BR112017007139B1 - Dispositivo de carregamento para um motor de combustão interna e método de operação para o dispositivo de carregamento - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um dispositivo de carregamento e a um método de operação para o dito dispositivo de carregamento para um motor de combustão interna (1), tendo um turbocompressor de escape (4) e um carregador de recuperação (12), com uma turbina de compressor (13) e um motor-gerador eletromecânico (14) acoplado à mesma. O lado de alta pressão (HP) da turbina de compressor (13) pode ser conectado, por meio de uma disposição de válvula, à linha de alimentação de ar fresco (7) antes do turbocompressor de escape (4) em um lado e, no outro lado, à linha de alimentação de ar de carga (8) depois do turbocompressor de escape (4), onde o ar fresco pode ser sugado ou o ar de carga soprado via o lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressor. O carregador de recuperação (12) pode ser comutado, por meio de uma disposição de válvula e do motor-gerador, entre um modo de operação padrão, um modo de operação de amplificador e um modo de operação de recuperação, onde o carregador de recuperação opera, em um lado, no modo de operação de amplificador, acionado pelo motor-gerador (14), como um compressor para o aumento de pressão na linha de alimentação de ar fresco (8), ou, no (...).

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de carre gamento para um motor de combustão interna apresentando um tur-bocompressor de gás de escape, e a um método de operação para o dito dispositivo de carregamento.

[0002] Turbocompressores de gás de escape são cada vez mais utilizados para aumentar a potência em motores de combustão interna, em particular, em veículos a motor. Isto é feito cada vez mais comu- mente com o objetivo de reduzir o tamanho estrutural e o peso do motor de combustão interna enquanto mantém o mesmo nível de potência ou mesmo alcança um maior nível de potência, e, ao mesmo tempo, reduz o consumo e, portanto, as emissões de CO2, no contexto de regulamentos legais cada vez mais rigorosos. O princípio de operação consiste em utilizar a energia contida no fluxo de gás de escape para aumentar a pressão no sistema de admissão do motor de combustão interna e assim realizar um carregamento aperfeiçoado da câmara de combustão com oxigênio do ar e a fim de poder, portanto, converter mais combustível, gasolina ou diesel, por processo de combustão, isto é, aumentar a potência do motor de combustão interna.

[0003] Para esta finalidade, um turbocompressor de gás de esca pe apresenta uma turbina, que é disposta no sistema de gás de escape do motor de combustão interna e que apresenta um rotor de turbina acionado pelo fluxo de gás de escape, e um compressor, que é disposto no sistema de admissão e que apresenta um rotor de compressor que acumula a pressão. O rotor da turbina e o rotor do compressor são rotacionalmente presos conjuntamente às extremidades opostas de um eixo de rotor que é rotativamente montado em uma unidade de mancal disposta entre a turbina e o compressor. Desse modo, por meio do fluxo de massa de gás de escape, a roda da turbina e, via o eixo de rotor, por sua vez, a roda de compressor são acionadas, e a energia do gás de escape é assim utilizada para acumular pressão no sistema de admissão.

[0004] Turbinas e compressores são turbomáquinas e, devido às leis da física, apresentam uma ótima faixa de operação em uma maneira respectivamente dependente do tamanho estrutural e do design, cuja faixa de operação excelente é caracterizada pela produção de massa, pela relação de pressão e pela velocidade de rotação do respectivo rotor.

[0005] Em contraste a isto, a operação de um motor de combustão interna em um veículo a motor é caracterizada por mudanças dinâmicas da carta e da faixa de operação.

[0006] Agora, para poder adaptar a faixa de operação do tur bocompressor de gás de escape às faixas de operação mutáveis do motor de combustão interna e assim assegurar um comportamento de resposta desejado tanto quanto possível sem desacelerações notáveis (atraso do turbo), os turbocompressores de gás de escape são equipados com funções adicionais, tais como, por exemplo, geometrias variáveis da turbina (VTG) assim chamadas ou dispositivos de válvula de descarga (WG) no lado de escape de gás e dispositivos de sopro ou recirculação de ar de impulso no lado de alimentação de ar. Estes servem para minimizar o comportamento inerte e, portanto, o comportamento de resposta desacelerado do turbocompressor e impedir danos aos estados de operação, tal como, por exemplo, a oscilação do compressor assim chamado.

[0007] Também é conhecido usar combinações de múltiplos tur- bocompressores em uma disposição paralela ou sequencial ou usar compressores adicionais que são operados mecanicamente ou por motor elétrico, compressores ou supercompressores assim chamados, a fim de cobrir as várias condições de operação do motor de combustão interna, a fim de eficientemente aumentar a potência em todas as faixas de rotação e, em particular, durante os processos de aceleração, e, em particular, impedir o atraso do turbo indesejado.

[0008] Um dispositivo de carregamento do dito tipo, que apresenta um turbocompressor de gás de escape convencional e um compressor auxiliar disposto no fluxo de ar fresco em série ou em paralelo com relação ao compressor do turbocompressor, cujo compressor auxiliar apresenta um acionamento independente do fluxo de gás de escape, por exemplo, um acionamento de motor elétrico, é descrito, por exemplo, no documento DE 100 23 022 A1.

[0009] Em contraste, nas fases de operação nas quais a potência do motor de combustão interna é diminuída rapidamente, acontece que, igualmente devido à inércia do turbocompressor, há um excesso da potência do compressor, o que pode resultar na oscilação do compressor. Em tais estados de operação, o gás de escape é conduzido, de modo a desviar da turbina do turbocompressor, para o sistema de gás de escape, por exemplo, por meio de um dispositivo de válvula de descarga, e ar fresco já comprimido é soprado à jusante do compressor ou é expandido via um dispositivo de recirculação de ar de impulso e recirculado para a região de admissão. A disposição e o funcionamento da válvula de recir- culação de ar de impulso do dito tipo são conhecidos, por exemplo, a partir dos documentos DE 28 23 067 C2 e DE 19712850A1.

[0010] Desta forma, a energia disponível é descarregada, não utili zada, no meio ambiente, o que tem um efeito adverso sobre o equilíbrio energético total e, portanto, sobre a eficiência do motor de combustão interna.

[0011] A presente invenção é, portanto, baseada no objetivo de especificar um dispositivo de carregamento e em um método de ope- ração para o mesmo para um motor de combustão interna, que são adequados tanto para auxiliar no acúmulo de pressão de carga por meio do turbocompressor de gás de escape em aceleração ou fases de carga de pico do motor de combustão interna quanto para utilizar, ou tornar utilizável em todo o sistema do veículo a motor, o excesso de energia no sistema de carregamento durante a frenagem ou fases de baixa carga do motor de combustão interna, e assim aumentar a eficiência do motor de combustão interna.

[0012] O dispositivo de carregamento de acordo com a invenção para um motor de combustão interna que apresenta um sistema de admissão e um sistema de gás de escape apresenta um turbocompressor de gás de escape com uma turbina de gás de escape, que é disposta no sistema de gás de escape do motor de combustão interna, e um compressor de ar fresco apresentando um lado de baixa pressão e um lado de alta pressão, que é disposto no sistema de admissão do motor de combustão interna.

[0013] O compressor de ar fresco é conectado, em seu lado de baixa pressão, a uma linha de alimentação de ar fresco, e é conectado, em seu lado de alta pressão, via uma linha de alimentação de ar de carga a uma tubulação de ar de carga do motor de combustão interna. O dispositivo de carregamento é distinguido pela disposição adicional de um carregador de recuperação que apresenta uma turbina de compressor com um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão e que apresenta um motor-gerador eletromecânico acoplado à dita turbina de compressor. Aqui, o lado de alta pressão da turbina de compressor é conectável por meio de uma disposição de válvula, em um lado, à linha de alimentação de ar fresco e, no outro lado, à linha de alimentação de ar de carga do motor de combustão interna, um fluxo de massa de ar fresco pode ser aspirado, ou um fluxo de massa de ar de carga pode ser descarregado, via o lado de baixa pressão da turbina de compressor. Aqui, um fluxo de massa de ar de carga refere- se a um fluxo de massa de ar fresco bombeado em uma pressão elevada à jusante, conforme visto em uma direção de fluxo, do compressor de ar fresco do turbocompressor de gás de escape, isto é, no lado de alta pressão do mesmo.

[0014] Por meio da disposição de válvula e do motor-gerador, o carregador de recuperação é operável primeiramente de forma acionada pelo motor-gerador como um compressor para aumentar a pressão na linha de alimentação de ar fresco, e, em segundo lugar, é ope- rável de forma acionada pelo fluxo de ar de carga como uma turbina para a recuperação de energia por meio do motor-gerador, ou é ope- rável de forma neutra.

[0015] Aqui, a expressão "carregador de recuperação" deve ser entendida como indicando um dispositivo que combina uma turbina tipo impulsor com gerador conectado e um compressor tipo impulsor com motor elétrico conectado em um dispositivo. Desse modo, uma turbina tipo impulsor e um compressor tipo impulsor são combinados em uma unidade para formar o que é referido acima e também abaixo como uma turbina de compressor.

[0016] Do mesmo modo, o motor elétrico e o gerador são combi nados em uma unidade para formar o que é referido acima e também abaixo como um motor-gerador. A turbina de compressor e o motor- gerador são acoplados entre si diretamente ou via uma engrenagem interposta.

[0017] No design da turbina de compressor, é feito uso da caracte rística de impulsores por meio dos quais, primeiramente, quando atingidos por um fluxo de um fluido em pressão elevada do lado de alta pressão, eles podem atuar como uma turbina e gerar um torque de saída e, em segundo lugar, quando acionados por um torque de acionamento, eles mesmos podem gerar um fluxo de fluido com aumento da pressão e, portanto, atuar como um compressor. O design do impulsor correspondente e a orientação de fluxo no alojamento de rotor têm, portanto, para uso como uma turbina de compressor, que permitir ambos os usos pretendidos. Isto pode, em um refinamento vantajoso da turbina de compressor, ser otimizado por meio de uma disposição fixa ou variável das aletas de guia de orientação de fluxo.

[0018] No design do motor-gerador, é feito uso da característica de máquinas elétricas trifásicas por meio das quais, primeiramente, quando uma tensão e uma corrente forem aplicadas às mesmas, elas poderão ser operadas como um motor elétrico com ação de acionamento e, em segundo lugar, quando acionadas por um torque externo, elas mesmas poderão gerar tensão e corrente de saída. O design da máquina trifásica correspondente para uso como um motor-gerador tem, portanto, que permitir ambos os usos.

[0019] A combinação vantajosa da turbina de compressor e do motor-gerador para formar o que é referido acima e também abaixo como um carregador de recuperação vantajosamente permite a operação da turbina de compressor em ambas as direções de fluxo, especificamente como um compressor em um modo de operação de amplificador, quando acionado pela ação de motor elétrico ou como uma turbina, de modo a acionar o gerador, em um modo de operação de recuperação. Uma possibilidade adicional consiste em comutar o motor- gerador para um estado neutro, que corresponde a um estado de roda livre da turbina de compressor e pode ser utilizado em um modo de operação padrão.

[0020] O método de operação de acordo com a invenção para um dispositivo de carregamento de um motor de combustão interna de acordo com a descrição acima é caracterizado pelo fato de o dispositivo de carregamento poder, durante a operação, ser comutado entre um modo de operação padrão ou um modo de operação de amplifica- dor ou um modo de operação de recuperação de forma dependente do comportamento de operação do motor de combustão interna e por meio da disposição de válvula e do motor-gerador do carregador de recuperação.

[0021] Se um comutador for forçado para o modo de operação de amplificador do dispositivo de carregamento no caso de uma demanda de uma maior velocidade de rotação ou na presença de carga elevada do motor de combustão interna, o lado de alta pressão da turbina de compressor será conectado por meio da disposição de válvula à linha de alimentação de ar fresco, e, ao mesmo tempo, o motor-gerador é operado como um motor de acionamento e ar fresco é aspirado via o lado de baixa pressão da turbina de compressor, é comprimido e é alimentado em pressão elevada na linha de alimentação de ar fresco à montante do turbocompressor de gás de escape, o que resulta em um aumento acelerado da pressão na linha de ar de carga e na tubulação de ar de carga e, portanto, em um aumento de torque mesmo em baixa velocidade do motor, e, portanto, em um comportamento de aceleração aperfeiçoado do motor de combustão interna.

[0022] Se, por outro lado, uma rápida diminuição na potência do motor de combustão interna for necessária ou o fluxo de massa de ar de carga que é ou pode ser gerado pelo compressor de ar fresco do turbocompressor de gás de escape não for totalmente exigido na operação de baixa carga, um comutador poderá ser forçado para o modo de operação de recuperação do dispositivo de carregamento. Aqui, o lado de alta pressão da turbina de compressor é conectado por meio da disposição de válvula à linha de alimentação de ar de carga, e, ao mesmo tempo, o motor-gerador é operado como um gerador. Agora, o fluxo de massa de ar de carga não exigido pelo motor de combustão interna é conduzido em alta pressão para a turbina de compressor e, desse modo, aciona o motor-gerador, que, por sua vez, converte o tor que transmitido em energia elétrica que pode ser suprida diretamente para outro dispositivo consumidor no veículo ou para um acumulador. Dessa forma, o excesso de energia no dispositivo de carregamento não é liberado não utilizado no meio ambiente, mas, em vez disso, pode ser suprido para um uso mais conveniente, possivelmente em um ponto posterior no tempo.

[0023] Se o motor de combustão interna for operado, por exemplo, em carga constante média, o dispositivo de carregamento poderá ser comutado para o modo de operação padrão. Aqui, o lado de alta pressão da turbina de compressor é conectado por meio a disposição de válvula à linha de alimentação de ar fresco, e, ao mesmo tempo, o motor-gerador é comutado para um estado neutro, e, portanto, ar fresco pode também ser aspirado por meio da turbina de compressor sem que esta seja adicionalmente comprimida. A pressão de carga gerada pelo turbocompressor de gás de escape é adequada, e o excesso de energia não fica disponível no sistema.

[0024] As vantagens para o dispositivo de carregamento de acordo com a invenção e do método de operação correspondente residem, em particular, no fato de que, dependendo da situação de operação do motor de combustão interna, um rápido aumento de torque e, portanto, de velocidade rotacional se torna possível enquanto impede o "atraso do turbo", e, no caso oposto de um rápido decréscimo na potência, o excesso de energia não tem que ser dissipado não utilizado, mas, em vez disso, pode ser reutilizável.

[0025] Abaixo, concretizações exemplificativas particularmente vantajosas e refinamentos da invenção serão discutidos em maiores detalhes com base nas figuras, embora o assunto da invenção não fique restrito a estes exemplos e, em particular, às combinações de características apresentadas nos mesmo.

[0026] Nos desenhos:

[0027] a Figura 1 é uma ilustração esquemática simplificada de uma concretização exemplificativa do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção em conjunção com um motor de combustão interna no modo padrão;

[0028] a Figura 2 é uma ilustração esquemática simplificada de uma segunda concretização exemplificativa do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção em conjunção com um motor de combustão interna no modo de amplificador;

[0029] a Figura 3 mostra a segunda concretização exemplificativa do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção de acordo com a Figura 2, no modo de recuperação; e

[0030] a Figura 4 mostra uma concretização exemplificativa adici onal do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção, no modo de recuperação.

[0031] Itens de função e designação idênticas são indicados pelas mesmas designações de referência por todas as figuras.

[0032] A concretização exemplificativa da invenção na Figura 2 mos tra, em uma ilustração esquemática, um motor de combustão interna 1, ilustrado, neste caso, como um motor em linha de quatro cilindros, que apresenta um sistema de admissão 2 e um sistema de gás de escape 3. Um turbocompressor de gás de escape 4 é também ilustrado com uma turbina de gás de escape 5 e um compressor de ar fresco 6 e um carregador de recuperação assim chamado 12, que apresenta uma turbina de compressor 13 e um motor-gerador eletromecânico 14.

[0033] O sistema de gás de escape 3 inclui uma tubulação de gás de escape 19, que é conectada ao motor de combustão interna 1, a turbina de gás de escape 5, que é conectada em seu lado de alta pressão HP à tubulação de gás de escape 19, uma linha de descarga de gás de escape 20, que é conectada ao lado de baixa pressão LP da turbina de gás de escape 5, e um conversor catalítico de gás de esca pe 21, um filtro de partículas de fuligem 22 e um silenciador 23, que são dispostos ao longo da linha de descarga de gás de escape 20. O fluxo de massa de gás de escape 25 descarregado do motor de combustão interna 1 é descarregado da tubulação de escape 19 pela turbina de gás de escape 5 na linha de descarga de gás de escape 20 e através do conversor catalítico de gás de escape 21, do filtro de partículas de soot 22 e do silenciador 23 no meio ambiente.

[0034] O sistema de admissão 2 inclui uma tubulação de ar de carga 9, que é conectada ao motor de combustão interna 1, o compressor de ar fresco 6 do turbocompressor de gás de escape 4, e uma linha de alimentação de ar de carga 8, que é conectada, em um lado, via uma válvula borboleta 10 à tubulação de ar de carga 9 e que é conectada, no outro lado, ao lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6. Adicionalmente, o sistema de admissão 2 compreende uma linha de alimentação de ar fresco 7, que é conectada, em um lado, ao lado de baixa pressão LP do compressor de ar fresco 6 e, no outro lado, via um conector de admissão 7a, a uma caixa de filtro de ar fresco. Um carregador de recuperação 12 que apresenta uma turbina de compressor 13 e, acoplado à mesma, um motor-gerador 14, é igualmente atribuído ao sistema de admissão 2. O lado de baixa pressão LP da turbina de compressor 13 é conectado via um conector de admissão 7b à caixa de filtro de ar fresco 18. Ao lado de alta pressão HP da turbina de compressor 13, é conectada uma linha de ramificação 11 que, no ponto de ramificação 11e, é dividida em uma ramificação de ar de carga 11a e uma ramificação de ar fresco 11b. A ramificação de ar fresco 11b é conectada, em um ponto de conexão de ramificação de ar, fresco 11c à linha de alimentação de ar fresco 7, e a ramificação de ar de carga 11a é conectada, em um ponto de conexão de ramificação de ar de carga 11d, à linha de alimentação de ar de carga 8 e, portanto, conecta o lado de alta pressão HP da turbina de compressor 13 tanto ao lado de baixa pressão LP do compressor de ar fresco 6 do turbocompressor de gás de escape 4 via a linha de ramificação 11, a ramificação de ar fresco 11b e a linha de alimentação de ar fresco 7 quanto ao lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 do turbocompressor de gás de escape 4 via a linha de ramificação 11, a ramificação de ar de carga 11a e a linha de alimentação de ar de carga 8. Além disso, um resfriador de ar de carga 17 é disposto na linha de alimentação de ar de carga 8, entre o lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 e o ponto de conexão de ramificação de ar de carga 11d.

[0035] Na ramificação de ar fresco 11b e na ramificação de ar de carga 11a e também na linha de alimentação de ar fresco 7 entre o ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c e o conector de admissão 7a da linha de alimentação de ar fresco 7, isto é, à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c em um fluxo de massa de ar fresco 24, é disposta, em cada caso, uma válvula de interrupção (15a, 15b, 15c). Através de ajuste de válvula correspondente das válvulas de interrupção (15a, 15b, 15c), a direção de fluxo do fluxo de massa de ar fresco 24, indicado aqui pelas setas claras, na linha de ramificação 11 e via a turbina de compressor 13 pode ser comudada.

[0036] O ajuste de válvula das válvulas de interrupção (15a, 15b, 15c) mostradas na Figura 1 caracteriza o modo de operação padrão do dispositivo de carregamento, que será ajustado quando o motor de combustão interna 1 estiver funcionando em uma carga mais ou menos constante em uma faixa de velocidade de rotação de baixa a média mais ou menos constante. Aqui, a válvula de interrupção 15c e, portanto, a linha de alimentação de ar fresco 7 à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c na direção do fluxo de massa de ar fresco 24, e a válvula de interrupção 15b e, portanto, a ramificação de ar fresco 11b, estão abertas, e a válvula de interrupção 15a e, portanto, a ramificação de ar de carga 11a estão fechadas. Ao mesmo tempo, o motor-gerador 14 do carregador de recuperação 12 é comutado para um estado neutro, o que é simbolizado pelo fato de ambas as designações de "motor" e de "gerador" terem sido riscadas.

[0037] No modo de operação padrão, portanto, um fluxo de massa de ar fresco 24 é aspirado pelo lado de baixa pressão LP do compressor de ar fresco 6 do turbocompressor de gás de escape 4 a partir da caixa de filtro de ar fresco 18 via o conector de admissão 7a da linha de alimentação de ar fresco 7 e igualmente via a ramificação de ar fresco 11, a turbina de compressor de roda livre 13 e o conector de admissão 7b da turbina de compressor 13. No compressor de ar fresco 6 do turbocompressor de gás de escape 4, o fluxo de massa de ar fresco 24 é comprimido e é, no lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6, bombeado em pressão elevada para a linha de alimentação de ar de carga 8 e via a válvula borboleta pelo menos parcialmente aberta 10 e a tubulação de ar de carga 9 para os cilindros no motor de combustão interna 1. O fluxo de massa de ar fresco 24 des-carregado no lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 é também referido, neste contexto, como o fluxo de massa de ar de carga (24), que se destina a indicar o nível de pressão elevada. Por meio do resfriador de ar de carga 17 disposto na linha de alimentação de ar de carga 8, o fluxo de massa de ar de carga 24 é resfriado, por meio do que a quantidade de oxigênio suprida para os cilindros do motor de combustão interna 1 e, portanto, a potência do motor de combustão interna 1 podem ser adicionalmente aumentadas. O resfriador de ar de carga 17 é, neste caso, disposto entre o lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 e o ponto de conexão de ramificação de ar de carga 11d, que, no caso de uma comutação para o modo de operação de recuperação 11d, que será discutido em maiores detalhes adicionalmente abaixo no texto com base na Figura 3, apresenta o feito de que o excesso de fluxo de massa de ar de carga 24 é conduzido, tendo sido resfriado, para a turbina de compressor 13 do carregador de recuperação 12. Isto tem a vantagem de que os componentes da turbina de compressor 13 não precisam ser projetados para temperaturas elevadas, se tornando possível, portanto, uma construção de custo mais baixo.

[0038] A Figura 2 mostra substancialmente a mesma configuração do motor de combustão interna 1, do sistema de gás de escape 3 e do sistema de admissão 2 como na Figura 1. No sistema de admissão 2, a variante de design difere, contudo, no fato de que a válvula de interrupção 15b na ramificação de ar fresco 11b e a válvula de interrupção 15c na linha de alimentação de ar fresco 7 são substituídas juntas por uma válvula de comutação 16 no ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c. Isto reduz o número de componentes individuais exigidos, simplifica a atuação das válvulas, e reduz o tamanho estrutural total do dispositivo de carregamento.

[0039] Conforme pode ser também visto a partir da ilustração es quemática, a válvula de comutação 16 é projetada de tal modo que, em uma das três posições de comutação, ela abra a passagem da ramificação de ar fresco 11b para a linha de alimentação de ar fresco 7 enquanto fecha a passagem da linha de alimentação de ar fresco 7 para o conector de admissão 7a, isto é, a linha de alimentação de ar fresco 7 à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c, conforme ilustrado na Figura 2. Em uma posição adicional das três posições de comutação possíveis, a válvula de comutação fecha a passagem da ramificação de ar fresco 11b para a linha de alimentação de ar fresco 7 enquanto abre a passagem da linha de alimentação de ar fresco 7 para o conector de admissão 7a, isto é, a linha de alimentação de ar fresco 7 à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c, conforme ilustrado na Figura 3. Na terceira posição de comutação da válvula de comutação 16, tanto a passagem da ramificação de ar fresco 11b para a linha de alimentação de ar fresco 7 quanto a passagem da linha de alimentação de ar fresco 7 para o conector de admissão 7a, isto é, a linha de alimentação de ar fresco 7 à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c, estão abertas, e isto corresponde à posição de válvula das válvulas de interrupção 15b e 15, conforme ilustrado na Figura 1.

[0040] Além disso, o resfriador de ar de carga 17 é disposto na linha de alimentação de ar de carga 8 à jusante do ponto de conexão de ramificação de ar de carga 11b na direção de fluxo do fluxo de massa de ar de carga 24, isto é, entre o ponto de conexão de ramificação de ar de carga 11d e a válvula borboleta 10. No caso de uma comutação para o modo de operação de recuperação, que será discutido ainda em maiores detalhes abaixo no texto com base na Figura 3, isto tem o efeito de que o excesso de fluxo de massa de ar de carga 24 é conduzido, sem ter que ter sido resfriado, para a turbina de compressor 13 do carregador de recuperação 12. Isto tem a vantagem de que o conteúdo de energia do fluxo de massa de ar de carga 24 para a re-cuperação, isto é, a recuperação de energia, está em um máximo, porque nenhuma energia é extraída pelo resfriamento do fluxo de massa de ar de carga 24 e liberada no meio ambiente.

[0041] Além disso, aqui, a turbina de compressor 13 é equipada com uma disposição de aleta de guia estática ou variável 13a no alojamento de turbina de compressor, embora isto seja apenas ilustrado meramente de modo esquemático na Figura 2. No modo de operação de amplificador do dispositivo de carregamento, conforme ilustrado na Figura 2, a disposição de aleta de guia 13a serve para a otimização do comportamento de escoamento do fluxo de massa de ar fresco 24 no lado de alta pressão HP da turbina de compressor.

[0042] Além disso, o ajuste de válvula da válvula de interrupção 15a e da válvula de comutação 16, conforme mostrado na Figura 21, caracteriza o modo de operação de amplificador do dispositivo de car-regamento, que será ajustado quando a carga do motor de combustão interna 1 for dinamicamente aumentada ou um aumento dinâmico na velocidade de rotação for demandado ou o motor de combustão interna for operado próximo à carga máxima ou na carga máxima.

[0043] Aqui, a válvula de comutação 16 abre a passagem da rami ficação de ar fresco 11b para a linha de alimentação de ar fresco 7, ao passo que a passagem da linha de alimentação de ar fresco 7 para o conector de admissão 7a, isto é, a linha de alimentação de ar fresco 7 à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c, está fechada.

[0044] A válvula de interrupção 15a e, portanto, a ramificação de ar de carga 11a permanecem fechadas. Ao mesmo tempo, o motor- gerador 14 do carregador de recuperação 12 é comutado para a operação de motor, o que é simbolizado pelo fato de que apenas a designação de "gerador", mas não a designação de "motor" é riscada. Na operação de motor do motor-gerador 14, a turbina de compressor 13 é acionada pelo motor-gerador 14, e atua, portanto, como um compressor.

[0045] No modo de operação de amplificador, portanto, um fluxo de massa de ar fresco 24 é aspirado pelo lado de baixa pressão LP da turbina de compressor 13 apenas via o conector de admissão 7b da turbina de compressor 13 do carregador de recuperação 12 a partir da caixa de filtro de ar fresco 18. Na turbina de compressor 13 do carregador de recuperação 12, o fluxo de massa de ar fresco 24 é pré- comprimido e, no lado de alta pressão HP da turbina de compressor 13, é alimentado em pressão elevada via a linha de ramificação 11, a ramificação de ar fresco 11b e a válvula de comutação 16 na linha de alimentação de ar fresco 7. O dito aumento de pressão se propaga sem retardo via o compressor de ar fresco 6, o resfriador de ar de car- ga 17 e, neste caso, a válvula borboleta totalmente aberta 10, por meio do que o fluxo de massa de ar de carga 24 fica muito rapidamente disponível em pressão elevada na tubulação de ar de carga 9 e assegura assim um comportamento de resposta aperfeiçoado do motor de combustão interna.

[0046] Quando, durante o processo adicional, o turbocompressor de gás de escape tiver superado seu momento de inércia, o fluxo de massa de ar fresco pré-comprimido 24 será comprimido adicionalmente por meio do compressor de ar fresco 6, isto é, a pressão do fluxo de massa de ar de carga 24 é adicionalmente aumentada, o que resulta em um aumento extra na potência do motor de combustão interna 1.

[0047] A Figura 3 mostra a mesma construção do dispositivo de carregamento como na Figura 2, mas o ajuste de válvula da válvula de interrupção 15a e da válvula de comutação 16 mostradas na Figura 3 caracteriza o modo de operação de recuperação do dispositivo de car-regamento, que será ajustado se a carga do motor de combustão interna 1 for dinamicamente reduzida e uma queda de velocidade de rotação dinâmica for pré-definida ou se um excesso de fluxo de massa de ar 24 ficar disponível por outras razões. Durante a operação de acionamento de um veículo a motor, isto corresponde, por exemplo, a uma operação de frenagem mais ou menos intensa com transmissão desacoplada ou à operação de impulso com o motor de combustão interna 1 transmitindo uma ação de frenagem. Aqui, a válvula borboleta é rapidamente fechada ou é mantida fechada, ao passo que o com-pressor de ar fresco 6 do turbocompressor de gás de escape 4, devido a sua inércia, inicialmente continua a dispensar e comprimir o fluxo de massa de ar fresco 24. Neste caso, no modo de operação de recuperação, a válvula de comutação 16 fecha a passagem da ramificação de ar fresco 11b para a linha de alimentação de ar fresco 7, ao passo que a passagem da linha de alimentação de ar fresco 7 para o conector de admissão 7a, isto é, a linha de alimentação de ar fresco 7 à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11, está aberta. A válvula de interrupção 15a e, portanto, a ramificação de ar de carga 11a, estão agora abertas. Aqui, a válvula de interrupção 15a na ramificação de ar de carga 11a não tem que estar totalmente aberta em todas as situações; em vez disso, também é possível que a abertura de válvula seja regulada por meio de uma unidade de controle externa (não ilustrada) de tal modo que a pressão nominal de carga atual seja mantida e exatamente apenas o excesso de fração de fluxo de massa de ar de carga seja descarregado da linha de alimentação de ar de carga 8 e conduzido para turbina de compressor 13 para fins de recu-peração de energia.

[0048] Ao mesmo tempo, o motor-gerador 14 do carregador de recuperação 14 é comutado para o modo de gerador, o que é simbolizado pelo fato de que apenas a designação de "motor", mas não a designação de "gerador" é riscada.

[0049] O excesso de fluxo de massa de ar de carga 24 dispensado pelo compressor de ar fresco 6 é, desse modo, conduzido parcial ou totalmente via a válvula de interrupção aberta 15, a ramificação de ar de carga 11a e a linha de ramificação 11 para o lado de alta pressão HP da turbina de compressor 13. A turbina de compressor 13 é atingida pelo fluxo de massa de ar de carga 24 a partir do lado de alta pressão HP. Para otimizar o impacto do fluxo, é possível que uma disposição de aleta de guia variável 13a, caso provida, seja comutada para o modo de turbina.

[0050] Acionada pelo fluxo de massa de ar de carga 24, a turbina de compressor 13 atua, portanto, como uma turbina, que, por sua vez, acionada o motor-gerador 14 comutado para o modo de gerador. Por meio deste acionamento, o motor-gerador 14 gerada energia elétrica, que pode ser vantajosamente introduzida em um acumulador corres- pondente, por exemplo, uma bateria ou um capacitor (não ilustrado). Portanto, é vantajosamente possível que o excesso de energia seja mantido no sistema e tornado utilizável.

[0051] A Figura 4 mostra uma concretização exemplificativa adici onal do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção. A dita concretização exemplificativa é caracterizada, em relação à concretização exemplificativa das Figuras 2 e 4, por uma disposição de válvula modificada, onde uma válvula de interrupção na ramificação de ar de carga e uma válvula de interrupção na ramificação de ar fresco 11b são coletivamente substituídas por uma válvula de comutação 16a no ponto de ramificação 11e da linha de ramificação 11, e uma válvula de interrupção adicional 15c é disposta na linha de alimentação de ar 7 à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c em um fluxo de massa de ar fresco 24, isto é, entre o ponto de conexão de ramificação de ar fresco 11c e o conector de admissão 7a da linha de alimentação de ar fresco.

[0052] A válvula de comutação 16a é, neste caso, projetada de tal modo que, em uma das duas posições de comutação, ela abra a passagem da linha de ramificação 11 para a ramificação de ar fresco 11b e, portanto, para a linha de alimentação de ar fresco 7 enquanto bloqueia a passagem para a ramificação de ar de carga 11a, o que corresponde ao ajuste de válvula no modo de operação padrão e no modo de operação de amplificador (não ilustrado). Na segunda posição de comutação da válvula de comutação 17, acontece que, conforme ilustrado na Figura 4, a passagem da linha de ramificação 11 para a ramificação de ar fresco 11b, e, portanto, a linha de alimentação de ar fresco 7 está fechada, enquanto que a passagem para a ramificação de ar de carga 11a está aberta, o que corresponde à posição de válvula no modo de operação de recuperação.

[0053] No modo de operação de recuperação, a válvula de inter- rupção 15c na linha de alimentação de ar fresco 7 está simultaneamente aberta, de tal modo que o compressor de ar fresco 6 do turbocompressor de gás de escape 4 possa extrair um fluxo de massa de ar fresco 24 da caixa de filtro de ar fresco 18. A condução do fluxo de massa de ar fresco ou de ar de carga 24 corresponde, portanto, ao exemplo mostrado na Figura 3.

[0054] Brevemente resumida mais uma vez, a invenção refere-se, portanto, a um dispositivo de carregamento e a um modo de operação para o dito dispositivo de carregamento para um motor de combustão interna 1, cujo dispositivo de carregamento apresenta um turbocompressor de gás de escape 4 e um carregador de recuperação 12, que apresenta uma turbina de compressor 13 e um motor-gerador eletro- mecânico 14 acoplado à mesma. Aqui, o lado de alta pressão HP da turbina de compressor 13 é conectável por meio de uma disposição de válvula em um lado da linha de alimentação de ar fresco 7 à montante do turbocompressor de gás de escape 4 e, no outro lado, a uma linha de alimentação de ar de carga 8 à jusante do turbocompressor de gás de escape 4, onde via o lado de baixa pressão LP da turbina de com-pressor 13, um fluxo de massa de ar fresco 24 pode ser aspirado ou um fluxo de massa de ar de carga 24 pode ser descarregado.

[0055] O dito carregador de recuperação 12 pode, por meio de uma disposição de válvula e do motor-gerador 14, ser comutado entre um modo de operação padrão, um modo de operação de amplificador e um modo de operação de recuperação, onde o dito carregador de recuperação atua primeiramente no modo de operação de amplificador de forma acionada pelo motor-gerador 14 como um compressor para aumentar a pressão na linha de alimentação de ar fresco 8, ou atua, em segundo lugar, de forma acionada pelo fluxo de ar de carga como uma turbina para a recuperação de energia por meio do motor-gerador 14, ou é operável de forma neutra.

Claims (10)

1. Dispositivo de carregamento para um motor de combustão interna (1) que apresenta um sistema de admissão (2) e um sistema de gás de escape (3), cujo dispositivo de carregamento apresenta - um turbocompressor de gás de escape (4) apresentando uma turbina de gás de escape (5), que é disposta no sistema de gás de escape (3), e um compressor de ar fresco (6) apresentando um lado de baixa pressão (LP) e um lado de alta pressão (HP), que é disposto no sistema de admissão (2); - uma linha de alimentação de ar fresco (7) à qual o compressor de ar fresco (6) é conectado em seu lado de baixa pressão (LP), - uma linha de alimentação de ar de carga (8) que conecta o lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco (6) a uma tubulação de ar fresco (9) do motor de combustão interna (1), - um carregador de recuperação (12), que apresenta uma turbina de compressor (13) com um lado de alta pressão (HP) e um lado de baixa pressão (LP) e que apresenta um motor-gerador eletro- mecânico (14) acoplado à dita turbina de compressor, sendo que o carregador de recuperação (12) é operável por um lado de forma acionada pelo motor-gerador (14) como um compressor para aumentar a pressão do fluxo de massa de ar fresco (24) na linha de alimentação de ar fresco (8), e é operável, por outro lado, de forma acionada pelo fluxo de massa de ar de carga (24) como uma turbina para a recuperação de energia por meio do motor-gerador (14), ou é operável de forma neutra caracterizado pelo fato que o lado de alta pressão (HP) da turbina de compressor (13) é conectado por meio de a disposição de válvula (15b, 15a), em um lado, à linha de alimentação de ar fresco (7) e, no outro lado, à linha de alimentação de ar de carga (8) e um fluxo de massa de ar fresco (24) pode ser aspirado, ou um fluxo de massa de ar de carga (24) pode ser descarregado, via o lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressor.

2. Dispositivo de carregamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a turbina de compressor (13) ser, via uma linha de ramificação (11) que apresenta um ponto de ramificação (11e), conectada por meio de uma ramificação de ar fresco (11b) à linha de alimentação de ar fresco (7) em um ponto de conexão de ramificação de ar fresco (11c) e conectada por meio de uma ramificação de ar de carga (11a) à linha de alimentação de ar de carga (8) em um ponto de conexão (11d), e em cada caso, uma válvula de interrupção (15a, 15b, 15c) é disposta na ramificação de ar fresco (11b) e na ramificação de ar de carga (11a) e também na linha de alimentação de ar fresco (7), à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco (11c) em um fluxo de massa de ar fresco (24), onde a direção de fluxo de um fluxo de massa de ar fresco (24) na linha de ramificação (11) via a turbina de compressor (13) pode ser comutada através do ajuste de válvula correspondente das válvulas de interrupção (15a, 15b, 15c).

3. Dispositivo de carregamento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a válvula de interrupção (15b) na ramificação de ar fresco (11b) e a válvula de interrupção (15c) na linha de alimentação de ar fresco (7) serem substituídas por uma válvula de comutação (6) no ponto de conexão de ramificação de ar fresco (11c).

4. Dispositivo de carregamento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a válvula de interrupção (15b) na ramificação de ar fresco (11b) e a válvula de interrupção (15a) na ramificação de ar de carga (11a) serem substituídas por uma válvula de comutação (16a) no ponto de ramificação (11e) da linha de ramificação (11).

5. Dispositivo de carregamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de o resfriador de ar de carga (17) ser provido na linha de alimentação de ar de carga (8), onde o ponto de conexão de ramificação de ar de carga (11d) da ramificação de ar de carga (11a) é disposto à jusante, em um fluxo de massa de ar fresco (24), do resfriador de ar de carga (17) na linha de alimentação de ar de carga (8).

6. Dispositivo de carregamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de um resfriador de ar de carga (17) ser provido na linha de alimentação de ar de carga (8), onde o ponto de conexão de ramificação de ar de carga (11d) da ramificação de ar de carga (11a) é disposto à montante, em um fluxo de massa de ar fresco (24), do resfriador de ar de carga (17) na linha de alimentação de ar de carga (8).

7. Dispositivo de carregamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de a turbina de compressor (13) do carregador de recuperação (12) ser equipada com uma disposição de aleta de guia fixa ou variável no alojamento de turbina de compressor para fins de otimizar o comportamento de escoamento ou o comportamento de influxo do fluxo de massa de ar fresco (24) ou do fluxo de massa de ar de carga (24).

8. Dispositivo de carregamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de a linha de alimentação de ar fresco (7) ser conectada via um primeiro conector de admissão (7a), e de o lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressor (13) ser conectado, via um conector de admissão adicional (7b), a uma caixa de filtro de ar fresco (18).

9. Método de operação para um dispositivo de carregamento de um motor de combustão interna, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de o dispositivo de carregamento poder, durante a operação, ser comutado entre um modo de operação padrão ou um modo de operação de amplificador ou um modo de operação de recuperação de forma dependente do com- portamento de operação do motor de combustão interna e por meio da disposição de válvula e do motor-gerador (14) do carregador de recuperação (12).

10. Método de operação para um dispositivo de carregamento de um motor de combustão interna, como definido em qualquer uma das reivindicações 2 a 8, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a disposição de válvula apresentar válvulas de interrupção (15a, 15b, 15c) e/ou uma válvula de comutação (16, 17), -onde, para implementar o modo de operação padrão, a linha de alimentação de ar fresco (7), à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco (11c) na direção do fluxo de massa de ar fresco (24), e a ramificação de ar fresco (11b) estão abertas, e a ramificação de ar de carga (11a) está fechada, e o motor-gerador (14) é comutado para um estado neutro, - em que, para implementar o modo de operação de amplificador, a linha de alimentação de ar fresco (7), à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco (11c) na direção do fluxo de massa de ar fresco (24), e a ramificação de ar de carga estão fechadas, e a ramificação de ar fresco (11b) está aberta, e o motor-gerador (14) é comutado para o modo de motor, de modo a acionar a turbina de compressor (13) para fins de aumentar a pressão na linha de alimentação de ar fresco (8), e - em que, para implementar o modo de operação de recuperação, a linha de alimentação de ar fresco (7), à montante do ponto de conexão de ramificação de ar fresco (11c) na direção de fluxo de massa de ar fresco (24), e a ramificação de ar de carga estão abertas, e a ramificação de ar fresco está fechada, e o motor-gerador (14) é comutado para o modo de gerador, de modo a ser acionado pela turbina de compressor (13) para fins de recuperação de energia.

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