BRPI0410176B1 - Turbo compressor system for an internal combustion engine - Google Patents

Description

" SISTEMA TURBO COMPRESSOR PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA " CAMPO TÉCNICO DA PRESENTE INVENÇÃO A presente invenção se refere a uma unidade turbocharger {turbo alimentadora) para um motor de combustão interna possuindo pelo menos uma linha de exaustão para condução de gases de exaustão para fora 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 que interage com um compressor de maneira a extrair energia a partir do fluxo de gás de exaustão do motor e pressurizar o ar de admissão do motor.

PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA DA PRESENTE INVENÇÃO ---tecnologia---contemporânea---eom— -respeito--para---as— sistemas turbocharger para motores de combustão interna de supercharging (de super alimentação) do tipo diesel, em particular para veículos comerciais pesados, usualmente compreende um compressor de estágio único que é tracionado por uma turbina de estágio único, ambos do tipo radial.

Os superchargers (super alimentadores) adequados para um motor a diesel de volume de curso (de capacidade cúbica) de 6 litros até 20 litros normalmente possuem uma eficiência de, sob condições estacionárias, entre 50 % e 60 % {^compressor * ^lmecânico * T]turbina) · Em motores a diesel contemporâneos, o benefício de boa eficiência é mais baixo do que este benefício irá ser para futuros motores, que irão requerer pressão de alimentação mais alta. Exemplos de sistemas que aumentam a exigência para 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 (econômicos). Previamente, demandas ambientais para 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).

Propulsores modernos estão usualmente proporcionados com lâminas retro propulsoras nas quais o ângulo de lâmina (/fe), entre ama “extensão—imaginária —da—linha ce-n-t-ra-1—da-lâmina entre a seção de raiz e a seção de ponta na direção da tangente de saída e uma linha que conecta o eixo geométrico central do propulsor para a ponta externa da lâmina permanece abaixo de 35 graus.

As turbinas radiais utilizadas em turbochargers estão com freqüência proporcionadas com recessos de pentéola (recortes encurvados) entre as lâminas de turbina (ver Figura 4) para redução da massa da roda de turbina, o que resulta em resposta transiente aperfeiçoada, o que significa dizer aumento da capacidade da roda de turbina para reagir para um fluxo de gás de exaustão aumentado.

Isto torna possível para um motor aumentar a velocidade mais rapidamente em virtude dos recessos de pentéola reduzindo o momento de inércia polar devido ao fato de que estes recessos de pentéola eliminam material da periferia da roda de turbina. Entretanto, os recessos de pentéola possuem um efeito negativo sobre a eficiência da turbina devido ao fato do vazamento de fluxo a partir da lateral de pressão para a lateral de sucção nas extremidades externas das lâminas de turbina. Uma outra razão para proporcionar a turbina com recessos de pentéola é para reduzir estresses devidos ao fato da temperatura não uniforme durante a partida, a parada e as mudanças de carga. Problemas de distribuição de temperatura não uniforme são maiores em rodas de grande diâmetro.

Uma desvantagem de aumentar o ângulo de lâmina (/¾>2) do compressor é a de que a velocidade periférica e, por conseqüência, os estresses no propulsor aumentam para a mesma proporção de pressão. Isto significa que materiais xrom marcrres propriredardes----de---resistênerdra--podem---s-er— requeridos. Por exemplo, os propulsores e as rodas de alumínio fundido rotineiros (usuais) podem ser substituídos pelos componentes de alumínio ou de titânio forjados e maquinados consideravelmente mais dispendiosos.

RESUMO DA PRESENTE INVENÇÃO É, consequentemente, um objetivo da presente invenção produzir uma unidade turbocharger com boas características tanto em termos de resposta transiente e quanto em termos de eficiência.

Uma unidade turbocharger, projetada para este propósito em concordância com a presente invenção, para um motor de combustão interna possuindo pelo menos uma linha de exaustão para condução de gases de exaustão para fora 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 que interage com um compressor, de maneira a extrair energia a partir do fluxo de gás de exaustão do motor e pressurizar o ar de admissão do motor, e está caracterizada pelo fato de que, em concordância com a presente invenção, o compressor é do tipo radial e está proporcionado com um propulsor possuindo lâminas retro propulsoras nas quais o ângulo de lâmina <&*) , entre uma extensão imaginária da linha central da lâmina entre seção de raiz e seção de ponta na direção da tangente de saída e uma linha que conecta o eixo geométrico central do propulsor para a ponta externa da lâmina, é de pelo menos grosseiramente 45 graus, e de que a turbina que traciona o compressor é do tipo radial. Em virtude deste pxOqreiro da unetctarde turbochargerç—a—eficiência—poete—s-er^-mantida alta, ao mesmo tempo em que a resposta transiente é aperfeiçoada.

Aumentando o ângulo de lâmina (pb2) do compressor resulta no aumento de pressão para uma determinada velocidade rotacional diminuindo. De maneira a compensar para isto, uma velocidade mais alta ou um diâmetro de propulsor maior são requeridos. Um efeito inesperado, entretanto, é o de que velocidade rotacional otimizada para a construção de compressor aumenta mais do que é requerido de maneira a manter o aumento de pressão, e o diâmetro pode, conseqüentemente, até mesmo ser reduzido.

Isto pode ser verificado a partir do Diagrama 1 e do Diagrama 2, onde o Diagrama 1 mostra o fator de trabalho {Àh0/Z?) do propulsor como uma função do ângulo de lâmina (Pb2) i onde (Ah0) é o aumento de entalpia e (U) é a velocidade periférica do propulsor. Um aumento no ângulo de lâmina (/¾^) a partir, por exemplo, de 45 graus para 55 graus significa que o fator de trabalho diminui por grosseiramente 5 %. De maneira a manter a proporção de pressão, a velocidade periférica (U) tem que então ser aumentada por grosseiramente 2,5 % (vl,05 = 1,025), assumindo eficiência não modificada (inalterada).

Diagrama 1: A velocidade rotacional otimizada pode ser lida a partir do Diagrama 2 que mostra a eficiência como uma função de velocidade rotacional especifica (Ns) e de ângulo de lâmina (/¾^) . A velocidade rotacional especifica (Ns) é aqui definida como [Ns = m · Vv/ (Hãd) 3/41 , onde (cr) = velocidade angular, (V) = fluxo de volume de admissão, (Had) = aumento de entalpia adiabática que é aqui definido como {= Cp · T0/±n · [(proporção de pressão) ((k ~ 1>/k> - 1]} . Pode ser verificado a partir do Diagrama 2 que a (Ns) otimizada e, por consequência, a velocidade rotacional, em condições de fluxo de volume, de proporção de pressão e de admissão não modificadas (inalteradas), aumenta por grosseiramente 4 %, quando o ângulo de lâmina (Pb2) é aumentado a partir de 45 graus para 55 graus.

Diagrama 2: A turbina radial que é para tracionar o compressor pode ser reduzida em diâmetro pelo menos correspondendo para a velocidade rotacional mais alta do compressor, o que resulta em um momento de inércia polar mais baixo. Uma possibilidade de aperfeiçoamento alternativo é a de que dessa maneira os recessos de pentéola podem ser reduzidos ou dispensados. Isto significa que a eficiência é aumentada, o que em si mesmo significa que até mesmo um diâmetro menor pode ser utilizado.

Concretizações ilustrativas vantajosas em concordância com a presente invenção podem ser derivadas a partir das reivindicações de patente dependentes posteriormente.

Utilizando a unidade turbocharger descrita em um sistema turbocharger de dois estágios se tem a vantagem de que cada turbocharger trabalha com um aumento de pressão menor e, por conseqüência, uma velocidade rotacional mais baixa. Em tais casos, materiais rotineiros podem ser utilizados apesar do maior ângulo de retro propulsão (pb2) · BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS DA PRESENTE INVENÇÃO A presente invenção irá ser descrita em maiores btetaitres pTrsrteurxoxirrerrteç de—orna—maneira—não—ilmit-anrtev—eomr 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 incluídos no sistema turbocharger; A Figura 3 mostra, em uma vista plana parcialmente cortada (vista de corte parcial), um propulsor que é utilizado na unidade turbocharger em concordância com a presente invenção; e A Figura 4 mostra, em uma vista plana, a roda de turbina da turbina de alta pressão.

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 está descrita como aplicada a um sistema supercharging (super alimentação) para, em primeiro lugar, motores a diesel possuindo um volume de curso (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. Uma característica do sistema supercharging é a de que este proporciona um supercharging consideravelmente mais efetivo quando comparado com os sistemas rotineiros. 0 supercharge é realizado em dois iesttrcpfas~vcom ' dois compresscuces-vrOTreerbctdos—em-rséird^—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 (manífold) 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 por intermédio de uma tubulação (24) para o sistema de exaustão do motor, que pode compreender unidades para o pós-tratamento de gases de exaustão. O ar de admissão filtrado é admitido para o motor por intermédio da tubulação (25) e é conduzido para o compressor (23) da unidade turbo de baixa pressão (22). Uma tubulação (26) conduz o ar de admissão para a frente por intermédio cie—um—primeiro—refrigerador—de—earga—a—ar-(charge-air cooler) (27) para o compressor (19) da unidade turbo de alta pressão (18). Depois desta alimentação {chargíng) em dois estágios com refrigeração intermediária, o ar de admissão é conduzido para a frente por intermédio da tubulação (28) para um segundo refrigerador de carga a ar (charge-air cooler) (29), depois do qual o ar de admissão alcança o misturador de admissão (12) por intermédio da tubulação (30). 0 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 pás de turbina de guia de admissão (17a) . A turbina de alta pressão (17) é do tipo radial e está conectada para a turbina de baixa pressão (21) por intermédio de um duto intermediário curto (20) . 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 de uma maneira correspondente montada juntamente com o compressor de baixa pressão (23) sobre o eixo (32). 0 turbo de alta pressão está projetado em concordância com a presente invenção descrita e consiste de um compressor de alta pressão com lâminas que estão projetadas com uma grande retro propulsão, o que irá ser descrito em maiores detalhes posteriormente com referência para a Figura 3.

Pode ser observado a partir da Figura 3 que um ângulo bre—lâmina (Pb2) r -entre—uma—extensão—imtaqinéioia—da—lâmina· (35) ao longo da linha central entre a seção de raiz e a seção de ponta na direção da tangente de saida e uma linha (36) (em representação tracejada) que conecta o eixo geométrico central do propulsor para a ponta externa da lâmina (35), é de pelo menos grosseiramente 45 graus, adequadamente de pelo menos grosseiramente 50 graus - 55 graus. Os turbo compressores disponíveis no mercado possuem ângulos de lâmina (jBb2) de, entre grosseiramente 25 graus e grosseiramente 35 graus. Em testagem de um sistema turbocharger em concordância com a presente invenção, foi mostrado ser vantajoso aumentar o ângulo de lâmina para pelo menos grosseiramente 45 graus. 0 efeito deste aumento no ângulo de lâmina consiste primordialmente em que o propulsor com turbina associada rotaciona em uma velocidade rotacional mais alta para uma determinada proporção de pressão. 0 aumento na velocidade significa que o diâmetro e, por consequência, também o momento de massa de inércia da roda de turbina pode ser reduzido. Como um efeito secundário disto, a resposta transiente do motor é também aperfeiçoada, na medida que o momento de massa de inércia reduzido significa que a roda de turbina pode acelerar mais facilmente para a faixa de velocidade efetiva desta roda de turbina. Em adição, a eficiência de compressor também aumenta, ínter alia, como uma conseqüência de uma diferença de velocidade reduzida entre o fluxo ao longo da lateral de pressão e da lateral de sucção da lâmina, o que conduz para um fluxo secundário menor, e por conseqüência, perdas mais baixas, e também como um resultado da velocidade de fluxo na saída de rotor reduzida, conduzindo para perdas mais baixas rio difusou:—que se segue;

Ambos os compressores estão proporcionados com pás de turbina de guia a jusante do respectivo propulsor de maneira a otimizar a construção de pressão. Este difusor é vantajosamente do tipo LSA (Low Solidity Aírfoil -Aerodinâmica de Baixa Solidez), significando um difusor com lâminas projetadas aerodinamícamente, cujos comprimentos possuem uma proporção para o espaçamento entre as lâminas (passo), na direção circunferencial na admissão, que permanece na faixa de 0,75 - 1,5. Uma característica deste tipo de difusor é a de que este difusor não limita a faixa de trabalho possível (combinação de proporção de pressão e de fluxo de volume) do compressor tanto quanto como um difusor convencional com lâminas longas.

Um difusor de saída (37) está localizado depois da turbina de baixa pressão (21) de maneira a recuperar pressão dinâmica a partir da turbina. 0 difusor de saída (37) corre para um coletor de exaustão (38) , que guia os gases de exaustão para fora para a tubulação de exaustão (24) . A turbina de alta pressão (17) mostrada na Figura 4, que traciona o compressor de alta pressão (19) , é do tipo radial, possuindo uma roda de turbina que, para rotação em velocidades rotacionais relativamente altas, é idealizada com um pequeno diâmetro. Isto torna possível evitar aqueles recessos (recortes) (39) no cubo de roda de turbina (40) das espécies que são normalmente utilizadas em concordância com o estado da técnica neste tipo de turbina (que é conhecida como de "recessos de pentéola"). Estes recessos (39) estão mostrados pelas linhas tracejadas na Figura 4, strmpdresmeTrtre de mainexra a ilustrar—o—estado—da—técmtricarv Devido para o fato de que estes recessos (39) não são necessários, a roda de turbina pode trabalhar mais efetivamente para uma eficiência global mais alta.

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, a unidade turbocharger em concordância com a presente invenção está descrita em conexão com um motor a diesel de seis cilindros, mas em concordância com a presente invenção, a unidade turbocharger pode ser aplicada para todos os diferentes 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. A presente invenção pode também ser aplicada para motores marinhos e para motores com volumes de curso (de capacidade cúbica) outros do que aqueles anteriormente mencionados. Adicionalmente, a turbina de alta pressão (17) pode estar proporcionada sem nenhuma pá de turbina de guia de admissão (17a) ou pode, alternativamente, estar proporcionada com pás de turbina de guia de admissão (17a) fixas ou geometricamente rotativas.

Como anteriormente mencionado, aqueles especializados no estado da técnica irão compreender 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.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. Uma unidade turbocharger (18) para um motor de combustão interna (10) possuindo pelo menos uma linha de exaustão (15, 16) para condução de gases de exaustão para fora 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 (17) que interage com um compressor (19) para extração de energia a partir do fluxo de gás de exaustão do motor e pressurização do ar de admissão do motor, caracterizada pelo fato de que o compressor (19) é do tipo radial e está proporcionado com um propulsor possuindo lâminas retro propulsoras (35) nas quais o ângulo de lâmina Wb2) ,_ entre uma extensão imaginária da linha central da lâmina entre seção de raiz e seção de ponta na direção da tangente de saída e uma linha (36) que conecta o eixo geométrico central do propulsor para a ponta externa da lâmina, é de pelo menos grosseiramente 45 graus, e de que a turbina (17) que traciona o compressor (19) é do tipo radial.

2. A unidade turbocharger (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o referido ângulo de lâmina (/¾^) é de pelo menos grosseiramente 45 graus.

3. A unidade turbocharger (18), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o referido ângulo de lâmina {β^ζ) é de pelo menos grosseiramente 55 graus.

4. A unidade turbocharger (18), de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 até 3, caracterizada pelo fato de que o referido compressor (19) está proporcionado com um difusor do tipo LSA (Low Solidity Airfoil - Aerodinâmica de Baixa Solidez).

5. A unidade turbocharger (18), de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 até 4, caracterizada pelo fato de que a referida turbina radial (17) é feita com um cubo de roda sem recessos (recortes).

6. A unidade turbocharger (18), de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 até 4, caracterizada pelo fato de que a referida turbina radial (17) é feita com um cubo de roda com recessos possuindo uma profundidade radial máxima correspondendo para 5 % do diâmetro de roda.

7. A unidade turbocharger (18), de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 até 6, caracterizada pelo fato de que o referido turbocharger está intencionado para um sistema turbo com dois estágios de alimentação onde compressores e turbinas estão dispostos em série.