ES2236652T3 - Motor de combustion interna sobrealimentado. - Google Patents
Motor de combustion interna sobrealimentado.Info
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Abstract
Motor de combustión interna sobrealimentado con un colector de gases de escape y con un colector de aire de carga, respectivamente, para todas las cámaras de combustión, con varios turbocompresores de gases de escape, que se pueden conectar y desconectar de una manera escalonada en función de la potencia del motor de combustión interna con su turbina de gases de escape en el colector de gases de escape y con un soplante de carga conectado en serie delante del compresor de uno de los turbocompresores de gases de escape, accionado por un motor separado.
Description
Motor de combustión interna sobrealimentado.
La invención se refiere a un motor de combustión
interna sobrealimentado con un colector de gases de escape y con un
colector de aire de carga, respectivamente, para todas las cámaras
de combustión, con varios turbocompresores de gases de escape, que
se pueden conectar y desconectar de una manera escalonada en función
de la potencia del motor de combustión interna con su turbina de
gases de escape en el colector de gases de escape y con un
soplante de carga conectado en serie delante del compresor de uno de
los turbocompresores de gases de escape, accionado por un motor
separado.
Con la ayuda de la sobrealimentación se puede
realizar, en un motor de combustión pequeño, la potencia de un
motor de combustión, por lo demás, considerablemente mayor. En el
caso de una potencia nominal predeterminada, el motor se puede
reducir en una medida considerable en virtud de su
sobrealimentación. En el caso de la sobrealimentación de motores de
combustión con turbocompresores de gases de escape resulta el
conflicto de objetivos de que, por una parte, a través de la
sobrealimentación se posibilita un incremento de la potencia
nominal y, por otra parte, debe reducirse para ello la compresión
geométrica-mecánica proporcionalmente al incremento
deseado de la potencia nominal. Pero a través de la reducción de la
compresión geométrico-mecánica se reduce la potencia
o bien el par motor del motor de combustión sobrealimentado en la
zona inferior del número de revoluciones en una medida
sobreproporcional, lo que es atribuible a la curva de la potencia
muy puntiaguda en turbocompresores de gases de escape en su diagrama
propio del número de revoluciones de funcionamiento. Una máquina de
circulación solamente puede proporcionar una circulación óptima y,
por lo tanto, una potencia alta dentro de un intervalo muy estrecho
del número de revoluciones. Esto es lo contrario a lo que se
pretende en el motor de combustión en vehículos terrestres para la
representación de una hipérbole de la fuerza de tracción. Sin
embargo, a través del empleo de varios turbocompresores de gases de
escape se puede dividir tanto el intervalo del número de
revoluciones de funcionamiento del motor de combustión interna como
también el tamaño del trabajo volumétrico especial del
turbocompresor de gases de escape. La conexión adicional de los
turbocompresores de gases de escape desplazada en el tiempo como
consecuencia de ello conduce, sin embargo, fácilmente al sistema
sobrealimentado a la zona del bombeo y a la interrupción de la
circulación del aire de carga en el compresor conectado
adicionalmente, cuando, por ejemplo, el aire que circula al
exterior desde el segundo compresor con presión muy reducida en
primer lugar a través de la válvula de soplado debe llegar al
colector de aire de carga del motor de combustión, que está ya bajo
la presión plena del primer compresor, es decir, desde una máquina
de circulación con velocidad relativamente grande de la circulación
y posibilidad reducida de formación de la presión hacia una máquina
de pistón con velocidad relativamente pequeña de la circulación y
posibilidad relativamente alta de formación de la presión.
Los cargadores mecánicos de desplazamiento
positivo, que pueden estar accionados por el motor de combustión
propiamente dicho o por un motor separado, transportan fácilmente
el aire necesario para la marcha en ralentí del motor de combustión.
Pero no pueden competir en la zona de alto número de revoluciones y
de carga alta del motor de combustión interna con un turbocompresor
de gases de escape. Por lo tanto, es habitual combinar en un motor
de combustión interna las ventajas respectivas de un turbocompresor
de gases de escape y de un compresor de desplazamiento positivo a
través de un circuito en serie o a través de un circuito en
paralelo de los dos turbocompresores. Esto se aplica especialmente
para combatir el llamado tubotaladro, que se produce cuando durante
el arranque del motor de combustión un único o primer turbocompresor
de gases de escape gira solamente a velocidad lenta debido a la
llegada de gases de escape que se incrementa de forma pesada.
Se conoce a partir de la publicación GB 815 387 A
un sistema de sobrealimentación para un motor de combustión
interna, que recubre la zona débil de una pareja de dos
turbocompresores de gases de escape paralelos entre sí en el lado de
salida de gases y en el lado del aire de carga por medio de un
soplante de carga auxiliar que está conectado en serie en el lado
del aire de carga delante de la pareja de turbocompresores de gases
de escape, estando previsto como accionamiento especial del soplante
de carga auxiliar un motor eléctrico siendo evitadas las pérdidas
de aire de carga traseras por medio de válvulas de retención
automáticas. Para el caso de que falle uno de los dos
turbocompresores de gases de escape, se puede llevar a cabo, como
complemento a la división del lado de gases de escape del motor de
combustión interna en dos grupos de cilindros una división doble
correspondiente en el lado del aire de carga, de manera que el
turbocompresor de gases de escape restante y el soplante de carga
auxiliar trabajan en una especie de funcionamiento paralelo.
Se conoce a partir del documento US 4 453 381 A
un motor de combustión interna sobrealimentado con un compresor
auxiliar conectado por medio de válvulas de conmutación en serie
delante de un turbocompresor de gases de escape en el lado del aire
de carga, con un accionamiento auxiliar que funciona de forma
constante, que está acoplado al mismo tiempo con una rueda volante
para contrarrestar puntos débiles de corta duración en la entrada
de gases de escape del motor de combustión interna. En el
funcionamiento normal del motor de combustión interna, el compresor
del turbocompresor de gases de escape obtiene su aire, cuando las
válvulas de conmutación están cerradas, a través de una válvula de
retención automática directamente desde el medio ambiente.
La publicación anterior WO 99 17008 A describe un
sistema de sobrealimentación para motores de combustión interna de
cuatro tiempos con un compresor pequeño accionado con un motor
eléctrico, cuya salida de aire se puede conectar a través de una
válvula de retención en la salida de aire de un turbocompresor de
gases de escape, cuya turbina de gases de escape es soportada en
caso necesario por medio de un motor eléctrico controlado por
señales de la máquina.
Se conoce ya a partir de la publicación EP 0 492
272 A un motor de combustión interna sobrealimentado del tipo
indicado al principio. En este motor de combustión interna se
utiliza como motor separado para el soplante previo y como motor
principal en cada caso un motor Diesel de pistón rotatorio con
compresión reducida con un dimensionado de la potencia muy desigual
del motor principal y del motor de soplante previo más pequeño y
está previsto adicionalmente un motor de arranque eléctrico para el
accionamiento del soplante previo. Desde una alarma de potencia del
motor principal se puede conectar adicionalmente al menos un
segundo turboalimentador de dos fases en paralelo al circuito en
serie del soplante previo y del soplante de carga accionado por la
turbina de gases de escape. De esta manera, se puede reducir el
motor de soplante previo de acuerdo con su parte porcentual en la
potencia de carga. En el caso de que solamente se pueda conectar
adicionalmente un turbocompresor de dos fases se divide por la mitad
el tamaño necesario del motor del soplante previo y en el caso de
que es posible una conexión adicional escalonada de dos
turbocompresores de dos fases, se divide por tres el tamaño
necesario del motor del soplante previo. En la publicación no se
presentan declaraciones sobre el problema planteado anteriormente
del llamado bombeo en el caso de la conexión adicional desplazada
en el tiempo de turbocompresores de gases de escape. Pero se puede
evitar una pérdida de aire comprimido desde la zona del colector de
aire de carga a través de una circulación de retorno del aire de
carga en cada uno de los turbocompresores de gases de escape que se
pueden conectar adicionalmente. Esto se aplica especialmente para
motores Diesel con un umbral de presión crítico para su encendido
propio.
La invención tiene el cometido de posibilitar en
un motor de combustión interna sobrealimentado, en combinación con
un incremento de la potencia, un comportamiento de aceleración
mejorado en la zona de arranque y con un espectro de funcionamiento
de transición armónica desde un número de revoluciones muy bajo con
carga parcial y con carga total hasta un número de revoluciones muy
alto con carga parcial y con carga total, una conexión adicional y
desconexión de turbocompresores de gases de escape sin los efectos
de bombeo mencionados.
Este cometido se soluciona según la invención en
un motor de combustión interna del tipo indicado al principio porque
todos los turbocompresores de gases de escape tienen en el lado de
entrada en su compresor, a través de una instalación de válvula
respectiva una comunicación por conducto con la salida del soplante
de carga, está previsto un ordenador con perfil de demanda
memorizado para la liberación exclusiva de la instalación de
válvula del turbocompresor respectivo a conectar en el
funcionamiento escalonado y todas las instalaciones de válvula
están instaladas para la conmutación recíproca entre la
alimentación de aire comprimido a través del soplante de carga y el
aire ambiente en función del número de revoluciones de su
turbocompresor de gases de escape y de la presión de trabajo del
aire de carga.
De esta manera, el soplante de carga no sólo es
utilizado ya para combatir el llamado turbotaladro durante el
arranque del motor de combustión interna y para la combinación de
las ventajas de un cargador de desplazamiento positivo con las de
un cargador de la circulación, sino también para el aseguramiento de
la circulación hacia delante en cada uno de los turbocompresores de
gases de escape conectados adicionalmente desplazados en el tiempo.
Especialmente en el caso de una división fina del espectro de
funcionamiento del motor de combustión interna por medio de
numerosos turbocompresores de gases de escape, puede ser suficiente,
además, una forma de construcción pequeña de los turbocompresores de
gases de escape simultáneamente con un soplante de carga pequeño.
Como motor separado del soplante de carga pequeño se puede utilizar
un motor eléctrico, que obtiene su energía de funcionamiento desde
una batería eléctrica del vehículo. Un motor de este tipo reacciona
más rápidamente que un motor de combustión separado o una conexión
de transmisión con el motor principal a cargar. De acuerdo con
ello, se reduce el periodo de tiempo, en el que la alimentación de
aire comprimido por el soplante de carga es presionada a través del
turbocompresor de gases de escape respectivo. Pero las ventajas
conseguidas con la invención consisten especialmente también en que
debido a la división del espectro de funcionamiento del motor de
combustión interna por medio de los turbocompresores de gases de
escape, durante el funcionamiento de un automóvil se puede
prescindir de algunas fases de la caja de cambios, se puede
modificar fácilmente la secuencia de los turbocompresores de gases
de escape en su puesta en funcionamiento escalonada y se puede
cubrir una interferencia en uno de los turbocompresores de gases de
escape a través de su exclusión previamente programada.
Un ejemplo de realización preferido de la
invención, en virtud de las configuraciones de la invención
indicadas en las reivindicaciones dependientes se represente en el
dibujo del tipo de diagramas de bloques y se describe en detalle a
continuación.
El dibujo muestra como motor de combustión
interna 10 un motor de cinco cilindros, para indicar que en la
instalación de sobrealimentación no existe ninguna vinculación
conceptual en el número de los cilindros 11 a alimentar con aire de
carga. Por medio de un conducto de salida punteado respectivo en el
colector de gases de escape 12 del motor de combustión interna 10 y
en el colector de aire de carga 13 del motor de combustión interna
10 que indica que, además de los tres turbocompresores de gases de
escape 14, 15 y 16 reproducidos de forma simbólica, pueden estar
previstos todavía otros muchos turbocompresores de gases de escape
que se pueden conectar y desconectar de forma escalonada para la
división del espectro de funcionamiento del motor de combustión
interna 10. En la práctica, se limitará la mayoría de las veces
entre seis y diez turbocompresores de gases de escape del mismo
tipo de construcción, lo que representa un compromiso entre la
finura de la división del espectro de funcionamiento del motor de
combustión interna 10 y el gasto de construcción para la instalación
de sobrealimentación del motor de combustión interna 10.
En los cilindros 11 del motor de combustión
interna 10 se representan por medio de puntas de flecha claras las
corrientes de aire de carga y por medio de puntas de flechas
oscuras las corrientes de gases de escape. Entre el colector de
gases de escape 12 del motor de combustión interna 10 y la turbina
de gases de escape 17 de cada turbocompresor de gases de escape 14,
15, 16, etc. está insertada una válvula de escape de gases, que
puede ser controlada de forma individual por el ordenador 19
equipado con un perfil de demanda memorizado. En el dibujo se
reproducen las líneas de control 20, 21 y 22 respectivas por medio
de líneas de trazos. Otras líneas de control 23, 24 y 25 de este
tipo del ordenador 19 conducen a las instalaciones de válvula, que
contienen una válvula de aire ambiental 26 y una válvula de
alimentación de aire 27, en la salida de aire de los compresores 28
de los turbocompresores de gases de escape 14, 15 y 16. La válvula
de gases de escape 18 está configurada de una manera preferida como
la válvula de aire ambiental 28 y la válvula de alimentación de
aire 27 está configurada como válvula proporcional, para reservar
una zona de regulación amplia. Dentro de cada instalación de
válvula, su válvula de aire ambiental 26 y su válvula de
alimentación de aire 27 están acopladas entre sí de tal forma que
la válvula de aire ambiental 26 se abre cuando se cierra la válvula
de alimentación de aire 27, y a la inversa, se cierra la válvula de
aire ambiental 26 cuando se abre la válvula de alimentación de
aire. Todas las válvulas de aire ambiental 26 tienen un conducto de
alimentación común 30 que llega desde un filtro de aire 29, en
cambio todas las válvulas de alimentación de aire 27 están
incorporadas en la conexión de línea 32, que conduce a la entrada
del soplante de carga 31.
El soplante de carga 31, que está equipado en el
lado de entrada con un filtro de aire propio 33, es accionado por
un motor eléctrico 34 relativamente pequeño, que obtiene su energía
de accionamiento a partir de una batería eléctrica del vehículo 35.
En este caso, se puede pensar que el motor eléctrico 34, que puede
ser conectado y desconectado a través de la línea de control 36 de
la misma manera desde el ordenador 19, se activa siempre sólo
durante corto espacio de tiempo hasta que se excluye una circulación
de retorno del aire de carga a través del turbocompresor de gases
de escape que se añade en cada caso. En las pausas de
funcionamiento del soplante de carga 31 durante el funcionamiento
del motor de combustión interna 10 se puede recargar la batería del
vehículo 35 fácilmente desde un generador conectado en el motor de
combustión interna 10. Además, están disponibles entre tanto
baterías de vehículos de alta potencia 35, que se puede compensar de
una manera extraordinariamente efectiva, incluso en motores de
combustión interna realmente grandes 10, la debilidad de arranque
de un turbocompresor de gases de escape 14, 15 ó 16 a añadir a
través del soplante de carga 31.
El ordenador 19, equipado con un perfil de
demanda memorizado, recibe a través de la línea de señales 37
señales de presión desde el colector de aire de carga 13 y a través
de las líneas de señales 38 recibe señales del número de
revoluciones desde los turbocompresores de gases de escape 14, 15,
16, etc., con lo que todas las instalaciones de válvulas 26, 27
están instaladas para la conmutación recíproca entre la
alimentación de aire comprimido a través del soplante de carga 31 y
el aire ambiental en función del número de revoluciones de su
turbocompresor de gases de escape y de la presión de trabajo del
aire de carga.
De una manera preferida, el funcionamiento del
soplante de carga 31 está limitado a través del ordenador 19
durante la aceleración del motor de combustión interna 10 a una
zona de arranque del turbocompresor de gases de escape respectivo en
la secuencia de todos los turbocompresores de gases de escape
empleados de forma escalonada, lo que cuida el soplante de carga 31
y descarga la batería eléctrica del vehículo. Para la
estabilización de la presión continua pretendida en el colector de
aire de carga 13 a través de la reducción de los procesos
repentinos de desconexión, además, a medida que se reduce su
potencia del motor de combustión interna 10, se limita el
funcionamiento del soplante de carga 31 a través del ordenador 19 a
una zona correspondiente a la zona de arranque del turbocompresor de
gases de escape respectivo en la secuencia de conmutación de todos
los turbocompresores de gases de escape 14, 15, 16 empleados de
forma escalonada.
Las ventajas de la instalación de
sobrealimentación descrita son especialmente evidentes cuando el
motor de combustión interna 10 está configurado como motor Diesel
con una compresión fuertemente reducida a 8:1. El motor de
combustión interna 10 propiamente dicho se puede reducir entonces
en una medida enorme con la misma potencia. Los numerosos
turbocompresores 14, 15, 16, etc. proporcionan fácilmente la
reducción relativamente grande del peso de carga, pudiendo reducirse
igualmente en una medida considerable el soplante de carga 31
empleado en función ampliada como apoyo del aire de carga y que
trabaja como compresor de desplazamiento positivo.
Claims (7)
1. Motor de combustión interna sobrealimentado
con un colector de gases de escape (12) y con un colector de aire de
carga (13), respectivamente, para todas las cámaras de combustión,
con varios turbocompresores de gases de escape (14, 15, 16), que se
pueden conectar y desconectar de una manera escalonada en función de
la potencia del motor de combustión interna con su turbina de gases
de escape (17) en el colector de gases de escape (12) y con un
soplante de carga (31) conectado en serie delante del compresor
(28) de uno de los turbocompresores de gases de escape (14, 15, 16),
accionado por un motor (34) separado, caracterizado porque
todos los turbocompresores de gases de escape (14, 15, 16) tienen
en el lado de entrada en su compresor (28), a través de una
instalación de válvula (26, 27) respectiva una comunicación por
conducto con la salida del soplante de carga (31), está previsto un
ordenador (19) con perfil de demanda memorizado para la liberación
exclusiva de la instalación de válvula (26, 27) del turbocompresor
respectivo a conectar en el funcionamiento escalonado y todas las
instalaciones de válvula (26, 27) están instaladas para la
conmutación recíproca entre la alimentación de aire comprimido a
través del soplante de carga (31) y el aire ambiente en función del
número de revoluciones de su turbocompresor de gases de escape y de
la presión de trabajo del aire de carga.
2. Motor de combustión interna según la
reivindicación 1, caracterizado porque a medida que se
acelera, se limita el funcionamiento del soplante de carga (31) a
través del ordenador (19) hasta una zona de arranque del
turbocompresor de gases de escape respectivo en la secuencia de
conmutación de todos los turbocompresores de gases de escape (14,
15, 16) empleados de forma escalonada.
3. Motor de combustión interna según la
reivindicación 2, caracterizado porque a medida que se
reduce su potencia, se limita el funcionamiento del soplante de
carga (31) a través del ordenador (19) a una zona correspondiente a
la zona de arranque del turbocompresor de gases de escape respectivo
en la secuencia de conmutación de todos los turbocompresores de
gases de escape (14, 15, 16) empleados de forma escalonada.
4. Motor de combustión interna según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque a cada
turbocompresor (14, 15, 16) está asociada, para su puesta en
funcionamiento individual, una válvula de gases de escape (18) que
es controlada por el ordenador (19), la cual está configurada como
la válvula de alimentación de aire (27) y la válvula de aire
ambiental (26) está configurada como válvula proporcional.
5. Motor de combustión interna según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque para el
escalonamiento uniforme de su zona de funcionamiento, están
previstos entre seis y diez turbocompresores (14, 15, 16) del mismo
tipo de construcción.
6. Motor de combustión interna según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el motor (34)
separado del turbocompresor de carga (31) obtiene su energía de
accionamiento a partir de una batería eléctrica del vehículo
(35).
7. Motor de combustión interna según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque está configurado
como motor Diesel con una compresión fuertemente reducida
aproximadamente a 8:1.
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