BRPI0620485A2

BRPI0620485A2 - sistema de motor turbo-alimentado e método de operação

Info

Publication number: BRPI0620485A2
Application number: BRPI0620485-6A
Authority: BR
Inventors: Chenna Krishna Rao Boyapati; Krishnamurthy Vaidyanathan
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2011-11-16
Also published as: ZA200805202B; EP1957766B1; RU2421625C2; US20070119171A1; AU2006320804B2; EP1957766A2; JP2009517584A; CN101316991B; AU2006320804A1; RU2008126213A; CN101316991A; WO2007064573A3; CA2630044A1; WO2007064573A2; US7571608B2

Abstract

SISTEMA DE MOTOR TURBO-ALIMENTADO E MéTODO DE OPERAçãO. Um sistema é apresentado. O sistema inclui um motor de combustão interna o qual possui um coletor de entrada e um coletor de saída. O sistema também inclui um turbo alimentador de alta pressão, o qual possui uma turbina de alta pressão de geometria variável, a qual possui o seu movimento guiado por meio de acoplamento ao compressor de alta pressão, no qual a turbina de geometria variável de alta pressão é movimentada por meio de uma primeira porção dos gases de exaustão do coletor de saida, e no qual o compressor de alta pressão é configurado para que comprima uma entrada de ar, e para que forneça o ar comprimido da entrada para o coletor de entrada. O sistema também inclui um turbo alimentador de baixa pressão o qual possui uma turbina de geometria variável de baixa pressão movida por meio de acoplamento a um compressor de baixa pressão, e no qual a turbina de geometria variável de baixa pressão é movimentada por meio de uma segunda porção dos gases de exaustão, do coletor de exaustão, e no qual o compressor de baixa pressão é configurado para que comprima uma terceira porção dos gases de exaustão do exaustor de saida, e para que forneça a terceira porção comprimida para o coletor de entrada, e no qual a primeira e a segunda porção dos gases de exaustão são diferentes uma da outra.

Description

Sistema de motor turbo-alimentado e método de operação.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A presente invenção está relacionada, de uma forma mais geral, a sistema de motores, e de uma forma mais particular, a técnicas para a redução na emissão de poluentes, isto é, as emissões de óxido de nitrogênio (NOx)1 em motores de combustão interna turbo-alimentados.

Diversos tipos de motores de combustão interna são usados para motorizar veículos tais como locomotivas, carros de passeio, e outros tipos de equipamentos. Um motor de combustão interna pode incluir um ou mais turbo alimentadores, para que se faça a compressão dos gases de entrada (isto é, o ar atmosférico), o qual é fornecido para uma ou mais câmaras de combustão dentro do motor. Cada turbo alimentador, ou turbo compressor, inclui uma turbina que é movida por meio dos gases de exaustão do motor, e um compressor, o qual é movido por meio da turbina. Além do mais, o compressor recebe o ar atmosférico o qual deve ser comprimido, e fornece o ar comprimido para as câmaras de combustão.

Normalmente, um motor de combustão interna turbo- alimentado é operado de tal forma que a pressão do coletor de admissão é maior do que a pressão do coletor de exaustão no motor. Em certos sistemas mais tradicionais, a recirculação dos gases de exaustão (EGR - exhaust gas recirculation) é usada para a redução das emissões que não são desejadas de óxidos de nitrogênio (NOx). Infelizmente, é muito difícil que se consiga o controle da recirculação dos gases de exaustão, enquanto que se supere de forma substancial a diferença de pressão entre os coletores de entrada e exaustão. Adicionalmente, tais técnicas têm um impacto profundo no consumo específico de combustível (SFC - specific fuel consuptiorí) e nas emissões de material particulado (PM - particulate matter), sem que se consiga oferecer um controle eficiente da circulação dos gases de exaustão, para todo o ciclo de ajustes para a aceleração que é aplicado ao ciclo de trabalho para a operação de locomotivas e em altas altitudes.

Da mesma forma, existe uma necessidade para que se venha a fornecer um sistema de motor turbo - alimentado o qual venha a reduzir de uma forma substancial as emissões de Óxido de nitrogênio (NOx), para diferentes tipos de condições de operações para motores, enquanto que se atinge um consumo específico de combustível (SFC) para o motor.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

De acordo com certas formas preferenciais de realização a presente invenção possui um sistema. O sistema inclui um motor de combustão interna o qual possui um coletor de entrada e um coletor de saída. O sistema também inclui um turbo - alimentador de alta pressão o qual possui uma turbina de alta pressão de geometria variável a qual é movida por meio de um acoplamento à um compressor de alta pressão, e no qual a turbina de geometria variável e alta pressão é movida por meio de uma primeira porção dos gases de exaustão, os quais têm origem no coletor de exaustão, e no qual o compressor de alta pressão é configurado para que faça a compressão do ar da entrada e para que forneça o ar comprimido da entrada para o coletor de entrada. O sistema também inclui um turbo - alimentador de baixa pressão o qual possui uma turbina de baixa pressão e geometria variável a qual é acoplada a um compressor de baixa pressão, no qual a turbina de baixa pressão e de geometria variável é movida por meio de uma segunda porção dos gases de exaustão do coletor de exaustão, e no qual o compressor de baixa pressão é configurado para que faça a compressão de uma terceira porção dos gases de exaustão do coletor de exaustão, e para que forneça a terceira porção de ar comprimido para o coletor de entrada, no qual a primeira e a segunda porções dos gases de exaustão são diferentes uns dos outros.

De acordo com certas formas preferenciais de realização, a presente invenção possui um método para operar um sistema de motor. O método inclui fazer o encaminhamento de uma primeira porção de gases de exaustão, a partir de um motor de combustão interna, para que movimente uma turbina de alta pressão e geometria variável, de um turbo alimentador de alta pressão, e que encaminhe uma segunda porção dos gases de exaustão para que movimentem uma turbina de baixa pressão e geometria variável, de um turbo alimentador de baixa pressão. O método inclui o encaminhamento de uma terceira porção dos gases de exaustão para um compressor de baixa pressão de um turbo alimentador de baixa pressão, para que se comprima uma terceira porção dos gases de exaustão para que sejam tomados dentro do motor de combustão interna, no qual, junto com a primeira e a segunda porção dos gases de exaustão são diferentes uns dos outros.

De acordo com certas formas preferenciais de realização, a presente invenção possui um método para reduzir a emissão de poluentes em um motor de combustão interna. O método inclui o efetuar do acoplamento de um turbo alimentador de alta pressão o qual possui um compressor de alta pressão e uma turbina de geometria variável de alta pressão com o motor de combustão interna. O método também inclui o efetuar de um acoplamento com um turbo alimentador de baixa pressão o qual possui um compressor de baixa pressão e uma turbina de geometria variável e baixa pressão, em uma configuração de fluxo geral paralelo, com o turbo alimentador de alta pressão, e no qual o fluxo geralmente paralelo inclui uma primeira porção dos gases da exaustão que se originam no motor de combustão interna, para a turbina de geometria variável e alta pressão, e uma segunda porção dos gases de exaustão do motor de combustão interna para a turbina de geometria variável de baixa pressão. DESENHOS Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção irão ter a sua compreensão facilitada, por meio da descrição detalhada que se segue, e com referência aos desenhos que acompanham o presente trabalho, nos quais caracteres similares representam partes similares ao longo de todos os desenhos que são apresentados, e nos quais:

- A figura 1 apresenta uma ilustração de um diagrama de um motor de combustão interna turbo-alimentado, com a recirculação dos gases de exaustão de acordo com formas preferenciais de realização da presente invenção;

- A figura 2 apresenta uma ilustração diagramática de um sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado o qual apresenta uma outra forma exemplar para um mecanismo para a recirculação dos gases de exaustão, para que se faça a redução na emissão de poluentes, a partir do sistema de acordo com as formas preferenciais de realização da presente invenção;

- A figura 3 apresenta uma ilustração de diagrama de um sistema para um motor de combustão interna turbo-alimentado o qual possui um mecanismo de uma forma exemplar para a recirculação dos gases de exaustão, acoplado aos grupos dos lados esquerdo e direito do motor, de acordo com formas preferenciais de realização da presente invenção;

- A figura 4 apresenta uma ilustração de diagrama de um sistema para um motor de combustão interna turbo-alimentado o qual possui um mecanismo de uma forma exemplar para a recirculação dos gases de exaustão, com separação nos coletores de entrada e de exaustão, para os grupos de motores esquerdo e direito, de acordo com formas preferenciais de realização para a presente invenção;

- A figura 5 apresenta uma ilustração de diagrama de um sistema para um motor de combustão interna turbo-alimentado o qual possui um mecanismo de uma forma exemplar para a recirculação dos gases de exaustão, para um motor com divisão esquerda e direita, com um coletor de entrada comum, de acordo com as formas preferenciais de realização para a presente invenção;

- A figura 6 apresenta uma ilustração de diagrama de um sistema para um motor de combustão interna turbo-alimentado o qual possui um mecanismo de uma forma exemplar para a recirculação dos gases de exaustão, para um motor com turbo alimentadores separados acoplados às divisões esquerda e direita, de acordo com as formas preferenciais de realização para a presente invenção;

- A figura 7 apresenta uma ilustração de diagrama de um sistema para um motor de combustão interna turbo-alimentado o qual possui um mecanismo de uma forma exemplar para a recirculação dos gases de exaustão, para um motor com um intercooler em comum para a divisão esquerda e a divisão, de acordo com as formas preferenciais de realização para a presente invenção; e - A figura de número 8 apresenta uma representação gráfica 230 das emissões de oxido de nitrogênio (NOx) e para o consumo específico de combustível em frenagem (BSFC - brake specific fuel consuption), para diferentes temperaturas de refrigeração de recirculação dos gases de exaustão (EGR - exhaust gas recirculation), para os motores de combustão interna turbo - alimentados das figuras de 1 a 7, de acordo com as formas preferenciais de realização para a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Da forma como será discutida em maior riqueza de detalhes, na seqüência deste presente trabalho, as formas preferenciais de realização para a presente invenção, tem como função a redução das emissões de sistemas de motores de combustão interna turbo-alimentados, tais como aqueles os quais são empregados em locomotivas e veículos. Assim, por exemplo, os motores de combustão interna podem incluir motores que fazem o uso de velas de ignição, ou motores que operam por meio de ignição por compressão, tais como os motores a diesel. De uma forma particular, a presente invenção inclui o emprego da seleção seletiva da recirculação dos gases de exaustão, com a tomada de ar dentro do sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado, para que se minimizem as emissões, tais como as emissões de óxido de nitrogênio (NOx), a partir do sistema. De uma forma em particular, a mistura dos gases de exaustão com a tomada de ar, reduz a temperatura pico de combustão e a temperatura da chama adiabática, e desta forma, reduz as emissões a partir do sistema.

Fazendo-se agora referência aos desenhos e em primeiro lugar ao primeiro, isto é a figura de número 1, um sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 10, o qual possui uma forma exemplar de um mecanismo para a recirculação de gases de exaustão 12, é ilustrado. Os exemplos para sistemas de motores de combustão interna turbo-alimentados 10 incluem veículos (isto é, uma locomotiva, um automóvel, uma aeronave, um vaso naval (marinho), os equipamentos e os veículos pesados para construções, etc.), um sistema de geração de energia, um sistema de automação comercial ou industrial, bombas e outros tantos. Na forma preferencial de realização que é ilustrada, o sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 10 inclui um motor de combustão interna 14 o qual possui um coletor de entrada 16 e um coletor de exaustão 18. Nesta forma preferencial de realização, a pressão do coletor de entrada é substancialmente maior do que a pressão do coletor de exaustão. Em algumas das formas preferenciais de realização, o motor de combustão interna 14 inclui um motor de ignição por meio de compressão, tal como por exemplo um motor a diesel. Além do mais, o sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 10 inclui um turbo alimentador de alta pressão 20, o qual possui uma turbina de alta pressão e de geometria variável 22, a qual é acoplada de modo a movimentar um compressor de alta pressão 24, por meio de um por meio de um eixo 26. Em adição, o sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 10 também inclui um compressor de baixo pressão 28, o qual possui uma turbina de baixa pressão e de geometria variável 30, a qual é acoplada de modo a movimentar um compressor de baixa pressão 32, por meio de um por meio de um eixo 34. Nesta forma preferencial de realização, um compressor de baixo pressão 28 é acoplado em uma configuração geral paralela com o turbo alimentador de alta pressão 20. Em outras palavras, a exaustão que flui à partir do coletor de exaustão 18 é divida em dois fluxos paralelos, ou simultâneos, para a turbina de alta pressão e de geometria variável 22 e a turbina de baixa pressão e de geometria variável 30, ao invés de fluir por uma turbina e depois para a outra. Além do mais, a turbina de alta pressão e de geometria variável 22 e a turbina de baixa pressão e de geometria variável 30 facilitam a redução das emissões por toda uma faixa de posições de acelerador que são aplicadas ao sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 10, e de uma forma em particular, para as operações em altas altitudes.

Quando em operação, a turbina de alta pressão e de geometria variável 22 é movida por uma primeira porção 36 dos gases de exaustão, do coletor de exaustão 18, a qual é encaminhada para a turbina de alta pressão e de geometria variável 22, por meio do conduto 37, o qual divide entre um conduto 38 e o conduto 37 apenas mencionado. Além do mais, o compressor de alta pressão 24 é movimentado por meio da turbina de alta pressão e de geometria variável 22, por meio do eixo 26, e é configurado para que faça a compressão o ar que é tomado 40. O ar comprimido 42, o qual é proveniente do compressor de alta pressão 24 é então dirigido o coletor de entrada 16, por meio do conduto 44.

De uma forma similar, a turbina de baixa pressão e de geometria variável 30 é movida por meio da segunda porção 46 dos gases de exaustão a partir do coletor de exaustão 18. Nesta forma preferencial de realização, a segunda porção 46 dos gases de exaustão é dirigida para o compressor de baixa pressão 32 por meio do conduto 48 o qual divide o conduto 37. Uma vez mais, o compressor de baixa pressão 32 é movido por meio da turbina de baixa pressão e de geometria variável 30 por meio do eixo 34 e é configurado para que faça a compressão de uma terceira porção 50 dos gases de exaustão, a partir do coletor de exaustão 18. A terceira porção 50 dos gases de exaustão a partir do coletor de exaustão 18 é dirigida para o compressor de baixa pressão 32, por meio do condutor 52, o qual divide o conduto 37. A terceira porção comprimida 54 é enviada para o coletor de entrada 16 por meio do condutor 56. Nesta forma preferencial de realização, a primeira porção 36 dos gases de exaustão e a segunda porção 46 dos gases de exaustão são diferentes uma da outra. Além do mais, a terceira porção 50 dos gases de exaustão é diferente da primeira porção 36 dos gases de exaustão e da segunda porção 46 dos gases de exaustão. Em outras palavras, a primeira, a segunda e a terceira porções 36, 46 e 50 são fluxos simultâneos, ou paralelos, os quais são frações respectivas do todo do fluxo de exaustão, o qual deixa o coletor de exaustão 18 através do conduto 37. Deve ser feito menção que, as respectivas frações para a primeira, a segunda e a terceira porções podem ser dependentes de seus específicos tipos de aplicação. Em uma forma preferencial de realização, a porcentagem da recirculação dos gases de exaustão (EGR) é situada em torno de 12.

O sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 10 também inclui um refrigerador intermediário (intercooler - IC), ou um refrigerador 58, disposto a jusante do compressor de baixa pressão 32 e configurado para refrigerar a terceira porção comprimida 54 dos gases de exaustão, em fase anterior à sua introdução no coletor de entrada 16. De uma forma adicional, um refrigerador intermediário (IC)1 ou um refrigerador 60 é colocado a jusante do compressor de alta pressão 24 e é configurado para que faça a refrigeração do ar comprimido tomado 42 a partir do compressor de alta pressão 24. Nesta forma preferencial de realização, o refrigerador 58 e o refrigerador 60 facilitam a redução das emissões e impactam de uma forma relativamente menor do consumo específico de combustível (SFC) do sistema. Além do mais, o sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 10 também inclui uma válvula 62 de recirculação dos gases de exaustão (EGR) para que se faça o controle do fluxo da terceira porção comprimida 54 dos gases de exaustão para a turbina de alta pressão e de geometria variável 22. Uma controladora 64 é acoplada ã válvula 62 de recirculação dos gases de exaustão (EGR) para que controle o fluxo por meio de da válvula 62 de recirculação dos gases de exaustão (EGR)1 tendo como base as condições de operação tais como por exemplo, o ajuste presente para a aceleração, uma altitude, uma temperatura ambiente, e outros fatores tais como a área para o anel do bocal da turbina, a velocidade do fluxo através da turbina de baixa pressão e de geometria variável 30, e a temperatura de recirculação dos gases de exaustão (EGR) da turbina de baixa pressão e de geometria variável 30, ou o desempenho do compressor de baixa pressão 28, ou ainda o desempenho do compressor de baixa pressão 28, e assim por diante. De uma forma que é vantajosa, a recirculação dos gases de exaustão, da forma como foi acima descrita, reduz de forma substancial e emissão de poluentões a partir do sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 10. Em algumas das formas preferenciais de realização para a presente invenção, uma porção dos gases de exaustão 66 e dos gases de exaustão 68 a partir da turbina de baixa pressão e de geometria variável 30 e da turbina de alta pressão e de geometria variável 22, podem ser re-circulados dentro do sistema de motor de combustão interna turbo alimentado 10, para que se reduza, as emissões, da forma como será descrita abaixo, quando da referência a figura de número 2. Em algumas das outras formas preferenciais de realização para a presente invenção, um filtro em particular (o qual não é exibido) pode vir a ser empregado para que faça a filtragem de qualquer material particulado que provenha dos gases de exaustão 66 e dos gases de exaustão 68.

A figura de número 2 apresenta uma ilustração de diagrama de um sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 70, o qual possui uma outra forma exemplar para o mecanismo de recirculação dos gases de exaustão para a redução das emissões de poluentes que se originam do sistema de motor de combustão interna turbo alimentado 70. Nesta forma preferencial de realização para a presente invenção, uma porção 72 dos gases de exaustão, que são originados pela turbina de baixa pressão e de geometria variável 30 e a turbina de alta pressão e de geometria variável 22 são encaminhados para o compressor de baixa pressão 32 por meio do condutor 74, e são comprimidos por meio do compressor de baixa pressão 32. Além do mais, a terceira porção comprimida 54 é dirigida para o coletor de entrada 16. Uma vez mais, a válvula 62 de recirculação dos gases de exaustão (EGR) pode vir a ser empregada para que se faça o controle da porção 72 dos gases de exaustão para o compressor de baixa pressão 32. Em contraste com as formas preferenciais de realização de acordo com a figura de número 1, as porções 72 dos gases de exaustão são obtidos a jusante, ao invés de a montante, da turbina de alta pressão e de geometria variável 22 e da turbina de baixa pressão e de geometria variável 30. Em outras palavras, o fluxo para a porção 72 dos gases de exaustão se encontra em série, ao invés de em paralelo, com os fluxos da primeira porção 36 dos gases de exaustão e da segunda porção 46 dos gases de exaustão. Além do mais, a controladora 64 se encontra acoplada à válvula 62 de recirculação dos gases de exaustão (EGR), para que se possa controlar o fluxo através da válvula 62 de recirculação dos gases de exaustão (EGR), tomando-se como base as condições de operação do motor. Na forma preferencial de realização para a presente invenção que é ilustrada, o sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 70 também inclui um filtro para elementos particulados 76, o qual é configurado para que faça a filtragem de material particulado que provêm dos gases de exaustão 66 e dos gases de exaustão 68, a partir da turbina de baixa pressão e de geometria variável 30 e do compressor de baixa pressão 32. Além do mais, em certas formas preferenciais de realização para a presente invenção, o sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 70 inclui o motor 78, o qual é configurado para movimentar a turbina de baixa pressão e de geometria variável 30, em condições de operações selecionadas para o motor de combustão interna 14.

A figura de número 3 apresenta uma ilustração de diagrama de um sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 80 o qual possui um mecanismo que é uma forma exemplar de mecanismo de recirculação de gás acoplado ao lado esquerdo do motor 82 e do lado direito do motor 84. Na forma preferencial de realização para a presente invenção, o motor de combustão interna 14 inclui diversos cilindros de combustão (por exemplo, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, ou mais), dispostos no lado esquerdo do motor 82 e no lado direito do motor 84. Além do mais, uma porção 86 dos gases de exaustão do lado direito do motor 82, são levadas para a turbina de baixa pressão e de geometria variável 30 por meio de um condutor 88, para que se movimente a turbina de baixa pressão e de geometria variável 30, a qual por sua vez, movimenta o compressor de baixa pressão 32. De uma forma adicional, uma porção 90 dos gases de exaustão do lado direito do motor 84 é dirigida para o compressor de baixa pressão 32, por meio de um condutor 92, para a compressão. A terceira porção comprimida 54, do compressor de baixa pressão 32 é na seqüência introduzida para dentro do coletor de entrada 16 do motor de combustão interna 14. Uma nova vez, o fluxo da porção 86 dos gases de exaustão do lado esquerdo do motor 82 pode vir a ser controlado por meio da válvula 62 de recirculação dos gases de exaustão (EGR) e da controladora 64. Além do mais, da forma como foi antes descrita, a turbina de alta pressão e de geometria variável 22 é movida por meio da primeira porção 36 dos gases de exaustão, que provêm do coletor de exaustão 18. A turbina de alta pressão e de geometria variável 22 move o compressor de alta pressão 24 para que se comprima o ar que é tomado 40, e de forma subseqüente, para que se encaminhe o ar comprimido para dentro do coletor de entrada 16. Deve ser feito nota que os gases de exaustão fluem através de varias turbinas e compressores de forma paralela, ao invés de em série, a partir de diferentes porções do lado esquerdo do motor 82 e do lado direito do motor 84.

A figura 4 apresenta um diagrama com uma ilustração de um sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 100 o qual possui uma forma exemplar de um mecanismo para a recirculação de gases, para um motor 102 com a entrada e coletor de exaustão separados para os lados esquerdo e direito (isto é, a serie esquerda e a serie direita das câmeras de combustão, ou as montagens pistão- cilindro). Na forma preferencial de realização para a presente invenção que é ilustrada, o motor 102 incrementa o seu lado esquerdo do motor 104 e o seu lado direito do motor 106, o qual inclui uma montagem pistão-cilindro que é denominada como Cil L1 até Cil L8 e Cil R1 até Cil R8, de uma forma respectiva. Além do mais, o lado esquerdo do motor 104 inclui um coletor de entrada 108 e um coletor de exaustão 110. De uma forma similar, o lado direito do motor 106 inclui um coletor de entrada 112 e um coletor de exaustão 114. O sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 100 inclui um turbo alimentador de alta pressão 116, o qual possui uma turbina de geometria variável e de alta pressão 118 e um compressor de alta pressão 120. De uma forma adicional, o sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 100 inclui um turbo alimentador de baixa pressão 122, o qual possui um compressor de baixa pressão 124, bem como uma turbina de geometria variável e de baixa pressão 126. Nas formas exemplares ilustradas, o turbo alimentador de baixa pressão 122 é disposto de uma forma geral paralela com o turbo alímentador de alta pressão 116. Em outras palavras, os gases de exaustão são enviados para o turbo alímentador de alta pressão 116 e para o turbo alimentador de baixa pressão 122, de uma forma simultânea e independente, a partir de diferentes saídas a partir do coletor de exaustão 110 e do coletor de exaustão 114, ao invés de passar em uma forma seqüencial, ou em série, de um dos turbo alimentadores para o outro. Além do mais, a turbina de geometria variável e de alta pressão 118 é acoplada de forma a ser movimentada por meio do compressor de alta pressão 120, por meio do eixo 128. De uma forma similar, a turbina de geometria variável e de baixa pressão 126 acoplada de forma a ser movimentada por meio do compressor de baixa pressão 124 por meio do eixo 130.

Na forma preferencial de realização para a presente invenção que é ilustrada por meio da figura de número 4, os gases de exaustão a partir do lado esquerdo do motor 104 e do lado direito do motor 106 são recirculados dentro do sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 100. Quando da operação, a turbina de geometria variável e de alta pressão 118 é movida por meio de uma porção dos gases de exaustão 132 e dos gases de exaustão 134, que se originam no coletor de exaustão 110 e no coletor de exaustão 114, do lado esquerdo do motor 104 e do lado direito do motor 106. Além do mais, o compressor de alta pressão 120 é movido por meio da turbina de geometria variável e de alta pressão 118 e é configurado para que faça a compressão do ar comprimido tomado 136. O ar comprimido tomado é de uma forma subseqüente encaminhado para o coletor de entrada 108 e para o coletor de entrada 112 do lado esquerdo do motor 104 e do lado direito do motor 106, da forma como são representados por meio dos numerais de referência 138 e 140. Em certas formas preferenciais de realização para a presente invenção, refrigeradores intermediários (intercoolers) 142 e 144 podem vir a ser empregados para que refrigerem o ar comprimido 138 e o ar comprimido 140, em antecedência à sua introdução no coletor de entrada 108 e no coletor de entrada 112. Além do mais, os gases de exaustão 146 da turbina de geometria variável e de alta pressão 118 podem ser filtrados por meio de filtros particulados 148, e que são de forma subseqüente descarregados na atmosfera, da forma como é representado por meio do número de referência 150.

Além do mais, a turbina de geometria variável e de baixa pressão 126 é movida por meio de uma porção dos gases de exaustão que saem do coletor de exaustão 110. Nesta forma preferencial de realização para a presente invenção, uma válvula para a recirculação dos gases de exaustão (EGR) 154 é empregada para que se faça o controle do fluxo do fluxo dos gases de exaustão 152. O compressor de baixa pressão 124 para movido por meio da turbina de geometria variável e de baixa pressão 126 e recebe uma porção dos gases de exaustão 156 a partir do coletor de exaustão 114, a partir do lado direito do motor 106. Em algumas das formas preferenciais de realização para a presente invenção, um filtro para particulado 158 pode ser disposto a montante do compressor de baixa pressão 124, para que se faça a filtragem de qualquer material particulado na porção dos gases de exaustão 156. Além do mais, os gases comprimidos são direcionados para o coletor de entrada 108 e o coletor de entrada 112, da forma como é representada por meio das referências numéricas 160 e 162. Em algumas das formas preferenciais de realização para a presente invenção, um refrigerador 164 pode vir a ser empregado para que faça a refrigeração dos gases 160 e 162, em momento anterior à sua introdução ao coletor de entrada 108 e ao coletor de entrada 112. Além do mais, um filtro para particulados (o qual não é exibido), pode ser disposto a jusante do turbo - alimentador de baixa pressão 122, para que faça a filtragem do material particulado que se encontra nos gases de exaustão da turbina de geometria variável e de baixa pressão 126. Em algumas outras certas formas preferenciais de realização para a presente invenção, uma válvula de contorno de compressor 166 pode vir a ser empregada para que se dirija uma porção dos gases de exaustão 156 não comprimidos para o coletor de entrada 108 e o coletor de entrada 112. Assim, por exemplo, a válvula de contorno de compressor pode vir a ser operada aos ajustes baixos da aceleração, de tal forma que se dirija uma porção dos gases de exaustão 156 não comprimidos para o coletor de entrada 108 e o coletor de entrada 112.

A figura de número 5 apresenta um diagrama de ilustração de um sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 170 o qual possui um mecanismo para a recirculação dos gases de exaustão para um motor 172, o qual possui o lado esquerdo e o lado direito que possuem um coletor de entrada comum. Na forma preferencial de realização para a presente invenção que é ilustrada, o motor 172 inclui um lado esquerdo de motor 174 e um lado direito de motor 176, os quais possuem diversos cilindros de combustão ou montagens pistão-cilindro, tais como as que são representadas por meio dos rótulos Cil L1 até Cil L8 e Cil R1 até Cil R8, de uma forma respectiva. Além do mais, o motor de combustão interna 172 inclui um coletor de entrada comum 180 e um coletor de exaustão 182 e um coletor de exaustão 184, os quais são acoplados ao lado esquerdo de motor 174 e ao lado direito de motor 176. Da forma como é ilustrada, uma porção dos gases de exaustão 132 e uma porção dos gases de exaustão 134, os quais provém do coletor de exaustão 182 e do coletor de exaustão 184, são usados para que movam a turbina de geometria variável e de alta pressão 118, o qual, por sua vez, movimenta o compressor de alta pressão 120, por meio do eixo 128. Além do mais, o ar comprimido tomado 136 entra no compressor de alta pressão 120, e o ar comprimido 138 e o ar comprimido 140 do compressor de alta pressão 120 são dirigidos a partir do compressor de alta pressão 120 e dirigidos para o coletor de entrada comum 180, por meio do refrigerador intermediário (intercooler) 142 e do refrigerador intermediário 144, de forma respectiva. Uma nova vez, os gases de exaustão 146 da turbina de geometria variável e de alta pressão 118 podem passar através de um filtro para particulados 148, antes que saia para a atmosfera, da forma como é indicada por meio da seta 150. De uma forma similar, uma porção dos gases de exaustão 152 da exaustão do coletor de exaustão 182 do lado esquerdo de motor 174 é encaminhada para que movimente a turbina de geometria variável e de baixa pressão 126, e uma porção dos gases de exaustão do coletor de exaustão 184 do lado direito de motor 176 é encaminhada para o compressor de baixa pressão 124 para que sofra uma compressão adicional e para que seja entrado no coletor de entrada comum 180. De uma forma que é vantajosa, a recirculação dos gases de exaustão no sistema de motor de combustão interna turbo - alimentado 170 da forma como será descrita abaixo, facilita de uma forma substancial a redução das emissões dispensa sistema de motor de combustão interna turbo - alimentado 170. Uma vez mais, na forma preferencial de realização para a presente invenção a qual é apresentada por meio da figura cada número 5, os gases de exaustão fluem através de varias turbinas e compressores e, paralela, ao invés de em série. Em outras palavras, os gases de exaustão passem as várias turbinas e compressores de forma simultânea e independente, ao invés de passar através de um compressor após o outro, ou uma turbina depois da outra.

A figura de número 6 apresenta uma ilustração de um diagrama de um sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 190 o qual possui uma forma exemplar para um mecanismo de recirculação dos gases de exaustão para o motor 172, com turbo - alimentadores separados e acoplados ao lado direito e esquerdo do motor. Na forma preferencial de realização para a presente invenção que é ilustrada, o sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 190 inclui um primeiro turbo alimentador de alta pressão 192 e um segundo turbo alimentador de alta pressão 194, os quais são acoplados ao lado esquerdo de motor 174 e ao lado direito de motor 176. Além do mais, o sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 190 inclui um turbo alimentador de baixa pressão 122 acoplado de uma forma que não é seqüencial, ou geralmente é paralela e de configuração independente com o primeiro turbo alimentador de alta pressão 192 e o segundo turbo alimentador de alta pressão 194. O primeiro turbo alimentador de alta pressão 192 inclui uma também uma turbina de geometria variável e de alta pressão 196 e um compressor de alta pressão 198. De uma forma similar, o segundo turbo alimentador de alta pressão 194 inclui uma turbina geometria variável e de alta pressão 200 e um compressor de alta pressão 202. Além do mais, o compressor de alta pressão 198 é acoplado de forma a mover a turbina geometria variável e de alta pressão 196 por meio do eixo 204. De uma forma similar, o compressor de alta pressão 202 é acoplado de forma a poder movimentar a turbina geometria variável e de alta pressão 200 por meio do eixo 206. Um uma forma preferencial de realização para a presente invenção, para sistema de motor de combustão interna turbo-alimentado 190 inclui o coletor de exaustão 182 e o coletor de exaustão 184, alem do coletor de entrada comum 180, da forma como foi anteriormente descrita com referência a figura de número 5.

Quando da operação, a turbina geometria variável e de alta pressão 196 é movida por meio de uma porção dos gases de exaustão 208 a partir do coletor de exaustão 182 do lado esquerdo de motor 174. De uma forma similar, a turbina geometria variável e de alta pressão 200 é movida por meio de uma porção dos gases de exaustão 210 a partir do coletor de exaustão 184 do lado direito de motor 176. Além do mais, o compressor de alta pressão 198 e o compressor de alta pressão 202 são movidos por meio da turbina de geometria variável e de alta pressão 196 e da turbina geometria variável e de alta pressão 200, de forma respectiva. O compressor de alta pressão 198 e o compressor de alta pressão 202 recebem uma tomada de ar 212 e são configurados para que façam a compressão da tomada de ar 212 para que se gere o fluxo de entrada de ar comprimido 214 e o fluxo de entrada de ar comprimido 216, os quais são de forma subseqüente encaminhados para o coletor de entrada comum 180. Nesta forma preferencial de realização para a presente invenção, o refrigerador intermediário (intercooler) 218 e o refrigerador intermediário (intercooler) 220 são dispostos a jusante do compressor de alta pressão 198 e do compressor de alta pressão 202, para que se faça a refrigeração do fluxo de entrada de ar comprimido 214 e do fluxo de entrada de ar comprimido 216, em momento anterior à sua introdução no coletor de entrada comum 180. Além do mais, da forma como anteriormente descrita, quando da referência a figura de número 5, a turbina de geometria variável e de baixa pressão 126 é movida por meio dos gases de exaustão 152 que provêm do coletor de exaustão 182.

Além do mais, a porção dos gases de exaustão 156 que provêm do coletor de exaustão 184 são encaminhados para o compressor de baixa pressão 124, e de uma forma subseqüente são re-circulados para o coletor de entrada comum 180.

A figura de número 7 apresenta uma ilustração por meio de diagrama de um outro sistema de motor de combustão interna turbo - alimentado 220oq possui uma forma exemplar para um mecanismo de recirculação dos gases de exaustão para o motor 172, com um refrigerador intermediário (IC) para o lado esquerdo e o lado direito do motor. A configuração para a recirculação dos gases de exaustão, para esta forma preferencial de realização para a presente invenção é similar à forma preferencial de realização para a presente invenção que é ilustrada por meio da figura de número 5.

Da forma como foi anteriormente descrita, os gases de exaustão 132 e os gases.de exaustão 134, os quais provêm do coletor de exaustão 182 e do coletor de exaustão 184 são utilizados para que movam a turbina de geometria variável e de alta pressão 118 do turbo - alimentador de alta pressão 116. Além do mais, o ar comprimido tomado 136 é comprimido por meio do compressor de alta pressão 120,o qual é movido por meio da turbina de geometria variável e de alta pressão 118. Nesta forma preferencial de realização para a presente invenção, um refrigerador intermediário (intercooler) 222 comum é disposto a jusante do compressor de alta pressão 120, para que faça a refrigeração da tomada de ar comprimido 224 a partir do compressor de alta pressão 120 e de uma forma subseqüente introduzindo a tomada de ar comprimido 224, a partir do compressor de alta pressão 120 e de uma forma subseqüente introduzindo o ar tomado de comprimido 224 para dentro do coletor de entrada comum 180, da forma como é representada por meio do número 226.

A recirculação dos gases de exaustão a qual foi acima descrita, quando da referência às figuras de 1 a 7 facilitam de uma forma substancial a redução da emissão de poluentes a partir de um sistema de motor de combustão interna turbo - alimentado. A figura de número 8 apresenta uma representação de forma gráfica 230 de uma forma exemplar dos resultados obtidos para as emissões de Óxido de nitrogênio (NOx), e o consumo específico de combustível em frenagem (BSFC) para diferentes temperaturas de recirculação dos gases de exaustão (EGR) para os motores de combustão interna turbo - alimentados das figuras de número de número 1 a 7. Na forma preferencial de realização para a presente invenção que é ilustrada, o eixo das abscissas 232 representa a temperatura do refrigerador intermediário (intercooler) dos gases de exaustão da recirculação, e o eixo das ordenadas 234 representa a porcentagem de mudanças nas emissões de óxido de nitrogênio (NOx), a partir dos motores de combustão interna turbo-alimentados que são representados por meio das figuras de 1 a 7. Além do mais, o eixo das ordenadas 236 representa a porcentagem de mudança no consumo específico de combustível em frenagem (BSFC) de um sistema motor de combustão interna turbo-alimentado. As emissões de Óxido de nitrogênio (NOx) em diferentes temperaturas para o refrigerador intermediário (intercooler) para a recirculação dos gases de exaustão (EGR) são representadas por meio do perfil 238, e a mudança no consumo específico de combustível em frenagem (BSFC) é representada por meio do perfil exemplar 240. Nesta forma preferencial de realização para a presente invenção, as diferentes temperaturas para o refrigerador intermediário (intercooler) para a recirculação dos gases de exaustão (EGR) são indicativos da diferente ta razão da recirculação dos gases de exaustão (EGR) no sistema motor de combustão interna turbo-alimentado.

Da forma como é ilustrada, as emissões de óxido de nitrogênio (NOx) 238 do sistema reduzem, na medida em que as temperaturas de refrigeração da recirculação dos gases de exaustão (EGR), eixo das abscissas 232, diminuem com o passar do tempo. Assim sendo, na medida em que a razão da recirculação dos gases de exaustão (EGR) dentro do sistema diminui as emissões de óxido de nitrogênio (NOx) 238 do sistema são substancialmente reduzidas. Além do mais, nesta forma preferencial de realização para a presente invenção, e da forma como é representada por meio do perfil 240, o consumo específico de combustível em frenagem (BSFC) do sistema não muda de forma substancial em diferentes temperaturas do refrigerador da recirculação dos gases de exaustão (EGR). Nas formas preferenciais de realização para a presente invenção que são ilustradas, a recirculação dos gases de exaustão (EGR) do sistema fornece uma porcentagem de benefício de óxido de nitrogênio (NOx) de em torno de 42%, sem que com isso se tenha um aumento substancial no consumo específico de combustível em frenagem (BSFC).

Os vários aspectos do método o qual é descrito neste presente trabalho, tem utilidade em diferentes aplicações tais como motores de combustão interna turbo-alimentados os quais são empregados em veículos, locomotivas, e outros similares. Da forma como foi acima descrita, a recirculação seletiva dos gases de exaustão dentro do sistema permite com que se reduzam as emissões, e de modo particular, as emissões de óxido de nitrogênio (NOx) que se originam de tal sistema, e desta forma, facilitando a operação do motor em uma maneira que é ambientalmente amigável. Em adição, as técnicas descritas acima facilitam de uma forma substancial a redução nas emissões de óxido de nitrogênio (NOx), para diferentes condições de operações de motores, enquanto que se atinge um consumo específico de combustível (SFC) desejável para o motor.

Enquanto que somente algumas das características da presente invenção tenham sido ilustradas e descritas neste presente trabalho, muitas modificações e alterações irão ocorrer a todos aqueles indivíduos com fluência na arte. É portanto, de ser entendido que as reivindicações que se seguem tem como objetivo o de cobrir todas tais modificações e alterações, na medida em que caem no real espírito da presente invenção.

Claims

1. Sistema, o qual compreende: um motor de combustão interna o qual possui um coletor de entrada e um coletor de exaustão; - um turbo alimentador de alta pressão, o qual possui uma turbina de alta pressão e de geometria variável, e que esta acoplado em movimento com um compressor de alta pressão, sendo que a turbina de alta pressão e de geometria variável é movimentada por meio de uma primeira porção dos gases de exaustão, a partir do coletor de exaustão, e no qual o compressor de alta pressão é configurado para comprimir o ar alimentado e para fornecer o ar comprimido alimentado para o coletor de entrada; e um turbo alimentador de baixa pressão, o qual possui uma turbina de baixa pressão e de geometria variável que esta acoplado em movimento com um compressor de baixa pressão, e no qual a turbina de baixa pressão e geometria variável é movimentada por meio de uma segunda porção dos gases de exaustão, a partir do coletor de exaustão, e no qual o compressor de baixa pressão é configurado para comprimir uma terceira porção dos gases de exaustão a partir do coletor de exaustão e para fornecer a terceira porção comprimida para coletor de entrada, sendo que as primeira e a segunda porções dos gases de exaustão são diferentes uma da outra.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual o motor de combustão interna é um motor de ignição por compressão.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, no qual o motor de ignição por compressão é um motor a diesel.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um refrigerador disposto à jusante do compressor de baixa pressão e configurado para que refrigere a terceira porção dos gases de exaustão antes de sua alimentação no coletor de entrada.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um refrigerador de ar disposto à jusante do compressor de alta pressão e configurado para que refrigere o ar alimentado comprimido do compressor de alta pressão.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo uma válvula de recirculação (EGR) dos gases de exaustão, a qual é configurada para que controle um fluxo da terceira porção dos gases de exaustão para o compressor de baixa pressão.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, ainda compreendendo uma controladora configurada para controlar o fluxo por meio da válvula EGR com base nas condições de operação do motor, ou no desempenho do turbo alimentador de baixa pressão, ou o desempenho do turbo alimentador de alta pressão, ou uma combinação entre estes.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um filtro para particulados, configurado para que filtre o material particulado dos gases de exaustão, antes da alimentação dos gases de exaustão no compressor de baixa pressão.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual a pressão do coletor de entrada é substancialmente maior que a pressão do coletor de saída.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual a terceira porção inclui ao menos parte da primeira porção dos gases de exaustão que saem da turbina de alta pressão.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um motor para movimentar um turbo alimentador de baixa pressão em condições de operação pré-determinadas do motor de combustão interna.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual o motor de combustão interna contém diversos cilindros de combustão, divididos entre uma bancada esquerda e uma bancada do motor.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, no qual as primeira e segunda porções dos gases de exaustão são compostas pelos gases de exaustão das bancada esquerda e bancada direita do motor.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual o sistema compreende um veículo, ou uma locomotiva, ou uma aplicação marítima, ou uma aplicação industrial.

15. Método para se operar um sistema de motor, o qual compreende: - encaminhar uma primeira porção dos gases de exaustão de um motor de combustão interna para movimentar uma turbina de alta pressão de geometria variável de um turbo alimentador de alta pressão; - encaminhar uma segunda porção dos gases de exaustão de um motor de combustão interna para movimentar uma turbina de baixa pressão de geometria variável de um turbo alimentador de baixa pressão; e - encaminhar uma terceira porção dos gases de exaustão para um compressor de baixa pressão do turbo alimentador de baixa pressão, para que se comprima a terceira porção dos gases de exaustão de modo a alimentar o motor de combustão interna, sendo que as primeira e segunda porções dos gases de exaustão são diferentes entre elas.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, ainda compreendendo movimentar um compressor de alta pressão da turbina de alta pressão através da turbina de alta pressão de modo a fornecer o ar de alimentação comprimido para o motor de combustão interna.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, ainda compreendendo refrigerar o ar comprimido de alimentação do compressor de alta pressão por meio de um refrigerador de ar o qual se encontra disposto a jusante do compressor de alta pressão.

18. Método, de acordo com a reivindicação 15, ainda compreendendo movimentar o compressor de baixa pressão do turbo alimentador de baixa pressão por meio da turbina de baixa pressão.

19. Método, de acordo com a reivindicação 15, ainda compreendendo refrigerar os gases de exaustão do compressor de baixa pressão antes da alimentação no motor de combustão interna.

20. Método, de acordo com a reivindicação 15, ainda compreendendo controlar o fluxo da terceira porção dos gases de exaustão para o compressor de baixa pressão por meio de uma válvula EGR com base nas condições de operação do motor, ou no desempenho da turbo alimentador de alta pressão, ou no desempenho do turbo alimentador de baixa pressão, ou em combinação entre estes.

21. Método de acordo com a reivindicação 15, ainda compreendendo filtrar o material particulado dos gases de exaustão antes da introdução dos gases de exaustão no compressor de baixa pressão.

22. Método para reduzir as emissões de poluentes em um motor de combustão interna, o qual compreende: - acoplar um turbo alimentador de alta pressão, o qual possui um compressor de alta pressão e uma turbina de alta pressão e geometria variável, no motor de combustão interna; - acoplar um turbo alimentador de baixa pressão, o qual possui um compressor de baixa pressão em uma turbina de baixa pressão e geometria variável, em uma configuração geral de fluxo em paralelo com o turbo alimentador de alta pressão, sendo que a configuração geral de fluxo em paralelo inclui uma primeira porção dos gases de exaustão do motor de combustão interna para a turbina de alta pressão e geometria variável, e uma segunda porção dos gases de exaustão que são gerados pelo motor de combustão interna para a turbina de baixa pressão e geometria variável.

23. Método de acordo com a reivindicação 22, no qual a configuração geral de fluxo em paralelo compreende uma terceira porção dos gases.de exaustão do motor de combustão interna alimentada para o compressor de baixa pressão.

24. Método, de acordo com a reivindicação 23, ainda compreendendo acoplar uma válvula EGR para controlar o fluxo da terceira porção dos gases de exaustão para o compressor de baixa pressão.

25. Método, de acordo com a reivindicação 22, compreendendo encaminhar uma porção dos gases de exaustão da turbina de alta pressão para o compressor de baixa pressão e em seguida introduzir os gases de exaustão comprimidos em um coletor de entrada do motor de combustão interna.

26. Método de acordo com a reivindicação 22, ainda compreendendo acoplar um motor configurado para mover o compressor de baixa pressão de um turbo alimentador de baixa pressão.