BR112013020457B1 - disposição de motor com refrigerador de ar de carga e veículo compreendendo tal disposição - Google Patents

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BR112013020457B1
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Aleksandar KOVAC
Erik Dahl
Katarina Jemt
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Volvo Lastvagnar Ab
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Abstract

DISPOSIÇÃO DE MOTOR COM REFRIGERADOR DE AR DE CARGA E SISTEMA DE EGR Em concordância com um primeiro aspecto, a presente invenção se refere a uma disposição de motor (10) que compreende um motor (12), um refrigerador de ar de carga (14) conectado para uma lateral de entrada de motor (16) do motor (12), um bypass de ar (20) por passagem de contorno do refrigerador de ar de carga (14), e um sistema de EGR (22) conectado entre uma lateral de saída de motor (18) e uma lateral de entrada de motor (16) do motor (12) por meio de uma ou mais linhas de EGR (24). A passagem de contorno de ar (20) adentra o sistema de EGR (22) em uma portinhola de passagem de contorno de ar (26) de uma linha de EGR (24) para misturação de ar (34) com gás de exaustão (32) na lateral de saída de motor (18) do sistema de EGR (22) e/ou à montante de um refrigerador de EGR (38). EM concordância com um segundo aspecto, a presente invenção se refere a uma disposição de motor, preferivelmente como estabelecida anteriormente, compreendendo um motor (12), um refrigerador de ar de carga (14) conectado por intermédio de uma linha de ar (30) para uma lateral de motor (16) do motor (12), uma passagem de contorno de ar (20) por passagem de contorno (...).

Description

DISPOSIÇÃO DE MOTOR COM REFRIGERADOR DE AR DE CARGA E VEÍCULO COMPREENDENDO TAL DISPOSIÇÃO CAMPO TÉCNICO
[001] A presente invenção se refere a uma disposição de motor possuindo um motor compreendendo um sistema EGR e um refrigerador de ar de carga.
PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA
[002] É conhecido a partir do estado da técnica que uma disposição de motor possuindo um motor, preferivelmente para um veículo tais como um caminhão, ônibus, carreta, carro, embarcação ou os assemelhados, compreende um sistema de EGR. Em motores de combustão interna, recirculação de gás de exaustão [exhaust gas recirculation (EGR)] representa uma técnica de redução de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) utilizada em motores de petróleo/gasolina e a diesel. NOx primariamente se forma quando uma mistura de nitrogênio e oxigênio é submetida para altas temperaturas. EGR funciona por recirculação de uma porção de gás de exaustão de motor de volta para os cilindros de motor. Em um motor a gasolina, este gás de exaustão inerte desloca a quantidade de matéria combustível no cilindro. Em um motor a diesel, o gás de exaustão substitui algum do oxigênio em excesso na mistura de pré-combustão. Na medida em que formação de NOx progride muito mais rápido em altas temperaturas, EGR reduz a quantidade de NOx gerada como um resultado de combustão. Substituição de ar por EGR diminui a válvula lambda por intermédio do que EGR diminui a temperatura de combustão e reduz a concentração de O2.
[003] Um refrigerador de EGR é um trocador de calor instalado no circuito de EGR. O sistema de EGR recircula gás de exaustão de volta para o motor de maneira a reduzir emissões de NOx. O refrigerador simplesmente refrigera o gás de exaustão precedentemente para re-introdução do gás para o motor. Por refrigeração do gás, a temperatura de combustão é diminuída, por intermédio do que NOx é formado em mais altas temperaturas. Durante este processo de refrigeração, gás de EGR pode se tornar excessivo, por exemplo, durante partida de motor ou durante um período de partida a frio, deteriorando a eficiência de combustão em cada cilindro e nos componentes de gás de exaustão. Portanto, o sistema de EGR possuindo o refrigerador de EGR é disposto nesta situação de maneira a provocar que o gás de EGR venha a fluir em uma passagem de contorno (bypass) de EGR proporcionada por passagem de contorno em uma passagem do refrigerador de EGR. Para troca (comutação) deste refrigerador de EGR durante utilização e durante não utilização, uma válvula de troca de passagem é freqüentemente utilizada para mudar um fluxo de gás de exaustão a partir de uma direção para uma outra direção ou para duas direções ou um fluxo de gás de exaustão a partir de duas direções para uma direção, ou a partir de uma direção para uma outra direção.
[004] É também conhecido no estado da técnica utilizar um turbocharger ou turbo compressor em um motor de combustão interna, que é um compressor de gás para reforçar indução de ar em um cilindro de motor ou que é uma forma de um supercharger. O turbocharger aumenta a densidade de ar adentrando o motor para produzir mais força (energia). Um turbocharger possui o compressor sendo impulsionado por uma turbina que é tracionada pelo gás de exaustão do próprio motor. Ar de compressão no turbocharger aumenta a temperatura de ar, o que pode provocar um número de problemas. Temperaturas de ar de carga excessivas podem conduzir para detonação, o que é altamente prejudicial para motores. Quando um turbocharger é instalado sobre um motor, é prática comum montar o motor com um sistema de intercooler [também conhecido como um sistema de refrigerador de ar de carga, ou sistema de CAC (charge air cooler system)], sendo um tipo de trocador de calor que libera energia de calor no carregador (charger) para ar ambiente. Para um motor de ignição por compressão possuindo pelo menos um turbocharger e um refrigerador de ar de admissão, operação do motor em ou em torno de ponto de marcha lenta (sem carga de motor) é difícil para otimizar por várias razões. Primeiramente, devido para o fato do aspecto que ar de baixa temperatura ambiente flui para o motor através do refrigerador de ar de carga de admissão sob baixas temperaturas ambientes, o ar adentrando o manifold de admissão pode ser super refrigerado e, quando um sistema de recirculação de gás de exaustão [exhaust gas recirculation (EGR)] é utilizado, pode provocar depósitos de carbono excessivos sobre a válvula de EGR e sensores de admissão. Em segundo lugar, baixas temperaturas de ar de admissão em condições de motor em marcha lenta (sem carga de motor) podem resultar em fumaça branca e odores indesejáveis no gás de exaustão de motores de ignição por compressão devido para o fato de combustão incompleta do combustível. Conseqüentemente, válvulas de passagem de contorno de CAC são conhecidas em motores de ignição por velas, por exemplo, em motores de aeroplanos para prevenção de falha de motor devido para o fato de formação de gelo no CAC em altas altitudes e em motores de combustão interna a gasolina, por exemplo, para redução de fumaça branca durante partida a frio.
[005] De maneira a reduzir emissões, um catalisador de redução catalítica seletiva [catalisador de SCR (selective catalytic reduction catalyst)] é amplamente utilizado, convertendo NOx com o auxílio de um catalisador para nitrogênio diatômico (N2) e água (H2O). Um redutor gasoso, tipicamente amônia anidra, amônia aquosa ou uréia, é adicionado para um conduto ou fluxo de gás de exaustão e é adsorvido em cima de um catalisador. Um catalisador de SCR funciona mais eficientemente com gás de exaustão aquecido. Partindo com motores a diesel fabricados em ou depois de 1 de janeiro de 2.010, motores são requeridos para satisfazerem padrões/standards (regulamentações) de NOx mais baixas. Uma maioria de manufaturadores de motores comerciais pesados (caminhões classe 7 – 8) utilizam tais catalisadores de SCR para eficientemente reduzir emissões de NOx para satisfazer padrões de EPA futuros, que são os padrões de emissão dos Estados Unidos. A União Européia [European Union (EU)] introduziu a Euro 4 sendo efetiva desde 1 de Janeiro de 2.008, a Euro 5 sendo efetiva desde 1 de Janeiro de 2.010 e irá introduzir a Euro 6 começando a vigorar em 1 de Janeiro de 2.014, países da Ásia, tais como China, Índia e Japão, propõem regulamentações similares.
[006] A partir da patente norte americana número US 7.257.950 B2, uma disposição de motor é conhecida compreendendo um sistema de CAC e um sistema de EGR, em que o sistema de CAC compreende uma passagem de contorno (bypass) de CAC. A passagem de contorno de CAC adentra o sistema de EGR em uma lateral fria do motor.
RESUMO DA INVENÇÃO
[007] De maneira a satisfazer os padrões de emissão anteriormente mencionados, é um objetivo da presente invenção o de proporcionar uma disposição de motor, em que a temperatura de gás de exaustão pode ser controlada de uma maneira otimizada sob várias condições de motor e ambientais, especialmente em baixa carga de motor e/ou em baixa temperatura de motor ou baixa temperatura de ar externo, de maneira que um catalisador de SCR é possibilitado funcionar eficientemente.
[008] Um outro objetivo da presente invenção é o de proporcionar uma disposição de motor com valores de emissão aperfeiçoados fundamentados sobre várias disposições de motor existentes com uma alta densidade de empacotamento, de maneira que uma modificação volumosa, instalações adicionais e reconstrução podem ser evitadas. Desta maneira, disposições de motor existentes podem ser modificadas para satisfazer padrões de emissão aperfeiçoados com mínimo esforço (pouco esforço).
[009] Estes objetivos da presente invenção são conseguidos pelas características das reivindicações independentes. As reivindicações dependentes, desenhos e o relatório descritivo apresentam concretizações vantajosas da presente invenção.
[010] Uma disposição de motor é proposta, compreendendo um motor, um refrigerador de ar de carga conectado para uma lateral de entrada de motor do motor, uma passagem de contorno (bypass) de ar para passagem de contorno do refrigerador de ar de carga, e compreendendo um sistema de EGR conectado entre uma lateral de saída de motor e uma lateral de entrada de motor do motor por intermédio de uma ou mais linhas de EGR. A passagem de contorno de ar adentra o sistema de EGR em uma portinhola de passagem de contorno de ar de uma linha de EGR para misturação de ar com gás de exaustão na lateral de saída de motor do sistema de EGR e/ou à montante de um refrigerador de EGR. De maneira a dispor a passagem de contorno de ar de CAC sobre a lateral de saída de motor do sistema de EGR, que é a lateral de alta temperatura do motor, ar carregado (ar de carga) se mistura com gás de exaustão na lateral quente do sistema de EGR, por exemplo, entre uma lateral à jusante de um refrigerador de EGR de alta temperatura [refrigerador de HT EGR (high temperature EGR cooler)] e uma lateral à montante de um refrigerador de EGR de baixa temperatura [refrigerador de LT EGR (low temperature EGR cooler)]. De maneira a transformar uma disposição de motor existente em uma disposição inventiva, uma linha de passagem de contorno de ar de CAC adicional e uma portinhola de passagem de contorno de ar pode ser instalada conectando o sistema de CAC e o sistema de EGR em uma lateral de alta temperatura do motor, que é uma ligeira modificação de uma disposição de motor existente. Uma espessura pré-determinada da linha de passagem de contorno de ar, um orifício de fluxo ou um regulador de pressão binário ou proporcional pode controlar a quantidade de ar carregado fluindo através da passagem de contorno de ar para o sistema de EGR. Por conseqüência, uma mistura de ar/gás de exaustão otimizada é proporcionada em baixa temperatura ambiente e/ou em baixa carga de motor de maneira tal que uma temperatura de gás de exaustão aumentada pode ser proporcionada para possibilitar que um catalisador de SCR venha a funcionar mais eficientemente. Componentes existentes de uma disposição de motor podem ser utilizados de maneira tal que o esforço de modificação é mínimo. Misturação precedentemente de ar de carga e gás de exaustão diminui a temperatura no sistema de EGR de maneira que determinados componentes do sistema de EGR, tais como isolamento térmico e dimensões de refrigerador, podem ser reduzidas proporcionando espaço de construção adicional. Em uma disposição de motor possuindo um compressor turbo de duplo estágio, a passagem de contorno de ar deveria ser disposta à jusante do segundo compressor.
[011] Em concordância com uma concretização vantajosa da presente invenção, um dispositivo de controle pode ser proporcionado para controle de uma temperatura de entrada de motor (T_in) de uma mistura de ar/gás de exaustão por controle de uma relação de ar refrigerado/não refrigerado e/ou gás de exaustão refrigerado/não refrigerado na mistura de ar/gás de exaustão. A relação entre ar e EGR pode permanecer a mesma e pode depender de parâmetros de motor como condição de combustão, velocidade, carga, etc.. A temperatura de entrada (T_in) pode ser controlada por refrigeração ou não refrigeração do ar de carga utilizando uma válvula ou regulador de pressão de passagem de contorno de CAC. Adicionalmente, a temperatura de entrada (T_in) pode ser controlada por refrigeração ou não refrigeração da EGR utilizando uma válvula ou regulador de pressão de passagem de contorno de refrigerador de EGR. Ambos os tipos de controle de quantidade de ar de carga refrigerado/não refrigerado e gás de exaustão refrigerado/não refrigerado podem ser utilizados de uma maneira combinada e podem também ser utilizados independentemente um a partir do outro. O dispositivo de controle pode controlar a relação anteriormente mencionada de maneira tal que uma temperatura de gás de exaustão otimizada pode ser proporcionada para o catalisador de SCR. Tipicamente, gás de exaustão quente possui uma temperatura quente de 650 °C até 700 °C, e gás de exaustão frio (baixa carga ou motor frio) possui uma temperatura de 100 °C até 350 °C. Ar de turbocharger possui uma temperatura típica de 50 °C até 280 °C. A temperatura de entrada de motor é crucial para emissão de gás de exaustão e para o sistema de lubrificação do motor. Se (T_in) é excessivamente alta, uma película de óleo de motor pode se deteriorar. O dispositivo de controle pode controlar a relação de maneira tal que uma mistura de gás de exaustão refrigerado/não refrigerado e ar de carga refrigerado/não refrigerado adentra a lateral de entrada de motor em uma temperatura e relação pré-definidas independentes de carga e temperatura de motor, por exemplo com (T_in) > 60 °C e (T_in) < 125 °C, otimamente (T_in) em uma faixa entre 100 °C até 120 °C, de maneira tal que um catalisador de SCR é possibilitado funcionar eficientemente. O dispositivo de controle pode ser um sistema controlador ou os assemelhados compreendendo recursos para mensuração ou avaliação de uma temperatura de entrada de motor efetiva de uma maneira direta (sensor de temperatura) ou de uma maneira indireta (fundamentada sobre condições de tração utilizando um mapa considerando ângulo de pedal de acelerador, estado (status) de embreagem ou os assemelhados). O dispositivo de controle pode ser conectado para um ou mais reguladores de pressão ou válvulas binário/as ou proporcionais localizado/as na linha de sistema de EGR, linha de sistema de CAC e/ou linha de passagem de contorno de ar de maneira a controlar uma quantidade de ar ou gás fluindo através da linha de ar ou de gás. O dispositivo de controle pode ser conectado para um refrigerador de EGR e/ou sistema de CAC para controlar temperatura de refrigeração e pode controlar um fluxo de gás através de uma passagem de contorno de refrigerador de EGR e/ou fluxo de ar através de uma passagem de contorno de ar de CAC de maneira tal que uma mistura de ar/gás de exaustão pode adentrar o motor em uma temperatura pré-definida (T_in).
[012] Em concordância com um segundo aspecto da presente invenção, uma disposição de motor, particularmente como a anteriormente mencionada, compreende um motor, um refrigerador de ar de carga conectado por intermédio de uma linha de ar para uma lateral de entrada de motor do motor, uma passagem de contorno de ar para passagem de contorno do refrigerador de ar de carga, e um sistema de EGR conectado entre uma lateral de saída de motor e uma lateral de entrada de motor do motor por intermédio de uma ou mais linhas de EGR. O dispositivo de controle é proporcionado para controle de uma temperatura de entrada de motor (T_in) de uma mistura de ar/gás de exaustão por controle de uma relação de ar refrigerado/não refrigerado e/ou gás de exaustão refrigerado/não refrigerado. O dispositivo de controle pode controlar o fluxo de ar refrigerado através do sistema de CAC, o fluxo de gás de exaustão refrigerado através do sistema de EGR e/ou o fluxo de ar não refrigerado através da passagem de contorno de ar e opcionalmente o fluxo de EGR refrigerado através de um refrigerador de EGR e/ou de EGR não refrigerado através de uma passagem de contorno de refrigerador de EGR de maneira tal que a temperatura de gás de exaustão pode ser proporcionada alta o suficiente para o catalisador de SCR, mas baixa o suficiente sob uma temperatura crítica, por conseqüência, evitando dano para o motor. O dispositivo de controle pode ser disposto como descrito anteriormente.
[013] Em concordância com uma concretização vantajosa da disposição de motor anteriormente mencionada, o dispositivo de controle pode controlar a temperatura de entrada de motor (T_in) da mistura de ar/gás de exaustão por misturação de ar não refrigerado a partir da passagem de contorno de ar ou de ar não refrigerado a partir de um refrigerador de ar de carga com gás de exaustão a partir do sistema de EGR na lateral de saída de motor do sistema de EGR. O dispositivo de controle pode controlar pelo menos um regulador de pressão ou válvula abrindo ou fechando a passagem de passagem de contorno (bypass) de ar de maneira tal que uma relação de ar não refrigerado fluindo através da passagem de contorno de ar e ar refrigerado fluindo através do refrigerador de ar de carga pode ser ajustada. Um primeiro regulador de pressão disposto na linha de ar e um segundo regulador de pressão disposto na linha de passagem de contorno de ar podem controlar a quantidade de ar e a relação de ar refrigerado/não refrigerado para misturação com a EGR. A linha de passagem de contorno de ar pode adentrar o sistema de EGR em uma linha de EGR com um refrigerador de EGR ou pode adentrar o sistema de EGR em uma linha de passagem de contorno de refrigerador de EGR.
[014] Em concordância com uma concretização vantajosa da presente invenção, o dispositivo de controle pode controlar a temperatura de entrada de motor (T_in) da mistura de ar/gás de exaustão por misturação de ar carregado (ar de carga) com gás de exaustão não refrigerado a partir de uma passagem de contorno de EGR ou com gás de exaustão refrigerado a partir de um refrigerador de EGR. O dispositivo de controle pode controlar pelo menos um regulador de pressão ou válvula abrindo ou fechando uma passagem de passagem de contorno (bypass) de refrigerador de EGR de maneira tal que uma relação de gás de exaustão não refrigerado fluindo através da passagem de contorno de EGR e gás de exaustão refrigerado fluindo através do refrigerador de EGR pode ser ajustada. Um primeiro regulador de pressão disposto na passagem de contorno de EGR e um segundo regulador de pressão dispostos na linha de refrigerador de EGR podem controlar a quantidade de EGR e a relação de EGR refrigerado/não refrigerado para misturação com ar de carga.
[015] O dispositivo de controle pode controlar a passagem através da linha de passagem de contorno de ar e a linha de passagem de contorno de EGR para controle da relação de EGR refrigerado/não refrigerado misturado com ar refrigerado/não refrigerado independentemente e pode também combinar o controle de ambas as relações para otimização da temperatura de gás de exaustão de maneira tal que um catalisador de SCR pode funcionar eficientemente em todas as condições de carga e de temperatura.
[016] Em concordância com uma concretização vantajosa da presente invenção, um regulador de pressão pode ser disposto na linha de ar. O regulador de pressão pode ser um regulador de pressão ou válvula binário/a para abertura ou fechamento da linha de ar ou pode ser um regulador de pressão ou válvula proporcional de maneira tal que uma quantidade de ar fluindo através da linha de ar pode ser controlada. Fechamento do regulador de pressão separa o sistema de CAC a partir do sistema de EGR sobre a lateral quente do motor. Abertura do regulador de pressão possibilita misturação de ar e de gás de exaustão dentro da linha de EGR entre a lateral quente e a lateral fria do motor. Se uma linha de passagem de contorno de refrigerador de EGR existe, pode também ser favorável dispor um regulador de pressão na passagem de contorno de EGR.
[017] Em concordância com uma concretização vantajosa da presente invenção, um regulador de pressão pode ser disposto na linha de ar e na passagem de contorno de ar. A linha de ar conecta um turbocharger com o sistema de CAC. Abertura ou fechamento do regulador de pressão de linha de ar ativa/desativa refrigeração do ar de carga. Preferivelmente em baixa carga do motor, o regulador de pressão de linha de ar deveria ser fechado e o regulador de pressão de passagem de contorno de ar deveria ser aberto. Em alta carga, o regulador de pressão de passagem de contorno de ar deveria ser fechado. Se uma linha de passagem de contorno de refrigerador de EGR existe, pode também ser favorável dispor um regulador de pressão na passagem de contorno de EGR e na linha de EGR.
[018] Em concordância com uma concretização vantajosa da presente invenção, a temperatura de entrada de motor (T_in) da mistura de ar/gás de exaustão pode ser determinada entre uma temperatura mínima (T_scr) e uma temperatura máxima (T_máx). A temperatura máxima (T_máx) pode ser escolhida de maneira a prevenir dano para o motor, especialmente em baixa carga ou em baixas temperaturas ambientes, e pode ser escolhida para ser preferivelmente (T_máx) < = 125 °C. A temperatura mínima (T_scr) pode ser escolhida para garantir baixas emissões do motor, preferivelmente de maneira tal que um catalisador de SCR é possibilitado funcionar eficientemente e pode ser ajustada em (T_scr) > = 60 °C. Valores de (T_scr) e (T_máx) podem variar dependendo do estado (status) de motor corrente e condições ambientais e de tração. A temperatura mínima e a temperatura máxima, (T_scr) e (T_máx), podem ser tomadas a partir de um mapa.
[019] Em concordância com uma concretização vantajosa da presente invenção, a lateral de saída de motor e a lateral de entrada de motor podem ser conectadas por intermédio de uma linha de EGR direta livre de um refrigerador de EGR, e a passagem de contorno de ar pode adentrar o sistema de EGR por intermédio da linha de EGR direta. Adicionalmente, a linha de EGR direta pode ser uma passagem de contorno de EGR por passagem de contorno de um ou mais refrigeradores de EGR, por exemplo, um refrigerador de HT EGR e/ou um refrigerador de LT EGR. Como uma conseqüência, a linha de EGR direta pode ser uma linha de passagem de contorno de refrigerador de EGR por passagem de contorno de um ou mais refrigeradores de EGR em um estado de baixa temperatura do gás de exaustão. Gás de exaustão pode fluir tanto parcialmente ou quanto seletivamente através da linha de EGR direta ou através de uma linha de EGR compreendendo pelo menos um refrigerador de EGR. Ar carregado pode fluir através da linha de EGR direta independentemente da direção de fluência do gás de exaustão.
[020] Em concordância com uma concretização vantajosa da presente invenção, a passagem de contorno de ar pode adentrar o sistema de EGR entre um primeiro refrigerador de EGR e um segundo refrigerador de EGR. O primeiro refrigerador de EGR pode ser um refrigerador de HT EGR e o segundo refrigerador de EGR pode ser um refrigerador de LT EGR. A passagem de contorno de ar adentra o sistema EGR à jusante do refrigerador de HT EGR e à montante do refrigerador de LT EGR e o ar é misturado com gás de exaustão pré-refrigerado. Como uma conseqüência, as dimensões do refrigerador de LT EGR e a espessura de isolamento da linha de EGR á jusante do refrigerador de HT EGR podem ser reduzidas, na medida em que a temperatura da mistura de ar/gás de exaustão pode ser adicionalmente diminuída.
[021] Em concordância com uma concretização vantajosa da presente invenção, um segmento de linha de EGR pode ser disposto à jusante da portinhola de passagem de contorno de ar na linha de EGR e pode ser adaptado como uma câmara de misturação. A passagem de contorno de ar adentra o sistema de EGR tanto à montante de um refrigerador de EGR ou quanto pode ser conectada para uma linha de EGR direta. A linha de EGR à jusante da portinhola de passagem de contorno de ar conduz para a lateral fria do motor e pode ser adaptada para misturação adequadamente de ar carregado e de gás de exaustão. Por conseqüência, o segmento de linha de EGR funcionalmente atua como uma câmara de misturação e pode ser adaptado em forma, largura e configuração interna para proporcionar misturação completa de ar e de gás de exaustão durante o fluxo entre ponto de entrada de passagem de contorno de ar e entrada para o cilindro do motor.
[022] Em concordância com uma concretização vantajosa da presente invenção, o refrigerador de ar de carga pode ser um dispositivo refrigerado a ar ou pode ser um dispositivo refrigerado por refrigerante. Adicionalmente, pode ser possível utilizar um dispositivo refrigerado híbrido possuindo uma parte refrigerada a ar e uma parte refrigerada por refrigerante. Desempenho de refrigeração de um dispositivo refrigerado por refrigerante pode ser controlado em faixas limitadas de maneira tal que controle eficiente da temperatura de entrada da mistura de ar/gás de exaustão por controle do comportamento de refrigeração do sistema de CAC é possível. Um dispositivo refrigerado híbrido pode ser utilizado para escalonamento do desempenho de refrigeração dependente do estado (status) de temperatura do motor.
[023] Em concordância com um outro aspecto da presente invenção, um veículo é proposto compreendendo uma disposição de motor em concordância com quaisquer das concretizações anteriormente mencionadas. O motor do veículo compreende um sistema de CAC e um sistema de EGR, em que a temperatura de uma mistura de gás de exaustão/ar de carga em uma entrada do motor e a lateral fria do motor pode ser controlada de maneira tal que as emissões de veículo podem ser reduzidas preferivelmente em uma situação de baixa carga ou em uma baixa temperatura ambiente. Um veículo convencional pode ser convertido para uma concretização da presente invenção pela instalação de uma passagem de contorno (bypass) de ar entre a linha de ar à montante do sistema de CAC e uma linha de EGR na lateral quente do motor. Adicionalmente, um dispositivo de controle compreendendo recursos para sensoriamento de uma temperatura de entrada de mistura de gás de exaustão/ar e um ou mais reguladores de pressão para controle de fluxo de gás de exaustão/ar na passagem de contorno de ar, sistema de EGR e/ou sistema de CAC, podem ser proporcionados para satisfazer padrões (standards) de emissão futuros.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[024] A presente invenção juntamente com o anteriormente mencionado e outros objetivos e vantagens pode ser mais bem compreendida a partir da seguinte descrição detalhada das concretizações, mas não restrita para estas concretizações, que são ilustradas nos desenhos, nos quais:
Figura 1 é uma vista esquemática de uma disposição de motor do estado da técnica;
Figura 2 é uma vista esquemática de uma primeira concretização de uma disposição de motor em concordância com a presente invenção;
Figura 3 é uma vista esquemática de uma segunda concretização de uma disposição de motor em concordância com a presente invenção;
Figura 4 é uma vista esquemática de uma terceira concretização de uma disposição de motor em concordância com a presente invenção;
Figura 5 é uma vista esquemática de uma quarta concretização de uma disposição de motor em concordância com a presente invenção;
Figura 6 é uma vista ampliada da seção de passagem de contorno (bypass) de ar de CAC em concordância com a quarta concretização da presente invenção;
Figura 7 é uma vista esquemática de uma quinta concretização de uma disposição de motor em concordância com a presente invenção;
Figura 8 mostra um veículo compreendendo uma concretização de uma disposição de motor em concordância com a presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS DA INVENÇÃO
[025] Nos desenhos, elementos iguais ou similares são referenciados por iguais numerais de referência. Os desenhos são meramente representações esquemáticas, não intencionadas para retratar parâmetros específicos da invenção. Além do mais, os desenhos são intencionados para representar somente concretizações típicas da invenção e, consequentemente, não deveriam ser considerados como limitantes do escopo da invenção.
[026] A Figura 1 representa esquematicamente uma disposição de motor do estado da técnica compreendendo um motor (12), um sistema de EGR (22) e um sistema de refrigeração de ar de carga compreendendo um turbocharger (60) e uma disposição de refrigerador de ar de carga (70). O sistema de EGR (22) recircula gás de exaustão produzido pelo motor (12) a partir de uma lateral de saída de motor (18), que é uma lateral de motor quente para uma lateral de entrada de motor (16) que é uma lateral de motor fria. Gás de exaustão sendo liberado pela lateral de saída de motor (18) usualmente possui uma temperatura de entre 100 °C (carga baixa) e 700 °C (carga total). Tipicamente, a pressão de gás do gás de exaustão pode variar entre 1,5 kPa até 500 kPa. Pelo menos parte do gás de exaustão irá ser recirculada pelo sistema de EGR para a lateral de entrada de motor (16) e irá ser misturada com ar carregado (ar de carga) a partir do turbocharger (60) para reduzir emissão do motor (12). O gás de exaustão é resfriado por um refrigerador de EGR de refrigeração em duas etapas (38) compreendendo um refrigerador de EGR de alta temperatura (38a) sendo atado próximo para a portinhola de saída de gás de exaustão (68) do motor (12) e um refrigerador EGR de baixa temperatura (38b) sendo disposto à jusante da linha de EGR (24). O turbocharger (60) é tracionado por gás de exaustão fluindo em direção de uma tubulação de exaustão (62) e comprime ar ambiente adentrando uma entrada (admissão) de ar (64) do turbocharger (60) de maneira tal que ar carregado pode fluir através de uma linha de ar (30) para a lateral de entrada de motor (16) do motor (12). No curso da compressão de ar, a temperatura do ar carregado (ar de carga) pode se elevar acima de 600 °C (carga baixa) e 260 °C (carga total). Para eficientemente aumentar e aperfeiçoar as propriedades de exaustão do motor (12), ar carregado é refrigerado por um refrigerador de ar de carga (14) que está compreendido em um dispositivo de refrigeração (70). O dispositivo de refrigeração (70) adicionalmente compreende um dispositivo de refrigeração de baixa temperatura (72) e um dispositivo de refrigeração de alta temperatura (74) para refrigeração de uma cabine do veículo ou do bloco de motor. A partir da lateral de saída do dispositivo de refrigeração (70), o ar carregado refrigerado se mistura com gás de exaustão de EGR recirculado em uma portinhola de misturação de ar refrigerado de EGR (58) e adentra o cilindro do motor (12) na portinhola de entrada de ar de EGR (56).
[027] Sob determinadas condições, tais como baixa carga ou baixa temperatura de motor, uma refrigeração excessiva de ar carregado pode ser prejudicial para o motor (12). Conseqüentemente, é bem conhecida a passagem de contorno do refrigerador de ar de carga (14) por intermédio de uma linha de passagem de contorno de ar convencional (66). Permutação entre ar carregado sendo refrigerado por um refrigerador de ar de carga (14) e ar carregado sendo de passagem de contorno através da passagem de contorno de ar (66) pode ser controlada por um regulador de pressão único ou duplo (não mostrados). Convencionalmente, a portinhola de misturação de ar refrigerado de EGR (58) compreende uma câmara de misturação para misturação completamente de gás de exaustão e ar carregado. Também é comum que um sistema de EGR (22) venha a compreender linhas de EGR isoladas espessas (24) e refrigeradores de EGR de alto desempenho (38a) e (38b), na medida em que gás de exaustão de EGR pode alcançar temperaturas de mais do que 700 °C, de maneira que outras partes do motor têm que ser protegidas de super aquecimento. Adicionalmente, um grande número de linhas de EGR (24) e de linhas de ar (30) devem ser instaladas em uma disposição de motor (10), por intermédio do que espaço de construção é fortemente limitado. Controle de uma temperatura otimizada da mistura de ar/gás de exaustão adentrando o motor (12) na portinhola de entrada de EGR/ar (56) é difícil devido para o fato do alto volume de ar e de gás sendo armazenado no sistema de ar e de EGR conduzindo para tempos de reação lentos e controle difícil da temperatura e quantidade de ar/gás de exaustão. Um controle preciso da temperatura de mistura de gás/ar preferivelmente em baixa condição de carga ou em baixa temperatura de motor é vantajoso, conduzindo para um funcionamento mais eficiente de um catalisador de SCR instalado na tubulação de gás de exaustão (62).
[028] A Figura 2 esquematicamente representa uma primeira concretização de uma disposição de motor (10) em concordância com a presente invenção, por intermédio da qual misturação de gás de exaustão e ar carregado é desempenhada sobre a lateral quente (18) do motor (12) de maneira tal que uma mistura de gás de exaustão/ar comum flui através do sistema de EGR (22) para a lateral de entrada de motor (16). A configuração global é similar para a configuração da disposição de motor (10) mostrada na Figura 1. A passagem de contorno de ar convencional (66) não é mais necessitada de qualquer modo, por conseqüência, economizando espaço de construção e reduzindo complexibilidade estrutural do sistema de EGR/CAC. A disposição de motor (10) compreende um sistema de EGR (22), em que gás de exaustão a partir do motor (12) adentra um primeiro refrigerador de EGR de alta temperatura (38a), e flui através de uma linha de EGR (24) para um segundo refrigerador de EGR de baixa temperatura (38b). O gás que saiu do segundo refrigerador de LT EGR (38b) flui para uma portinhola de misturação de ar refrigerado - EGR (58), onde o gás de exaustão pode ser misturado pelo ar carregado frio a partir do refrigerador de ar de carga (14) e adentra o motor (12) na portinhola de entrada de ar de EGR (56). Por provisão de uma passagem de contorno de CAC, uma passagem de contorno de ar (20) conecta a linha de ar (30) à jusante do turbocharger (60) em uma portinhola de passagem de contorno (76) por uma passagem de contorno de ar (20) com a linha de conexão de EGR (24) em uma portinhola de passagem de contorno de ar (26) entre o primeiro refrigerador de HT EGR (38a) e o segundo refrigerador de LT EGR (38b). Ar carregado adentra o sistema de EGR (22) na portinhola de passagem de contorno de ar (26), em que gás de exaustão e ar carregado podem se misturar durante seu fluxo através da linha de EGR (24) e durante processo de refrigeração no segundo refrigerador de EGR (38b). Uma misturação completa é proporcionada através da longa passagem do gás de exaustão e do ar na mesma linha de EGR (24), e eficiente controle da temperatura de ar/gás de exaustão com um rápido tempo de resposta pode ser conseguido. A eficiente temperatura da mistura de gás de exaustão/ar no sistema de EGR (22) é diminuída de maneira tal que o isolamento térmico e capacidade de refrigeração do segundo refrigerador de EGR (38b) podem ser reduzidas. A disposição de motor é mais compacta e valores de emissão de exaustão podem ser diminuídos em baixa carga. O refrigerador de ar de carga (14) é de passagem de contorno através do refrigerador de EGR de baixa temperatura (38b). Componentes já existentes em disposições de motor convencionais podem ser utilizados, por conseqüência, modificações de construção e os custos são baixos. Uma câmara de misturação na portinhola de misturação de ar refrigerado de EGR (58) é redundante. Convencionalmente, em uma situação de operação normal, o refrigerador de LT EGR (38b) pode ser refrigerado por um refrigerante a partir do radiador de baixa temperatura (72). Nesta configuração, quando o motor (12) está funcionando em baixa carga ou em uma fase de partida a frio, tanto o suprimento de refrigerante pode ser desligado para evitar refrigeração da mistura de ar/gás de exaustão ou quanto o refrigerador de LT EGR (38b) pode ser conectado para um dispositivo de refrigeração de alta temperatura (74) e a mistura de gás de exaustão/ar pode ser aquecida por um refrigerante quente. Uma passagem de contorno adicional do refrigerador de LT EGR (38b) não é mais de nenhum modo necessitada. Em conseqüência, uma passagem de contorno única do refrigerador de ar de carga (14) e bem como uma passagem de contorno do refrigerador de EGR (38a) ou (38b) pode ser omitida por refrigeração ativamente do gás de exaustão por ar carregado (ar de carga). Se o turbocharger (60) é um motor turbo de duplo estágio, a passagem de contorno de ar (20) pode preferivelmente ser disposta à jusante do segundo estágio de turbo compressor. Um dispositivo de controle (não mostrado na Figura 2) pode controlar um ou diversos reguladores de pressão, por exemplo, um regulador de pressão duplo disposto na passagem de contorno de ar (20) e na linha de ar (30) para controlar a quantidade de ar carregado fluindo no sistema EGR (22) e no refrigerador de ar de carga (14). O dispositivo de controle pode controlar a misturação de maneira tal que a mistura de gás de exaustão/ar adentrando o motor (12) na portinhola de entrada de EGR/ar (56) possui uma temperatura abaixo de 125 °C. O um ou os diversos reguladores de pressão pode/m ser um interruptor binário ou um regulador de pressão proporcional e o dispositivo de controle pode compreender uma unidade de controle PD-, PI- ou PID-. A velocidade de ar fluindo na linha de ar (30) pode ser acima de 20 m/s até 25 m/s em carga total de maneira tal que um baixo tempo de reação pode ser alcançado. Uma regulagem de pressão contínua em uma alta taxa pode reduzir o tempo de resposta.
[029] A Figura 3 mostra uma outra concretização de uma disposição de motor (10) cuja configuração básica é essencialmente fundamentada sobre a concretização da Figura 2 e que adicionalmente compreende uma linha de EGR direta (28) conectando a portinhola de saída de gás de exaustão (68) sobre a lateral de saída de motor (18) com a portinhola de entrada (56) sobre a lateral de entrada de motor (16) para passagem de contorno do refrigerador de EGR (38). Aqui, reguladores de pressão (não mostrados) podem controlar direção e quantidade de gás de exaustão fluindo através da linha de EGR refrigerada (24) ou a linha de EGR direta (28). Como representado na Figura 3 e na Figura 4, a linha de passagem de contorno (20) pode adentrar o sistema de EGR tanto em uma linha de conexão de EGR (24) de uma disposição de refrigerador de EGR (38) ou quanto pode adentrar a linha de EGR direta (28) como mostrado na Figura 4. Conectando a passagem de contorno de ar (20) com a linha de EGR direta (28) reduz a espessura de isolamento da linha de EGR direta (28) devido para o fato de misturação controlada do gás de exaustão “quente” com o ar carregado “frio”. Riscos de incêndio e de dano relacionados para temperatura podem ser reduzidos.
[030] A Figura 5 mostra uma outra concretização de uma disposição de motor (10), em que o sistema de EGR (22) compreende uma linha de EGR direta (28), de maneira tal que refrigeradores de EGR (38) não são necessários. Devido para o fato de injeções controladas de ar carregado frio por intermédio da passagem de contorno de ar (20) para a linha de EGR direta (28), uma temperatura e relação de misturação da mistura de gás de exaustão/ar podem ser alcançadas de maneira tal que um gás misturado otimizado pode adentrar a lateral fria do motor (16) na portinhola de entrada de EGR/ar (56). O método de controle pode auxiliar a otimizar o valor de lambda do motor.
[031] Uma vista ampliada de uma sub parte (A) da Figura 5 é mostrada na Figura 6. Ar (34) é carregado por um turbocharger (60) (não mostrado) e pode fluir através de uma linha de ar (30) em direção um refrigerador de ar de carga (14) (também não mostrado), que pode ser controlado por um primeiro regulador de pressão (42a). A linha de ar (30) é conectada em uma portinhola de passagem de contorno (76) para a linha de EGR (24), por intermédio do que ar (34) pode adentrar a linha de EGR (24) através de uma portinhola de passagem de contorno de ar (26), por intermédio do que um segundo regulador de pressão (42b) é disposto na passagem de contorno de ar (20). Ambos os reguladores de pressão (42a) e (42b) podem controlar a quantidade de ar carregado (34) fluindo tanto em direção de um refrigerador de ar de carga (14) ou quanto através da passagem de contorno de ar (20) para o sistema de EGR (22) com um curto tempo de resposta.
[032] Na portinhola de passagem de contorno de ar (26), ar carregado se mistura com gás de exaustão (32) formando uma mistura de ar/gás de exaustão (36) que completamente se mistura durante deslocamento em um segmento de linha de EGR (46) atuando como uma câmara de misturação (48). Diâmetro e configuração interna do segmento de linha de EGR (46) podem ser adaptados para otimizar mistura de gás de exaustão (32) e ar carregado (34). O gás misturado (36) é conduzido para a portinhola de entrada de EGR/ar (56) da lateral de entrada de motor (16) do motor (12). Tipicamente, a pressão no sistema de EGR pode alcançar até 500 kPa, por intermédio do que a pressão na pressão de sistema de ar carregado é de cerca de 15 kPa. Conseqüentemente, recursos adicionais tais como válvulas de operação, válvulas de não retorno ou componentes ativos, tal como turbinas adicionais ou reguladores de pressão, podem ser dispostos na linha de passagem de contorno de ar (20) para aperfeiçoar misturação de gás de exaustão (32) e de ar carregado (ar de carga) (34).
[033] A Figura 7 mostra uma concretização mais detalhada de uma disposição de motor sendo similar para a concretização mostrada na Figura 3 e na Figura 4, em que a passagem de contorno de ar (20) é conectada para uma linha de EGR direta (28) e para uma linha de EGR refrigerada (24). Um dispositivo de controle (40) compreende um sensor de temperatura (52) sendo disposto na portinhola de entrada de EGR/ar (56) e avaliação da temperatura do gás misturado adentrando o motor (12). De maneira a manter uma temperatura pré-definida (T_in), que pode variar entre um valor de limiar mínimo e um valor de limiar máximo, (T_scr) e (T_max), o dispositivo de controle (40) controla pelo menos reguladores de pressão (42a) até (42c) sendo dispostos na linha de ar (30) [(42a)], na passagem de contorno de ar (20) conectada para a linha de EGR direta (28) [(42b)] e na linha de ar (20) conectada para a linha de EGR refrigerada (24) [(42c)]. Adicionalmente, um regulador de pressão (42d) pode controlar a quantidade de recirculação de gás de EGR para a lateral fria (16) do motor (12). Na medida em que uma mensuração de temperatura direta de um sensor de temperatura (52) pode ser muito lenta e imprecisa, o dispositivo de controle (40) pode ser conectado para um sistema de sensor eletrônico da disposição de motor (10) e pode avaliar, por exemplo, o ângulo de um pedal de acelerador, condições de tração e adicionais parâmetros relacionados ao motor. Por conseqüência, durante mensuração indireta da carga de motor, um rápido tempo de resposta e um controle mais preciso da temperatura e da relação da mistura de ar/gás de exaustão adentrando a portinhola (56) podem ser proporcionados. Tipicamente, o fluxo de EGR é de 20 % até 30 % do gás de exaustão total sendo liberado pelo motor (12).
[034] A Figura 8 finalmente mostra um veículo (15), em que uma disposição (12) compreende um sistema de EGR (22) possuindo um refrigerador de EGR (38) e um turbocharger (60) com um refrigerador de ar de carga (14), por intermédio do que o sistema de refrigeração de ar de carga pode ser de passagem de contorno por uma passagem de contorno de ar (20) na lateral quente (18) do motor de maneira tal que ar carregado (ar de carga) pode fluir através da linha de EGR (24) do sistema de EGR (22). O valor de lambda do motor (12) pode ser otimizado e a temperatura de gás de exaustão em baixa carga ou em uma partida de motor pode alcançar valores de temperatura até mesmo em baixa carga ou em partida de motor, nas quais um catalisador de SCR (54) é possibilitado funcionar eficientemente.
[035] A disposição de motor pode ser utilizada para motores a diesel e também para motores a gasolina, e pode ser instalada em veículos ou em outros aparelhos e máquinas tracionado/as por motores de combustão, tal como geradores de energia elétrica, máquinas de trabalho ou os assemelhados. Devido para o fato de uma modificação estrutural mínima da disposição de motor, parâmetros de admissão aperfeiçoados, espaço de construção adicional e desempenho reforçado dos motores podem ser atingidos. A presente invenção pode ser incorporada para motores recentemente construídos e também pode ser utilizada para remodelação (atualização) de motores existentes com esforço mínimo.
NUMERAIS DE REFERÊNCIA
10 disposição de motor
12 motor
14 refrigerador de ar de carga
16 lateral de entrada de motor
18 lateral de saída de motor
20 passagem de contorno (bypass) de ar
22 sistema de EGR
24 linha de EGR
26 portinhola de passagem de contorno de ar
28 linha de EGR direta
30 linha de ar
32 gás de exaustão
34 ar
36 mistura de ar/gás de exaustão
38 refrigerador de EGR
38a refrigerador de EGR de alta temperatura
38b refrigerador de EGR de baixa temperatura
40 dispositivo de controle
42 regulador de pressão
42a regulador de pressão em linha de ar
42b regulador de pressão em passagem de contorno de ar
para linha de EGR direta
42c regulador de pressão em passagem de contorno de ar
para linha de EGR refrigerada
42d regulador de pressão em linha de EGR
42e regulador de pressão em linha de EGR direta
44 passagem de contorno de EGR
46 segmento de linha de EGR
48 câmara de misturação
50 veículo
52 sensor de temperatura
54 catalisador de SCR
56 portinhola de entrada de EGR/ar
58 portinhola de misturação de EGR/ar refrigerado
60 turbocharger
62 tubulação de exaustão
64 entrada de ar
66 passagem de contorno de ar convencional
68 portinhola de saída de gás de exaustão
70 dispositivo de refrigeração
72 dispositivo de refrigeração de baixa temperatura
74 dispositivo de refrigeração de alta temperatura
76 portinhola de passagem de contorno

Claims (11)

  1. Disposição (10) de motor compreendendo um motor (12), um refrigerador de ar de carga (14) conectado para uma lateral de entrada de motor (16) do motor (12), uma passagem de contorno de ar (20) por passagem de contorno do refrigerador de ar de carga (14), e compreendendo um sistema de EGR (22) conectado entre uma lateral de saída de motor (18) e uma lateral de entrada de motor (16) do motor (12) por intermédio de uma ou mais linhas de EGR (24), em que a passagem de contorno de ar (20) adentra o sistema de EGR (22) em uma portinhola de passagem de contorno de ar (26) de uma linha de EGR (24) para misturar ar (34) com gás de exaustão (32) na lateral de saída de motor (18) do sistema de EGR (22), caracterizada pelo fato de que a passagem de contorno de ar (20) adentra o sistema de EGR (22) entre um primeiro refrigerador de EGR (38a) e um segundo refrigerador de EGR (38b), o segundo refrigerador de EGR (38b) sendo disposto à jusante do primeiro refrigerador de EGR (38a), e gás de saída do segundo refrigerador de EGR (38b) sendo disposto para fluir para uma portinhola de mistura (58), onde o gás de exaustão é disposto para ser misturado com ar a partir do refrigerador de ar de carga (14).
  2. Disposição de motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que um dispositivo de controle (40) é proporcionado para controle de uma temperatura de entrada de motor (T_in) de uma mistura de ar/gás de exaustão (39) por controle de uma relação de ar refrigerado/não refrigerado (34) e/ou gás de exaustão refrigerado/não refrigerado (32) na mistura de ar/gás de exaustão (36).
  3. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que um regulador de pressão (42) é disposto na linha de ar (30).
  4. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que um regulador de pressão (42) é disposto na linha de ar (30) e na passagem de contorno de ar (20).
  5. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a temperatura de entrada de motor (T_in) da mistura de ar/gás de exaustão é determinada entre uma temperatura mínima (T_scr) e uma temperatura máxima (T_máx).
  6. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a lateral de saída de motor (18) e a lateral de entrada de motor (16) são conectadas por intermédio de uma linha de EGR direta (28) livre de um refrigerador de EGR (38).
  7. Disposição de motor, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a linha de EGR direta (28) é uma passagem de contorno de EGR (44) para passagem de contorno dos refrigeradores de EGR (38a, 38b).
  8. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que um segmento de linha de EGR (46) à jusante da portinhola de passagem de contorno de ar (26) na linha de EGR (24) é projetada como uma câmara de mistura (48).
  9. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o refrigerador de ar de carga (14) é um dispositivo refrigerado a ar (70).
  10. Disposição de motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o refrigerador de ar de carga (14) é um dispositivo refrigerado por refrigerante (70).
  11. Veículo (50), caracterizado pelo fato de que compreende uma disposição de motor conforme definida em qualquer uma das reivindicações precedentes.
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