ES2252338T3 - Sobrealimentador por ondas de presion gasodinamico. - Google Patents

Abstract

Sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico que está diseñado para alimentar aire de carga a un motor de combustión interna con un rotor (6, 40) que presenta celdas (18, 41), un canal (14) de alimentación de aire fresco a baja presión, un canal (10) de aire de carga a alta presión que conduce al motor (1) de combustión interna, un canal (3, 31) de gases de escape a alta presión que procede del motor de combustión interna y un canal (4, 35) de gases de escape a baja presión, estando dispuestos el canal (3, 31) de gases de escape a alta presión y el canal (4, 35) de gases de escape abaja presión en una carcasa (24, 34) de gas, y el canal (14) de alimentación de aire fresco a baja presión (14) y el canal (10) de aire de carga a alta presión en una carcasa de aire, presentando el canal (3, 31) de gases de escape a alta presión un aumento (21, 48, 53) en el lado del rotor desde el que un conducto (54-57) de desviación conduce al canal (4, 35) de gases de escape de baja presión, caracterizado porque el conducto (54-57) de desviación se regula para mantener el proceso de ondas de presión mediante medios adecuados de tal manera siempre se conduce primeramente una parte de la corriente de gases de escape desde el canal (3, 31) de gases de escape a alta presión hacia el aumento (21; 48; 53) antes de que en el conducto (54-57) se conduzca un gas de escape adicional desde el canal (3, 31) de gases de escape a alta presión al canal (4, 35) de gases de escape a baja presión, estando compuesto el aumento (21; 48; 53) por una escotadura (48) o ensanchamiento (53) en el lado del rotor que presenta medios (49, 51, 58, 59) para modificar este aumento (21; 48; 53) sin formar un elemento de unión y estando configurados los medios para la modificación del aumento (21; 48; 53) de tal manera que la abertura del conducto (54-57) de desviación también puede modificarse.

Description

Sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico.

La invención se refiere a un sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico según el preámbulo de la reivindicación 1.

Un sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico de este tipo se describe detalladamente en el documento WO 99/11914 del mismo solicitante, al que se hace referencia.

En un sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico para sobrealimentar motores de combustión interna, que se emplea en forma de bolsas con cuatro canales sin dispositivo de regulación adicional, el ajuste del proceso se ajusta solamente en un punto de funcionamiento del motor de combustión interna. En este contexto se habla de punto de carga del sobrealimentador por ondas de presión. Mediante la utilización de las denominadas bolsas en las paredes de la carcasa, el sobrealimentador por ondas de presión puede volverse más insensible al ajuste y el intervalo de volumen y de número de revoluciones en la carga puede ampliarse considerablemente. La desventaja de este método es un aumento de las pérdidas debido a los procesos secundarios que tienen lugar en las bolsas, tales como la entrada y la salida de los gases y la generación de ondas de expansión y presión a través de las bolsas.

La transición del denominado proceso primario al proceso principal, proceso regulado, provoca fallos en el proceso de las ondas de presión que causan irrupciones en el barrido y, por tanto, zonas de alta recirculación de gases de escape en el aire de carga. Para evitar en estas zonas, como también en el caso inicial, una recirculación elevada, debe utilizarse un conducto de alimentación hacia la bolsa de gas, ya sea como canal transversal fresado o como alimentación controlada, por ejemplo según el documento CH-A-681 738.

Por ejemplo, por el documento EP-B-885 352 se conoce un procedimiento que posibilita, en un sobrealimentador por de ondas de presión estándar con una denominada "Waste Gate" (válvula de descarga), desviar los gases de escape a alta presión residuales, por ejemplo en la zona de carga parcial del motor de combustión interna, desde el canal de gases de escape a alta presión al canal de gases de escape a baja presión y, por tanto, disminuir la presión delante del sobrealimentador por ondas de presión. Además, la presión detrás del sobrealimentador por ondas de presión también desciende y, por consiguiente, la presión en el canal de admisión del motor de combustión interna. Sin embargo, al abrir la válvula de descarga, en el caso de ausencia de un conducto de alimentación hacia la bolsa de gas, adicionalmente a la evacuación de los gases de escape a alta presión residuales se produce una caída brusca del barrido del rotor del sobrealimentador por ondas de presión. En el peor de los casos, esto provoca incluso una recirculación de los gases de escape en el canal de admisión del motor de combustión interna y, en cualquier caso, un claro empeoramiento del rendimiento de compresión del sobrealimentador por ondas de presión.

Por ejemplo, por los documentos CH-A-681 738 y EP-A-0 210 328 ya mencionados se conoce un procedimiento, por el cual el gas de escape expulsado por el motor de combustión interna a través de un conducto de alimentación desviado hacia la bolsa de gas del sobrealimentador por ondas de presión posibilita una evacuación del gas residual a alta presión en las bolsas de gas y, por tanto, se consigue una mejora del rendimiento de compresión a través del barrido mejorado del rotor.

El documento WO 99/11914 mencionado al principio impide de nuevo el empleo continuo de una bolsa de gas con sus pérdidas, y elimina el elemento de unión entre el canal de gases de escape y la bolsa de gas, que perturba el proceso de las ondas de presión, cuando el conducto de alimentación está abierto, así como las pérdidas de energía que aparecen a través del conducto de guía hacia la bolsa de gas en forma de pérdidas de corriente y temperatura y las limitaciones en la configuración de los otros canales.

Sin embargo, en todos estos procedimientos es desventajoso que en la zona de carga parcial del motor de combustión interna a través de la evacuación del gas a alta presión residual en las bolsas de gas o de la ampliación del canal de gases de escape a alta presión, la presión en el canal de gases de escape a alta presión se mantenga todavía demasiado alta, es decir, la diferencia de presión negativa, que se establece por consiguiente desde el sobrealimentador por ondas de presión respecto a la entrada de gases de escape a alta presión en el sobrealimentador por ondas de presión, provoca pérdidas de expulsión elevadas del motor de combustión interna y, por tanto, valores de consumo peores en la zona de la carga parcial del motor de combustión interna. Sin embargo, al mismo tiempo se mantiene una presión de carga no deseada detrás del sobrealimentador por ondas de presión debido al descenso insuficiente de la presión de los gases de escape mediante el proceso de ondas de presión. En el motor Otto con su control de carga mediante la mariposa, esta presión más alta debe reducirse ahora en la línea de admisión aún más mediante el cierre parcial de la mariposa, lo que ocasiona pérdidas adicionales en forma de pérdidas de estrangulación.

Los procedimientos a partir de los documentos CH-A-681 738, EP-A-0 210 328 y WO 99/11194 para evacuar el gas a alta presión residual tienen la desventaja de que, sobre una zona amplia del campo característico de los motores de combustión interna, pero principalmente en la zona de carga parcial del motor de combustión interna, no se puede evacuar lo suficiente, es decir, que la presión delante de el sobrealimentador por ondas de presión está a un nivel más alto que la presión detrás del sobrealimentador por ondas de presión. Esto da como resultado una diferencia de presión negativa también sobre el motor de combustión interna y, por tanto, un elevado trabajo de descarga de los émbolos del motor de combustión interna. En el motor Otto, mediante la regulación de calidad, incluso la mariposa debe cerrarse parcialmente para reducir el exceso de presión que se origina a través del proceso de ondas de presión en el canal de admisión del motor. Esto tiene como consecuencia pérdidas adicionales en forma de pérdidas de estrangulación. Las dos magnitudes de pérdida repercuten de manera negativa en el consumo de carga parcial del motor de combustión interna.

Por el documento US-A1-4.488.532 (=EP 0 080 741 B1) se ha dado a conocer un sobrealimentador por ondas de presión según el preámbulo de la reivindicación 1. En esta máquina se produce un ajuste de las altitudes del vehículo, por ejemplo, al recorrer vías de paso o similares mediante una regulación de la circulación del gas de escape desde el canal de gases de escape a alta presión hacia el canal de gases de escape a baja presión mediante un control de válvulas de mariposa, conduciéndose una parte de este gas de escape hacia una bolsa de gas abierta en el lado del rotor cuando el conducto de desviación está abierto. De esta manera, se mantiene el barrido necesario de baja presión del rotor. El fin y el propósito de este elemento de guía de los gases de escape es la compensación de una corrección de altitud mediante un dispositivo de ajuste con desviación.

Con respecto a este estado de la técnica conocido y descrito, el objetivo de la presente invención es exponer un sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico que produzca por toda la zona del campo característico de un motor de combustión interna, y especialmente en la zona de carga parcial, valores de consumo mejorados y una potencia más alta. Este objetivo se alcanza con el sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico según la reivindicación 1.

En las reivindicaciones dependientes se definen ventajas y ejemplos de realización adicionales.

A continuación, la invención se explica detalladamente mediante dibujos de ejemplos de realización.

La figura 1 muestra esquemáticamente un corte cilíndrico desenrollado a través de las celdas de un rotor de un sobrealimentador por ondas de presión según el estado de la técnica,

la figura 2 muestra esquemáticamente un detalle de un corte cilíndrico desenrollado a través de las celdas del rotor de la figura 1,

las figuras 3, 3A muestran esquemáticamente un detalle de un corte cilíndrico desenrollado a través de las celdas de un rotor según la invención con la válvula de corredera cerrada y abierta,

las figuras 4, 4A muestran una variante de la realización según las figuras 3, 3A,

las figuras 5, 5A muestran una variante de la realización según las figuras 3, 3A y

las figuras 6, 6A muestran una variante de la realización según las figuras 4, 4A.

Por razones de simplicidad se muestran y se describen los desarrollos de un ciclo de ondas de presión. Sin embargo, la invención es independiente del número de ciclos de ondas de presión; puede aplicarse en sobrealimentadores por ondas de presión únicamente con un ciclo o también con dos o más ciclos.

La figura 1 muestra un desarrollo de un rotor de un sobrealimentador 2 por ondas de presión gasodinámico con el motor 1 de combustión, el canal 3 de gases de escape a alta presión y el canal 4 de gases de escape a baja presión, incluido el aire S de barrido, el rotor 6 con las celdas 18 individuales, la entrada 8 de aire fresco o canal 14 de alimentación de aire fresco a baja presión, el canal 10 de aire de carga a alta presión que pasa al canal 11 de aire de carga y se dirige al motor 1 de combustión interna.

Tal como ya se ha mencionado al principio, el ajuste del proceso al motor de combustión interna, en el caso de utilizar cuatro canales sin dispositivos de regulación adicionales, es posible solamente en un punto de funcionamiento del motor de combustión interna. En este caso se habla, en este contexto, de punto de carga del motor de combustión interna. Mediante la utilización de bolsas en la pared de la carcasa, el sobrealimentador por ondas de presión puede hacerse más insensible al ajuste y, con ello, el intervalo de carga, número de revoluciones y volumen puede ampliarse considerablemente. En el transcurso del desarrollo de muchos años de los sobrealimentadores por ondas de presión de este tipo se fresaron diferentes bolsas en la pared 24 de la carcasa, por ejemplo, una bolsa 19 de compresión, una bolsa 20 de expansión y una bolsa 21 de gas con elemento 21A de unión, cuyas aplicaciones son muy conocidas por el experto. Con la utilización de estas bolsas resulta desventajoso que el proceso de ondas de presión se conduzca en una zona de campo característico no ajustado a través de procesos secundarios que nunca producen un rendimiento óptimo.

Normalmente, el sobrealimentador por ondas de presión se diseña de forma óptima con procedimientos conocidos, por ejemplo, procedimientos característicos y cálculos de diseño, en el punto deseado por el fabricante de motores de combustión interna, la mayoría de las veces con la velocidad nominal del motor, pudiendo ocurrir esto sin bolsas o también con una dos o tres bolsas.

En la figura 2, como apoyo a la figura 1 se muestra un canal 3 de gases de escape a alta presión que no presenta ningún medio para influir en la corriente de gases de escape a alta presión. El rotor 6 con sus celdas 18 se muestra desenrollado y además se observa la carcasa 24 de gas, el canal 3 de gases de escape a alta presión, así como el canal 4 de gases de escape a baja presión.

Además, en la figura 2 se indica la bolsa 21 de gas, tal como se presenta en el documento mencionado al principio CH-A-681 738. Esta bolsa de gas, así como sobretodo el elemento 21A de unión presente necesariamente entre el canal de gases de escape a alta presión y la bolsa de gas, origina pérdidas adicionales, especialmente cuando no es necesaria una evacuación en caso normal con velocidades, temperaturas y caudales de bajos a medios.

En las figuras 4, 4A, y 5, 5A del documento WO 99/11914, al que se hace expresamente referencia, se muestra esquemáticamente una influencia del canal de gases de escape a alta presión mediante una válvula de corredera.

Las figuras 3 a 6A de la presente invención se refieren también a la influencia de la corriente de gases de escape a alta presión. En las figuras 3 y 3A de la presente invención se muestra el rotor 40 desenrollado con las celdas 41 y, en contraposición a la bolsa 21 de gas en la figura 2, está prevista una escotadura 48 en la carcasa 34 de gas que sirve como bolsa de gas en la carcasa 34 de gas, la cual puede modificarse a través de una válvula 49 de corredera, tal como se indica a través de la flecha 50. En la figura 3A, la válvula 49 de corredera está totalmente insertada en la dirección de la flecha, de tal manera que el canal de gases de escape a alta presión se ensancha sin que se origine un elemento de unión. Mediante un control adecuado y que el experto puede calcular, la válvula de corredera puede desplazarse de tal manera que el canal de gases de escape a alta presión se ensancha hasta que la presión haya descendido tanto que la presión de carga creada a través del proceso de ondas de presión descienda al nivel deseado.

En las figuras 4 y 4A se muestra una variante de la válvula de corredera, siendo en este caso una pieza 51 giratoria que está unida de manera articulada a una bisagra 52 y puede desplazarse a través de un sistema de control electrónico similar al anterior que provoca un ensanchamiento 53 del canal de alta presión de gases de escape.

Dado que el aumento del canal de gases de escape a alta presión mostrado según el documento WO 99/11914 mediante las escotaduras 48 o ensanchamientos 53 no es suficiente para reducir el nivel de presión de los gases de escape a alta presión, hasta que la presión en esta parte de los gases de escape a alta presión alcance el nivel deseado próximo a la presión ambiental, son necesarios medios adicionales para una reducción de la presión.

Estos medios para la reducción de la presión contienen el conducto 54-57 adicional mostrado en las figuras 3, 3A - 6, 6A. En las figuras 3, 3A, se trata del canal 54 de conexión que produce la conducción entre la escotadura 48 y el canal 35 de gases de escape a alta presión. En la figura 3 está cerrada la válvula 49 de corredera y, con ello, tanto la escotadura como el canal 54 de conexión. En la figura 4A tanto la escotadura como el canal 54 de conexión están abier-
tos.

A través de este conducto 54 que se libera puede evacuarse ahora una cantidad de gases de escape adicional directamente en el canal 35 de gases de escape a baja presión que está prácticamente por debajo de la presión ambiental. De esta manera desciende la presión en el canal 31 de gases de escape a baja presión al nivel inferior deseado. Es importante que el canal 54 de conexión adicional liberado se abra solamente cuando una cantidad de gases de escape suficientemente grande se evacúe primeramente a través del aumento del canal 31 de gases de escape a alta presión directamente en el rotor, dado que sino se perturba el proceso de ondas de presión y por tanto se detiene el barrido del rotor y se conduce gas de escape no deseado hacia el motor.

De manera análoga a las figuras 3, 3A, en las figuras 4, 4A se dibuja un canal 55 de conexión que produce la conducción entre el ensanchamiento 53 que sirve como bolsa de gas y el canal 35 de gases de escape a baja presión, pudiendo cerrarse y abrirse el ensanchamiento 53 y el canal 55 de conexión a través de la pieza 51 giratoria.

En una variante de realización según las figuras 3, 3A, en las figuras 5, 5A se muestra esquemáticamente una válvula 58, tal como se emplea en el documento CH-A-681 738 para el control de la alimentación de las bolsas de gas. También aquí el control se ocupa de que la válvula 58 se desplace solamente hasta que un porcentaje suficientemente grande de gases 31 de escape a alta presión se desvíe hacia la escotadura 48 para mantener el barrido del rotor. La válvula 58 se abre entonces adicionalmente y se libera un conducto 56. Este conducto 56 está conectado mediante un canal de conexión adecuado a un canal 35 de gases de escape a baja presión. Mediante este conducto 56 puede evacuarse ahora una cantidad de gases de escape adicional directamente en el canal 35 de gases de escape a baja presión, que está prácticamente por debajo de la presión ambiental. Con esto, la presión en el canal 31 de gases de escape a alta presión desciende al nivel inferior deseado.

En las figuras 6 y 6A se muestra esquemáticamente un cilindro 59 tal como se emplea de forma similar en el documento EP-A-0 210 328 para el control de la alimentación de las bolsas de gas. Aquí también el cilindro 59 se desplaza solamente hasta que un porcentaje de gases 31 de escape a alta presión suficientemente grande se desvía hacia el ensanchamiento 53 para mantener el barrido del rotor.

El cilindro 59 se gira entonces adicionalmente y libera el canal 57 de conexión. El canal 57 de conexión está conectado con el canal 35 de gases de escape a baja presión. Mediante este conducto puede ahora expulsarse una cantidad adicional de gases de escape directamente en el canal 35 de gases de escape a baja presión que está prácticamente por debajo de la presión ambiental. Con esto, la presión en el canal 31 de gases de escape a alta presión desciende al nivel inferior deseado.

Naturalmente pueden tomarse las mismas medidas también en otros procedimientos conocidos para regular la corriente de gases de escape a alta presión en las bolsas de gas. En otra configuración de la invención, en todas las aplicaciones posibles, tal como se ha descrito anteriormente o en la aplicación de bolsas de gas conocidas por sí mismas, la corriente adicional de gases de escape conducida directamente desde el canal 31 de gases de escape a alta presión hacia el canal 35 de gases de escape a baja presión puede realizarse mediante un elemento de regulación adicional que, por ejemplo, se controla mediante un microprocesador. A este respecto, es irrelevante si este elemento de regulación adicional presenta una mariposa, una válvula, un cilindro o un elemento de regulación similar para la evacuación adicional desde el canal 31 de gases de escape a alta presión hacia el canal 35 de gases de escape a baja presión. Sin embargo, es importante garantizar desde el punto de vista de la técnica de control que en primer lugar la corriente de gases de escape se conduzca desde el canal de gases de escape a alta presión, a través de un ensanchamiento del canal 31 de gases de escape a alta presión, tal como se muestra en las figuras 4A y 5A, o a través de un desvío parcial de la corriente de gases de escape, hasta la bolsa de gas, antes de que el elemento de regulación adicional libere la abertura adicional directamente desde el canal 31 de gases de escape a alta presión hacia el canal 35 de gases de escape a baja presión. Este modo de proceder según la técnica de regulación es necesario para el mantenimiento del barrido del motor.

En este caso es ventajoso, aunque no es condición, que la conducción desde el canal de gases de escape a alta presión hacia el canal de gases de escape a baja presión parta desde la bolsa de gas, o bien de la escotadura o del ensanchamiento.

A partir de la descripción anterior se desprende que, con esto, se facilita un procedimiento para la reducción del consumo de carga parcial de motores reciprocantes mediante una mejora del rendimiento en un sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico. Además, el procedimiento puede combinarse con otros procedimientos, o también puede emplearse individualmente mediante una mejor termodinámica de un sobrealimentador por ondas de presión según las reivindicaciones.

Además se desprende que la presión en el canal de gases de escape a alta presión y, por tanto, también la presión de carga así como la diferencia de presión negativa a través del cargador se reduce considerablemente. Dado que por este motivo la diferencia de presión negativa se reduce también sobre el motor de combustión interna, el consumo de combustible para la carga parcial del motor de combustión interna puede reducirse con este procedimiento i. Adicionalmente, en los motores Otto en la zona de carga parcial se suprime en su mayor parte un estrangulamiento mediante una válvula de mariposa, dado que la presión de carga corresponde a la presión ambiental debido al descenso casi completo de la presión de los gases de escape. Esto ocasiona una reducción adicional del consumo de carga parcial.

El sobrealimentador por ondas de presión según la invención permite, por toda la zona del campo característico de un motor de combustión interna, tanto mantener lo más reducida posible la diferencia de presión negativa, y por tanto el elevado trabajo de descarga del motor de combustión interna, como aumentar la cantidad de evacuación hasta que la presión en el canal de gases de escape de alta presión pueda reducirse de tal manera que también la presión en el canal de aire de carga pueda reducirse tanto que pueda omitirse un cierre parcial de la válvula de mariposa del motor de combustión interna en la zona de carga parcial. La eficacia de la invención se da especialmente cuando puede garantizarse la evacuación de una cantidad suficientemente grande de gases de escape en primer lugar a través del aumento del canal 31 de gases de escape a alta presión, o a través de las bolsas de gas, directamente en el rotor, dado que sino el proceso de ondas de presión se perturba y por tanto se detiene el barrido del rotor y se conducen gases de escape no deseados al motor. Esto puede garantizarse mediante una configuración de la invención adecuada desde el punto de vista de la técnica de la regulación.

Claims (6)

1. Sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico que está diseñado para alimentar aire de carga a un motor de combustión interna con un rotor (6, 40) que presenta celdas (18, 41), un canal (14) de alimentación de aire fresco a baja presión, un canal (10) de aire de carga a alta presión que conduce al motor (1) de combustión interna, un canal (3, 31) de gases de escape a alta presión que procede del motor de combustión interna y un canal (4, 35) de gases de escape a baja presión, estando dispuestos el canal (3, 31) de gases de escape a alta presión y el canal (4, 35) de gases de escape abaja presión en una carcasa (24, 34) de gas, y el canal (14) de alimentación de aire fresco a baja presión (14) y el canal (10) de aire de carga a alta presión en una carcasa de aire, presentando el canal (3, 31) de gases de escape a alta presión un aumento (21, 48, 53) en el lado del rotor desde el que un conducto (54-57) de desviación conduce al canal (4, 35) de gases de escape de baja presión, caracterizado porque el conducto (54-57) de desviación se regula para mantener el proceso de ondas de presión mediante medios adecuados de tal manera siempre se conduce primeramente una parte de la corriente de gases de escape desde el canal (3, 31) de gases de escape a alta presión hacia el aumento (21; 48; 53) antes de que en el conducto (54-57) se conduzca un gas de escape adicional desde el canal (3, 31) de gases de escape a alta presión al canal (4, 35) de gases de escape a baja presión, estando compuesto el aumento (21; 48; 53) por una escotadura (48) o ensanchamiento (53) en el lado del rotor que presenta medios (49, 51, 58, 59) para modificar este aumento (21; 48; 53) sin formar un elemento de unión y estando configurados los medios para la modificación del aumento (21; 48; 53) de tal manera que la abertura del conducto (54-57) de desviación también puede modificarse.

2. Sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico según la reivindicación 1, caracterizado porque la abertura del conducto (54-57) puede modificarse mediante un elemento de regulación.

3. Sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico según la reivindicación 2, caracterizado porque el elemento de regulación se regula mediante un microprocesador.

4. Sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los medios para modificar la escotadura (48) y la abertura del conducto (56) presentan una válvula (58), conduciéndose en primer lugar una parte suficientemente grande de la corriente de gases de escape hacia la escotadura (48) mediante el desplazamiento adicional de la válvula y liberándose también mediante el desplazamiento adicional de la válvula el conducto (56) en el canal de gases de escape a baja presión.

5. Sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los medios para modificar el ensanchamiento (53) del canal de gases de escape a alta presión y la abertura del conducto (57) presentan un cilindro (59) que se controla de tal manera que, en primer lugar, se conduce una parte suficientemente grande de la corriente de gases de escape y, mediante el giro adicional, se libera también el conducto (57) en el canal de gases de escape a baja presión.

6. Sobrealimentador por ondas de presión gasodinámico según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque presenta un dispositivo para regular una desviación del canal de gases de escape a alta presión hacia el aumento o hacia el canal de bolsas de gas.