BR112017007487B1 - 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 sobrecarga e a um método de operação para dito dispositivo de sobrecarga para um motor de combustão interna (1), cujo dispositivo de sobrecarga tem um turboalimentador de gás de escapamento (4) e um carregador de recuperação (12), em que o carregador de recuperação (12) tem uma turbina de compressão (13) e um motor-gerador eletromecânico (14) acoplado ao mesmo. no presente, o lado de alta pressão (hp) e o lado de baixa pressão (lp) da turbina de compressão (13) podem ser conectados por meio de conexões de linha e dispositivos de válvula (15a ? 15d) à linha de suprimento de carga-ar (8) a jusante do compressor de ar fresco (6) do turboalimentador de gás de escapamento (4), em que dito carregador de recuperação (12) pode, por meio dos dispositivos de válvula (15a ? 15d) e do motor-gerador (14), ser comutado pelo menos entre um modo de operação de reforçador e um modo de operação de recuperação, em que dito carregador de recuperação pode, por um lado, no modo de operação de reforçador, ao acionado pelo motor-gerador (14), ser operado como um compressor para aumentar a pressão na linha de suprimento de ar fresco (8) ou, por outro lado, acionado pelo fluxo de carga-ar, ser operado como uma turbina para recuperar energia por meio do motor-gerador (14).

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de carregamento para um motor de combustão interna tendo um turboalimen- tador de gás de escapamento, e a um método de operação para dito dispositivo de carregamento.

[0002] Os turboalimentadores de gás de escapamento são cada vez mais usados para aumentar a potência em motores de combustão interna, em particular em veículos motorizados. Isto é feito cada vez mais comumente com o objetivo de reduzir o tamanho estrutural e o peso do motor de combustão interna enquanto mantendo o mesmo nível de potência ou ainda obter um nível aumentado de potência, e ao mesmo tempo reduzir o consumo e assim as emissões de CO2, no contexto de regulamentos legais cada vez mais rigorosos a este respeito. O princípio operacional consiste em utilizar a energia contida no fluxo de gás de escapamento para aumentar a pressão no trato de entrada do motor de combustão interna e, deste modo, realizar o carregamento melhorado da câmara de combustão com ar oxigênio e a fim de assim ser capaz de converter mais combustível, por exemplo, gasolina ou diesel, por processo de combustão, isso quer dizer aumentar a potência do motor de combustão interna.

[0003] Para este fim, um turboalimentador de gás de escapamento tem uma turbina, que está disposta no trato de gás de escapamento do motor de combustão interna e que tem um rotor de turbina acionado pelo fluxo de gás de escapamento, e um compressor, que está disposto no trato de entrada e que tem um rotor de compressão que acumula a pressão. O rotor de turbina e o rotor de compressão são fixados giratoriamente conjuntamente às extremidades opostas de um eixo de rotor e assim formam o rotor de turboalimentador, que é montado giratoriamente por meio de seu eixo de rotor em uma unidade de mancal disposta entre a turbina e o compressor. Assim, por meio do fluxo de massa de gás de escapamento, o rotor de turbina, e através do eixo de rotor, por sua vez, o rotor de compressão, é acionado, e a energia de gás de escapamento é assim utilizada para estimular a pressão no trato de entrada.

[0004] As turbinas e compressores são turbomáquinas e, devido às leis de física, têm uma faixa de operação ótima em um modo respectivamente dependente do tamanho e projeto estrutural, cuja faixa de operação ótima é caracterizada pela produção de massa, a relação de pressão e a velocidade rotacional do respectivo motor.

[0005] Em contraste a isto, a operação de um motor de combustão interna em veículos motorizados é caracterizada por trocas dinâmicas de carga e de faixa de operação.

[0006] Para ser agora capaz de adaptar a faixa de operação do turboalimentador de gás de escapamento para trocar as faixas de operação do motor de combustão interna e assim assegurar um comportamento de resposta desejado até onde possível sem desacelerações notáveis (retardo de turbo), os turboalimentadores de gás de escapa- mento são equipados com funções adicionais, tais como, por exemplo, as assim chamadas geometrias de turbina variáveis (VTG) ou dispositivos de comporta de descarga (WG) ao lado do gás de escapamento ou da turbina de recirculação de ar em excesso ou dispositivos de pur-ga ao lado de alimentação de ar ou de compressor. Estes servem para minimizar o comportamento inerte e assim o comportamento de resposta desacelerada do turboalimentador e evitar estados de operação prejudiciais.

[0007] Também é sabido usar combinações de múltiplos turboali- mentadores em um arranjo paralelo ou sequencial ou usar compresso- res adicionais que são operados mecanicamente ou por motor elétrico, os assim chamados sopradores de carregamento ou sobrealimentado- res, a fim de cobrir as várias condições de operação do motor de combustão interna, a fim de aumentar eficazmente a potência em todas as faixas de velocidade rotacional e, em particular, durante os processos de aceleração e, em particular, para evitar o retardo de turbo indeseja- do, que é causado pela pressão de carga excessivamente baixa nas faixas de velocidade rotacional baixas do turboalimentador em conjunto com a inércia do rotor de turboalimentador.

[0008] Um dispositivo de carregamento de dito tipo, que tem um turboalimentador de gás de escapamento convencional e um compressor auxiliar disposto no fluxo de massa de ar fresco ou em paralelo com respeito ao compressor do turboalimentador, cujo compressor auxiliar tem um acionamento independente do fluxo de gás de esca- pamento, por exemplo, um acionamento de motor elétrico, é divulgado, por exemplo, em DE 100 23 022 A1.

[0009] Em contraste, nas fases de operação em que a potência do motor de combustão interna é rapidamente diminuída, é o caso, do mesmo modo devido à inércia do turboalimentador, que um excesso de potência do compressor existe que pode levar ao assim chamado impulso de compressor. Impulso de compressor refere-se a um estado operacional em que o ar que já foi comprimido flui de volta a partir do lado de alta pressão do compressor através do rotor de compressão em impulsos periódicos e assim gera oscilações indesejáveis no trato de entrada. Para evitar tais estados operacionais, o gás de escapamento é conduzido, de modo turbina do turboalimenta- dor, dentro do trato de gás de escapamento, por exemplo, por meio e um dispositivo de comporta de descarga, e ar fresco já comprimido é purgado a jusante do compressor ou é expandido através de um dispositivo de recirculação de ar excedido e recirculado dentro da região de entrada. O arranjo e funcionamento de uma válvula de recirculação de ar em excesso de dito tipo é conhecida, por exemplo, dos documentos DE 28 23 067 C2 e DE 19712850 A1.

[00010] Deste modo, a energia disponível é descarregada, não utilizada, nas proximidades, que tem um efeito adverso sobre o equilíbrio de energia total e, assim, sobre a eficácia do motor de combustão interna.

[00011] A presente invenção é, portanto, baseada no objetivo de especificar um dispositivo de carregamento e um método de operação para o mesmo para um motor de combustão interna, que são apropriados tanto para auxiliar o acúmulo da pressão de carga por meio do turboalimentador de gás de escapamento em aceleração ou fases de carga de pico do motor de combustão interna e para utilizar, ou tornar utilizável no sistema total de veículos motorizados, a energia em excesso no sistema de carregamento durante as fases de frenagem ou de baixa carga do motor de combustão interna, e, deste modo, aumentar a eficácia do motor de combustão interna.

[00012] Um motor de combustão interna correspondente como evidente tem um lado de entrada, através do qual induz ar fresco ou uma mistura de combustível-ar fresco, e um lado de gás de escapamento, através do qual libera o gás de escapamento que foi gerado após a combustão. Um motor de combustão interna de dito tipo pode ser um motor de pistão alternativo de cilindro único ou múltiplos cilindros que é operado com combustíveis tal como, por exemplo, gasolina, diesel ou um gás de combustível.

[00013] O dispositivo de carregamento de acordo com a invenção para um motor de combustão interna que tem um trato de entrada disposto sobre seu lado de entrada um trato de gás de escapamento disposto sobre seu lado de gás de escapamento tem um turboalimenta- dor de gás de escapamento tendo uma turbina de gás de escapamen- to, que está disposta no trato de gás de escapamento, e um compressor de ar fresco tendo um lado de baixa pressão e um lado de alta pressão, que está disposto no trato de entrada. O compressor de ar fresco é conectado, em seu lado de baixa pressão, a um dispositivo de suprimento de ar fresco, e é conectado a seu lado de alta pressão, através de uma linha de alimentação de carga-ar, que serve para con-duzir um fluxo de massa de carga-ar gerado pelo compressor de ar fresco, ao lado de entrada do motor de combustão interna, por exemplo, através de uma válvula de alavanca de aceleração e um coletor de carga-ar.

[00014] O dispositivo de carregamento é distinguido pelo arranjo adicional de um carregador de recuperação que tem uma turbina de compressão com um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão e que tem um motor-gerador eletromecânico acoplado à dita turbina de compressão. No presente, a turbina de compressão é acoplada através de conexões de linha e dispositivos de válvula à linha de alimenta-ção de carga-ar de modo que o carregador de recuperação é operável de um modo dependente das configurações dos dispositivos de válvula, pelo menos primeiramente em um modo de operação de reforça- dor, em um modo acionado pelo motor-gerador como um compressor para aumentar a pressão do fluxo de massa de carga-ar na linha de alimentação de carga-ar, e em segundo lugar em um modo de operação de recuperação, em um modo acionado pelo fluxo de massa de carga-ar como uma turbina para recuperação de energia por meio do motor-gerador. Além disso, pode ser provido que, em um modo de operação padrão, o motor-gerador pode ser comutado em um estado nutro, quer dizer, em efeito em operação ociosa, e o fluxo de massa de carga-ar é conduzido diretamente a partir do compressor de ar fresco do turboalimentador de gás de escapamento para o lado de entrada do motor de combustão interna.

[00015] No presente, a expressão "carregador de recuperação" deve ser entendida significar um dispositivo que combina uma turbina do tipo impulsor com gerador conectado e um compressor do tipo impulsor com motor elétrico conectado em um dispositivo. Assim, uma turbina do tipo impulsor e um compressor do tipo impulsor são combinados em um rotor e um alojamento associado para formar o que é refe-rido acima e também abaixo como uma turbina de compressão como uma unidade.

[00016] Do mesmo modo, o motor elétrico e o gerador são combinados em uma máquina trifásica para formar o que é referido acima e também abaixo como um motor-gerador como uma unidade. A turbina de compressão e o motor-gerador são acoplados um ao outro diretamente ou através de uma engrenagem interposta e formam, como uma unidade, o carregador de recuperação.

[00017] Ao projetar a turbina de compressão, é feito uso da característica de impulsores pelo que, primeiramente, quando colididos por um fluxo de um fluido em pressão elevada a partir do lado de alta pressão, eles podem agir como uma turbina e gerar um torque de saída e, em segundo lugar, quando acionados por um torque de acionamento, eles podem por si mesmos gerar um fluxo de fluido com aumento da pressão e assim agem como um compressor. O projeto do impulsor correspondente e a orientação de fluxo no alojamento de rotor devem, portanto, para o uso como uma turbina de compressão, permitir ambos os usos pretendidos. Isto pode, em um refinamento vantajoso da turbina de compressão, ser otimizado por meio de um arranjo de lâmina de guia de orientador de fluxo fixo ou variável.

[00018] Ao projetar o motor-gerador, é feito uso da característica de máquinas trifásicas elétricas pelo que, primeiramente, quando uma voltagem e corrente são aplicadas às mesmas, elas podem ser operadas como um motor elétrico com ação de acionamento e, em segundo lugar, quando acionadas por um torque externo, elas podem por si mesmas gerar voltagem e corrente de saída. O projeto da máquina tri- fásica correspondente para uso como um motor-gerador deve, portanto, permitir ambos os usos pretendidos.

[00019] A combinação vantajosa de turbina de compressão e motor-gerador para formar o que é referido acima e também abaixo como um carregador de recuperação permite vantajosamente a operação da turbina de compressão em ambas as direções de fluxo, especificamente como um compressor em um modo de operação de reforçador quando acionado pela ação de motor elétrico ou como uma turbina, de modo a acionar o gerador, em um modo de operação de recuperação. Outra possibilidade consiste em comutar o motor-gerador em um estado neutro, que corresponde a um estado livre da turbina de compressão e pode ser utilizado em que é referido aqui e abaixo como um modo de operação padrão.

[00020] Uma modalidade vantajosamente configurada do dispositivo de carregamento é distinguida pelo fato de que o lado de baixa pressão da turbina de compressão é conectado, pelo menos através de uma linha de ramal de baixa pressão e um a primeiro dispositivo de válvula, à linha de alimentação de carga-ar em um primeiro ponto de ramificação de carga-ar, e o lado de alta pressão da turbina de compressão é conectado, pelo menos através de uma linha de ramal de alta pressão e um segundo dispositivo de válvula, à linha de alimentação de carga-ar em um segundo ponto de ramificação de carga-ar a jusante do primeiro ponto de ramificação de carga-ar no fluxo de car- ga-ar, em que a linha de alimentação de carga-ar pode ser desativada entre o primeiro ponto de ramificação de carga-ar e o segundo ponto de ramificação de carga-ar por meio do primeiro ou segundo dispositivo de válvula ou pelo menos outro dispositivo de válvula. Esta configuração tem a vantagem de que a direção de fluxo do fluxo de massa de carga-ar através da turbina de compressão pode ser particularmente facilmente invertida a fim de comutar a partir do modo de operação de reforçador para o modo de operação de recuperação.

[00021] 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 em que o dispositivo de carregamento pode, durante a operação, ser comutado pelo menos entre um modo de operação de reforçador e um modo de operação de recuperação em um modo dependente do comportamento operacional do motor de combustão interna e por meio das conexões de linha, os dispositivos de válvula e o motor-gerador do carregador de recuperação. Além disso, é vantajosamente, além disso, possível para um modo de operação padrão ser provido, que pode do mesmo modo ser comutado em um modo dependente do comportamento operacional do motor de combustão interna.

[00022] Por exemplo, uma comutação é feita para o modo de operação de reforçador do dispositivo de carregamento no caso de uma demanda de velocidade rotacional ou na presença de carga elevada do motor de combustão interna. Para este fim, o fluxo de massa de carga-ar é conduzido a partir do lado de alta pressão do compressor de ar fresco para o lado de baixa pressão da turbina de compressão e a partir do lado de alta pressão da turbina de compressão de volta para a linha de alimentação de carga-ar e assim para o lado de entrada do motor de combustão interna, e o motor-gerador é comutado em um modo de motor para acionar a turbina de compressão para os fins de aumentar a pressão na linha de alimentação de carga-ar.

[00023] Se, por outro lado, um decréscimo rápido na potência do motor de combustão interna é necessário ou o fluxo de massa de car- ga-ar que é ou pode ser gerado pelo compressor de ar fresco do tur- boalimentador de gás de escapamento não é totalmente necessário em operação de baixa carga, uma comutação pode ser feita no modo de operação de recuperação do dispositivo de carregamento para implementar o modo de operação de recuperação, o fluxo de massa de carga-ar é expandido a partir do lado de alta pressão do compressor de ar fresco pelo menos parcialmente para o lado de alta pressão da turbina de compressão através da turbina de compressão e sua purga a partir do lado de baixa pressão da turbina de compressão através de uma porta de purga nas proximidades, ou é introduzido através da linha de recirculação no dispositivo de suprimento de ar fresco ou é conduzido adiante para o lado de entrada do motor de combustão interna, e o motor-gerador é comutado em um modo de gerador para ser acionado pela turbina de compressão para os fins de recuperação de energia.

[00024] Agora, o fluxo de massa de carga-ar não exigido pelo motor de combustão interna é conduzido em alta pressão para a turbina de compressão e assim aciona o motor-gerador, que por sua vez converte o torque transmitido em energia elétrica que pode ser suprido diretamente a outro consumidor no veículo ou a um acumulador. Assim, a energia em excesso no dispositivo de carregamento não é liberada não utilizada às proximidades, mas preferivelmente pode ser suprida para uso mais expediente, possivelmente em um último ponto de tempo.

[00025] Se um modo de operação padrão é provido como outro modo de operação, e se o motor de combustão interna é operado, por exemplo, em carga média, constante o dispositivo de carregamento pode ser comutado no modo de operação padrão. Para implementar o modo de operação padrão, o fluxo de massa de carga-ar é conduzido a partir do lado de alta pressão do compressor de ar fresco através da linha de alimentação de carga-ar diretamente para o lado de entrada do motor de combustão interna configurando correspondentemente os dispositivos de válvula, e o motor-gerador do carregador de recuperação é comutado em um estado neutro.

[00026] As vantagens do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção e do método de operação correspondente estão em particular no fato de que, dependendo da situação de operação do motor de combustão interna com exceção do modo de operação padrão ou normal, um aumento rápido de torque e assim a velocidade rotacio- nal tornam-se possíveis enquanto evitando o "retardo de turbo" e no caso oposto de um decréscimo rápido na potência, a energia em excesso não tem que ser dissipada, não utilizada, mas preferivelmente pode tornar-se utilizável. Outro refinamento do dispositivo de carregamento é distinguido pelo fato de que um ou mais refrigeradores de carga-ar está disposto em uma ou mais posições na linha de alimentação de carga-ar a montante ou a jusante da turbina de compressão no fluxo de massa de carga-ar. Isto tem um efeito vantajoso sobre as temperaturas de operação dos componentes funcionais dispostos no fluxo de massa de carga-ar, e rende outro carregamento melhorado de cilindros do motor de combustão interna com oxigênio.

[00027] Em outro refinamento do dispositivo de carregamento, a turbina de compressão do carregador de recuperação tem um alojamento de turbina de compressão com, disposto no mesmo, um arranjo de lâmina de guia fixo ou variável para otimizar um comportamento de escoamento ou comportamento de influxo do fluxo de massa de carga- ar. Em particular, um arranjo de lâmina de guia variável oferece a vantagem de que a potência e eficácia da turbina de compressão no res-pectivo modo de operação podem ser aumentadas através da adaptação da direção de fluxo de massa de carga-ar, por exemplo.

[00028] Em outro refinamento do dispositivo de carregamento, o dispositivo de suprimento de ar fresco tem uma linha de suprimento de ar fresco e um dispositivo de filtro de ar fresco. Deste modo, é vantajo- samente assegurado que nenhuma partícula de sujeira prejudicial é extraída pelo compressor de ar fresco do turboalimentador de gás de escapamento e transportada para o dispositivo de carregamento.

[00029] Abaixo, modalidades exemplares particularmente vantajosas e refinamentos da invenção serão discutidos em mais detalhe na base das Figuras que tomam a forma de ilustrações esquemáticas simplificadas, ainda que o assunto da invenção não seja restrito a estes exemplos e, em particular, às combinações dos aspectos apresentados nos mesmos.

[00030] Nas Figuras:

[00031] a Figura 1 mostra uma primeira modalidade exemplar do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção em conjunto com um motor de combustão interna no modo de operação padrão;

[00032] a Figura 2 mostra a primeira modalidade exemplar do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção com dispositivos de válvula diferentes no modo de operação de reforçador;

[00033] a Figura 3 mostra uma primeira modalidade exemplar do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção como pela Figura 2, mas no modo de operação de recuperação;

[00034] a Figura 4 mostra outra modalidade exemplar do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção com um arranjo diferente das conexões de linha e dispositivos de válvula, no modo de operação padrão;

[00035] a Figura 5 mostra outra modalidade exemplar do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção com dispositivos de válvula diferentes no modo de operação de reforçador, e

[00036] a Figura 6 mostra outra modalidade exemplar do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção como para a Figura 2, mas no modo de operação de recuperação.

[00037] Os itens de função e designação idênticas são indicados pelas mesmas designações de referência por todas as Figuras.

[00038] A modalidade exemplar da invenção na Figura 1 mostra, em uma ilustração esquematicamente simplificada, um motor de combustão interna 1, ilustrado neste caso esquematicamente como um motor de pistão alternativo em linha de quadro cilindros, tendo um trato de entrada 2 disposto ao lado de entrada 9 e tendo um trato de gás de escapamento 3 disposto ao lado de gás de escapamento 19. Também ilustrado é um turboalimentador de gás de escapamento 4 com uma turbina de gás de escapamento 5 no trato de gás de escapamento 3 e um compressor de ar fresco 6 no trato de entrada 2 e um assim chamado carregador de recuperação 12, que tem uma turbina de compressão 13 e um motor-gerador eletromecânico 14.

[00039] O trato de gás de escapamento 3 inclui um coletor de gás de escapamento 19a, que é conectado no lado de gás de escapamen- to 19 ao motor de combustão interna 1, a turbina de gás de escapa- mento 5, que é conectada sobre seu lado de alta pressão HP ao coletor de gás de escapamento 19a, uma linha de descarga de gás de es- capamento 20, que é conectada ao lado de baixa pressão LP da turbina de gás de escapamento 5, e um conversor catalítico de gás de es- capamento 21, um filtro de partícula de fuligem 22 e um silenciador 23, que estão dispostos ao longo da linha de descarga de gás de escapa- mento 20. O fluxo de massa de gás de escapamento 24 (ilustrado pelas setas escurecidas) descarregado a partir do motor de combustão interna 1 é descarregado a partir do coletor de gás de escapamento 19a através da turbina de gás de escapamento 5 para a linha de descarga de gás de escapamento 20 e através do conversor catalítico de gás de escapamento 21, filtro de partícula de fuligem 22 e silenciador 23 para as proximidades.

[00040] O trato de entrada 2 inclui um coletor de carga-ar 9a, que é conectado ao lado de entrada 9 ao motor de combustão interna 1, o compressor de ar fresco 6 do turboalimentador de gás de escapa- mento 4, e uma linha de alimentação de carga-ar 8, que é conectada a um lado através da válvula de alavanca de aceleração 10 ao coletor de carga-ar 9a e que é conectada ao outro lado ao lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6. Além disso, o trato de entrada 2 compreende um dispositivo de suprimento de ar fresco 7 com uma linha de suprimento de ar fresco 7a e um dispositivo de filtro de ar fresco 7b; a linha de suprimento de ar fresco 7a é conectada a um lado ao lado de baixa pressão LP do compressor de ar fresco 6 e ao outro lado ao dispositivo de filtro de ar fresco 7b. Do mesmo modo atribuído ao trato de entrada 2 está um carregador de recuperação 12 que tem uma turbina de compressão 13 e, acoplado à mesma, um motor-gerador 14. O lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 é conectado através de uma linha de ramal de baixa pressão 11a à linha de alimentação de carga-ar 8 a um primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a. Além disso, uma porta de purga 16 é conectada à linha de ramal de baixa pressão 11a a um ponto de ramificação de baixa pressão 11c. Ao lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 está conectada uma linha de ramal de alta pressão 11b, que é por sua vez conectada à linha de alimentação de carga-ar 8 a um segundo ponto de ramificação de carga-ar 8b, que está a jusante do primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a no fluxo de massa de carga-ar 26.

[00041] Além disso, múltiplos dispositivos de válvula 15a - 15d para controlar o fluxo de massa de carga-ar 26 estão dispostos nas conexões de linha 8, 11a and 11b mencionadas acima.

[00042] Um primeiro dispositivo de válvula 15a está disposto na linha de ramal de baixa pressão 11a entre o primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a e o ponto de ramificação de baixa pressão 11c, e um segundo dispositivo de válvula 15b está disposto na linha de ramal de alta pressão 11b entre a turbina de compressão 13 e o segundo ponto de ramificação de carga-ar 8b. Na linha de alimentação de car- ga-ar 8, outro dispositivo de válvula 15c está disposto entre o primeiro e o segundo ponto de ramificação de carga-ar 8a, 8b, e outro dispositivo de válvula 15d está disposto entre o ponto de ramificação de baixa pressão 11c e a porta de purga 16. Ditos dispositivos de válvula 15a - 15d podem todos estar na forma de válvulas desativadas simples que podem assumir os dois estados "desativadas" ou "abertas". Com um arranjo de válvula deste tipo, é possível comutar entre os três modos de operação padrão, modo de operação de reforçador e modo de operação de recuperação. Operação de transição, no caso de que somente uma parte do fluxo de massa de carga-ar 26 é conduzida através da turbina de compressão 13 para fins de recuperação, assim não é possível. No entanto, se o segundo dispositivo de válvula é uma válvula proporcional 15b, como é ilustrado esquematicamente na Figura 1, é possível prosseguir a partir da posição de válvula desativada no modo de operação puramente padrão, para uma fração variável do fluxo de massa de carga-ar 26 a ser conduzida para a turbina de compressão através da abertura parcial regulada em qualquer posição intermediária de válvula desejada.

[00043] A Figura 1 ilustra a modalidade exemplar do dispositivo de carregamento com uma posição de válvula como pelo modo de operação padrão, que é definido quando o motor de combustão interna 1 está funcionando em carga mais ou menos constante em uma banda de velocidade rotacional baixa a média mais ou menos constante. No presente, o primeiro e o segundo dispositivos de válvula 15a, 15b e assim a linha de ramal de baixa pressão 11a e a linha de ramal de alta pressão 11b são desativadas, em que, ao mesmo tempo, o outro dispositivo de válvula 15c na linha de alimentação de carga-ar é aberto. O outro dispositivo de válvula 15d em direção à porta de purga 16 pode neste caso ser fixado para estar tanto aberto ou desativado. Assim, a passagem a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a em direção ao lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 e a passagem a partir da linha de ramal de alta pressão 11b em direção à linha de alimentação de carga-ar 8 estão fechadas, e a passagem da linha de alimentação de carga-ar 8 a partir do lado de baixa pressão LP do compressor de ar fresco 6 em direção ao lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 está aberta.

[00044] No modo de operação padrão, portanto, um fluxo de massa de ar fresco 25, ilustrado na Figura 1 pelas setas triplas, é extraído através do dispositivo de filtro de ar fresco 7b e a linha de suprimento de ar fresco 7a. No compressor de ar fresco 6 do turboalimentador de gás de escapamento 4, o fluxo de massa de ar fresco 25 é comprimido e é, no lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6, bombe-ado em pressão elevada para dentro da linha de alimentação de car- ga-ar 8 e através de pelo menos uma válvula de alavanca de aceleração 10 e do coletor de carga-ar 9a para dentro dos cilindros do motor de combustão interna 1. O fluxo de massa de ar descarregado ao lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 é então referido neste contexto como fluxo de massa de carga-ar 26, que é pretendido para indicar o nível de pressão elevado.

[00045] Além disso, para implementar o modo de operação padrão, o fluxo de massa de carga-ar 26 é conduzido a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 através da linha de alimentação de carga-ar 8 diretamente para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna, e o motor-gerador 14 do carregador de recuperação 12 é comutado para um estado neutro, que é indicado na Figura 1 pelo fato de que tanto o rótulo "motor" como o rótulo "gerador" foram atingidos através.

[00046] Prosseguindo a partir do modo de operação padrão, uma comutação pode ser feita facilmente ao modo de operação de recuperação em virtude do outro dispositivo de válvula 15d ser aberto em direção à porta de purga, do motor-gerador ser comutado para o modo de gerador, e então o segundo dispositivo de válvula 15b ser aberto. No caso de uma válvula proporcional 15b ser usada, a abertura pode ser realizada no modo regulado progressivamente ou então somente parcialmente a fim de ramificar exatamente aquela fração de fluxo de massa de carga-ar 26 que não é necessária presentemente pelo motor de combustão interna.

[00047] Para implementar o modo de operação de reforçador, o primeiro e o segundo dispositivos de válvula 15a, 15b são comutados em um estado aberto, e os dois outros dispositivos de válvula 15c, 15d na linha de alimentação de carga-ar 8 e em direção à porta de purga 16 são desativados.

[00048] Por meio das configurações de válvula correspondentes dos dispositivos de válvula 15a, 15b, 15c, 15d, é assim possível para a direção de fluxo do fluxo de massa de carga-ar 26, ilustrado neste caso pelas setas claras, através da turbina de compressão 13 a ser comutada. A modalidade do dispositivo de carregamento como pela Figura 1 tem a vantagem no presente de poder ser feito uso de dispositivos de válvula que são particularmente simples de aspectos mecânicos e de controle, e que tornam possível realizar uma construção robusta e barata.

[00049] A Figura 2 mostra, com respeito ao arranjo total e em particular às linhas de conexão 8, 11a, 11b, to mesmo arranjo como a Figura 1, mas com um arranjo e modalidade diferentes de dispositivos de válvula, em que as configurações de válvula mostradas correspondem ao modo de operação de reforçador.

[00050] A modalidade do dispositivo de carregamento mostrada na Figura 2 é distinguida pelo fato de que o primeiro dispositivo de válvula 15a e o segundo dispositivo de válvula 15b são, cada um, projetados como válvulas de comutação 15a, 15b, pelo que é possível dispensar com outros dispositivos de válvula. Além disso, o segundo dispositivo de válvula 15b é projetado como uma válvula proporcional 15b (indicada pela seta), pelo que a comutação parcial e, assim, uma distribuição do fluxo de massa de carga-ar 26, tornam-se possíveis. O uso de uma válvula proporcional não é, no entanto, urgentemente necessária se comutação respectivamente completa entre os modos de operação é suficiente.

[00051] No presente, o primeiro dispositivo de válvula 15a está disposto no ponto de ramificação de baixa pressão 11c, em que, em uma posição de válvula (não ilustrada) com uma passagem fechada a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a para o lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13, a passagem a partir do lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 para a porta de purga 16 ou a linha de recirculação 16a está aberta (ver Figura 3), e em outra posição de válvula, que é ilustrada na Figura 2, com uma passagem aberta a partir do primeiro ponto de ramal de carga 8a para o lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13, a passagem para a porta de purga 16 ou a linha de recirculação 16a está fechada.

[00052] O segundo dispositivo de válvula 15b está disposto no segundo ponto de ramificação de carga-ar 8b, em que, em uma posição de válvula com uma passagem aberta da linha de alimentação de car- ga-ar 8 para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1, a passagem a partir da linha de alimentação de carga-ar 8 para a linha de ramal de alta pressão 11b está parcialmente fechada (não ilustrado na Figura 2), e em outra posição de válvula com uma passagem fechada da linha de alimentação de carga-ar 8 para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 e para a linha de ramal de alta pressão 11b, a passagem a partir da linha de ramal de alta pressão 11b para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 está aberta, como mostrado na Figura 2, e em outra posição de válvula com uma passagem aberta da linha de alimentação de carga-ar 8 a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 para a linha de ramal de alta pressão 11b, a passagem da linha de alimentação de carga-ar 8 para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 está pelo menos parcialmente fechada.

[00053] No modo de operação de reforçador ilustrado na Figura 2, a passagem a partir do primeiro ponto de ramal de carga 8a para o lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 está aberta, e a passagem para a porta de purga 16 ou para a linha de recirculação 16a (ver Figura 3) está fechada. Ao mesmo tempo, a passagem a partir da linha de ramal de alta pressão 11b para a linha de alimentação de carga-ar 8 está aberta, e a passagem da linha de alimentação de carga-ar 8 está fechada no segundo ponto de ramificação de car- ga-ar 8b. Ao mesmo tempo, o motor-gerador 14 é comutado para a operação do motor (somente o rótulo de "gerador" foi atingido através).

[00054] Assim, no modo de operação de reforçador, o fluxo de massa de carga-ar 26 é conduzido a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 para o lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13, é comprimido ainda mais pelo último, e é conduzido a partir do lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 de volta para a linha de alimentação de carga-ar 8 e para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1. O motor-gerador 14, no modo de motor, aciona a turbina de compressão 13 para os fins de aumentar a pressão na linha de alimentação de carga-ar 8.

[00055] A Figura 3 ilustra o mesmo arranjo do dispositivo de carregamento como na Figura 2, mas as duas válvulas de comutação 15a, 15b estão situadas na configuração que corresponde ao modo de ope- ração de recuperação. Além disso, a Figura 3 indica adicionalmente a linha de recirculação 16a, indicada por linhas tracejadas, que pode ser provida em vez de uma porta de purga 16 e que recircula o fluxo de massa de purga 27 para dentro do circuito de ar a montante do compressor de ar fresco 6. Além disso, a Figura 3 também ilustra simbolicamente o arranjo de uma lâmina de guia fixo ou variável 13a.

[00056] Para implementar o modo de operação de recuperação, a passagem a partir do ponto de ramal de carga 8a em direção ao lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 e em direção à porta de purga 16 ou à linha de recirculação 16a está fechada, e a passagem a partir do segundo ponto de ramal de carga 8b em direção ao lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 está pelo menos parcialmente aberta, e a passagem a partir do lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 em direção à porta de purga 16 ou à linha de recirculação 16a está aberta. O motor-gerador 14 é ao mesmo tempo comutado para operação do gerador (rótulo de "motor" atingido através).

[00057] Para implementar o modo de operação de recuperação, o fluxo de massa de carga-ar 26 é assim purgado a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 pelo menos parcialmente para o lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 e a partir do lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 através de uma porta de purga 16 para as proximidades, ou introduzido através de uma linha de recirculação 16a no dispositivo de suprimento de ar fresco 7, em que o motor-gerador 14 é acionado pela turbina de compressão 13 para os fins de recuperação de energia.

[00058] A modalidade do dispositivo de carregamento como pelas Figuras 2 e 3 tem a vantagem, no presente, de que o número de componentes mecânicos necessários e assim também o espaço estrutural necessário para o dispositivo de carregamento são reduzidos.

[00059] Os dispositivos de carregamento ilustrados nas Figuras 1, 2 e 3 são, além disso, caracterizados em que dois refrigeradores de car- ga-ar 17 estão dispostos em duas posições diferentes na linha de alimentação de carga-ar 8 no fluxo de massa de carga-ar 26. Um refrigerador de carga-ar 17 está disposto entre o lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 e o primeiro ponto de ramificação de carga- ar 8a, e o segundo refrigerador de carga-ar 17 está disposto entre o segundo ponto de ramificação de carga-ar 8b e a válvula de alavanca de aceleração 10. Isto, vantajosamente, dá um resfriamento de carga- ar de dois estágios para o modo de operação padrão e o modo de operação de reforçador, e, no modo de operação de recuperação, um fluxo de massa de carga-ar 26 resfriado é conduzido à turbina de compressão 13. Um projeto caro da turbina de compressão 13 para temperaturas de operação elevada não é necessário.

[00060] A Figura 4 mostra agora outra modalidade do dispositivo de carregamento de acordo com a invenção com um arranjo modificado das conexões de linha e os dispositivos de válvula em relação aos exemplos das Figuras 1 a 3.

[00061] O dispositivo de carregamento ilustrado na Figura 4 é caracterizado em que, em relação aos exemplos acima, uma porta de purga 16 ou uma linha de recirculação 16a é dispensada com, e em vez disso, a linha de desvio de carga-ar 11d é provida.

[00062] Neste exemplo, também, o trato de entrada 2 inclui um coletor de carga-ar 9a, que é conectado ao lado de entrada 9 ao motor de combustão interna 1, o compressor de ar fresco 6 do turboalimen- tador de gás de escapamento 4, e uma linha de alimentação de carga- ar 8, que é conectada em um lado através de uma válvula de alavanca de aceleração 10 ao coletor de carga-ar 9a e que é conectado ao outro lado ao lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6. Além disso, o trato de entrada 2 compreende um dispositivo de suprimento de ar fresco 7 com uma linha de suprimento de ar fresco 7a, que é conectada em um lado ao lado de baixa pressão LP do compressor de ar fresco 6 e no outro lado a um dispositivo de filtro de ar fresco 7b. Do mesmo modo, atribuído ao trato de entrada 2 está um carregador de recuperação 12 que tem uma turbina de compressão 13 e, acoplado ao mesmo, a motor-gerador 14. O lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13é, neste exemplo, também, conectado através de uma linha de ramal de baixa pressão 11a à linha de alimentação de carga-ar 8 em um primeiro ponto de ramificação de car- ga-ar 8a. Ao lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 é conectada uma linha de ramal de alta pressão 11b, que por sua vez é conectada à linha de suprimento de carga-ar 8 em um segundo ponto de ramificação de carga-ar 8b, que está a jusante no fluxo de massa de carga-ar 26.

[00063] Dita linha de desvio de carga-ar 11d é conectada em um lado à linha de alimentação de carga-ar 8 em um terceiro ponto de ramificação de carga-ar 8c a montante do primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a no fluxo de massa de carga-ar 26, e é conectado por outro lado à linha de ramal de alta pressão 11b em um ponto de ramificação de alta pressão 11e.

[00064] Além disso, múltiplos dispositivos de válvula 15a - 15d para controlar o fluxo de massa de carga-ar 26 estão dispostos nas conexões de linha 8, 11a, 11b and 11d mencionadas acima.

[00065] Um primeiro dispositivo de válvula 15a está disposto na linha de ramal de baixa pressão 11a entre o primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a e o lado de baixa pressão LP, e um segundo dispositivo de válvula 15b está disposto na linha de ramal de alta pressão 11b entre a turbina de compressão 13 e o segundo ponto de ramificação de carga-ar 8b. Além disso, na linha de alimentação de carga-ar 8, outro dispositivo de válvula 15c está disposto entre o primeiro e o se gundo pontos de ramificação de carga-ar 8a, 8b, que até aqui corresponde em princípio ao arranjo da Figura 1.

[00066] Além disso, outro dispositivo de válvula 15e está disposto na linha de alimentação de carga-ar 8 entre o terceiro ponto de ramificação de carga-ar 8c e o primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a, e outro dispositivo de válvula 15d está disposto na linha de desvio de carga-ar 11d entre o terceiro ponto de ramificação de carga-ar 8c e o ponto de ramificação de alta pressão 11e. Assim, a linha de alimenta-ção de carga-ar 8 pode ser desativada a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a em direção ao segundo ponto de ramificação de carga-ar 8b por meio do outro dispositivo de válvula 15c mencionado acima e a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a em direção ao terceiro ponto de ramificação de carga-ar 8c por meio de outro dispositivo de válvula 15e mencionado acima.

[00067] Os dispositivos de válvula 15a - 15e mencionados acima na Figura 4 todos podem estar na forma de válvulas desativadas simples que podem assumir os dois estados "desativado" e "aberto". Com um arranjo de válvula de dito tipo, é possível comutar entre os três modos de operação, modo de operação padrão, modo de operação de reforçador e modo de operação de recuperação. A operação de transi-ção, no caso de que somente uma parte do fluxo de massa de carga- ar 26 é conduzida através da turbina de compressão 13 para fins de recuperação, assim, não é possível.

[00068] As configurações de válvula ilustradas na Figura 4 caracterizam o modo de operação padrão, em que somente os dois outros dispositivos de válvula 15c and 15e dispostos na linha de alimentação de carga-ar 8 estão abertos e os dispositivos de válvula 15a, 15b, 15d restantes estão desativados. No presente, a configuração do outro dispositivo de válvula 15d não é de significância, porque os caminhos de fluxo a partir da linha de alimentação de carga-ar 8 para a turbina de compressão 13 estão, em qualquer caso, já desativados em ambas as direções por meio do primeiro e do segundo dispositivos de válvula 15a, 15b.

[00069] Assim, para implementar o modo de operação padrão, a passagem da linha de alimentação de carga-ar 8 a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 está aberta, e a passagem da linha de ramal de baixa pressão 11a em direção ao lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 e a passagem da linha de ramal de alta pressão 11b em direção à linha de alimentação de carga-ar 8 estão fechadas.

[00070] Deste modo, o fluxo de massa de carga-ar 26 é conduzido a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 através da linha de alimentação de carga-ar 8 para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna diretamente, quer dizer, não através da turbina de compressão 13, através da válvula de alavanca de aceleração 10 e do coletor de entrada 9a, em que o motor- gerador 14 do carregador de recuperação 12 é comutado para um estado neutro.

[00071] A Figura 5 mostra substancialmente a mesma modalidade do dispositivo de carregamento como na Figura 4, somente com o projeto e o arranjo dos dispositivos de válvula diferindo, e as configurações ilustradas dos dispositivos de válvula 15a, 15b caracterizando o modo de operação de reforçador.

[00072] A modalidade do dispositivo de carregamento ilustrada na Figura 5 é caracterizada em que o primeiro e o segundo dispositivos de válvula 15a são válvulas de comutação 15a, 15b.

[00073] No presente, o primeiro dispositivo de válvula 15a está disposto no primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a, em que, em uma posição de válvula com uma passagem fechada a partir do pri- meiro ponto de ramificação de carga-ar 8a em direção à linha de ramal de baixa pressão 11a, a passagem da linha de alimentação de carga- ar 8 a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 está aberta (não ilustrado na Figura 5). Em outra posição de válvula com uma passagem fechada a partir do primeiro ponto de ramificação de carga- ar 8a em direção ao lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1, a passagem a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 em direção à linha de ramal de baixa pressão 11a está aberta, como ilustrado na Figura 5. Em outra posição de válvula com uma passagem fechada da linha de alimentação de carga-ar 8 a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar 8a em direção ao lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco, a passagem a partir da linha de ramal de baixa pressão 11a em direção ao lado de entrada 9 está aberta (ver Figura 6).

[00074] O segundo dispositivo de válvula 15b está disposto no ponto de ramificação de alta pressão 11e, em que, em uma posição de válvula com uma passagem fechada a partir da linha de desvio de car- ga-ar 11d em direção à linha de ramal de alta pressão 11b, a passagem a partir do lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 em direção ao lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 está aberta, como ilustrado na Figura 5, e em outra posição de válvula com uma passagem aberta a partir da linha de desvio de carga-ar 11d em direção ao lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13, a passagem a partir da linha de desvio de carga-ar 11d em direção ao lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 está pelo menos parcialmente fechada (ver Figura 6).

[00075] Como é claro da Figura 5, para implementar o modo de operação de reforçador, a passagem a partir do terceiro ponto de ramal de carga 8c através do primeiro ponto de ramal de carga 8a em direção ao lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 e a passagem a partir do lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 em direção à linha de alimentação de carga-ar 8 estão abertas, em que, ao mesmo tempo, a passagem da linha de desvio de carga-ar 11d em direção ao lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 e a passagem da linha de alimentação de carga-ar 8 entre o primeiro e o segundo pontos de ramificação de carga-ar 8a, 8b estão fechadas.

[00076] Assim, o fluxo de massa de carga-ar 26 é conduzido a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 através da linha de ramal de baixa pressão 11a para o lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 e a partir do lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 através da linha de ramal de alta pressão 11b de volta para a linha de alimentação de carga-ar 8 e para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1. No presente, the motor-gerador 14 é comutado para um modo de motor (rótulo de "gerador" atingido através) e aciona a turbina de compressão 13 para os fins de aumentar a pressão na linha de alimentação de carga-ar 8.

[00077] A Figura 6 mostra substancialmente a mesma modalidade exemplar do dispositivo de carregamento como na Figura 5. A modalidade exemplar da Figura 6 difere em que a turbina de compressão 13 tem, a título de exemplo, um arranjo de lâmina de guia fixo ou variável 13a ilustrado na forma esquematicamente simplificada, o segundo dispositivo de válvula 15b é uma válvula de comutação proporcional 15a, e as configurações de válvula ilustradas caracterizam o modo de operação de recuperação.

[00078] Para implementar o modo de operação de recuperação, a passagem da linha de desvio de carga-ar 11d a partir do terceiro ponto de ramificação de carga-ar 8c em direção ao lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 está pelo menos parcialmente aberta e que em direção ao lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 está pelo menos parcialmente fechada, e a passagem a partir do lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 em direção ao lado de entrada 9 do motor de combustão interna 13 está aberta, em que, ao mesmo tempo, a passagem da linha de alimentação de carga-ar 8 entre o terceiro e o primeiro pontos de ramificação de carga-ar 8c, 8a está fechada.

[00079] Deste modo, o fluxo de massa de carga-ar 26 é conduzido a partir do lado de alta pressão HP do compressor de ar fresco 6 pelo menos parcialmente para o lado de alta pressão HP da turbina de compressão 13 e é expandido através da turbina de compressão 13. Nesta modalidade do dispositivo de carregamento, o fluxo de massa de purga 27 que surge sobre o lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 não é purgado para as proximidades, mas é conduzido adiante a partir do lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 para o lado de entrada 9 do motor de combustão interna 1 através da linha de alimentação de carga-ar 8, a válvula de alavanca de aceleração 10 e o coletor de carga-ar 9a. No presente, o motor-gerador 14 é comutado para um modo de gerador (rótulo de "motor" atingido através) e é acionado pela turbina de compressão 13 para os fins de recuperação de energia.

[00080] Em virtude do segundo dispositivo de válvula 15b ser projetado como uma válvula de comutação proporcional 15b, é possível somente para uma fração do fluxo de massa de carga-ar 26 ser expandida através da turbina de compressão 13, e assim para ajustar e regular um nível de pressão necessário para o estado de operação atual do motor de combustão interna 1.

[00081] Resumidamente sumarizado mais uma vez, a invenção assim refere-se a um dispositivo de carregamento e a um método de operação para dito dispositivo de carregamento para um motor de combustão interna 1, cujo dispositivo de carregamento tem um turboa- limentador de gás de escapamento 4 e um carregador de recuperação 12, em que o carregador de recuperação 12 tem uma turbina de compressão 13 e um motor-gerador eletromecânico 14 acoplado ao mesmo. No presente, o lado de alta pressão HP e o lado de baixa pressão LP da turbina de compressão 13 são conectáveis por meio de conexões de linha e dispositivos de válvula 15a-d à linha de alimentação de carga-ar 8 a jusante do compressor de ar fresco 6 do turboalimentador de gás de escapamento 4, em que dito carregador de recuperação 12 pode, por meio dos dispositivos de válvula 15a-d e o motor-gerador 14, ser comutado pelo menos entre um modo de operação de reforçador e um modo de operação de recuperação, em que dito carregador de recuperação é operável primeiramente no modo de operação de refor- çador em um modo acionado pelo motor-gerador 14 como um compressor para aumentar a pressão na linha de suprimento de ar fresco 8, ou é operável, em segundo lugar, em um modo acionado pelo fluxo de carga-ar como uma turbina para recuperação de energia por meio do motor-gerador 14.

Claims (14)

1. Dispositivo de carregamento para um motor de combustão interna (1) tendo um lado de entrada (9) e tendo um lado de gás de escapamento (19) e tendo um trato de entrada (2) disposto no lado de entrada (9) e tendo um trato de gás de escapamento (3) disposto no lado de gás de escapamento, cujo dispositivo de carregamento tem - um turboalimentador de gás de escapamento (4) tendo uma turbina de gás de escapamento (5), que está disposta no trato de gás de escapamento (3), e um compressor de ar fresco (6) tendo um lado de baixa pressão (LP) e um lado de alta pressão (HP), que está disposto no trato de entrada (2); - um dispositivo de suprimento de ar fresco (7) ao qual o compressor de ar fresco (6) é conectado em seu lado de baixa pressão (LP), - uma linha de alimentação de carga-ar (8) que conecta o lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco (6) ao lado de entrada do motor de combustão interna (1) para os fins de conduzir um fluxo de massa de carga-ar (26) gerado pelo compressor de ar fresco (6), e - um carregador de recuperação (12) que tem uma turbina de compressão (13) com um lado de alta pressão (HP) e um lado de baixa pressão (LP) e que tem um motor-gerador (14) acoplado à dita turbina de compressão, caracterizado pelo fato de que, - a turbina de compressão (13) é acoplada por meio de conexões de linha (11a, 11b, 11e) e dispositivos de válvula (15a - 15e) à linha de alimentação de carga-ar (8), onde o lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) é conectado, pelo menos através de uma linha de ramal de baixa pressão (11a) e um primeiro dispositivo de válvula (15a), à linha de alimentação de carga-ar (8) em um pri- meiro ponto de ramificação de carga-ar (8a), e o lado de alta pressão (HP) da turbina de compressão (13) é conectado, pelo menos através de uma linha de ramal de alta pressão (11b) e um segundo dispositivo de válvula (15b), à linha de alimentação de carga-ar (8) em um segundo ponto de ramificação de carga-ar (8b) a jusante do primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a), e que a linha de alimentação de car- ga-ar (8) pode ser fechada entre o primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a) e o segundo ponto de ramificação de carga-ar (8b) por meio do primeiro ou segundo dispositivo de válvula (15a, 15b) ou pelo menos outro dispositivo de válvula (15c), de tal modo que o carregador de recuperação (12) é ope- rável em um modo dependente das configurações dos dispositivos de válvula (15a - 15e), pelo menos por um lado em um modo de operação de reforço, em um modo acionado pelo motor-gerador (14) como um compressor para aumentar a pressão do fluxo de massa de carga-ar (26) na linha de alimentação de carga-ar (8), e, por outro lado, em um modo de operação de recuperação, em um modo acionado pelo fluxo de massa de carga-ar (26) como uma turbina para recuperação de energia por meio do motor-gerador (14).

2. Dispositivo de carregamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma porta de purga (16) ou uma linha de recirculação (16a) conectada à linha de alimentação de ar fresco (7) ser conectada através do primeiro dispositivo de válvula (15a) mencionado acima ou outro dispositivo de válvula (15d) à linha de ramal de baixa pressão (11a) em um ponto de ramificação de baixa pressão (11c) entre o primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a) e o lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13).

3. Dispositivo de carregamento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o primeiro dispositivo de válvula (15a) é uma válvula de comutação (15a) que está disposta no ponto de ramificação de baixa pressão (11c), sendo que, - em uma posição de válvula com uma passagem fechada a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a) para o lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13), a passagem a partir do lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) para a porta de purga (16) ou a linha de recirculação (16a) é aberta, e - em outra posição de válvula com uma passagem aberta a partir do primeiro ponto de ramal de carga (8a) para o lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13), a passagem para a porta de purga (16) ou a linha de recirculação (16a) está fechada.

4. Dispositivo de carregamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o segundo dispositivo de válvula (15b) ser uma válvula de comutação (15b) que está disposta no segundo ponto de ramificação de carga-ar (8b), em que, - em uma posição de válvula com uma passagem aberta da linha de alimentação de carga-ar (8) para o lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1), a passagem a partir da linha de alimentação de carga-ar (8) para a linha de ramal de alta pressão (11b) está pelo menos parcialmente fechada, e - em outra posição de válvula com uma passagem fechada da linha de alimentação de carga-ar (8) para o lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1) e para a linha de ramal de alta pressão (11b), a passagem a partir da linha de ramal de alta pressão (11b) para o lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1) está aberta, e - em outra posição de válvula com uma passagem aberta da linha de alimentação de carga-ar (8) a partir do lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco (6) para a linha de ramal de alta pressão (11b), a passagem da linha de alimentação de carga-ar (8) para o lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1) está pelo menos parcialmente fechada.

5. Dispositivo de carregamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma linha de desvio de carga- ar (11d) é provida sendo conectada, em um lado, à linha de alimentação de carga-ar (8) a um terceiro ponto de ramificação de carga-ar (8c) a montante do primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a) e que é conectada no outro lado à linha de ramal de alta pressão (11b) através do segundo dispositivo de válvula (15b) mencionado acima ou outro dispositivo de válvula (15d) em um ponto de ramificação de alta pressão (11e), e em que a linha de alimentação de carga-ar (8) pode ser desativada a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a) em direção ao terceiro ponto de ramificação de carga-ar (8c) por meio do primeiro dispositivo de válvula (15a) mencionado acima ou outro dispositivo de válvula (15e).

6. Dispositivo de carregamento, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o primeiro dispositivo de válvula (15a) é uma válvula de comutação (15a) que está disposta no primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a), em que, - em uma posição de válvula com uma passagem fechada a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a) em direção à linha de ramal de baixa pressão (11a), a passagem da linha de alimentação de carga-ar (8) a partir do lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco (6) para o lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1) está aberta, e - em outra posição de válvula com uma passagem fechada a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a) em direção ao lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1), a passagem a partir do lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco (6) em direção à linha de ramal de baixa pressão (11a) está aberta, e - em outra posição de válvula com uma passagem fechada da linha de alimentação de carga-ar (8) a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a) em direção ao lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco, a passagem a partir da linha de ramal de baixa pressão (11a) em direção ao lado de entrada (9) está aberta.

7. Dispositivo de carregamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que o segundo dispositivo de válvula (15b) é uma válvula de comutação (15b) que está disposta no ponto de ramificação de alta pressão (11e), sendo que, - em uma posição de válvula com uma passagem fechada a partir da linha de desvio de carga-ar (11d) em direção à linha de ramal de alta pressão (11b), a passagem a partir do lado de alta pressão (HP) da turbina de compressão (13) em direção ao lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1) está aberta, e - em outra posição de válvula com uma passagem aberta a partir da linha de desvio de carga-ar (11d) em direção ao lado de alta pressão (HP) da turbina de compressão (13), a passagem a partir da linha de desvio de carga-ar (11d) em direção ao lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1) está pelo menos parcialmente fechada.

8. Dispositivo de carregamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que um ou mais refrigeradores de carga-ar (17) estão disposto em uma ou mais posições na linha de alimentação de carga-ar (8) a montante ou a jusante da turbina de compressão (13) no fluxo de massa de carga-ar (26).

9. Dispositivo de carregamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a turbina de compressão (13) do carregador de recuperação (12) tem um alojamento de turbina de compressão com, disposto nele, um arranjo de lâmina de orientação fixa ou variável (13a) para otimizar o comportamento do escoamento ou comportamento de influxo do fluxo de massa de carga-ar (26).

10. Dispositivo de carregamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de suprimento de ar fresco (7) tem uma linha de suprimento de ar fresco (7a) e um dispositivo de filtro de ar fresco (7b).

11. Método de operação para um dispositivo de carregamento de um motor de combustão interna (1), como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de carregamento pode, durante a operação, ser comutado pelo menos entre um modo de operação de reforçador, um modo de operação de recuperação, ou entre um modo de operação padrão, em um modo dependente do comportamento operacional do motor de combustão interna (1) e por meio de conexões de linha (11a - 11d), dos dispositivos de válvula (15a - 15e) e do motor-gerador (14) do carregador de recuperação (12).

12. Método de operação, de acordo com a reivindicação 11, para um dispositivo de carregamento de um motor de combustão interna, como definido em qualquer uma das reivindicações 3 ou 6, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de válvula (15a - 15e) e o carregador de recuperação (12) ssão em cada caso definidos - de modo que para implementar o modo de operação do reforçador, o fluxo de massa de carga-ar (26) é conduzido a partir do lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco (6) para o lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) e a partir do lado de alta pressão (HP) da turbina de compressão (13) de volta para dentro da linha de alimentação de carga-ar (8) e para o lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1), e o motor-gerador (14) é comutado em um modo de motor de modo a acionar a turbina de compressão (13) para os fins de aumentar a pressão na linha de alimentação de carga-ar (8), e - de modo que, para implementar o modo de operação de recuperação, o fluxo de massa de carga-ar (26) é purgado a partir do lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco (6) pelo menos parcialmente para o lado de alta pressão (HP) da turbina de compressão (13) e a partir do lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) através de porta de purga (16) nas proximidades, ou é introduzido através de uma linha de recirculação (16a) dentro do dispositivo de suprimento de ar fresco (7) ou é conduzido para diante para o lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1), e o motor- gerador (14) é comutado para dentro de um modo de gerador para ser acionado pela turbina de compressão (13) para os fins de recuperação, e - de modo que, para implementar o modo de operação padrão, o fluxo de massa de carga-ar (26) é conduzido a partir do lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco (6) através da linha de alimentação de carga-ar (8) diretamente para o lado de entrada (9) do motor de combustão interna, e o motor-gerador (14) do carregador de recuperação (12) é comutado em um estado neutro.

13. Método de operação, de acordo com a reivindicação 11, para um dispositivo de carregamento de um motor de combustão interna como definido em qualquer uma das reivindicações 2 a 4 e 8 a 10, caracterizado pelo fato de que, - para implementar o modo de operação do reforçador, a passagem a partir do ponto de ramal de carga (8a) para o lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) é aberta e a passagem para a porta de purga (16) ou para a linha de recirculação (16a) é fechada, e ao mesmo tempo, a passagem a partir da linha de ramal de alta pressão (11b) para a linha de alimentação de carga-ar (8) é aberta e a passagem da linha de alimentação de carga-ar (8) entre o primeiro e o segundo pontos de ramificação de carga-ar (8a, 8b) é fechada, - para implementar o modo de operação de recuperação, a passagem a partir do primeiro ponto de ramal de carga (8a) em direção ao lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) e em direção à porta de purga (16) ou à linha de recirculação (16a) é fechada e a passagem a partir do segundo ponto de ramal de carga (8b) para o lado de alta pressão (HP) da turbina de compressão (13) é pelo menos parcialmente aberta e que em direção ao lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1) é pelo menos parcialmente fechada e a passagem a partir do lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) em direção à porta de purga (16) ou à linha de recir- culação (16a) é fechada, e -para implementar o modo de operação padrão, a passagem a partir do primeiro ponto de ramificação de carga-ar (8a) em direção ao lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) e a passagem a partir da linha de ramal de alta pressão (11b) em direção à linha de alimentação de carga-ar (8) é fechada, e a passagem da linha de alimentação de carga-ar (8) a partir do lado de baixa pressão (LP) do compressor de ar fresco (6) em direção ao lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1) é aberta.

14. Método de operação, de acordo com a reivindicação 11, para um dispositivo de carregamento de um motor de combustão internam como definido em qualquer uma das reivindicações 5 a 10, caracterizado pelo fato de que, -para implementar o modo de operação do reforçador, a passagem a partir do terceiro ponto de ramal de carga (8c) através do primeiro ponto de ramal de carga (8a) em direção ao lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) e a passagem a partir do lado de alta pressão (HP) da turbina de compressão (13) em direção à linha de alimentação de carga-ar (8) são abertas, em que, ao mesmo tempo, a passagem da de desvio de carga-ar (11d) em direção ao lado de alta pressão (HP) da turbina de compressão (13) e a passagem da linha de alimentação de carga-ar (8) entre o primeiro e o segundo pontos de ramificação de carga-ar (8a, 8b) são fechados, e - para implementar o modo de operação de recuperação, a passagem da linha de desvio de carga-ar (11d) a partir do terceiro ponto de ramificação de carga-ar (8c) em direção ao lado de alta pressão (HP) da turbina de compressão (13) é pelo menos parcialmente aberta e que em direção ao lado de entrada (9) do motor de combustão interna (1) é pelo menos parcialmente fechada, e a passagem a partir do lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) em direção ao lado de entrada (9) do motor de combustão interna (13) é aberta, em que ao mesmo tempo, a passagem da linha de alimentação de carga-ar (8) entre o terceiro e o primeiro pontos de ramificação de carga-ar (8c, 8a) é fechada, e - para implementar o modo de operação padrão, a passagem da linha de carga-ar (8) a partir do lado de alta pressão (HP) do compressor de ar fresco (6) para o lado de entrada (9) do motor de combustão interna (13) é aberta, e a passagem da linha de ramal de baixa pressão (11a) em direção ao lado de baixa pressão (LP) da turbina de compressão (13) e a passagem da linha de ramal de alta pressão (11b) em direção à linha de alimentação de carga-ar (8) são fechadas.

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