informação sobre o estado de operação corrente do motor de combustão. A unidade de controle pode ser uma unidade de computador fornecida com software adequado.

De acordo com outra modalidade preferida da presente invenção, a disposição compreende uma turbina acionada pelos gases de exaustão na linha de exaustão que não são levados para dentro da linha de retorno, e um compressor acio5 nado pela dita turbina de modo que comprime o ar na linha de entrada. A pressão atmosférica acima dos gases de exaustão é assim utilizada para comprimir o ar na linha de entrada. 0 motor de combustão pode ser um motor a diesel ou um motor Otto. No caso de motores Otto superalimentado é relativamen0 te fácil adicionar os gases de exaustão recirculando ao ar, desde que os gases de exaustão substancialmente em todas as situações de operação estão a uma pressão maior que o ar comprimido na linha de entrada. No caso de motores a diesel superalimentado, a pressão dos gases de exaustão em certas situações de operação será menor que aquela do ar comprimido. Em tais situações de operação não é portanto possível misturar os gases de exaustão diretamente com o ar na linha de entrada sem meio auxiliar especial. Tal meio auxiliar é um assim chamado venturi que pode estar situado na linha de entrada perto da conexão do último para a linha de retorno. Com tal venturi a pressão estática do ar na linha de entrada pode ser reduzida localmente na conexão com a linha de retorno.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Uma modalidade preferida da invenção é descrita abaixo por meio de exemplo com referência ao desenho anexo, em que:

A Figura 1 representa uma modalidade de uma disposição para recirculação de gases de exaustão em um motor a diesel superaiimentado e

A Figura 2 representa esquematicamente o posicionamento de um dispositivo de resfriamento de ar de carga de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA MODALIDADE PREFERIDA DA

INVENÇÃO

A Figura 1 representa esquematicamente uma disposição para recirculação de gases de exaustão em um motor de combustão superaiimentado. 0 motor de combustão é neste caso um motor a diesel 1. Tal recirculação é usualmente chamada EGR (Recirculação de Gãs de Exaustão). Adicionar gases de exaustão ao ar comprimido que é levado aos cilindros do motor diminui a temperatura de combustão e portanto também o conteúdo de óxidos de nitrogênio (N0_x) que são formados durante os processos de combustão. O motor a diesel 1 pode, por exemplo, ser pretendido para acionar um veículo pesado. Os gases de exaustão dos cilindros do motor a diesel 1 são levados por meio de uma tubulação de exaustão 2 para uma linha de exaustão 3. Os gases de exaustão na linha de exaustão 3, que estão acima da pressão atmosférica, são levados a uma turbina 4. A turbina 4 é assim fornecida com energia de a5 cionamento que é transferida, por meio de uma conexão, a um compressor 5. 0 compressor 5 comprime o ar que é levado para dentro da linha de entrada 6.

Uma linha de retorno 7 pretendida para prover recirculação de parte dos gases de exaustão da linha de exausLO tão 3. A linha de retorno 7 compreende uma válvula na forma de uma válvula de EGR 8 pela qual o fluxo de gás de exaustão na linha de retorno 7 pode ser cortado quando necessário. A válvula de EGR 8 pode ser usada para controlar a quantidade de gases de exaustão levados por meio da linha de retorno 7

L5 para a linha de entrada 6. Uma unidade de controle 9 é adaptada para controlar a válvula de EGR 8. A unidade de controle 9 controla a válvula de EGR 8 com base na informação sobre o estado de operação corrente do motor a diesel. A linha de retorno 7 também compreende um dispositivo de resfriamen20 to de EGR 10 para refrigerar os gases de exaustão de recirculação antes de serem misturados com o ar comprimido na linha de entrada 6. A quantidade de ar e gases de exaustão que podem ser fornecidos ao motor a diesel 1 depende da pressão do ar e dos gases de exaustão, mas também da temperatura dos gases. É portanto importante fornecer resfriamento eficiente dos gases de exaustão de recirculação. Os gases de exaustão que são circulados através do dispositivo de resfriamento EGR 10 são resfriados pelo refrigerante no sistema de resfriamento existente do veículo, que é também pretendido para refrigerar o motor a diesel 1. No caso de motores a diesel superalimentado 1, a pressão dos gases de exaustão em muitos casos será menor que a pressão do ar comprimido na linha de entrada. Em tais situações de operação não é possível misturar os gases de exaustão existente do motor a diesel 1 diretamente com o ar comprimido na linha de entrada 6 sem meios auxiliares. Para este fim é possível usar, por exemplo, um venturi 11. Se o motor de combustão é em vez disto um motor Otto superalimentado, os gases de exaustão podem ser levados para dentro da linha de entrada 6, desde que os gases de exaustão de um motor Otto em substancialmente todas as situações de operação estejam a uma pressão maior que o ar comprimido na linha de entrada 5.

Um dispositivo de resfriamento de carga 12 está disposto na linha de entrada 6. O dispositivo de resfriamento de carga 12 é resfriado por ar ambiente. O ar comprimido e os gases de exaustão misturados na linha de entrada 6 são pretendidos para serem levados juntos através do dispositivo de resfriamento de carga 12 a fim de serem resfriados. A Figura 2 representa esquematicamente uma vista a partir de cima do dispositivo de resfriamento de carga 12. Neste caso está situado perto de um dispositivo de resfriamento convencional 14 para resfriar o refrigerante no sistema de resfriamento do veículo. 0 dispositivo de resfriamento de carga 12 e o dispositivo de resfriamento 14 são dispostos substancialmente em paralelo a uma distância um do outro. Os gases de exaustão e o ar comprimido no dispositivo de resfriamento de carga 12 e o refrigerante no dispositivo de resfriamento 14 são resfriados neste caso por ar ambiente que flui primeiro através do dispositivo de resfriamento de carga 12 antes de fluir através do dispositivo de resfriamento 14. Quando a mistura de gases de exaustão e ar comprimido foi resfriada no dispositivo de resfriamento de carga 12, é levada por meio de uma tubulação 13 para os cilindros respectivos do motor a diesel 1.

Durante a operação do motor a diesel 1, os gases de exaustão acionam a turbina 4. A turbina 4 ê assim fornecida com a energia de acionamento que aciona um compressor

5. O compressor 5 comprime o ar que é levado para dentro da linha de entrada 5. Na maioria dos estados de operação do motor a diesel 1, a unidade de controle 9 mantém a válvula EGR 8 aberta de modo que parte dos gases de exaustão na linha de exaustão 3 é levada para a linha de retorno 7. Nesta situação, os gases de exaustão estão a uma temperatura de cerca de 600-700°C. Quando os gases de exaustão na linha de retorno 7 atingem o dispositivo de resfriamento de EGR 10 sofrem uma primeira etapa de resfriamento. Neste estágio, os gases de exaustão são resfriados pelo refrigerante no sistema de resfriamento. Os gases de exaustão podem assim ser resfriados efetivamente de modo que estão a uma temperatura consideravelmente reduzida quando deixam o dispositivo de resfriamento de EGR 10. 0 dispositivo de resfriamento de EGR 10 está sujeito, no entanto, à limitação que pode ser, na melhor das hipóteses, resfriar os gases de exaustão a uma temperatura que corresponde à temperatura do refrigerante. A temperatura do refrigerante no sistema de resfriamento pode variar mas em operação normal está usualmente dentro da faixa de 80-100°C.

Em motores a diesel 1 em certas situações de operação, a pressão dos gases de exaustão será assim menor que a pressão do ar comprimido na linha de entrada 6. 0 venturi 11 pode ser usado para reduzir a pressão estática do ar na linha de entrada 6 localmente, perto da linha de retorno 7, de modo que os gases de exaustão podem ser levados para dentro e misturados com o ar comprimido na linha de entrada 6. A mistura de gases de exaustão e ar comprimido é levada depois disto através do dispositivo de resfriamento de carga 12. A mistura de gases de exaustão e ar comprimido é resfriada no dispositivo de resfriamento de carga 12 pelo ar ambiente que flui através do dispositivo de resfriamento de carga 12. 0 tamanho do dispositivo de resfriamento de ar de carga 12 é, com vantagem, tal que a mistura de gases de exaustão e ar comprimido é resfriada para uma temperatura que somente excede a temperatura das adjacências por uns poucos graus. Depois do dispositivo de resfriamento de carga 12, a mistura é levada para os cilindros respectivos do motor a diesel 1. Em contraste com a tecnologia de EGR convencional, os gases de exaustão neste caso estão também sujeitos a uma segunda etapa de resfriamento. Os gases de exaustão são assim misturados com o ar comprimido antes de serem resfriados juntos no dispositivo de resfriamento de carga 12 por ar ambiente como meio de resfriamento. A mistura de gases de exaustão e ar comprimido sendo levada para o motor a diesel 1 pode portanto ser colocada a uma temperatura que corresponde àquela do ar comprimido que é suprido para um motor a diesel correspondente não equipado com EGR. 0 desempenho de um motor a diesel, com tal resfriamento dos gases de exaustão de recirculação, pode assim corresponder substancialmente com aquele de um motor de combustão não equipado com EGR.

A invenção não é limitada de modo nalgum à modalidade descrita no desenho mas pode ser variada livremente dentro dos escopos das reivindicações. Não é assim excluída .0 a possibilidade dos gases de exaustão sendo levados diretamente para a linha de entrada sem resfriamento e da resfriamento completa dos gases de exaustão junto com o ar comprimido ocorrendo em um dispositivo de resfriamento de carga.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Disposição para recirculação de gases de exaustão era um motor de combustão superalimentado (1) onde a disposição compreende uma linha de exaustão (1) pretendida para levar gases de exaustão para fora do motor de combustão (1), uma linha de entrada (6) pretendida para levar ar acima da pressão atmosférica ao motor de combustão (1) , uma linha de retorno (7) que compreende uma conexão com a linha de exaustão (3) e uma conexão com a linha de entrada (6), de modo que, por meio da linha de retorno-(7), é possível recircular gases de exaustão da linha de exaustão (3) para a linha de entrada (6) , e um segundo dispositivo de resfriamento (10) adaptado para resfriar os gases de exaustão na linha de retorno por um meio líquido, CARACTERIZADA pelo fato de que a disposição compreende um primeiro dispositivo de resfriamento (12) resfriado por ar ambiente, onde o primeiro dispositivo de resfriamento (12) é incorporado na linha de entrada (6) à jusante da conexão da linha de retorno (7) com a linha de entrada (6), de modo que, quando os gases de exaustão são retornados por meio da linha de retorno (7) , resfria uma mistura de gases de exaustão e ar antes que a mistura seja levada ao motor de combustão (1).
2. Disposição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o meio líquido está contido em um sistema de resfriamento que é adaptado para resfriar o motor de combustão (1).
3. Disposição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que o dito primeiro dispositivo de resfriamento (12) está disposto perto de um dispositivo de resfriamento (14) para resfriar o refrigerante no sistema de resfriamento.
4. Disposição, de acordo com qualquer uma das reí5 vindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que a disposição compreende uma válvula de EGR (8) incorporada na linha de retorno (7).
5. Disposição, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADA pelo fato de que a disposição compreende uma

10 unidade de controle (9) adaptada para controlar a válvula de EGR (8).
6. Disposição, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que a disposição compreende uma turbina (4) acionada pelos gases

15 de exaustão na linha de exaustão (3) que não são levados para dentro da linha de retorno (7), e um compressor (5) acionado pela dita turbina (4) de modo que comprime o ar na linha de entrada (6).
7. Disposição, de acordo com qualquer uma das rei20 vindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que o motor de combustão (1) é um motor a diesel ou um motor Otto.

Fig 2