BR112013004647B1 - Disposição de motor compreendendo um circuito de recuperação de calor - Google Patents
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Abstract
disposição de motor compreendendo um circuito de recuperação de calor a presente invenção se refere a uma disposição de motor compreendendo: - um motor de combustão interna (2) onde uma câmara de combustão é suprida com pelo menos um fluido de combustão por intermédio de pelo menos um circuito de fluido de combustão compreendendo pelo menos uma bomba de fluido de combustão (6); - um circuito de recuperação de calor (13) transportando um fluido em um circuito (loop), sucessivamente através de pelo menos uma bomba (6), um evaporador (14), um expansor (17), que têm capacidade de geração de energia a partir da expansão de fluido. em concordância com a presente invenção, o fluido de combustão é utilizado como o fluido no circuito de recuperação de calor (13) e de que a bomba de fluido de combustão (6) é uma bomba comum localizada no circuito de recuperação de calor (13) para pressurizar o fluido no circuito de recuperação de calor (13).
Description
[001] Apresente invenção se refere a uma disposição de motor compreendendo um circuito de recuperação de calor para recuperação de energia, especialmente, mas não exclusivamente, em um veiculo.
[002] Por muitos anos, tentativas foram feitas para aperfeiçoar eficiência de veiculo, e mais particularmente a eficiência de motor, o que apresenta um impacto direto sobre consumo de combustível.
[003] Um sistema convencional é o de proporcionar a disposição de motor com um circuito de recuperação de calor para recuperação de parte da energia que é, de outra maneira, desperdiçada na forma de calor nos gases de exaustão, no circuito de refrigeração de motor, no circuito de lubrificação, etc... Tais circuitos de recuperação de calor incluem circuitos de Rankinenos quais um fluido flui em um circuito (loop)fechado e é submetido a sucessivos processos em concordância com o ciclo termodinâmico de Rankine:o fluido de trabalho, que é um liquido neste estágio, é bombeado a partir de baixa pressão para alta pressão;o liquido de alta pressão é evaporado em um gás por um fluido quente fluindo em um outro circuito da disposição de motor;o gás é expandido em um expansor; finalmente, o gás é condensado.
[004] Como um resultado, pelo menos parte da energia térmica do fluido quente utilizada para evaporar o fluido de recuperação de calor é recuperada no expansor, por exemplo, sob a forma de energia mecânica, hidráulica, pneumática ou elétrica. Esta energia térmica deveria, de outra maneira,ser perdida.
[005] Entretanto, a provisão de um circuito de recuperação de calor envolve a implementação de linhas e componentes adicionais, que requerem espaço e introduzem peso e custos.
[006] Conseqüentemente, resulta que, a partir de vários pontos de vista, ainda existe espaço para aperfeiçoamento em disposições de motor.
[007] É um objetivo da presente invenção o de proporcionar uma disposição de motor aperfeiçoada compreendendo um circuito de recuperação de calor que pode superar as desvantagens encontradas em tais convencionais disposições de motor.
[008] Em concordância com a presente invenção, uma tal disposição de motor compreende:um motor de combustão interna onde uma câmara de combustão é suprida com pelo menos um fluido de combustão por intermédio de pelo menos um circuito de fluido de combustão compreendendo pelo menos uma bomba de fluido de combustão;um circuito de recuperação de calor transportando um fluido em um circuito (loop), sucessivamente através de pelo menos uma bomba, um evaporador, um expansor, que têm capacidade de geração de energia a partir da expansão de fluido, e um condensador;caracterizada pelo fato de que o fluido de combustão é utilizado como o fluido no circuito de recuperação de calor e de que a bomba de fluido de combustão é uma bomba comum localizada no circuito de recuperação de calor para pressurizar o fluido no circuito de recuperação de calor.
[009] Por conseqüência, em uma disposição de motor em concordância com a presente invenção, o circuito de recuperação de calor, na maior parte dos casos, não compreende uma bomba dedicada, o fluido fluindo no circuito de recuperação de calor sendo bombeado a partir de baixa pressão para alta pressão por uma bomba que já é proporcionada para outros propósitos, isto é, a bomba de fluido de combustão. Evidentemente, permanece a possibilidade para proporcionar uma bomba adicional no circuito de recuperação de calor, por exemplo, para elevação adicionalmente do nivel de pressão do fluido naquele circuito. Consequentemente, graças à presente invenção, pode ser proporcionada uma disposição de motor incluindo um circuito de recuperação de calor para recuperação de energia que requer uma bomba a menos do que em tais disposições de motor do estado da técnica. Isto resulta em uma disposição de motor que é mais compacta e menos dispendiosa.
[010] A presente invenção também contribui para uma melhor eficiência de motor global na medida em que economiza tração de uma bomba que deveria, de outra maneira, requerer uma fração do trabalho do motor.
[011] Em termos concretos, o circuito de recuperação de calor é acoplado para o circuito de fluido de combustão, e o mesmo fluido flui, por exemplo, a partir de um tanque de fluido de combustão, para o motor e para o circuito de recuperação de calor. Por conseqüência, referido fluido tem que ter capacidade tanto de desempenhar seu papel no processo de combustão no motor e quanto capacidade de ser submetido aos sucessivos processos de um ciclo de recuperação de calor. Como um resultado, um fluxo de fluido de combustão flui através da bomba comum e é mais tarde dividido em pelo menos dois fluxos, um direcionado para a câmara de combustão e o outro direcionado para o circuito de recuperação de calor.
[012] Em concordância com uma concretização da presente invenção, a disposição de motor compreende uma bomba de fluido de combustão de baixa pressão e uma bomba de fluido de combustão de alta pressão para o circuito de fluido de combustão e para o circuito de recuperação de calor sendo a bomba de combustão de baixa pressão. Isto se aplica em particular quando o fluido de combustível é combustível e onde o motor de combustão interna é um motor de injeção direta, tanto do tipo de ignição por compressão, tais como motores a diesel,ou quanto do tipo de ignição por centelha (centelha), onde a pressão de combustível depois da bomba de baixa pressão pode estar em torno de 3 bar - 5 bar. Evidentemente, a disposição de motor pode compreender um circuito de fluido de combustão possuindo uma bomba de fluido de combustão única, que é então a bomba comum.
[013] De qualquer forma, a disposição de motor pode possuir diversos circuitos de fluido de combustão, por exemplo, para injeção separadamente na câmara de combustão de dois ou mais combustíveis, ou para injeção de combustível e água, ou para injeção de combustível e um outro tipo de aditivo, tal como um agente antibatida de pino. Em tal caso, cada circuito de fluido de combustão pode possuir sua própria bomba e qualquer uma das bombas pode ser a bomba comum compartilhada com o circuito de recuperação de calor.
[014] Em concordância com uma característica adicional, o circuito de recuperação de calor pode adicionalmente compreender recurso de redução de pressão entre a bomba comum e o evaporador. Isto pode se aplicar em particular para motores de ignição por centelha do tipo de injeção indireta, que são supridos com combustível, tal como gasolina, etanol, metanol, gás liquefeito de petróleo, gás natural ou combinações (blends)dos mesmos. Em tais motores, combustível é injetado em um manifoldde admissão em torno de 30 bar.Conseqüentemente, a bomba de combustível tem capacidade de elevação da pressão de combustível para em torno de 30 bar. Então, o circuito de recuperação de calor pode requerer pressões mais baixas para operação otimizadamente, portanto, a utilidade de provisão de recurso de redução de pressão sendo projetada para diminuir a pressão de combustível, por exemplo, para em torno de 5 bar - 10 bar, no circuito de recuperação de calor.
[015] O fluido de combustão que é utilizado como o fluido no circuito de recuperação de calor pode compreender um dos ou uma mistura dos:• um álcool, tal como metanol ou etanol;• um alcano inferior, selecionado entre metano,etano, propano ou butano;• água;• dimetil éter (DME) ;• solução de amônia-água.
[016] Tais fluidos são conhecidos para serem jáutilizados tanto como um combustível, um componente de combustível ou um outro componente de fluido de combustão em motores de combustão interna, e como um fluido em um circuito de recuperação de calor.
[017] O fluido fluindo no circuito de recuperação de calor é evaporado no evaporador por um fluido quente que pode ser escolhido entre:um liquido de arrefecimento do motor fluindo em um circuito de liquido de arrefecimento (10) à jusante a partir do motor (2) ;gases de exaustão quentes fluindo em uma linha de exaustão (9) da disposição de motor (1);óleo de motor;ar de admissão comprimido do motor;gases de EGR [recirculação de gás de exaustão (exhaust gas recirculation)].
[018] Por exemplo, o expansor no circuito de recuperação de calor pode ser escolhido entre uma turbina, uma voluta (scroll), um parafuso (de rosca) e um pistão.
[019] Em uma implementação da presente invenção, o circuito de recuperação de calor pode adicionalmente compreender um aquecedor, também chamado regenerador, localizado à jusante a partir da bomba e à montante a partir do evaporador, referido aquecedor sendo projetado para pré- aquecer o fluido fluindo no circuito de recuperação de calor antes que venha a adentrar o evaporador por intermédio do fluido fluindo no circuito de recuperação de calor à jusante a partir do expansor e à montante a partir do condensador. De fato, o fluido que foi expandido possui energia térmica perdida, mas não obstante sua temperatura permanece alta o suficiente para pré-aquecer o fluido antes que venha a adentrar o evaporador.
[020] A disposição de motor vantajosamente compreende recurso que tem capacidade de recuperação da energia produzida pela expansão de fluido de recuperação de calor no expansor em energia mecânica sobre o eixo de comando de motor, em eletricidade e/ou em pressão hidráulica ou pneumática. A energia mecânica pode ser recuperada sobre o eixo de comando de motor diretamente ou por intermédio de partes intermediárias, tais como engrenagens. Levando-se em consideração eletricidade, esta pode ser produzida por intermédio de um alternador acoplado para uma turbina, tal como o expansor. Eletricidade pode ser utilizada em um veiculo hibrido (isto é, um veiculo impulsionado por um motor de combustão interna e um motor elétrico) ou em um veiculo convencional para carregar uma bateria, para auxiliares de energia, etc.
[021] Em concordância com um outro aspecto, a presente invenção se refere para um veiculo que compreende uma disposição de motor como precedentemente descrita.
[022] Entretanto, a presente invenção pode também ser utilizada em outras aplicações, por exemplo, em sistemas industriais fixos, tais como geradores elétricos fixados detração de disposições de motor.
[023] Estas e outras características e vantagens da presente invenção irão se tornar aparentes sobre leitura da descrição a seguir em vista dos desenhos acompanhantes, como exemplos não limitantes, de concretizações de uma disposição de motor em concordância com a presente invenção.
[024] A descrição detalhada a seguir de diversas concretizações da presente invenção é mais bem compreendida quando lida em conjunção com os Desenhos acompanhantes sendo compreendido, entretanto, que a presente invenção não é limitada para as concretizações especificas apresentadas:Figura 1 é um Desenho esquemático de uma primeira concretização de uma disposição de motor em concordância com a presente invenção.Figura 2 é um Desenho esquemático de uma segunda concretização de uma disposição de motor em concordância com a presente invenção.
[025] A presente invenção se refere a uma disposição de motor (1), duas concretizações da qual são ilustradas nos Desenhos das Figuras.
[026] A disposição de motor (1) compreende um motor de combustão interna (2) que pode ser um motor a dieselou um motor de ignição por centelha. O motor (2) é suprido com combustível armazenado em um tanque de combustível (3) através de uma linha de suprimento (4) transportando referido combustível em direção de uma bomba de combustível (5) projetada para proporcionar combustível para o motor (2) onde o mesmo pode ser injetado, diretamente ou indiretamente, em uma câmara de combustão. Nas concretizações ilustradas, referida bomba de combustível (5) compreende:uma bomba de combustível de baixa pressão (6) que é projetada para elevar a pressão de combustível para emtorno de 3 bar - 5 bar;e uma subseqüente bomba de combustível de alta pressão (7) que é alimentada com combustível fluindo da bomba de combustível de baixa pressão (6) em uma linha de conexão (8); e que é projetada para elevar a pressão de combustível para 200 barou até mesmo para 3.000 bar,dependendo das aplicações.
[027] Em concordância com uma concretização da presente invenção, o combustível compreende etanol. Por exemplo, pode ser um etanol puro ou mistura de etanol com gasolina ou com água, com por exemplo, 15 % de gasolina e 85 % de etanol. Outros combustíveis compatíveis com recuperação de calor, isto é, que poderiam também ser utilizados como o fluido de trabalho em um ciclo de recuperação de calor, incluem combustíveis fundamentados sobre alcanos inferiores, tais como metano, etano, propano ou butano ou misturas dos mesmos. Tais combustíveis compreendem combustíveis amplamente utilizados, tais como gás natural, gás liquefeito de petróleo (LGP), biogás, etc.
[028] Gases de exaustão são, então, coletados e transportados em direção à atmosfera por uma linha de exaustão (9) que usualmente compreende diversos dispositivos de tratamento ou de filtração de gases (não mostrados).
[029] A disposição de motor (1) pode adicionalmente compreender um circuito de líquido de arrefecimento (10) transportando um líquido de arrefecimento de motor, tal como líquido fundamentado em água. 0 líquido de arrefecimento é movimentado em um circuito (loop)fechado por intermédio de uma bomba (11) . 0 líquido de arrefecimento adentra o motor (2) de maneira a diminuir a temperatura de motor, em conseqüência disso ficando mais quente. Então, à jusante a partir do motor (2) , o líquido de arrefecimento é transportado em direção de um radiador (12) onde o mesmo é refrigerado antes de adentrar o motor (2) novamente.
[030] A disposição de motor (1) também compreende um circuito de recuperação de calor (13) que possibilita para alguma recuperação de energia, que, no exemplo mostrado, é fundamentada sobre o ciclo de Rankine.
[031] O circuito de Rankine(13) forma um circuito (loop)fechado que, neste exemplo, é acoplado para o circuito transportando combustível para o motor (2) , e transporta referido combustível como o fluido de Rankine.
[032] A partir da linha de suprimento (4), o combustível adentra a bomba de combustível de baixa pressão (6) onde é pressurizado e, então, é transportado em direção de um evaporador (14) por uma primeira linha (15) ramificando a partir da linha de conexão (8). Em outras palavras, a bomba de combustível de baixa pressão (6) atua como a bomba de Rankine, nenhuma outra bomba dedicada sendo proporcionada para bombear o fluido de Rankine. Todo do combustível fluindo na linha de suprimento (4) adentra a bomba de baixa pressão (6), mas somente parte deste combustível é, então, injetado no motor por intermédio da bomba de combustível de alta pressão (7), enquanto que uma outra parte deste combustível irá fluir no circuito de Rankine (13) . Neste ponto, qualquer excesso de fluido pressurizado pela bomba (5) poderia ser retornado para o tanque através de uma conexão não mostrada.
[033] No evaporador (14), o combustível pressurizado é evaporado em um gás que, então, flui através de uma segunda linha (16) em direção de um expansor (17) . Nas concretizações ilustradas da presente invenção, o expansor é uma turbina (17) que tem capacidade de recuperação da energia do gás quente em energia mecânica. Referida energia mecânica pode ser utilizada sobre o eixo de comando de motor (18) , por um alternador (não mostrado) acoplado para a turbina (17) para produzir eletricidade, e/ou por uma bomba ou por um compressor, para circular e/ou pressurizar um fluido. Eletricidade pode ser utilizada em um veiculo hibrido (isto é, um veículo impulsionado por um motor de combustão interna e um motor elétrico) ou em um veículo convencional para carregar uma bateria, para auxiliares de energia, etc.
[034] À jusante a partir da turbina (17), o gás, que foi expandido e refrigerado, flui em uma terceira linha (19) em direção de um condensador (20) no qual se torna um líquido novamente. No caso em que a disposição de motor (1) é implementada sobre um veículo, referido condensador (20) é tipicamente localizado sobre a face dianteira do veículo. À jusante a partir do condensador (20), o combustível líquido é transportado por uma quarta linha (21) que chega para a linha de suprimento (4) antes de adentrar a bomba de combustível de baixa pressão (6) com um pouco mais combustível chegando a partir do tanque de combustível (3) . Alternativamente, o fluido de Rankine fluido do condensador (20) pode ser direcionado para o tanque (3).
[035] Uma primeira concretização da presente invenção é agora descrita com referência para a Figura 1.
[036] Nesta concretização da presente invenção, o combustível fluindo no circuito de Rankine (13) é evaporado no evaporador (14) pelo líquido de arrefecimento fluindo no circuito de líquido de arrefecimento (10) à jusante a partir do motor (2). De fato, referido líquido de arrefecimento foi aquecido quando passando através do motor (2), e sua temperatura é alta o suficiente para evaporar o combustível.
[037] Referência é agora feita para a Figura 2 que ilustra uma segunda concretização da presente invenção (o circuito líquido de arrefecimento não é mostrado na Figura 2) .
[038] Nesta concretização da presente invenção, o combustível fluindo no circuito de Rankine (13) é evaporado no evaporador (14) pelos gases de exaustão quentes fluindo na linha de exaustão (9) .
[039] Adicionalmente, um aquecedor (22) é proporcionado no circuito de Rankíne (13) , à jusante a partir da bomba (6) e à montante a partir do evaporador (14) , de maneira a pré-aquecer o combustível fluindo no circuito de Rankine(13) antes que venha a adentrar o evaporador (14). 0 combustível é pré-aquecido por intermédio do combustível fluindo na terceira linha (19) do circuito de Rankine (13), isto é, à jusante a partir da turbina (17) e à montante a partir do condensador (20).
[040] Evidentemente, a presente invenção não é restrita para a concretização descrita anteriormente por intermédio de exemplo não limitante, mas, ao contrário, a presente invenção engloba todas as concretizações da mesma.
[041] Combustível não é o único fluido de combustão contemplado no contexto da presente invenção, que poderia ser utilizado para o ciclo de recuperação de calor e para injeção nos processos de combustão. De fato, em outras disposições de motor, não unicamente combustível ou não unicamente um só combustível é injetado nas câmaras de combustão. Podem existir outros fluidos de combustão, isto é, fluidos que são para serem injetados na câmara de combustão do motor de combustão interna, que não são pré- misturados com o combustível e que podem, conseqüentemente, possuir um circuito de fluido dedicado equipado com uma bomba. Tem que ser observado que os fluidos de combustão não são necessariamente injetados ao mesmo tempo na câmara de combustão. Também, cada fluido poderia ser ou poderia não ser injetado diretamente na câmara de combustão.
[042] Por exemplo, os fluidos de combustão poderiam incluir combustível, tanto compatível com recuperação de calor ou quanto não compatível com recuperação de calor, e água, onde água é utilizada no processo de combustão/expansão para beneficio a partir do calor gerado pela combustão de combustível para vaporizar e proporcionar expansão adicional, e/ou reduzir emissões de motor brutas. Em um tal caso, água poderia também ser utilizada no ciclo de recuperação de calor e uma bomba comum poderia pressurizar um fluxo de água tanto para injeção na câmara de combustão e quanto para circulação no circuito de refrigeração de calor. Alternativamente, como no exemplo precedente, se o combustível é compatível com recuperação de calor, por exemplo, fundamentado sobre metanol ou etanol, então, o combustível poderia ser utilizado no ciclo de recuperação de calor ao invés da água.
[043] Em um outro exemplo da presente invenção, é conhecido rodar motores de combustão interna sobre combustíveis tais como dimetil éter (DME) ou sobre soluções de amônia-água, ambos quais são compatíveis com ciclos de recuperação de calor e que deveriam, conseqüentemente, possibilitar para implementação da presente invenção. Um outro exemplo da presente invenção é o caso de motores de duplo combustível, onde um primeiro combustível, contendo metano, etano, propano, butano ou misturas dos mesmos, e um segundo combustível, tal como combustível de gasolina ou de diesel,são injetados separadamente na câmara de combustão de um motor de ignição por compressão. Em um tal caso, o primeiro combustível pode ser compatível com recuperação de calor de maneira que uma bomba comum para o primeiro combustível poderia também ser utilizada para bombeamento.
[044] O circuito de recuperação de calor poderia ser fundamentado sobre um diferente ciclo do que o ciclo de Rankine, tanto derivado a partir do ciclo de Rankine, tal como o ciclo de Kalina,ou quanto o ciclo de Rankine supercritico, ou completamente diferente, tal como o ciclo de Braytonou o ciclo de Ericsson.
Claims (10)
1. Disposição de motor compreendendo:um motor de combustão interna (2) onde uma câmara de combustão é suprida com pelo menos um fluido de combustão por intermédio de pelo menos um circuito de fluido de combustão compreendendo pelo menos uma bomba de fluido de combustão (6);um circuito de recuperação de calor (13) transportando um fluido em um circuito, sucessivamente através de pelo menos uma bomba (6), um evaporador (14), um expansor (17), que têm capacidade de geração de energia a partir da expansão de fluido;caracterizada pelo fato de que o fluido de combustão é utilizado como o fluido no circuito de recuperação de calor e de que a bomba de fluido de combustão é uma bomba comum localizada no circuito de recuperação de calor para pressurizar o fluido no circuito de recuperação de calor.
2. Disposição de motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o circuito de fluido de combustão compreende uma bomba de fluido de combustão de baixa pressão (6) e uma bomba de fluido de combustão de alta pressão (7) , a bomba comum sendo a bomba de fluido de combustão de baixa pressão (6).
3. Disposição de motor, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o circuito de recuperação de calor (13) adicionalmente compreende recurso de redução de pressão entre a bomba comum (6) e o evaporador (14).
4. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o fluido de combustão que é utilizado como o fluido no circuito de recuperação de calor (13) compreende um dos ou uma mistura dos:* um álcool, tal como metanol ou etanol;* um alcano inferior, selecionado entre metano,etano, propano ou butano;* água;* dimetil éter (DME) ;* solução de amônia-água.
5. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o fluido fluindo no circuito de recuperação de calor (13) é evaporado no evaporador (14) por um fluido quente escolhido entre:um liquido de arrefecimento do motor fluindo em um circuito de liquido de arrefecimento (10) à jusante a partir do motor (2);gases de exaustão quentes fluindo em uma linha de exaustão (9) da disposição de motor (1);óleo de motor;ar de admissão comprimido do motor;- gases de recirculação de gás de exaustão EGR.
6. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o expansor (17) no circuito de recuperação de calor (13) é escolhido entre uma turbina, uma voluta, um parafuso e um pistão.
7. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que o circuito de recuperação de calor (13) adicionalmente compreende um aquecedor (22) localizado à jusante a partir da bomba (6) e à montante a partir do evaporador (14) , referido aquecedor (22) sendo projetado para pré-aquecer o fluido fluindo no circuito de recuperação de calor (13) antes que venha a adentrar o evaporador (14) por intermédio do fluido fluindo no circuito de recuperação de calor (13) à jusante a partir do expansor (17) e à montante a partir docondensador (20).
8. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que compreende recurso que tem capacidade de recuperação da energia produzida pela expansão de fluido de recuperação de calor no expansor (17) em energia mecânica sobre o eixo de comando de motor (18) , em eletricidade e/ou em pressão hidráulica ou pneumática.
9. Disposição de motor, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizada pelo fato de que o circuito de recuperação de calor compreende um condensador (20) à jusante do expansor (17) e à montante da bomba (6).
10. Veiculo, caracterizado pelo fato de que compreende uma disposição de motor (1) conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.
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