BRPI0410005B1 - Sistema turbo compressor para motor de combustão interna compreendendo duas unidades turbo serialmente localizadas com seus eixos geométricos de rotação essencialemte concêntricos - Google Patents

Sistema turbo compressor para motor de combustão interna compreendendo duas unidades turbo serialmente localizadas com seus eixos geométricos de rotação essencialemte concêntricos Download PDF

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Description

" SISTEMA TURBO COMPRESSOR PARA MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA COMPREENDENDO DUAS UNIDADES TURBO SERIALMENTE LOCALIZADAS COM SEUS EIXOS GEOMÉTRICOS DE ROTAÇÃO ESSENCIALMENTE CONCÊNTRICOS " CAMPO TÉCNICO DA PRESENTE INVENÇÃO A presente invenção se refere a um sistema turbocharger (turbo alimentador) para um motor de combustão interna possuindo pelo menos uma linha de exaustão para evacuação de gases de exaustão a partir da câmara de combustão do motor e pelo menos uma linha de admissão para suprimento de ar para a referida câmara de combustão, compreendendo uma turbina de alta pressão, que interage com um compressor de alta pressão e depois disto forma uma unidade turbo de alta pressão com um eixo geométrico de rotação comum, e uma turbina de baixa pressão, que interage com um compressor de baixa pressão e depois disto forma uma unidade turbo de baixa pressão com um eixo geométrico de rotação comum, de maneira a extrair energia a partir do fluxo de exaustão do motor e pressurizar o ar de admissão do motor.
PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA DA PRESENTE INVENÇÃO 0 estado da técnica com respeito para os sistemas turbocharger para motores de combustão interna do tipo diesel supercharging (diesel de super alimentação) , preferivelmente para veículos comerciais pesados, usualmente compreende um compressor de estágio único tracionado por uma turbina de estágio único, ambos do tipo radial. Os sistemas turbocharger (turbo alimentados) com dois estágios supercharge (super alimentados) são também verificados, algumas vezes também incluindo refrigeração intermediária, mas tais instalações são usualmente muito consumidoras de espaço. Soluções técnicas desta espécie são, consequentemente, difíceis para aplicar para veículos a motor nos quais espaço é severamente (drasticamente) limitado, Os turbochargers tradicionais utilizados em sistemas supercharging de dois estágios têm que estar localizados com seus eixos geométricos lateralmente recuados (compensados) , na medida que o fluxo deixando a turbina de alta pressão é axial, enquanto que a admissão para a turbina de baixa pressão é radial. Portanto, tem que existir uma curva de 90° no duto de gás. Esta curva ocupa uma quantidade de espaço e provoca grandes perdas de pressão, que possuem um efeito adverso comprometendo a eficiência global.
Os superchargers (super alimentadores) adequados para um motor a diesel de 6 litros até 20 litros de capacidade cúbica normalmente possuem uma eficiência de, sob condições estacionárias, entre 50 % e 60 % (Tlcompressor * ilinficânico * turbina) * Em motores a diesel contemporâneos, o benefício de eficiência é mais baixo do que para futuros motores, que irão requerer pressão de alimentação mais alta. Exemplos de sistemas que elevam as exigências de supercharging são recirculação de gás de exaustão para emissões de óxido de nitrogênio mais baixas ou sistemas que oferecem controle variável de válvulas de admissão.
Os sistemas turbocharger com eficiência mais alta do que 60 %, sob condições estacionárias, oferecem um probabilidade maior para satisfazer futuras demandas para motores ambientalmente favoráveis e eficientes em combustível. Previamente, demandas ambientais sob motores a diesel têm usualmente conduzido para eficiência piorada (prejudicada), que tem, conseqüentemente, significado que a fonte de energia do combustível tem sido menos bem utilizada (ineficientemente utilizada).
OBJETIVO DA PRESENTE INVENÇÃO
Um objetivo da presente invenção é, conseqüentemente, produzir um sistema turbocharger altamente efetivo que pode ser aplicado para veículos sem engendrar problemas de instalação.
Um sistema turbocharger, configurado para este propósito em concordância com a presente invenção, para um motor de combustão interna possuindo pelo menos uma linha de exaustão para evacuação de gases de exaustão a partir da câmara de combustão do motor e pelo menos uma linha de admissão para suprimento de ar para a referida câmara de combustão, compreende uma turbina de alta pressão, que interage com um compressor de alta pressão e depois disto forma uma unidade turbo de alta pressão com um eixo geométrico de rotação comum, e uma turbina de baixa pressão, que interage com um compressor de baixa pressão e depois disto forma uma unidade turbo de baixa pressão com um eixo geométrico de rotação comum, de maneira a extrair energia a partir do fluxo de exaustão do motor e pressurizar o ar de admissão do motor, e está caracterizado pelo fato de que, em concordância com a presente invenção, a turbina de baixa pressão é do tipo axial, e de que a unidade turbo de alta pressão e a unidade turbo de baixa pressão estão serialmente localizadas com os eixos geométricos de rotação essencialmente concêntricos e com a turbina de alta pressão e a turbina de baixa pressão localizadas adjacentes uma em relação à outra e acopladas juntamente por uma peça intermediária configurada como um duto de fluxo, que está disposta para possibilitar uma determinada excentricidade entre os dois eixos geométricos de rotação, e de que a unidade turbo de baixa pressão está atada para uma parte do motor de combustão interna, enquanto que a unidade turbo de alta pressão está atada para uma outra parte do motor de combustão interna. As expressões "motor de combustão interna" e "motor" estão também intencionadas para incluir partes pertencendo para um motor, tais como, por exemplo, a cabeça de cilindro, o alojamento de volante e o alojamento de transmissão.
Concretizações vantajosas ilustrativas em concordância com a presente invenção podem ser derivadas a partir das reivindicações de patente independentes posteriormente.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS DA PRESENTE INVENÇÃO A presente invenção irá ser descrita em maiores detalhes posteríormente, de uma maneira não limitante, com referência para as concretizações ilustrativas mostradas nos desenhos acompanhantes nos quais: A Figura 1 mostra diagramaticamente um motor de combustão interna possuindo um sistema turbocharger de dois estágios em concordância com a presente invenção; A Figura 2 é uma seção longitudinal através dos dois estágios turbocharger formando o sistema turbocharger; A Figura 3 é uma ampliação parcial da Figura 2, que mostra mais claramente uma peça intermediária entre os dois estágios turbocharger; e A Figura 4 é uma vista lateral parcialmente cortada (vista de corte parcial) de um motor de combustão interna possuindo um sistema turbocharger instalado em concordância com a presente invenção- As Figuras são somente representações esquemáticas e a presente invenção não está limitada para estas concretizações.
DESCRIÇÃO DAS CONCRETIZAÇÕES ILUSTRATIVAS DA PRESENTE INVENÇÃO A presente invenção se refere a uma instalação de um sistema superchargíng (super alimentação) para, em primeiro lugar, motores a diesel possuindo uma capacidade cúbica de entre cerca de 6 litros e cerca de 20 litros, para utilização, preferivelmente, em veículos comerciais pesados, tais como caminhões, ônibus e maquinaria de construção. 0 sistema superchargíng possui a característica de que este oferece um supercharge consideravelmente mais efetivo do que os sistemas rotineiros. 0 supercharge é realizado em dois estágios com dois compressores conectados em série, do tipo radial, com refrigeração intermediária. 0 primeiro estágio de compressor, referido como o compressor de baixa pressão, é tracionado por uma turbina de baixa pressão do tipo axial. 0 segundo estágio de compressor, referido como o compressor de alta pressão, é tracionado por uma turbina de alta pressão do tipo radial. A Figura 1 mostra um bloco de motor (10) possuindo seis cilindros de motor (11), que se comunicam de uma maneira convencional com um misturador (manifold) de admissão (12) e dois misturadores de exaustão separados (13, 14) . Cada um destes dois misturadores de exaustão recebe gases de exaustão a partir de três dos cilindros de motor. Os gases de exaustão são conduzidos através de tubulações separadas (15, 16) até para uma turbina (17) em uma unidade turbo de alta pressão (18), que compreende um compressor (19) montado sobre um eixo comum com a turbina (17) .
Os gases de exaustão são conduzidos para a frente através de uma tubulação (20) para uma turbina (21) em uma unidade turbo de baixa pressão (22), que compreende um compressor (23) montado sobre um eixo comum com a turbina (21) . Os gases de exaustão são finalmente conduzidos para a frente através de uma tubulação (24) para o sistema de exaustão do motor, que pode compreender unidades para o pós-tratamento de gases de exaustão. 0 ar de admissão filtrado é admitido para o motor através da tubulação (25) e conduzido para o compressor (23) da unidade turbo de baixa pressão (22) . Uma tubulação (26) conduz o ar de admissão para a frente através de um primeiro refrigerador de carga a ar (charge-air cooler) (27) para o compressor (19) da unidade turbo de alta pressão (18). Depois deste supercharge de dois estágios com refrigeração intermediária, o ar de admissão é conduzido para a frente através da tubulação (28) para um segundo refrigerador de carga a ar (charge-air cooler) (29), depois de onde o ar de admissão alcança o misturador de admissão (12) por intermédio da tubulação (30). O sistema turbocharger em concordância com a presente invenção está mostrado em maiores detalhes na Figura 2, que ilustra as espirais de admissão, duplas (15, 16) para a turbina de alta pressão (17) , cada uma das quais proporciona metade da turbina com fluxo de gás por intermédio de trilhas de guia de admissão (17a). A turbina de alta pressão (17) é do tipo radial convencional e está conectada para a turbina de baixa pressão (21) pelo duto intermediário curto (20), que é utilizável na medida que a turbina de baixa pressão (21) é do tipo axial. Este caminho de fluxo curto minimiza perdas de pressão entre os estágios de turbina. A turbina de alta pressão (17) está montada juntamente com o compressor de alta pressão (19) sobre o eixo (31). A turbina de baixa pressão (21) está correspondentemente montada juntamente com o compressor de baixa pressão (23) sobre o eixo (32) . As duas unidades turbo de alta pressão e de baixa pressão (18, 22) estão orientadas ao longo de essencialmente o mesmo eixo geométrico longitudinal. O duto intermediário curto (20) está equipado com vedações (33), que estão mais claramente evidentes a partir da Figura 3 e que combatem tensões de instalação e vazamento pela possibilitação de uma determinada mobilidade nas direções axial e radial, e que absorvem estresses térmicos e determinada deficiência de montagem.
Para esta finalidade, as vedações (33), estão configurados como anéis de pistão elásticos com mobilidade axial em, respectivamente, uma porção cilíndrica (34) da saída da turbina de alta pressão (17) e uma porção cilíndrica (35) da admissão da turbina de baixa pressão (21) . As vedações (33) estão montadas em ranhuras na peça intermediária (20). O duto interno da peça intermediária (20) é anular, possuindo um corpo interno localizado centralizadamente (20a) de uma seção transversal que aumenta na direção a jusante do duto interno. A partir da Figura 4 está evidenciado que a unidade turbo de baixa pressão (22) está montada sobre o bloco de motor (10) por intermédio de uma braçadeira (36), que está conectada por parafusos para a saída (37) da turbina de baixa pressão (21). A unidade turbo de alta pressão (18) está montada convencionalmente contra os misturadores de exaustão (13, 14) do motor. Em outras concretizações ilustrativas em concordância com a presente invenção, outros componentes de motor poderíam ser utilizados para a montagem de suspensão do turbocharger, tais como, por exemplo, a cabeça de cilindro, o alojamento de volante e o alojamento de transmissão. É também possível montar o turbocharger sobre diversas partes de um misturador de exaustão. 0 turbocharger pode, por conseqüência, estar localizado serialmente ao lado do motor, essencialmente paralelo com o eixo geométrico longitudinal do mesmo e localizado de maneira tal que o referido compressor de alta pressão (19) está faceando para frente na direção longitudinal do motor de combustão interna (10), enquanto que o compressor de baixa pressão (23) está faceando para trás. Esta localização é vantajosa, na medida que o canal de indução a partir do filtro de ar do motor está normalmente nos veículos comerciais pesados localizado na parte traseira do compartimento de motor, o que produz um duto de ar curto (25) (ver Figura 1). Correspondentemente, é uma vantagem possuir o referido compressor de alta pressão (19) faceando para frente, na medida que este recebe o seu ar a partir do refrigerador intermediário (27), que pode estar localizado na frente do compartimento de motor. Entretanto, a presente invenção não está, de nenhuma maneira, limitada para esta orientação de turbocharger e de refrigerador (cooler).
Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência para concretizações específicas, deverá ser observado por aqueles especializados no estado da técnica que a presente invenção não é para ser considerada como estando limitada para as concretizações ilustrativas descritas anteriormente, mas certamente, um número de variações e de modificações são conceptíveis dentro do escopo de proteção das subsequentes reivindicações de patente. Por exemplo, o sistema turbocharger em concordância com a presente invenção está descrito em conexão com um motor a diesel de seis cilindros, mas o sistema turbocharger é aplicável para todos os diversos motores a pistão a partir de um cilindro e acima (um ou mais cilindros) e que são tracionados em ciclo de dois tempos ou em ciclo de quatro tempos.
Como anteriormente mencionado, aqueles especializados no estado da técnica irão compreender que a presente invenção está limitada apenas dentro do escopo de proteção das subsequentes reivindicações de patente.
RE IVINDICAÇÕE S

Claims (8)

1. Um sistema turbocharger para um motor de combustão interna (10) possuindo pelo menos uma linha de exaustão (15, 16) para evacuação de gases de exaustão a partir da câmara de combustão (11) do motor e pelo menos uma linha de admissão (12) para suprimento de ar para a referida câmara de combustão (11) , compreendendo uma turbina de alta pressão (17) , que interage com um compressor de alta pressão (19) e depois disto forma uma unidade turbo de alta pressão (18) com um eixo geométrico de rotação comum (31) , e uma turbina de baixa pressão (21), que interage com um compressor de baixa pressão (23), e depois disto forma uma unidade turbo de baixa pressão (22) com um eixo geométrico de rotação comum (32), para extração de energia a partir do fluxo de exaustão do motor e pressurização do ar de admissão do motor, a turbina de baixa pressão (21) sendo do tipo axial, a unidade turbo de alta pressão (18) e a unidade turbo de baixa pressão (22) estando serialmente localizadas com os eixos geométricos de rotação (31, 32) essencialmente concêntricos e com a turbina de alta pressão (17) e a turbina de baixa pressão (21) localizadas adjacentes uma em relação à outra e acopladas juntamente por uma peça intermediária (20) configurada como um duto de fluxo, que está disposta para possibilitar uma determinada excentricidade entre os dois eixos geométricos de rotação (31, 32), a unidade turbo de baixa pressão (22) estando atada para uma parte do motor de combustão interna (10) , enquanto que a unidade turbo de alta pressão (18) está atada para uma outra parte do motor de combustão interna (10) , caracterizado pelo fato de que a referida unidade turbo de baixa pressão (22) está atada para o bloco de cilindro (10) do motor de combustão interna (10), enquanto que a unidade turbo de alta pressão (18) está atada para o misturador (manifold) de exaustão (15, 16) do motor de combustão interna (10).
2. O sistema turbocharger, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida unidade turbo de alta pressão (18) e a referida unidade turbo de baixa pressão (22) estão serialmente localizadas ao lado do motor de combustão interna (10).
3. 0 sistema turbocharger, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as referidas duas unidades turbo (18, 22) estão localizadas essencialmente paralelas com o eixo de manivela do motor de combustão interna (10).
4. 0 sistema turbocharger, de acordo com uma das reivindicações 2 e 3, caracterizado pelo fato de que as referidas duas unidades turbo (18, 22) estão orientadas de maneira tal que o referido compressor de alta pressão (19) está faceando para frente na direção longitudinal do motor de combustão interna (10), enquanto que o compressor de baixa pressão (23) está faceando para trás.
5. 0 sistema turbocharger, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 até 4, caracterizado pelo fato de que a referida peça intermediária (20) está proporcionada com anéis de vedação (33) que são elásticos na direção radial.
6. 0 sistema turbocharger, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os referidos anéis de vedação (33) estão montados deslizavelmente em, respectivamente, uma porção cilíndrica (34) da saída da turbina de alta pressão (17) e uma porção cilíndrica (35) da admissão da turbina de baixa pressão (21) .
7. 0 sistema turbocharger, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, caracterizado pelo fato de que a referida unidade turbo de baixa pressão (22) está montada no bloco de motor (10) , por intermédio da saída (37) da turbina de baixa pressão (21), por intermédio de uma braçadeira (36).
8. O sistema turbocharger, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que o duto interno da referida peça intermediária (20) é anular, possuindo um corpo interno (20a) de uma seção transversal que aumenta na direção a jusante.
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