BRPI1106203A2 - Sistema com compressor elétrico e turbina geradora para motores térmicos - Google Patents

Abstract

Sistema com compressor elétrico e turbina geradora para motores térmicos. Sistema composto por turbogerador e moto-compressor elétricos integrados ao circuito de ar (admissão e exaustão) de um motor térmico. O moto-compressor é posicionado antes da admissão de ar do motor térmico de maneira de aumentar o fluxo de ar admitido pelo motor térmico. O turbogerador é acionado pelos gases de exaustão do motor térmico recuperando parte da energia cinética destes gases, e convertendo em energia elétrica para uso no moto-compressor ou com outras finalidades.

Description

“SISTEMA COM COMPRESSOR ELÉTRICO E TURBINA GERADOR* PARA MOTORES TÉRMICOS” CAMPO DE INVENÇÃO

Esta invenção esta relacionada de modo geral ao campo dos turbo e compressores utilizados no circuito de ar (admissão e exaustão) de motores térmicos como motores a combustão interna, turbinas, motores Rankine. Ela aborda de maneira mais precisa o uso de compressores elétricos e turbinas geradoras no circuito de ar destes motores.

ESTADO DA TÉCNICA

Atualmente sistemas turbocompressores são íargamente utilizados pela indústria de motores com o objetivo de aumentar a potência especifica e a eficiência térmica do motor. Este sistema representado é constituído por uma turbina, um compressor e um eixo que liga estas duas máquinas. O turbocompressor funciona da seguinte maneira: 1. O ar de exaustão do motor térmico entra na turbina e impulsiona a turbina fazendo esta girar. Este fenômeno recupera parte da energia dos gases de escapamento que ao sair do motor possuem pressão maior do que a pressão ambiente. 2. Ao girar a turbina faz girar o eixo que é solidário à mesma este eixo transmite a energia cinética recuperada pela turbina para o compressor. 3. A rotação do eixo faz o compressor girar. Este compressor como o nome sugere, comprime o ar que será admitido pelo motor térmico, permitindo assim o uso de uma maior quantidade de ar admitida pelo motor.

Devido à suas aplicações. Muitos motores não possuem um ponto de operação especifico, e sim uma faixa de operação em função de variáveis tais como, rotação, torque, eficiência Este é o caso típico dos motores utilizados em meios de transporte, pois os meios de transporte possuem velocidade variável, logo velocidade de seus motores variável. Como o turbocompressor é uma maquina de fluxo, para cada ponto de operação do motor (velocidade de rotação do motor e Iorque fornecido ao carro) existem velocidades ótimas para o compressor e a turL.na, Porém ncj sistemas trad. Jonais estes dois elementos estão ligados por um eixo, o que impíica que efes possuem a mesma velocidade de rotação. Desta maneira pelo menos um das maquinas de fluxo (turbo, compressor) opera fora de sua velocidade ótima reduzindo assim a eficiência do sistema.

Outro inconveniente do sistema iurbocompressor atualmente atualizado é o tempo de resposta deste sistema. Este sistema é intrinsecamente lento, pois para que haja um aumento na taxa de compressão do compressor (aumento do fluxo de ar na entrada do motor) é necessário que primeiramente se produza mais gás de exaustão, para que este acelere a turbina e esta aceleração chegue ao compressor, fazendo o motor equipado com o sistema de turbo compressor ter uma resposta a uma demanda de variação de torque ao longo do tempo mais lenta do que um motor sem este tipo de dispositivo.

As patentes US 7.076.954B1, US 6.735.945B1 sugerem a instalação de um motogerador elétrico ao eixo do turbo compressor. Estas patentes se diferenciam entre si principalmente pelo ponto onde o moto gerador está fixado ao eixo (entre as turbinas ou em um prolongamento do eixo). Este moto-gerador tem como funções reduzir o tempo de resposta do iurbocompressor, além de permitir a geração de energia elétrica em certos momentos.

Ao desejar o aumento rápido do torque do motor, o moto-gerador funciona como motor elétrico que ajuda a acelerar o eixo do turbo compressor e assim aumentar a compressão do ar que será injetado no motor. No caso do motor em regime estacionário este moto-gerador pode agir como um gerador elétrico e transformar o excesso de energia fornecida pela turbina em energia elétrica.

Estas patentes, porém utilizam a turbina ligada mecanicamente ao compressor, desta maneira a velocidade destas duas máquinas de fluxo são dependentes. Sendo assim, como nos sistemas tradicionais, pelo menos uma das duas maquinas de fluxo opera com uma velocidade diferente da ótima, reduzindo assim a eficiência do sistema. A patente US G05638796A descreve um compressor elétrico para uso na admissão de ar de um motor à combustão interna. Porém esta patente límita-se na descrição do compressor elétrico que não considerar a possibilidade de utilizar um turbo gerador na saída dos gases do motor de maneira a transformar a energia destes gases em energia elétrica para alimentar o compressor elétrico ou gerar energia elétrica para outros fins.

No caso da invenção proposta pela presente patente. Não é utilizado um turbocompressor e sim dois elementos distintos sem ligação mecânica entre eles como descrito abaixo: • Um compressor elétrico que fornece ar para o motor. Este subsistema é composto por um motor elétrico que é conectado através de um eixo à turbina que comprime o ar de admissão do motor. Este compressor elétrico tem como função aumentar a pressão na entrada de ar do motor permitindo assim a admissão de mais ar por parte do motor e consequentemente aumentando sua potência fornecida. A atividade deste compressor elétrico é regulada por um sistema de controle que determina a pressão a ser fornecida em função da demanda de torque. • Um turbogerador na saída dos gases do motor que recupera a energia destes gases. Este sistema é composto por uma turbina que transforma a energia cinética em energia elétrica a partir do trabaiho mecânico fornecido peía turbina. A velocidade de rotação do turbo-gerador é regulada por um sistema de controle considerando o equilíbrio ótimo entre a quantidade de energia elétrica gerada e a perda de potência do motor devido à restrição do fluxo aplicada pela turbina A grande vantagem desta tecnologia é a possibilidade de ter a turbina e o compressor operando com velocidades diferentes, permitindo assim que cada um trabalhe com a velocidade que confere ao sistema o seu melhor rendimento global, trazendo uma maior economia e potência ao motor. Para a aplicação desta tecnologia um sistema de controle será utilizado para regular tanto a energia elétrica fornecida pela turbina através do gerador assim como a potência consumida pelo compressor através do motor elétrico.

Estas potências serão reguladas através de um sistema eletro-eletrônico que calcula as potências a ser gerada pelo turbogerador e consumida pelo compressor elétrico segundo regras de controle que utilizarão como base de calculo os diversos parâmetros medidos no motor (rotaçãor concentração da mistura ar-2ombustí el, entrada fe ar) e da potênc a requerida ao mesmo de maneira a atender s demanda de torque com o máxima eficiência. Por exemplo, no caso de um automóvel esta potência requerida é informada pelo motorista através do acelerador.

Uma segunda vantagem do fato de separar mecanicamente turbina e compressor é a possibilidade de posicioná-los individualmente da melhor maneira possível. O turbo o mais próximo possível da saída de gases do motor de maneira a ter uma maior eficiência e o compressor de maneira a otimizar o fluxo de ar até a entrada do motor.

DESCRIÇÃO DO INVENTO

Na figura 1 temos o desenho esquemático do ciclo de ar em um motor térmico segundo proposto pela presente invenção. As setas presentes neste desenho mostram os caminhos possíveis do ar até chegar ao motor e os caminhos dos gases de exaustão saindo do motor. Os elementos mostrados nesse desenho são descritos abaixo: 1. Entrada de ar filtrado. 2. Válvula unidirecional que permite a alimentação do motor mesmo com o compressor elétrico desiigado. 3. Compressor elétrico. Ele é o elemento responsável por comprimir o ar que vêm da atmosfera e será fornecido ao motor. Ele encontra-se isolado mecanicamente do turbogerador. 4. Válvula de admissão. Ela faz o controle fino (de maior precisão) da quantidade de ar que será admitida pelo motor. 5. Motor térmico. Elemento gerador de energia mecânica a partir da combustão de um combustível (pode ser do mais diferentes tipos: combustão interna, íurboreator, motores Rankine, turbina a gás). 6. Válvula de alivio. Ela é acionada quando a pressão na área de exaustão do motor é muito elevada permitindo uma maior vazão dos gases de exaustão para a saída. 7 Turbogerador. Este elemento gera energia elétrica a partir des gases de exaustão do motor. A energia cinética dos gases é transmitida ao eixo através da turbina. Este eixo por sua vez faz o gerador elétrico girar convertendo assim energia mecânica em elétrica. Ele encontra-se isolado mecanicamente do compressor elétrico. 8. Saída dos gases de exaustão.

Tanto a potência elétrica gerada pelo turbogerador como a consumida pelo compressor elétrico são reguladas através de sistemas eletroeletrônicos como, por exemplo, com a variação na tensão do rotor do gerador e um controle da tensão fornecida ao motor elétrico do compressor. As máquinas de fluxo deste sistema (turbina e compressor) podem ter sua geometria variável de maneira a melhor adequar estas máquinas aos diferentes pontos de operação (diferença de pressão x vazão) em que a máquina de fluxo opera.

Tomando por exemplo um motor térmico (seja ele de combustão interna, rotativo ou um turbo-reator ou de qualquer outro tipo de motor térmico) com variação da potência fornecida ao longo de sua operação. Esta patente propõe a utilização de um turbo gerador e de um compressor elétrico que poderão ser utilizados, por exemplo, da seguinte maneira: Para o caso de pequenas demandas de potência o motor tem a capacidade natural de aspirar o ar ambiente é suficiente para fornecer todo ar necessário ao sistema. Neste contexto o compressor elétrico permanece desligado sem consumir energia e o ar chega ao motor através de um duto de ar em paralelo ao compressor que liga o motor ao filtro de ar.

No caso de uma grande demanda de potência, o compressor elétrico entra em operação e ajuda o motor a aspirar uma maior quantidade de ar, permitindo assim a queima de mais combustível e o consequente aumento da potência fornecida pelo motor. Quanto maior a demanda de potência maior o aumento de pressão que o compressor elétrico executa e consequentemente maior a potência elétrica consumida.

No caso de que o turbogerador seja o único elemento gerador de energia elétrica, o sistema de controle deve cuidar para que o turbogerador gere a energia suficiente para o bom funcionamento do sistema.

No caso da presença de um acumulador de energia elétrica (batería, capacitor etc.) e/ou um gerador de energia elétrica acoplado ao eixo do motor térmico cabe ao mesmo sistema de controle fazer a boa gestão da carga do acumulador de energia e/ou energia gerada a partir do eixo do motor térmico para obter o máximo de eficiência ao longo da utilização do sistema completo.

No caso em que o turbogerador seja um dos elementos que fornecem energia elétrica ao conjunto. Cabe ao sistema de controle eletroeletrônico determinar quanto cada sistema de geração de energia deve produzir em cada instante tendo em vista o ponto de operação do motor, a energia elétrica a ser fornecida, e a energia elétrica disponível nos acumuladores. Por exemplo, diante de uma demanda de torque nulo o sistema de controle pode requerer uma produção de energia eiétrica da parte do aíternador e do turbo gerador maior que a consumida de maneira à permitir a recarga dão acumulador de energia elétrica batería caso este esteja com pouca energia acumulada.

Claims (6)

1. SISTEMA COM COMPRESSOR ELÉTRICO E TURBINA GERADORA PARA MOTORES TÉRMICOS caracterizado por compreender um moto-compressor, motor térmico e turbogerador, integrados no mesmo ciclo de ar como representado na figura 1, sendo o moto-compressor utilizado para aumentar a pressão e a quantidade de ar que entra no motor térmico e o turbogerador utilizado para converter parte da energia dos gases de exaustão em energia elétrica para ser utilizado no moto-compressor e/ou em outras finalidades em acumuladores de energia.

2. SISTEMA COM COMPRESSOR ELÉTRICO E TURBINA GERADORA PARA MOTORES TÉRMICOS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser associado a um acumulador de energia e/ou um gerador elétrico com a função de fornecer emergia a partir do eixo do motor térmico ao moto-compressor e/ou em outras finalidades.

3. SISTEMA COM COMPRESSOR ELÉTRICO E TURBINA GERADORA PARA MOTORES TÉRMICOS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir um controle eletro-eletrônico do turbogerador e moto-compressor promovendo o acionamento destes componentes de acordo com a necessidade do motor térmico para gerar o melhor desempenho possível.

4. SISTEMA COM COMPRESSOR ELÉTRICO E TURBINA GERADORA PARA MOTORES TÉRMICOS de acordo com reivindicação 1, caracterizado por conter moto-compressor e turbogerador integrados conterem geometria fixa ou variável no mesmo ciclo de ar como representado na figura 1 como uma forma de melhorar o desempenho do sistema.

5. SISTEMA COM COMPRESSOR ELÉTRICO E TURBINA GERADORA PARA MOTORES TÉRMICOS de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter o tuborgerador responsável por recuperar os gases de exaustão do motor para a geração de energia elétrica.

6. USO do sistema com compressor elétrico e turbina geradora para motores térmicos maneira conforme uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por utilizar o turbogerador para gerar energia elétrica para ser utilizada no moto-compressor ou acumulada para utilização posterior, em motores térmicos estacionários ou não-estacionários.