BR112015013116B1 - Método para ajustamento de temperatura de gás de exaustão e turbina com disposição de bypass - Google Patents
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Abstract
MÉTODO PARA AJUSTAMENTO DE TEMPERATURA DE GÁS DE EXAUSTÃO E TURBINA COM DISPOSIÇÃO DE BYPASS. A presente invenção se refere a um turbocharger incluindo uma turbina compreendendo uma passagem devoluta incluindo pelo menos primeira porção e segunda porção, uma saída de gás se estendendo axialmente a partir da passagem devoluta, urna roda de turbina incluindo uma ou mais pás (lâminas) dispostas na saída de gás, e estrutura para estabelecimento de um fluxo de bypass entre a primeira porção e a segunda porção da passagem de voluta ou para alteração de fluxo de gás através da turbina. Um método para ajustamento de temperatura de gás de exaustão é também proporcionado.
Description
[001] A presente invenção se refere, em concordância com um aspecto da mesma, genericamente para métodos e para aparelho para ajustamento de temperatura de gás de exaustão de motor em um motor incluindo uma turbina na corrente de exaustão.
[002] Motores a diesel modernos tipicamente incluem sistemas de pós-tratamento de exaustão [exhaust aftertreatment systems (EATSs)] com um ou mais componentes tais como filtros de particulado de diesel [diesel particulate filters (DPFs)], catalisadores de oxidação de diesel [diesel oxidation catalysts (DOCs)], e catalisadores de redução catalitica seletiva [selective catalytic reduction catalysts (SCRs)]. A maior parte dos componentes de EATS é intencionada para operar dentro de faixas de temperatura particulares. Durante operação em partida (start-up) ou em baixas cargas, pode ser dificil alcançar ou manter as temperaturas necessárias para ativar catalisadores sobre o equipamento, tais como DPFs, DOCs e SCRs. Adicionalmente, é ocasionalmente necessário aumentar temperaturas de gás de exaustão para temperaturas de operação bem acima do convencional (normal) para regenerar componentes, tais como DPFs.
[003] Uma maneira de elevação da temperatura de gás de exaustão tem sido a de utilizar um turbocharger de geometria variável [variable geometry turbocharger (VGT)] com uma turbina à jusante do motor. O VGT pode ser ajustado para reduzir a eficiência do turbocharger, o que pode resultar em um aumento em temperatura na exaustão de motor. Os VGTs, entretanto, tendem a ser dispendiosos e envolvem numerosas partes de movimentação que podem ser sujeitas à falha.
[004] Uma outra técnica para elevação da temperatura de gás de exaustão envolve a utilização de uma válvula de recirculação de descarga que diminui a eficiência de compressor sem aumento de pressões pré-turbina.
[005] Ainda técnicas adicionais incluem utilização de válvulas reguladoras de admissão e de exaustão, injeção de hidrocarboneto de escapamento, e válvulas de bypass de refrigerador de ar de carga [charge air cooler (CAC)].
[006] É desejável proporcionar um aparelho e um método simples, não dispendiosos para ajustamento de temperatura de gás de exaustão.
[007] Em concordância com um aspecto da presente invenção, um turbocharger compreende uma turbina compreendendo uma passagem de voluta compreendendo pelo menos primeira porção e segunda porção, uma saida de gás se estendendo axialmente a partir da passagem de voluta, uma roda de turbina compreendendo uma ou mais pás (lâminas) dispostas na saida de gás, e recurso para estabelecimento de um fluxo de bypass (de passagem secundária) entre a primeira porção e a segunda porção da passagem de voluta.
[008] Em concordância com um outro aspecto da presente invenção, um turbocharger compreende uma turbina compreendendo uma passagem de voluta, uma saida de gás se estendendo axialmente a partir da passagem de voluta, uma roda de turbina compreendendo uma ou mais pás (lâminas) dispostas na saida de gás, um anel de bocal disposto entre a passagem de voluta e a saida de gás, o anel de bocal compreendendo uma pluralidade de palhetas (aletas) adaptadas para direcionar um fluxo de gás a partir da passagem de voluta contra a uma ou mais pás da roda de turbina na saida de gás, e recurso para movimentação do anel de bocal relativamente para a passagem de voluta para alterar o fluxo de gás através do anel de bocal a partir da passagem de voluta em direção da uma ou mais pás da roda de turbina.
[009] Em concordância com um outro aspecto da presente invenção, um método para ajustamento de temperatura de gás de exaustão em um motor compreendendo uma turbina disposta para receber exaustão de motor compreende provocação de que gás de exaustão de motor venha a fluir através de uma passagem de voluta da turbina em direção de uma saida de gás da turbina, a passagem de voluta compreendendo pelo menos primeira porção e segunda porção, e estabelecimento de um fluxo de bypass entre a primeira porção e a segunda porção da passagem de voluta.
[010] Em concordância ainda com um outro aspecto da presente invenção, um método para ajustamento de temperatura de gás de exaustão em um motor compreendendo uma turbina disposta para receber exaustão de motor compreende provocação de que gás de exaustão de motor venha a fluir através de uma passagem de voluta da turbina em direção de uma saida de gás da turbina, a passagem de voluta compreendendo pelo menos primeira porção e segunda porção, direcionamento do gás de exaustão contra uma ou mais pás (lâminas) de uma roda de turbina na saida de gás da turbina com um anel de bocal compreendendo uma pluralidade de palhetas (aletas) dispostas em uma primeira orientação relativamente para a passagem de voluta, e movimentação do anel de bocal a partir de uma primeira posição relativamente para a passagem de voluta na qual a pluralidade de palhetas no anel de bocal direciona gás contra a uma ou mais pás da roda de turbina para uma segunda posição relativamente para a passagem de voluta na qual fluxo de gás a partir da passagem de voluta através da pluralidade de palhetas na saida de gás é alterado relativamente para o fluxo de gás na primeira posição.
[011] As características e vantagens da presente invenção irão ser mais bem compreendidas pela leitura da descrição em maiores detalhes a seguir em conjunção e com referência para os Desenhos das Figuras acompanhantes nos quais numerais assemelhados indicam elementos similares. Nos Desenhos das Figuras acompanhantes:
[012] A Figura 1 é uma vista esquemática de um motor com um turbocharger e turbina;
[013] A Figura 2A é uma vista de seção transversal parcialmente de uma porção de uma turbina em concordância com um aspecto da presente invenção;
[014] A Figura 2B é uma vista de seção transversal parcialmente da porção da turbina da Figura 2A mostrando uma palheta de vedação movimentada relativamente para um anel de bocal da turbina;
[015] A Figura 2C é uma vista de seção transversal parcialmente de uma porção de uma turbina em concordância com um outro aspecto da presente invenção mostrando um anel de bocal movimentado relativamente para uma passagem de voluta;
[016] A Figura 3A é uma vista de seção transversal parcialmente de uma porção de uma turbina em concordância com um aspecto da presente invenção;
[017] A Figura 3B é uma vista de seção transversal parcialmente da porção da turbina da Figura 3A mostrando uma palheta de vedação movimentada relativamente para um anel de bocal da turbina; e
[018] A Figura 3C é uma vista de seção transversal parcialmente de uma porção de uma turbina em concordância com um outro aspecto da presente invenção mostrando um anel de bocal movimentado relativamente para uma passagem de voluta.
[019] Os Desenhos das Figuras são somente representações esquemáticas/diagramáticas exemplificativas e a presente invenção não está limitada para as concretizações neles representadas.
[020] Fluxo de gás através de passagens de voluta em uma turbina de turbocharger conectada para a exaustão de um motor multicilindro não está convencionalmente em uma pressão constante ao longo do comprimento da passagem de voluta. Em turbinas de voluta única, diferenças de pressão irão estar presentes entre diferentes localizações da voluta devido para o fato de fatores tais como abertura e fechamento de válvulas de pistão e devido para o fato de perdas de pressão como fluxos de exaustão em torno da voluta. Em adição, em turbinas de voluta dupla, diferenças de pressão irão estar presentes entre as volutas, também usualmente devido para o fato de fatores tais como abertura e fechamento de válvulas de pistão, pistões alguns dos quais fazem exaustão para uma voluta e alguns dos quais para a outra voluta, e devido para o fato de perdas de pressão como fluxos de exaustão em torno das volutas, uma das quais é convencionalmente mais longa do que a outra.
[021] Um turbocharger (21) em concordância com um aspecto da presente invenção é mostrado na Figura 1 e inclui uma turbina (23) . 0 turbocharger (21) é preferivelmente um turbocharger de geometria fixada. Uma concretização da turbina (23) compreende uma passagem de voluta (25) tal como é observada na Figura 2A compreendendo pelo menos primeira porção e segunda porção. A primeira porção e a segunda porção da passagem de voluta (25) podem tomar várias formas. A turbina (23) compreende uma saida de gás (27) se estendendo axialmente a partir da passagem de voluta (25) e uma roda de turbina (29) compreendendo uma ou mais pás (lâminas) (31) dispostas na saida de gás.
[022] Uma ou mais de diversas estruturas ou recursos adequada/os podem ser proporcionada/os para estabelecimento de um fluxo de bypass entre a primeira porção e a segunda porção da passagem de voluta (25) de maneira tal que algum do ou todo o gás fluindo através da passagem de voluta (25) em direção da saida de gás (23) é permitido fluir para uma ou a outra da primeira porção e da segunda porção antes de vir a alcançar a saida de gás (23) . A estrutura para estabelecimento do fluxo de bypass pode alterar ou interromper fluxo de gás e/ou menor pressão do gás na passagem de voluta quando o fluxo de bypass é estabelecido, de maneira a tender a reduzir a eficiência de turbina. A eficiência de turbina reduzida pode, por sua vez, resultar em temperatura aumentada de gás deixando o (saindo do) motor (33) para o qual o turbocharger (21) é atado. A temperatura de exaustão de motor aumentada pode ser utilizada para ativar catalisadores em sistema de pós- tratamento de exaustão, tais como um filtro de particulado de diesel (DPF), um catalisador de oxidação de diesel (DOC), e/ou um catalisador de redução catalítica seletiva (SCR). Pode também facilitar regeneração do DPF por criação ou auxilio para criar temperaturas suficientemente altas para regeneração fundamentada sobre O2 ou para regeneração fundamentada sobre NO2.
[023] A Figura 2A mostra uma possivel estrutura para estabelecimento do fluxo de bypass que pode ser utilizada em si mesma ou em conjunção com as estruturas mostradas na Figura 2B e/ou na Figura 2C. Especificamente, um conduite (55) pode ser conectado entre uma primeira porção (43) da passagem de voluta (23) próxima para um começo da passagem de voluta (25) , isto é, uma região de entrada, a partir de uma segunda porção (45) da passagem de voluta (25) próxima para a extremidade da passagem de voluta (25) , isto é, uma região de extremidade, e uma válvula controlável (57) pode ser proporcionada no conduite (55) que abre para estabelecer o fluxo de bypass. A válvula controlável (57) pode ser controlada por uma ECU convencional ou outro dispositivo de computação (59), ou por qualquer outro recurso adequado, incluindo operação manual.
[024] Uma das possiveis estruturas para estabilização do fluxo de bypass é observada na Figura 2B e compreende um anel de bocal (35) disposto entre a passagem de voluta (25) e a saida de gás (27). 0 anel de bocal (35) compreende uma pluralidade de palhetas (aletas) (37) adaptadas para direcionar um fluxo de gás a partir da passagem de voluta (25) contra a uma pá (lâmina) ou mais pás (lâminas) (31) da roda de turbina (29) na saida de gás (27). 0 anel de bocal (35) mostrado na Figura 2A e na Figura 2B compreende pelo menos uma palheta de vedação (39) que se estende para uma parede ou lingüeta interna (41) da saida de gás (27) e veda a primeira porção (43) da passagem de voluta (25) a partir da segunda porção (45) da passagem de voluta (25) . Nas concretizações da presente invenção, mostradas nas Figuras 2A - 2C, a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25) tomam a forma de diferentes porções da mesma passagem de voluta (25). Uma ou mais estruturas ou recursos é/são proporcionada/os para movimentação da palheta de vedação (39) relativamente para a passagem de voluta (25) para estabelecer o fluxo de bypass entre a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25). A palheta de vedação (39) é movimentada relativamente para a passagem de voluta (25) por movimentação da palheta de vedação (39) relativamente para um anel de bocal estacionário (35) . Como observado na Figura 2B, isto abre um bypass (uma passagem secundária) ou passagem (47) entre uma primeira porção (43) e uma segunda porção (45) da passagem de voluta (25). 0 padrão (modelo) de fluxo convencional observado na Figura 2A, usualmente um fluxo com minima turbulência, através da passagem de voluta (25) , do anel de bocal (35) , e contra as pás de turbina (31) é interrompido pela abertura do bypass ou passagem (47) na medida em que fluxo de pressão mais alta a partir da primeira porção (43) da passagem de voluta (25) flui para a região de pressão mais baixa na segunda porção (45) da passagem de voluta (25) . Conseqüentemente, a eficiência de turbina diminui.
[025] A palheta de vedação (39) pode ser movimentada de qualquer maneira adequada, tal como, por exemplo, por ser montada sobre uma haste articulável (49) montada em uma parede do alojamento de turbina e é voltada (virada) através de um ângulo limitado por um dispositivo (51) (mostrado esquematicamente na Figura 1) tal como um solenoide, um motor, ou um outro recurso adequado. Convencionalmente, a haste articulável (49) irá se estender através de uma parede do alojamento de turbina e a haste articulável (49) e a palheta de vedação (39) irão ser voltadas por um dispositivo (51) montado no exterior da turbina, embora disposições numerosas possam ser contempladas para tração da haste articulável (49) e da palheta de vedação (39), e incluindo dispositivos que deveriam ser parcialmente ou completamente dispostos no interior do alojamento de turbina, não necessariamente a partir do exterior da turbina.
[026] Uma outra das possíveis estruturas para estabelecimento do fluxo de bypass é observada na turbina (123) mostrada na Figura 2C e compreende um anel de bocal (135) disposto entre a passagem de voluta (125) e a saída de gás (127). 0 anel de bocal (135) compreende uma pluralidade de palhetas (137) e a saída de gás (127) . 0 anel de bocal (135) compreende uma pluralidade de palhetas (137) adaptada para direcionar um fluxo de gás a partir da passagem de voluta (125) contra a uma pá ou mais pás (131) da roda de turbina (129) na saída de gás (127) . Na medida em que o anel de bocal (35) mostrado na Figura 2A e na Figura 2B, o anel de bocal (125) mostrado na Figura 2C compreende pelo menos uma palheta de vedação (139) que se estende para uma parede ou lingüeta interna (141) da saída de gás (127) e veda uma primeira porção (143) da passagem de voluta (125) próxima para um começo da passagem de voluta (125) a partir da segunda porção (145) da passagem de voluta (125) próxima para a extremidade da passagem de voluta (125). Uma ou mais estruturas ou recursos são proporcionada/os para movimentação do anel de bocal (125) para estabelecer o fluxo de bypass entre primeira porção (143) e a segunda porção (145) da passagem de voluta (125). Como observado na Figuras 2C, isto abre um bypass (uma passagem secundária) ou passagem (147) entre uma primeira porção (143) e uma segunda porção (145) da passagem de voluta (125). 0 padrão (modelo) de fluxo convencional através da passagem de voluta (125), do anel de bocal (135), e da saída de gás (127) para a turbina (123) quando o anel de bocal (135) não é movimentado para abrir o bypass ou passagem (147) é substancialmente o mesmo como o padrão de fluxo convencional para a turbina (23) observado na Figura 2A. Este fluxo, usualmente um fluxo com minima turbulência, através da passagem de voluta (125), do anel de bocal (135) e contra as pás (lâminas) de turbina (131) é interrompido pela abertura do bypass ou da passagem (147) na medida em que fluxo em pressão mais alta a partir da primeira porção (143) da passagem de voluta (125) flui para a região de pressão mais baixa na segunda porção (145) da passagem de voluta (125). Consequentemente, a eficiência de turbina diminui. 0 anel de bocal (135) pode ser movimentado de qualquer maneira adequada, tal como, por exemplo, por provisão de uma superfície engrenada externa (149) (mostrada em tracejado) sobre o ou conectada para o anel de bocal (135) que se emparelha com uma engrenagem de tração (151) (mostrada em tracejado na Figura 2C) que é disposta no alojamento de turbina ou pelo menos parcialmente se estende através de uma parede do alojamento de turbina e é fracionada através de um ângulo limitado por um motor (153) (mostrado em tracejado), ou outro recurso adequado, que pode ser disposto no exterior, no interior, ou parcialmente no interior e parcialmente no exterior do alojamento de turbina. Um acionador linear externo que pode ser reciproco com um componente de eixo ou de acoplamento (ligação) que se estende através de uma abertura no alojamento de turbina e movimenta um acoplamento que converte movimento linear do eixo para movimento rotacional do anel (ou de uma palheta) é presentemente acreditado ser particularmente útil devido para o fato de que somente uma vedação única onde o eixo ou acoplamento se estende através do alojamento é necessitada. Pode também ser possivel movimentar o anel (ou a palheta) por recurso que não requer uma conexão mecânica se estendendo através do alojamento de turbina, tal como, por exemplo, por provisão de magnetos permanentes sobre o anel e movimentação do anel por intermédio de um campo magnético em torno do alojamento de turbina.
[027] Se a integridade de anel de bocal (135) é movimentada como observado na Figura 2C, a pluralidade de palhetas (137) e (139) sobre o anel de bocal (135) é também movimentada. Se as palhetas (137) e (139) são orientadas para conseguir máxima eficiência de turbina quando orientado como mostrado na Figura 2A, eficiência de turbina pode ser diminuída por volta (virada) do anel de bocal (135) relativamente para a passagem de voluta (125) através de um pequeno ângulo. Convencionalmente, o anel de bocal (135) rotaciona em torno de um eixo geométrico da roda de turbina (129) através de um arco de não mais do que um arco entre as pontas de periferia as mais externas de quaisquer duas palhetas adjacentes (137) e (139) sobre o anel de bocal (135) . Por exemplo, se o anel de bocal (135) possui 18 palhetas (137) e (139) espaçadas a cada 20° em torno do anel de bocal circular, o anel de bocal (135) poderia ser movimentado tanto quanto 20°, mas mais tipicamente irá ser movimentado através de um ângulo de menos do que 20°, tal como um ângulo entre Io e 19°, mais tipicamente entre 5o e 15°, e ainda mais tipicamente, em torno de 10°. Por uma tal movimentação angular, gás que foi defletido (desviado) pelas palhetas (137) e (139) em direção da uma pá ou mais pás (131) da roda de turbina (129) em um ângulo como observado na Figura 2A [ilustrado por flechas se estendendo através do anel de bocal (35) ] irá ser defletido de uma maneira um pouco diferente [ilustrada por flechas se estendendo através do anel de bocal (135) na Figura 2C] . Enquanto não desejando ser vinculado pela teoria, a movimentação do anel de bocal (135) a partir de uma posição na qual a turbina está em eficiência máxima através de um ângulo limitado para uma segunda posição pode gerar mais turbulência na turbina (123) e diminuir sua eficiência. Alteração de fluxo de gás a partir da passagem de voluta (125) através das palhetas (137) e (139) para a saida de gás (127) pode resultar em eficiência de turbina mais baixa, na medida em que pode existir introdução do gás para a saida de gás (127) contra as pás de turbina (131) em um ângulo sub-otimizado.
[028] A Figura 3A mostra uma concretização da presente invenção de uma turbina (223) que pode ser utilizada no turbocharger (21) mostrado na Figura 1 ao invés da turbina (23) . A turbina (223) compreende uma passagem de voluta dupla (225) compreendendo uma primeira passagem de voluta (225') e uma segunda passagem de voluta (225' ' ) que, respectivamente, correspondem para primeira porção (243) e segunda porção (245) da passagem de voluta (225). A turbina (223) compreende uma saida de gás (227) se estendendo axialmente a partir da primeira passagem de voluta (225') e da segunda passagem de voluta (225'') e uma roda de turbina (229) compreendendo uma pá ou mais pás (231) dispostas na saida de gás (227).
[029] Como com a turbina (23) com a passagem de voluta única nas Figuras 2A - 2C, uma ou mais de diversas estruturas ou recurso adequada/os pode/m ser entre a primeira porção (243) e a segunda porção (245) das passagens de voluta (225' ) e (225' ' ) , de maneira tal que algum do ou todo o gás fluindo através das passagens de voluta (225) em direção da saida de gás (227) é permitido fluir para uma ou para a outra da primeira porção (243) e da segunda porção (245) antes que venha a alcançar a saida de gás (227) . A estrutura para estabelecimento do fluxo de bypass pode alterar ou interromper fluxo de gás e/ou menor pressão do gás na passagem de voluta (225) quando o fluxo de bypass é estabelecido, de maneira a assim tender a reduzir eficiência de turbina. Eficiência de turbina reduzida pode, por sua vez, resultar na temperatura aumentada de gás deixando o (saindo do) motor (33) para o qual o turbocharger (21) é atado. A temperatura de exaustão de motor aumentada pode ser utilizada para ativar catalisadores em equipamento de sistema de pós-tratamento de exaustão, tais como um filtro de particulado de diesel (DPF), um catalisador de oxidação de diesel (DOC), e/ou um catalisador de redução catalitica seletiva (SCR). Pode também facilitar regeneração do DPF por criação ou auxilio para criar temperaturas suficientemente altas para regeneração fundamentada sobre O2 ou para regeneração fundamentada sobre NO2.
[030] A Figura 3A mostra uma possivel estrutura para estabelecimento do fluxo de bypass que pode ser utilizada em si mesma ou em conjunção com as estruturas mostradas na Figura 3B e/ou na Figura 3C. Especificamente, um conduite (255) pode ser conectado entre uma primeira porção (243) da passagem de voluta (225) formada pela primeira passagem de voluta (225') a partir de uma segunda porção (245) da passagem de voluta (225) formada pela segunda passagem de voluta (225'') e uma válvula controlável (257) pode ser proporcionada no conduite que abre para estabelecer o fluxo de bypass. A válvula controlável (257) pode ser controlada por uma ECU convencional ou outro dispositivo de computação (59) , ou por qualquer outro recurso adequado, incluindo operação manual.
[031] Uma das possíveis estruturas para estabilização do fluxo de bypass é observada na Figura 3B e compreende um anel de bocal (235) disposto entre a passagem de voluta (225) [isto é, a primeira passagem de voluta (225') e a segunda passagem de voluta (225'')] e a saida de gás (227). 0 anel de bocal (235) compreende uma pluralidade de palhetas (237) adaptadas para direcionar um fluxo de gás a partir da passagem de voluta (225) contra a uma pá ou mais pás (229) na saida de gás (227) . 0 anel de bocal (235) mostrado na Figura 3A e na Figura 3B compreende pelo menos duas palhetas de vedação (239) que se estendem para porções de parede ou lingüetas internas (241) da saida de gás (227) que separa a porção da primeira passagem de voluta (225') que se encontra a saida de gás (227) a partir da porção de segunda passagem de voluta (225'') e veda a primeira porção (243) da passagem de voluta (225) , isto é, a primeira passagem de voluta (225'), a partir da segunda porção (245) da passagem de voluta (225), isto é, a segunda passagem de voluta (225") . Nas concretizações da presente invenção mostradas nas Figuras 3A - 3C, a primeira porção (243) e a segunda porção (245) da passagem de voluta (225) tomam a forma de diferentes passagens de voluta. Uma ou mais movimentação das palhetas de vedação (239) relativamente para a passagem de voluta (225) para estabelecer o fluxo de bypass entre a primeira porção (243) e a segunda porção (245) da passagem de voluta (225). As palhetas de vedação (239) são movimentadas relativamente para a passagem de voluta (225) por movimentação a palheta de vedação (239) relativamente para um anel de bocal estacionário (235). Como observado na Figura 3B, isto abre bypasses (passagens secundárias) ou passagens (247) entre uma primeira porção (243) e uma segunda porção (245) da passagem de voluta (225). 0 padrão (modelo) de fluxo convencional observado na Figura 3A, usualmente um fluxo com minima turbulência, através da passagem de voluta (225), do anel de bocal (235), e contra as pás de turbina (231) é interrompido pela abertura dos bypasses (passagens secundárias) ou passagens (247) na medida em que fluxo de pressão mais alta a partir da primeira porção (243) da passagem de voluta (225) flui para a região de pressão mais baixa na segunda porção (245) da passagem de voluta (225) , ou fluxo de pressão mais alta a partir da segunda porção (245) flui para a região de pressão mais baixa na primeira porção (243), dependendo de qual porção possui, no periodo de tempo particular, pressão mais alta ou mais baixa. Consequentemente, a eficiência de turbina diminui.
[032] As palhetas de vedação (239) podem ser movimentadas de qualquer maneira adequada, tal como, por exemplo, por serem montadas sobre uma haste articulável (249) montada em uma parede do alojamento de turbina, e podem ser voltadas (viradas) através de um ângulo limitado por um dispositivo tal como uma solenoide, um motor, ou um outro recurso adequado [motor (51) esquematicamente mostrado na Figura 1] . Convencionalmente, a haste articulável (249) irá se estender através de uma parede do alojamento de turbina e a haste articulável (249) e a palheta de vedação (239) irão ser voltadas por um dispositivo (251) montado no exterior da turbina, embora numerosas disposições possam ser contempladas para tração da haste articulável (249) e da palheta de vedação (239), e incluindo dispositivos que deveriam ser dispostos no interior do alojamento de turbina, não necessariamente a partir do exterior da turbina.
[033] Uma outra das possiveis estruturas para estabelecimento do fluxo de bypass é observada na Figura 3C e compreende um anel de bocal (335) disposto entre a passagem de voluta (325) e a saida de gás (327). A passagem de voluta (325) compreende uma primeira passagem de voluta (325') e uma segunda passagem de voluta (325'') que, respectivamente, correspondem para primeira porção (343) e segunda porção e (345) da passagem de voluta (325). O anel de bocal (335) compreende uma pluralidade de palhetas (aletas) (337) adaptada para direcionar um fluxo de gás a partir da passagem de voluta (325) contra a uma pá ou mais pás (331) da roda de turbina (329) na saida de gás (327). O anel de bocal (335) mostrado na Figura 3C, como o anel de bocal (235) mostrado nas Figuras 3A - 3B, compreende pelo menos duas palhetas de vedação (339) que se estendem para porções de parede ou lingüetas internas (341) da saida de gás (327) e vedam a primeira porção (343) da passagem de voluta (325), isto é, a primeira passagem de voluta (325'), a partir de uma segunda porção (345) da passagem de voluta (325), isto é, a segunda passagem de voluta (325''). Uma ou mais estruturas ou recursos é/são proporcionada/os para movimentação do anel de bocal (335) relativamente para a passagem de voluta (325) para estabelecer o fluxo de bypass entre a primeira porção (343) e a segunda porção (345) da passagem de voluta (325). Como observado na Figura 3C, isto abre um bypass (uma passagem secundária) ou passagem (347) entre uma primeira porção (343) e uma segunda porção (345) da passagem de voluta (325) . 0 padrão (modelo) de fluxo convencional através da passagem de voluta (325), do anel de bocal (335) , e da saida de gás (327) para a turbina (323) quando o anel de bocal (335) não é movimentado para abrir o bypass ou passagem (347) é substancialmente o mesmo como o modelo de fluxo convencional para a turbina (223) observado na Figura 3A. Este fluxo, usualmente um fluxo com minima turbulência, através da passagem de voluta (325), do anel de bocal (335) , e contra as pás de turbina (331) é interrompido pela abertura do bypass ou da passagem (347) na medida em que fluxo de pressão mais alta a partir da primeira porção (343) da passagem de voluta (325) flui para a região de pressão mais baixa na segunda porção (345) da passagem de voluta (325), ou fluxo de pressão mais alta a partir da segunda porção (345) flui para a região de pressão mais baixa na primeira porção (343), dependendo de qual porção possui, no periodo de tempo particular, pressão mais alta ou mais baixa. Consequentemente, a eficiência de turbina diminui. 0 anel de bocal (335) pode ser movimentado de qualquer maneira adequada, tal como por provisão de uma superfície engrenada exterior (349) (mostrada em tracejado) sobre o ou conectada para o anel de bocal (335) que se emparelha com uma engrenagem de tração (351) (mostrada em tracejado) que é disposta no alojamento de turbina ou pelo menos parcialmente se estende através de uma parede do alojamento de turbina e é tracionada através de um ângulo limitado por um motor (353) (mostrado em tracejado), ou um outro recurso adequado, que pode ser disposto no exterior, no interior, ou parcialmente no interior e parcialmente no exterior do alojamento de turbina.
[034] Se a integridade de anel de bocal (335) é movimentada como observado na Figura 3C, a pluralidade de palhetas (337) e (339) sobre o anel de bocal (335) é também movimentada. Se as palhetas (337) e (339) são orientadas para conseguir máxima eficiência de turbina quando orientadas como mostrado na Figura 3A, eficiência de turbina pode ser diminuída por volta (virada) do anel de bocal (335) relativamente para a passagem de voluta (325) através de um pequeno ângulo. Convencionalmente, o anel de bocal (335) rotaciona em torno de um eixo geométrico da roda de turbina (329) através de um arco de não mais do que um arco entre pontas de periferia as mais externas de quaisquer duas palhetas adjacentes (337) e (339) sobre o anel de bocal (335) . Por exemplo, se o anel de bocal (335) possui 18 palhetas (337) e (339) espaçadas a cada 20° em torno do anel de bocal circular, o anel de bocal (335) poderia ser movimentado tanto quanto 20°, mas mais tipicamente irá ser movimentado através de um ângulo de menos do que 20°, tal como um ângulo entre Io e 19°, mais tipicamente entre 5o e 15°, e ainda mais tipicamente, em torno de 10°. Por uma tal movimentação angular, gás que foi defletido (desviado) pelas palhetas (337) e (339) em direção da uma pá ou mais pás (331) da roda de turbina (329) em um ângulo como observado na Figura 3A irá ser defletido de uma maneira um pouco diferente. Enquanto não desejando ser vinculado pela teoria, a movimentação do anel de bocal (335) a partir de uma posição na qual a turbina está em eficiência máxima através de um ângulo limitado para uma segunda posição pode gerar mais turbulência na turbina (323) e diminuir sua eficiência. Alteração de fluxo de gás a partir da passagem de voluta (325) através das palhetas (337) e (339) para a saida de gás (327) pode resultar em eficiência de turbina mais baixa, na medida em que pode existir introdução do gás para a saida de gás (327) contra as pás de turbina (331) em um ângulo sub- otimizado.
[035] Um método em concordância com um aspecto da presente invenção para ajustamento de temperatura de gás de exaustão em um motor compreendendo uma turbina disposta para receber exaustão de motor é descrito com referência para o motor (33) mostrado na Figura 1. Para propósitos de ilustração, o método irá ser descrito em conexão com uma turbina de voluta única (23) como mostrada nas Figuras 2A - 2B, exceto onde de outra maneira especificado. Irá ser apreciado que a descrição do método em conexão com a turbina de voluta única (23) é também genericamente aplicável para a turbina de voluta única (123) mostrada na Figura 2C e para as turbinas de voluta dupla (223) e (323) mostradas nas Figuras 3A - 3C, exceto onde de outra maneira especificado.
[036] No método em concordância com um aspecto da presente invenção, gás de exaustão de motor é provocado a fluir a partir do motor (33) (Figura 1) através de uma passagem de voluta (25) da turbina (23) em direção de uma saida de gás (27) da turbina (23) . A passagem de voluta (25) compreende pelo menos primeira porção (43) e segunda porção (45) . Um fluxo de bypass do gás de exaustão é provocado a fluir através de um bypass (uma passagem secundária) (47) entre a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25). Por estabelecimento do bypass (47) e do fluxo de bypass, a eficiência da turbina (23) irá convencionalmente ser diminuida relativamente para a condição guando não existe nenhum bypass, e a temperatura de exaustão irá convencionalmente se elevar.
[037] Na concretização das Figuras 2A - 2B, como na concretização da Figura 2C, a primeira porção (43) da passagem de voluta (25) está próxima de um começo da passagem de voluta (25) e a segunda porção (45) está próxima de uma extremidade (um final) da passagem de voluta (25), e a primeira porção (43) e a segunda porção (45) são separadas por uma lingüeta (41). Na concretização da presente invenção das Figuras 3A - 3C, a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25) são primeira passagem de voluta e segunda passagem de voluta de uma passagem de voluta dupla que são separadas por duas lingüetas.
[038] Referindo-se para a concretização da presente invenção das Figuras 2A - 2B para propósitos de ilustração, o gás de exaustão é direcionado por um anel de bocal compreendendo uma pluralidade de palhetas (aletas) (37) e (39) dispostas em uma primeira orientação relativamente para a passagem de voluta (25) contra uma ou mais pás (lâminas ) (31) da roda de turbina (29) na saida de gás (27) da turbina (23) . 0 anel de bocal (35) compreende pelo menos uma palheta de vedação (39) gue, durante operação convencional, é disposta de maneira que a primeira porção (43) da passagem de voluta (25) é vedada a partir da segunda porção (45) da passagem de voluta (25).
[039] 0 bypass (47) para estabelecimento do fluxo de bypass entre a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25) é aberto por movimentação da palheta de vedação (39) relativamente para a passagem de voluta (25). Na concretização da presente invenção das Figuras 2A - 2B (e na concretização da presente invenção das Figuras 3A - 3B) , a palheta de vedação (39) é movida relativamente para a passagem de voluta (25) por movimentação da palheta de vedação relativamente para o anel de bocal (35).
[040] Na concretização da presente invenção da Figura 2C (e na concretização da presente invenção da Figura 3C) , a palheta de vedação (139) é movimentada relativamente para a passagem de voluta (125) por movimentação do anel de bocal (135) relativamente para a passagem de voluta (25). A movimentação do anel de bocal (135) a partir de uma primeira posição, por exemplo, uma posição assemelhada à posição mostrada na Figura 2A (ou na Figura 3A) para uma segunda posição, por exemplo, uma posição assemelhada à posição mostrada na Figura 2C (ou na Figura 3C) relativamente para a passagem de voluta (125) altera o fluxo de gás de exaustão a partir da passagem de voluta (125) para a saida de gás (127) através da pluralidade de palhetas (137) e (139) . A alteração do fluxo de gás na turbina (23) a partir de um fluxo de gás [ilustrado por flechas se estendendo através do anel de bocal (35)] como mostrado na Figura 2A, que irá ser assumido conseguir a eficiência de turbina otimizada, para um fluxo de gás [ilustrado por flechas se estendendo através do anel de bocal (135)] como mostrado na Figura 2C, pode também reduzir a eficiência de turbina e, por consequência, aumentar a temperatura de exaustão.
[041] Em quaisquer das concretizações ilustradas da presente invenção, um fluxo de bypass pode ser conseguido por estabelecimento de um bypass por intermédio de um conduite (55) conectado para a primeira porção (43) e para a segunda porção (45) da passagem de voluta (25), tal como por abertura de uma válvula (57) no conduite (55) . Em adição, a concretização da presente invenção das Figuras 2A - 2B incluindo um anel de bocal (35) com uma palheta de vedação movivel (39) pode ser combinada com a concretização da presente invenção da Figura 2C incluindo um anel de bocal movivel (135). Em adição, a concretização da presente invenção das Figuras 3A - 3B incluindo um anel de bocal (235) com palhetas de vedação moviveis (239) pode ser combinada com a concretização da presente invenção da Figura 3C incluindo um anel de bocal movivel (335).
[042] A provisão de um anel de bocal movivel ou de palhetas de anel de bocal possibilita controle de velocidade de roda de turbo [turbo wheel speed (TWS)] e pressão de retorno de exaustão, como é feito em motores utilizando um turbocharger de geometria variável ou dispositivo de válvula reguladora de exaustão. Isto pode facilitar frenagem de motor e controle de fluxo de EGR (por intermédio de restrição/pressão de retorno).
[043] Adicionalmente, projetos (designs) de motores correntes (de hoje em dia) são limitados em projeto de turbina por várias restrições mecânicas e fisicas. Com uma turbina que é projetada para funcionar em uma alta velocidade (130.000 rpm, por exemplo), a turbina tem que ser projetada para ser mecanicamente firme (ressonante) nesta velocidade e aerodinamicamente capaz, isto é, não atingindo fluxo estrangulado ou onda (sobretensão) estrangulada, etc. Se a velocidade de pico pode ser limitada com uma tecnologia (diga-se de 110.000 rpm), a turbina pode ser reprojetada para novas restrições, e a eficiência de turbina pode ser aperfeiçoada. Assim, controle de velocidade possibilita para um projeto global mais otimizado.
[044] Aspectos da presente invenção permitem provisão de substancialmente todas das vantagens de uma VGT em qualquer turbina, não exatamente uma turbina que é parte de uma unidade de turbocharger mecanicamente acoplada.
[045] No presente pedido de invenção, a utilização de expressões tais como "incluindo" é de significação abrangente, e são intencionadas para possuir o mesmo significado como expressões tais como "compreendendo" e não excluem a presença de outra estrutura, material ou atos. Similarmente, ainda que com a utilização de expressões tais como "pode" ou "deve", se queira intencionar que sejam de significação abrangente e para refletir que aquela estrutura, material, ou atos não são necessários; a insuficiência para utilização de tais expressões não é intencionada para refletir que aquela estrutura, material, ou atos são essenciais. Na medida em que a extensão em que aquela estrutura, material ou atos são presentemente considerados serem essenciais, aquela estrutura, material ou atos são identificados como tais.
[046] Enquanto a presente invenção tenha sido ilustrada e descrita em concordância com uma concretização preferida, é reconhecido que variações e mudanças podem ser feitas dentro da mesma sem afastamento a partir da presente invenção como estabelecida nas reivindicações de patente subsequentemente.
[047] Portanto, a presente invenção não deve ser considerada como sendo limitada para as concretizações descritas anteriormente, e deverá ser observado por aqueles especializados no estado da técnica que um número de variações e de modificações é conceptivel dentro do escopo de proteção e conceito inventivo da presente invenção como estabelecidos pelas reivindicações de patente posteriormente.
Claims (11)
1. Um turbocharger (21), caracterizado pelo fato de que compreende: - uma turbina (23) compreendendo: • uma passagem de voluta (25) compreendendo pelo menos uma primeira porção (43) adjacente a um começo da passagem de voluta (25) e uma segunda porção (45) adjacente a uma extremidade da passagem de voluta (25); • uma saída de gás (27) se estendendo axialmente a partir da passagem de voluta (25); • uma roda de turbina (29) compreendendo uma ou mais pás (31) dispostas na saída de gás (27); e • recurso para estabelecimento de um fluxo de bypass da primeira porção (43) para a segunda porção (45) da passagem de voluta (25); - em que o recurso para estabelecimento de um fluxo de bypass compreende um anel de bocal (35) disposto entre a passagem de voluta (25) e a saída de gás (27), o anel de bocal (35) compreendendo uma pluralidade de palhetas (37) fixas em relação ao anel de bocal (35), adaptadas para direcionar um fluxo de gás a partir da passagem de voluta (25) contra a uma ou mais pás (31) da roda de turbina (29) na saída de gás (27), as primeira e segunda porções da passagem de voluta (25) sendo providas radialmente para fora do anel de bocal (35), o anel de bocal (35) compreendendo, além da pluralidade de palhetas (37), pelo menos uma palheta de vedação (39) que veda a primeira porção (43) da passagem de voluta (25) a partir da segunda porção (45) da passagem de voluta (25), e recurso para movimentação da palheta de vedação (39) relativamente para a passagem de voluta (25) para estabelecer um fluxo de bypass da primeira porção (43) para a segunda porção (45) da passagem de voluta (25), de maneira a abrir um bypass ou passagem da primeira porção (43) para a segunda porção da passagem de voluta (25), onde o recurso para movimentação da palheta de vedação (39) compreende recurso para movimentação da palheta de vedação (39) relativamente ao anel de bocal (35), e onde a palheta de vedação (39) é adaptada para movimentação relativamente à passagem de voluta (25) por meio de movimentação do anel de bocal (35) relativamente à passagem de voluta (25).
2. O turbocharger de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o recurso para movimentação do anel de bocal (35) rotaciona o anel de bocal (35) em torno de um eixo geométrico da roda de turbina (29) através de um arco de não mais do que um arco entre pontas periféricas as mais externas de quaisquer duas palhetas (37) adjacentes sobre o anel de bocal (35).
3. O turbocharger de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o recurso para estabelecimento de um fluxo de bypass compreende um conduíte (55) conectado entre a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25) e uma válvula controlável (57) no conduite que abre para estabelecer o fluxo de bypass.
4. O turbocharger de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira porção (43) e a segunda porção (45) do fluxo de bypass compreendem uma região de entrada e uma região de extremidade da passagem de voluta (25).
5. O turbocharger de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de voluta (25) é uma passagem de voluta (25) dupla e a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25) compreendem primeira e segunda passagens de voluta.
6. Um método para ajustamento de temperatura de gás de exaustão em um motor compreendendo uma turbina (23) disposta para receber exaustão de motor, caracterizado pelo fato de que compreende: - provocar que gás de exaustão de motor venha a fluir através de uma passagem de voluta (25) da turbina (23) em direção de uma saída de gás (27) da turbina (23), a passagem de voluta (25) compreendendo pelo menos uma primeira porção (43) adjacente a um começo da passagem de voluta (25) e uma segunda porção (45) adjacente a uma extremidade da passagem de voluta (25); - direcionamento do gás de exaustão contra uma ou mais pás (31) da roda de turbina (29) na saída de gás (27) da turbina (23) com um anel de bocal (35) compreendendo uma pluralidade de palhetas (37) dispostas em uma primeira orientação relativamente para a passagem de voluta (25) e de maneira fixa em relação ao anel de bocal (35); e - estabelecimento de um fluxo de bypass entre a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25); - em que o anel de bocal (35) compreende, além da pluralidade de palhetas (37), pelo menos uma palheta de vedação (39) disposta de maneira que a primeira porção (43) da passagem de voluta (25) é vedada a partir da segunda porção (45) da passagem de voluta (25), o fluxo de bypass sendo estabelecido da primeira porção (43) para a segunda porção (45) da passagem de voluta (25) por movimentação da palheta de vedação (39) relativamente para a passagem de voluta (25), as primeira e segunda porções da passagem de voluta (25) sendo providas radialmente para fora do anel de bocal (35), e movimentação da palheta de vedação (39) relativamente à passagem de voluta (25) por meio de movimentação do anel de bocal (35) relativamente à passagem de voluta (25), de maneira a abrir um bypass ou passagem da primeira porção (43) para a segunda porção da passagem de voluta (25).
7. O método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende movimentação da palheta de vedação (39) relativamente para a passagem de voluta (25) por movimentação da palheta de vedação (39) relativamente para o anel de bocal (35).
8. O método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende alteração de fluxo de gás a partir da passagem de voluta (25) através da pluralidade de palhetas (37) e para a saída de gás (27) por movimentação do anel de bocal (35) a partir de uma primeira posição relativamente para a passagem de voluta (25) para uma diferente segunda posição relativamente para a passagem de voluta (25).
9. O método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende estabelecimento de um fluxo de bypass por abertura de uma válvula em um conduíte (55) conectado entre a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25).
10. O método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25) compreendem uma região de entrada e uma região de extremidade da passagem de voluta (25).
11. O método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a passagem de voluta (25) é uma passagem de voluta (25) dupla e a primeira porção (43) e a segunda porção (45) da passagem de voluta (25) compreendem primeira e segunda passagens de voluta.
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