ES2280934T3 - Dispositivo para impartir un movimiento de rotacion al flujo de aire alimentado a un motor de combustion interna turboalimentado. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para impartir un movimiento de remolino sobre el flujo de aire (F) para alimentar un motor de combustión interna turbosobrealimentado, particularmente del tipo con recirculación del gas de escape (EGR) aguas arriba del sobrealimentador, comprendiendo dicho dispositivo: - una parte de conducto que presenta forma de codo (20) para la alimentación de aire, con un ramal aguas arriba (21) y un ramal aguas abajo (22) que forman un ángulo entre sí; - en el que dicho ramal aguas arriba (21) presenta una sección transversal rectangular, y dicho ramal aguas abajo (22) presenta una sección transversal circular y se extiende sustancialmente ortogonal al ramal aguas arriba, y - unos medios para fraccionar la sección de paso del flujo de aire a través de dicho ramal aguas arriba (21), que pueden limitar la sección de paso del fluido a una zona (27) que constituye únicamente una fracción de la sección total del conducto, adyacente a una pared (21b) de dicho conducto, de manera que llega al ramal aguas abajo (22) de dicha parte en forma de codo (20) un flujo tangencial localizado adyacente a una pared del conducto que, es así forzado, como resultado del cambio en la dirección desde el ramal aguas arriba hasta el ramal aguas abajo, para atravesar dicho ramal aguas abajo según un paso sustancialmente helicoidal, - en el que dichos medios fraccionadores comprenden una válvula (23) con un aspa (24) montada de manera oscilante alrededor de un eje (25) en el ramal aguas arriba (21) de dicha parte de codo (20) del conducto, - en el que dicho eje de oscilación (25) del aspa (24) es ortogonal a dos paredes opuestas (21a) de dicho ramal aguas arriba (21) del conducto, y dicho eje de oscilación (25) se dispone a una distancia del eje central (A) de dicho ramal aguas arriba (21) caracterizado porque dicha válvula (23) es una válvula de mariposa montada de manera pivotante alrededor de dicho eje (25) de manera que, cuando un extremo del aspa de la válvula se encuentra en contacto con una pared del conducto, el extremo opuesto se dispone a una distancia de la pared enfrentada (21b) del conducto, de manera que deje libre dicha zona de paso (27), y porque dicha aspa (24) presenta un perfil de un ala aerodinámica, de manera que, cuando dicha aspa (24) presenta una inclinación reducida con respecto al eje (A) de dicho ramal aguas arriba (21), el flujo de aire que envuelve a las dos caras opuestas del aspa tiende a permanecer adherido a las mismas de manera que la totalidad del flujo se desvía por medio del aspa en la dirección de una pared (21b) del conducto (21).
Description
Dispositivo para impartir un movimiento de
rotación al flujo de aire alimentado a un motor de combustión
interna turboalimentado.
La presente invención se refiere a un
dispositivo para impartir un movimiento de rotación (remolino)
sobre el flujo de aire para alimentar un motor de combustión
interna turbosobrealimentado, particularmente del tipo con
recirculación de los gases de escape aguas arriba del
sobrealimentador.
Un motor de combustión interna
turbosobrealimentado con recirculación de los gases de escape aguas
arriba del sobrealimentador, es decir, en el tramo de baja presión
del conducto de suministro, ha constituido el objeto de la
solicitud de patente europea nº 04 425 279 anterior presentada en
nombre del presente solicitante. En motores de este tipo, se
proporciona una válvula de mariposa en el conducto para el
suministro de aire, aguas arriba del sobrealimentador y aguas
arriba de la confluencia del conducto para la recirculación de los
gases de escape.
Se conoce un dispositivo tal como se establece
en el preámbulo de la reivindicación 1 a partir del documento
JP-A-60 047 818. Se conoce asimismo
un dispositivo para impartir un remolino a un flujo de aire
suministrado a un motor de combustión interna turbosobrealimentado
a partir del documento DE 196 44 892.
Un objetivo de la presente invención consiste en
proporcionar un dispositivo que pueda, por un lado, realizar la
función de fraccionar la entrada del motor, que se consigue
tradicionalmente con una válvula de mariposa y, por otro lado,
impartir sobre el flujo de aire en la entrada al sobrealimentador un
movimiento de rotación (remolino) o prerrotación (prerremolino) que
permita un incremento en la eficiencia del funcionamiento del
sobrealimentador.
Más en general, un objetivo de la presente
invención consiste en proporcionar un dispositivo que sea capaz de
impartir el movimiento de remolino o prerremolino mencionado
anteriormente sobre el flujo de aire para alimentar un motor de
combustión interna, también en el caso, por ejemplo, en el que dicho
motor está turbosobrealimentado, pero no está provisto de un
sistema de recirculación de gas de escape (EGR) aguas arriba del
sobrealimentador.
Con la intención de conseguir estos y otros
objetivos, la invención está caracterizada por las características
de la reivindicación 1. Gracias a dichas características, cuando la
válvula de mariposa se aleja ligeramente de su posición de abertura
máxima, induce en cualquier caso un flujo del aire de alimentación
que converge hacia una pared del conducto, que provoca de nuevo un
ligero remolino del flujo, seguido del cambio de dirección en el
paso desde el ramal aguas arriba hasta el ramal aguas abajo de la
parte de codo.
Las anteriores, así como otras características y
ventajas se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la
descripción siguiente, haciendo referencia a los dibujos adjuntos,
que se proporcionan únicamente a título de ejemplo no limitativo, y
en los que:
- la Figura 1 es un diagrama del sistema
para alimentar un motor diesel turbosobrealimentado, con
recirculación de gases de escape aguas arriba del sobrealimentador,
al que se aplica el dispositivo según la invención;
- la Figura 2 es una vista esquemática en
perspectiva que ilustra el principio de funcionamiento del
dispositivo según la invención;
- las Figuras 3 y 4 son vistas en sección
transversal del dispositivo de la Figura 2;
- la Figura 5 es una ilustración
esquemática de una serie de condiciones de funcionamiento diferentes
del dispositivo; y
- la Figura 6 es un diagrama que ilustra un
criterio de utilización posible del dispositivo según la
invención.
En la Figura 1, el número de referencia 1
designa en general un motor diesel de cuatro cilindros, con un
colector de entrada 2 y un colector de escape 3. El colector de
entrada 2 recibe la alimentación de aire a través de un conducto 4,
en el que se dispone un sobrealimentador 5. En el conducto 4, aguas
arriba del sobrealimentador 5 se prevé también, de manera ya
conocida, un dispositivo de enfriamiento o enfriador intermedio 6.
El colector de escape 3 está conectado a un conducto de escape 7,
en el que se prevén: una turbina 8, conectada mecánicamente
mediante un eje 9 al sobrealimentador 5 con el fin de accionar su
giro; y a un filtro de partículas 9. En el ejemplo ilustrado se
prevén tanto un sistema 11 para la recirculación del gas de escape
según un recorrido corto inmediatamente aguas arriba del colector
de entrada 2, como un sistema 12 para la recirculación del gas de
escape según un recorrido largo aguas arriba del sobrealimentador 5.
El sistema 11 comprende un conducto 13, controlado por una válvula
14 y en el que se dispone un enfriador intermedio 15. El sistema de
EGR 12 comprende un conducto 16 controlado por una válvula 17. El
conducto 13 conecta el conducto de escape 7 directamente con el
conducto de entrada 4 aguas arriba del colector 2, mientras que el
conducto 16 provoca la recirculación de los gases de escape, o una
parte de los mismos, en la salida del filtro de partículas 10 en el
conducto de entrada 4, aguas arriba del sobrealimentador 5.
Se dispone un dispositivo 19 según la presente
invención en el conducto de entrada 4, aguas arriba de la
confluencia 18 del conducto de EGR 16.
La Figura 2 es una vista esquemática en
perspectiva del dispositivo 19. Dicho dispositivo básicamente
comprende una parte de codo de conducto 20, con un ramal aguas
arriba 21, que en el ejemplo que se ilustra presenta una sección
transversal rectangular, y un ramal aguas abajo 22, que en el
ejemplo que se ilustra presenta una sección transversal circular.
Ambos ramales 21, 22 forman entre sí un ángulo próximo a 90º en el
caso del ejemplo ilustrado. En el ramal aguas arriba 21 se dispone
asimismo una válvula de mariposa 23 concebida para fraccionar la
sección de recorrido del flujo de aire a través del ramal aguas
arriba 21. En el ejemplo ilustrado, la válvula de mariposa 23 está
provista de un elemento en aspa 24, montado de manera que pueda
oscilar como un balancín en un eje 25, que está orientado
transversalmente con respecto a la dirección de flujo del aire de
alimentación a la entrada del ramal 21, y que es ortogonal a dos
paredes opuestas 21a de dicho ramal 21. Tal como se puede apreciar
con mayor detalle en la Figura 3, el eje de oscilación 25 del aspa
24 que constituye la válvula de mariposa 23 se dispone a una
distancia del eje A del ramal aguas arriba 21 de la parte de codo
20, de manera que, cuando el aspa 24 se encuentra en su posición de
cierre máximo del conducto (ilustrada en la Figura 3), en la que
uno de sus bordes extremos entra en contacto con la pared del
conducto 23, el borde opuesto de la pared 24, designado con el
número 26, en cualquier caso deja libre para el paso del aire una
zona 27 que únicamente constituye una fracción de la totalidad de la
sección del ramal del conducto 21, adyacente a la pared inferior
21b (con referencia al dibujo).
Como consecuencia, cuando la válvula de mariposa
23 se encuentra en su estado de cierre máximo, aguas arriba de la
válvula de mariposa llega un flujo concentrado adyacente a la pared
21b y dispuesto a una distancia del eje A (Figuras 2 y 3), que
tiene lugar, como resultado del cambio de dirección desde el ramal
21 hasta el ramal 22 (véase la Figura 2). Como consecuencia, el
flujo de aire aguas arriba de la válvula de mariposa 23 atraviesa
el ramal aguas abajo 22 de acuerdo con un paso helicoidal, tal como
se indica esquemáticamente mediante las flechas G en la Figura
2.
Según otra característica importante de la
invención, el aspa 24 presenta un perfil del tipo ala de manera
que, cuando se inclina ligeramente con respecto al eje A del ramal
del conducto 21 (véase la Figura 5c), el flujo de aire que pasa por
sus dos caras opuestas tiende a permanecer adherido a dichas caras
de modo que se desvía en la dirección de la pared 21b.
La disposición del dispositivo 19 aguas arriba
de la confluencia 18 del conducto de EGR 16 permite la creación de
una presión negativa, cerrando así la válvula de mariposa 23, lo que
incrementa la diferencia de presión en los extremos del conducto de
EGR 16. Esto permite la recirculación de los gases de escape en
condiciones en las que la diferencia de presión entre la salida del
filtro de partículas 10 y la entrada al alimentador 5 no resultaría
suficiente. De este modo, se mejora también la característica de
regulación de la válvula 17 dispuesta en el conducto de EGR 16.
Además de la ventaja especificada anteriormente,
el dispositivo según la invención permite impartir el movimiento de
remolino descrito anteriormente sobre el flujo del aire de
alimentación, con lo que se consigue la mayor eficiencia de
funcionamiento del sistema de sobrealimentación.
La Figura 5 ilustra varias posiciones para la
regulación del aspa 24 de la válvula de mariposa 23. En el estado
ilustrado en la Figura 5(a), el aspa 24 alcanza la
inclinación máxima con respecto al eje A del ramal del conducto 21
y, como consecuencia, genera la presión negativa máxima. En dicho
estado, también se obtiene un efecto máximo en la generación del
movimiento de remolino, gracias a la introducción tangencial del
flujo de aire en el ramal aguas abajo 22 de la parte del conducto
20 que lleva al sobrealimentador. El hueco 27 para el paso de
fluido presenta un tamaño de manera que asegure una presión negativa
suficiente para la recirculación de la cantidad de gas deseada en
todas las condiciones de funcionamiento del motor.
En el estado ilustrado en la Figura 5(b),
el borde superior (tal como se puede apreciar en la figura) del
aspa 24 se aleja de la pared correspondiente del conducto, de manera
que el aire puede pasar, bien por debajo o por encima del aspa.
Dado que la inclinación del aspa 24 con respecto al eje A sigue
siendo considerable, el flujo que pasa por las dos caras opuestas
del aspa se "desvía" con respecto a la superficie del aspa.
Obviamente, el flujo de aire sobre el aspa produce un descenso
tanto en el efecto de prerremolino, como en el efecto de la presión
de succión.
En el estado ilustrado en la Figura 5(c),
en el que la inclinación del aspa 24 con respecto al eje A es
relativamente menor, el perfil aerodinámico del aspa 24 permite que
el flujo que pasa por sus dos caras opuestas permanezca adherido a
las mismas. Como consecuencia, a partir de ahí deriva un desvío de
la totalidad del flujo de aire hacia abajo (tal como se puede
apreciar en la figura) en la dirección de la pared 21b, con el
posterior incremento del efecto de prerremolino así obtenido, con
respecto a lo que sucede en la situación de la Figura 5 (b). En
dicho estado, se reduce la resistencia al flujo considerablemente.
Cuanto mayor es la optimización del perfil del aspa, menor es la
caída de presión con el prerremolino obtenido. Este modo de
funcionamiento resulta particularmente interesante para las
condiciones de funcionamiento de motor en las que no existe
recirculación de gases de escape, de manera que no se precisa
presión negativa, pero en la que mejora el comportamiento del
sobrealimentador, incrementando el nivel de prerremolino.
Finalmente, en el estado ilustrado en la
Figura
5(d), el aspa 24 es paralela al eje A, de manera que se obtiene una resistencia mínima al flujo y la desaparición total del efecto de prerremolino, que, por otra parte, no resulta esencial a r.p.m. elevadas.
5(d), el aspa 24 es paralela al eje A, de manera que se obtiene una resistencia mínima al flujo y la desaparición total del efecto de prerremolino, que, por otra parte, no resulta esencial a r.p.m. elevadas.
La Figura 6 muestra un diagrama que proporciona
un posible criterio de uso del dispositivo según la invención en un
motor diesel. Cada punto del plano de la Figura 6 corresponde a un
estado específico de funcionamiento del motor, determinada por un
valor de giro determinado y un valor de la presión media efectiva
determinada. El diagrama se divide en las zonas (a), (b), (c) y (d)
bajo una curva L que indica el estado de carga completa. Cada una
de las zonas corresponde al estado de funcionamiento designado por
la misma letra en la Figura 5. La línea E proporciona el límite de
los estados de funcionamiento en los que se da la recirculación de
los gases de escape. Tal como se puede apreciar, a carga y
velocidad del motor bajas, el aspa se encuentra en la posición de
cierre máximo (a) y se desplaza hacia el estado de abertura máxima a
medida que se incrementan la carga y la velocidad. En los puntos de
carga completa y a velocidad baja, el movimiento de prerremolino
permite el desplazamiento, en valores elevados de la presión de
sobrealimentación, del inicio del fenómeno de bombeo en el
sobrealimentador. Así, se puede sobrealimentar en mayor medida con
un incremento en el rendimiento del motor. A medida que aumenta la
velocidad, se recomienda abrir el dispositivo gradualmente, es
decir, reducir el ángulo de incidencia del aspa, con el fin de
contener la pérdida de carga que aumenta con respecto al incremento
en el caudal de flujo. En carga completa, más de 2.000 r.p.m., el
giro del aire en la entrada al sobrealimentador no proporciona
ningún rendimiento adicional.
En los puntos de carga parcial, resulta
necesario garantizar una presión negativa suficiente para recircular
la cantidad de gas deseada. El aspa trabaja entonces a ángulos
grandes (posiciones (a) y (b)). El prerremolino generado por el
dispositivo en estas condiciones permite al mismo tiempo una mejora
en la eficiencia del sobrealimentador, reduciendo el trabajo
recuperado en la turbina y, consecuentemente, la contrapresión en la
salida. Esto tiene como resultado una reducción en el consumo de
combustible y en las emisiones.
Comparado con el sistema propuesto anteriormente
por el presente solicitante, que concibió la EGR aguas arriba del
sobrealimentador, es decir, en el tramo de baja presión del conducto
de suministro, con una válvula de mariposa en la entrada del
sobrealimentador, el dispositivo según la invención permite obtener
los beneficios siguientes:
- incremento en el rendimiento del motor a
r.p.m. bajas, principalmente gracias a presiones de
sobrealimentación admisibles mayores, sin incurrir que aparezca
bombeo del sobrealimentador; y
- menor consumo a carga parcial con
respecto al incremento en la eficiencia del sobrealimentador, y
potencialmente, menores emisiones con respecto a la reducción en el
combustible introducido, asociado a niveles de consumo
inferiores.
Comparado con los otros dispositivos conocidos
que pueden generar torbellino en el flujo de alimentación de aire
en la entrada del sobrealimentador, el dispositivo según la
invención presenta la ventaja de que no conlleva ningún incremento
en el coste con respecto a un motor provisto de un sistema para la
recirculación de gases a baja presión, así como la ventaja de
permitir una instalación conveniente del dispositivo.
El motor según la invención está provisto de una
unidad de control electrónico que controla los medios de
accionamiento (no representados) de cualquier tipo conocido que a su
vez controlan la abertura de la válvula de mariposa de acuerdo con
las señales emitidas por detectores para detectar las r.p.m. y la
carga del motor, según una lógica predeterminada, por ejemplo sobre
la base de un mapa del tipo ilustrado en la Figura 6.
Obviamente, sin perjuicio para el principio de
la invención, los detalles de construcción y las formas de
realización pueden variar ampliamente con respecto a lo que se
describe e ilustra en la presente memoria únicamente a título de
ejemplo, sin apartarse por ello del alcance de la presente
invención.
Claims (5)
1. Dispositivo para impartir un movimiento de
remolino sobre el flujo de aire (F) para alimentar un motor de
combustión interna turbosobrealimentado, particularmente del tipo
con recirculación del gas de escape (EGR) aguas arriba del
sobrealimentador,
comprendiendo dicho dispositivo:
- una parte de conducto que presenta forma
de codo (20) para la alimentación de aire, con un ramal aguas
arriba (21) y un ramal aguas abajo (22) que forman un ángulo entre
sí;
- en el que dicho ramal aguas arriba (21)
presenta una sección transversal rectangular, y dicho ramal aguas
abajo (22) presenta una sección transversal circular y se extiende
sustancialmente ortogonal al ramal aguas arriba, y
- unos medios para fraccionar la sección de
paso del flujo de aire a través de dicho ramal aguas arriba (21),
que pueden limitar la sección de paso del fluido a una zona (27) que
constituye únicamente una fracción de la sección total del
conducto, adyacente a una pared (21b) de dicho conducto, de manera
que llega al ramal aguas abajo (22) de dicha parte en forma de codo
(20) un flujo tangencial localizado adyacente a una pared del
conducto que, es así forzado, como resultado del cambio en la
dirección desde el ramal aguas arriba hasta el ramal aguas abajo,
para atravesar dicho ramal aguas abajo según un paso sustancialmente
helicoidal,
- en el que dichos medios fraccionadores
comprenden una válvula (23) con un aspa (24) montada de manera
oscilante alrededor de un eje (25) en el ramal aguas arriba (21) de
dicha parte de codo (20) del conducto,
- en el que dicho eje de oscilación (25)
del aspa (24) es ortogonal a dos paredes opuestas (21a) de dicho
ramal aguas arriba (21) del conducto, y dicho eje de oscilación (25)
se dispone a una distancia del eje central (A) de dicho ramal aguas
arriba (21)
caracterizado porque dicha válvula (23)
es una válvula de mariposa montada de manera pivotante alrededor de
dicho eje (25) de manera que, cuando un extremo del aspa de la
válvula se encuentra en contacto con una pared del conducto, el
extremo opuesto se dispone a una distancia de la pared enfrentada
(21b) del conducto, de manera que deje libre dicha zona de paso
(27), y
porque dicha aspa (24) presenta un perfil de un
ala aerodinámica, de manera que, cuando dicha aspa (24) presenta
una inclinación reducida con respecto al eje (A) de dicho ramal
aguas arriba (21), el flujo de aire que envuelve a las dos caras
opuestas del aspa tiende a permanecer adherido a las mismas de
manera que la totalidad del flujo se desvía por medio del aspa en
la dirección de una pared (21b) del conducto (21).
2. Motor de combustión interna que comprende un
sobrealimentador (5) interpuesto en un conducto (4) para alimentar
el aire al motor, caracterizado porque comprende un
dispositivo según la reivindicación 1 interpuesto en el conducto de
suministro (4) aguas arriba del sobrealimentador (5).
3. Motor de combustión interna según la
reivindicación 2, caracterizado porque dicho dispositivo se
interpone en el conducto de suministro (4) aguas arriba de la
confluencia (18) de un conducto (16) para la recirculación de los
gases de escape.
4. Motor según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicho conducto de EGR (16) se ramifica a
partir de un conducto de escape (7) del motor, aguas arriba de una
turbina (8) para accionar el sobrealimentador (5) y aguas arriba de
un filtro de partículas (10).
5. Motor según la reivindicación 2,
caracterizado porque está provisto de una unidad de control
electrónica que controla los medios de accionamiento para controlar
dicha válvula de mariposa según las señales que indican las r.p.m y
la carga del motor y permite un incremento en los grados de abertura
de la válvula de mariposa a medida que se incrementan las r.p.m. y
la carga, según un criterio predeterminado.
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