ES2320343T3 - Sistema de turbocompresor para un motor de combustion interna. - Google Patents

Sistema de turbocompresor para un motor de combustion interna. Download PDF

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Lars Sundin
Magnus Ising
Daniel Grunditz
Per Andersson
Kent Giselmo
Sebastian Krausche
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Abstract

Un sistema de turbocompresor para un motor de combustión interna (10) con un conducto de escape (15, 16) como mínimo, para evacuar los gases de escape de la cámara de combustión (11) del motor y un conducto de admisión (12) como mínimo, para suministrar aire a dicha cámara de combustión, comprendiendo una turbina de alta presión (17) interactuando con un compresor de alta presión (19), y una turbina de baja presión (21) interactuando con un compresor de baja presión (23), para extraer energía del caudal de escape del motor y presurizar el aire de admisión del motor, caracterizado porque ambas etapas de compresor son del tipo radial y están provistas de ruedas de compresor y álabes orientados hacia atrás (35), en los cuales el ángulo del álabe (betab2), entre una prolongación imaginaria de la línea central del álabe entre la parte interior y la parte extrema en la dirección de la tangente exterior y una línea (36) conectando el eje central de la rueda de compresor con el punto exterior del álabe, es como mínimo de 40 grados aproximadamente, porque la turbina de alta presión (17) es del tipo radial y está conectada a la turbina de baja presión mediante un conducto intermedio corto (20), y porque la turbina de baja presión (21) está provista de paletas de guía de entrada (34).

Description

Sistema de turbocompresor para un motor de combustión interna.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de turbocompresor para un motor de combustión interna con un conducto de escape como mínimo, para evacuar los gases de escape de la cámara de combustión del motor y un conducto de admisión como mínimo, para suministrar aire a dicha cámara de combustión, comprendiendo una turbina de alta presión, interactuando con un compresor de alta presión, y una turbina de baja presión, interactuando con un compre-
sor de baja presión, para extraer energía del caudal de escape del motor y presurizar el aire de admisión del motor.
Antecedentes
El estado de la técnica con respecto a los sistemas de turbocompresor para sobrealimentar a los motores de combustión interna de tipo diesel, preferentemente para vehículos pesados, normalmente comprende un compresor de una etapa accionado por una turbina de una etapa, ambos del tipo radial. También se encuentran sistemas de turbocompresor con sobrealimentación en dos fases, a veces incluso incluyendo una refrigeración intermedia, pero la configuración está normalmente basada en disposiciones estándares previstas para sobrealimentar en una única fase. El documento GB-A-1438172 muestra un compresor de dos fases según la primera parte de la reivindicación 1, y con ambos compresores del tipo radial.
Los compresores adecuados para un motor diesel de 6 a 20 litros de cubicaje, normalmente tienen una eficiencia, en condiciones estacionarias, de entre el 50% y el 60% (\eta_{compresor}*\eta_{mecánico}*\eta_{turbina}). En el motor diesel contemporáneo, la ganancia en eficiencia es inferior a la de futuros motores, que necesitarán una presión de carga más alta. Son ejemplos de sistemas que elevan la necesidad de sobrealimentación, la recirculación de gases de escape para emisiones más bajas de óxidos de nitrógeno y sistemas que ofrecen un control variable de las válvulas de admisión.
Los sistemas de turbocompresor con eficiencias superiores al 60%, en condiciones estacionarias, ofrecen una perspectiva mayor de cumplir demandas futuras de motores respetuosos con el medio ambiente y eficientes con el combustible. Hasta ahora, las exigencias medioambientales sobre los motores diesel han conducido normalmente a un empeoramiento de la eficiencia, que consecuentemente ha significado que el recurso energético del combustible no ha sido muy bien aprovechado.
Explicación de la invención
Por consiguiente, un objeto de la invención es obtener un sistema de turbocompresor económicamente viable que hace un mejor uso de la energía en el caudal de escape del motor, para una eficiencia incrementada, y sin crear necesidades considerables de espacio.
Un sistema de turbocompresor, configurado para este objetivo según la invención, para un motor de combustión interna con un conducto de escape como mínimo, para evacuar los gases de escape de la cámara de combustión del motor, y un conducto de admisión como mínimo para suministrar aire a dicha cámara de combustión, comprende una turbina de alta presión, interactuando con un compresor de alta presión, y una turbina de baja presión, interactuando con un compresor de baja presión, para extraer energía del caudal de escape del motor y presurizar el aire de admisión del motor, y caracterizado según la invención porque ambas etapas de compresor son del tipo radial y están provistas de ruedas de compresor y álabes orientados hacia atrás, en los cuales el ángulo del álabe \beta_{b2}, entre una prolongación imaginaria de la línea central del álabe entre la parte interior y la parte extrema en la dirección de la tangente exterior, y una línea conectando el eje central de la rueda de compresor con el punto exterior del álabe, es como mínimo de 40 grados aproximadamente, porque la turbina de alta presión es del tipo radial y está conectada a la turbina de baja presión mediante un conducto intermedio corto, y porque la turbina de baja presión está provista de paletas de guía de entrada. Esta configuración del sistema de turbocompresor permite un incremento en la eficiencia de las respectivas etapas del conjunto de entre el 65% y el 70%. Este sistema de dos etapas obtiene una eficiencia efectiva del turbo superior al 70%.
Se pueden obtener realizaciones ilustrativas ventajosas de la invención a partir de las siguientes reivindicaciones independientes de patente.
Breve descripción de las figuras
A continuación se describirá la invención con gran detalle, en referencia a las realizaciones ilustrativas mostradas en los dibujos adjuntos, en los cuales:
La fig. 1 muestra esquemáticamente un motor de combustión interna con un sistema de turbocompresor en dos etapas según la invención,
la fig. 2 es un corte longitudinal a través de las dos etapas del turbocompresor que forman el sistema de turbocompresor,
la fig. 3 muestra, en una vista en planta parcialmente cortada, una rueda de compresor utilizada en el sistema de turbocompresor según la invención, y
la fig. 4, muestra, en una vista en planta, la rueda de turbina de la turbina de alta presión.
Descripción de realizaciones ilustrativas
La invención se refiere a un sistema de sobrealimentación para, en primer lugar, motores diesel con un cubicaje de entre aproximadamente 6 litros y aproximadamente 20 litros, para utilizar preferentemente en vehículos pesados tales como camiones, autobuses y maquinaria de construcción. El sistema de sobrealimentación tiene la característica que ofrece una sobrealimentación considerablemente más efectiva que los sistemas actuales. La sobrealimentación se realiza en dos etapas con dos compresores del tipo radial, conectados en serie con refrigeración intermedia. La primera etapa de compresor, referida como compresor de baja presión, está accionada por una turbina de baja presión del tipo axial. La segunda etapa de compresor, el compresor de alta presión, está accionada por una turbina de alta presión del tipo radial.
La Fig. 1 muestra un bloque motor 10 con seis cilindros 11, que comunican de una forma convencional con el colector de admisión 12 y dos colectores de escape independientes 13, 14. Cada uno de estos dos colectores de escape recibe gases de escape de tres de los cilindros. Se conducen los gases de escape a través de conductos independientes 15, 16 hasta la turbina 17 en la unidad de turbo de alta presión 18, que comprende un compresor 19 montado en un eje común con la turbina 17.
Se conducen los gases de escape hacia delante a través del conducto 20, a una turbina 21 en la unidad de turbo de baja presión 22, que comprende un compresor 23 montado en un eje común con la turbina 21. Finalmente los gases de escape se conducen hacia delante a través del conducto 24, al sistema de escape del motor, que puede comprender unidades para el tratamiento posterior de los gases de escape.
Se recibe en el motor al aire de admisión filtrado a través del conducto 25 y se conduce al compresor 23 de la unidad de turbo de baja presión 22. Un conducto 26 conduce el aire de admisión hacia delante a través de un refrigerador de aire de sobrealimentación 27, al compresor 19 de la unidad de turbo de alta presión 18. Tras esta sobrealimentación de dos etapas con refrigeración intermedia, el aire de admisión es conducido hacia delante a través del conducto 28 a un segundo refrigerador de aire de sobrealimentación 29, después de lo cual el aire de admisión alcanza el colector de admisión 12 vía el conducto 30.
El sistema de turbocompresor según la invención se muestra con mayor detalle en la fig. 2. que ilustra las entradas dobles en espiral 15, 16 al turbo de alta presión 17, cada una proporciona la mitad del caudal de gas de la turbina con paletas de guía de entrada 17a. La turbina de alta presión 17 del tipo radial y está conectada a la turbina de baja presión 21 mediante el conducto intermedio corto 20, que se puede utilizar ya que la turbina de baja presión es del tipo axial. Este corto recorrido del caudal minimiza las pérdidas de presión entre las etapas de la turbina.
La turbina de alta presión 17 está montada junto con el compresor de alta presión 19 en el eje 31. La turbina de baja presión 21 está montada correspondientemente junto con el compresor de baja presión 23 en el eje 32. La dos unidades de turbo 18, 22 están orientadas esencialmente a lo largo del mismo eje longitudinal. El conducto intermedio 20 está equipado con juntas 33, que combaten las tensiones de la instalación y la filtración, permitiendo una cierta movilidad en las direcciones axial y radial, lo que absorbe las solicitaciones termales y cierta deficiencia de montaje.
La turbina de baja presión del tipo axial está provista de paletas de guía de entrada 34, que están configuradas para optimizar el trabajo cerca de la parte central de la turbina para una eficiencia máxima (llamada configuración "compuesta fina" con un raíl guía en el cual el centro de gravedad de los perfiles se extiende a lo largo de una línea curva, con vistas a distribuir el trabajo en la etapa de turbina, a fin de que se optimice hacia el centro del álabe de la turbina donde los efectos marginales y las pérdidas son mínimos). El compresor de baja presión es del tipo radial con álabes configurados con un gran campo de acción, como se describirá con mayor detalle a continuación con referencia a la fig. 3. El compresor de alta presión 19 es asimismo del tipo radial, los álabes del cual están convenientemente orientados hacia atrás de forma correspondiente a aquellos en el compresor de baja presión 23.
Puede verse a partir de la fig. 3 que un ángulo de álabe \beta_{b2}, entre una prolongación imaginaria del álabe 35 a lo largo de la línea central entre la parte interior y la parte extrema en la dirección de la tangente exterior y una línea 36 (en una representación de línea y raya) conectando el eje central de la rueda de compresor con el punto exterior del álabe, es, como mínimo de 40 grados aproximadamente, convenientemente como mínimo de 45-50 grados aproximadamente. Los turbocompresores disponibles en el mercado tienen ángulos de álabes \beta_{b2} entre 25 aproximadamente y 35 grados aproximadamente. En pruebas del sistema de turbocompresor según la invención, se ha probado ventajoso el incrementar el ángulo de álabe a como mínimo 40 grados aproximadamente. El efecto de este incremento en el ángulo de álabe consiste ante todo, en que la rueda de compresor y la turbina vinculada giran a una velocidad superior para una relación de presión dada. El incremento de velocidad significa que el diámetro, y por lo tanto el momento de inercia de la masa, de la rueda de turbina puede reducirse. Como efecto lateral de esto, la respuesta transitoria del motor también se mejora, ya que el momento de inercia de la masa reducida significa que la rueda de turbina se puede acelerar más fácilmente hasta su rango efectivo de velocidad. Además, se incrementa la eficiencia del compresor, ante todo como resultado del diferencial reducido de velocidad entre el caudal a lo largo del lado de presión y del lado de aspiración del álabe, conduciendo a menos caudal secundario y por tanto menos pérdidas, y como resultado de una reducción en la velocidad del caudal en la salida del rotor, conduciendo a pérdidas menores en el difusor siguiente.
Ambos compresores están provistos de raíles guía aguas abajo de la respectiva rueda de compresor a fin de optimizar la acumulación de presión. Este difusor es ventajosamente del tipo LSA (perfil de baja solidez), señalando un difusor con álabes configurados aerodinámicamente cuya longitud tiene una relación con la distancia entre los álabes (separación) en un rango entre 0,75 y 1,5.
Se coloca un difusor de salida 37 tras la turbina de baja presión 21 a fin de recuperar la presión dinámica que deja la turbina. El difusor se abre hacia fuera en un colector de escape 38, que guía los gases de escape fuera del conducto de escape 24. El difusor está diseñado como un conducto anular con una entrada axial y una salida prácticamente radial. El conducto exterior del difusor está cerrado con un saliente 37a a fin de impedir que el caudal saliente se vea perturbado por los gases recirculantes del colector siguiente. Este saliente 37a puede colocarse asimétricamente a fin de reducir el tamaño del colector. El saliente tiene su mayor cota radial enfrente de la salida del colector de escape 38 y su menor cota radial en lado diametralmente opuesto.
La turbina de alta presión 17 mostrada en la fig. 4, que acciona el compresor de alta presión 19, es del tipo radial, con una rueda de turbina que, para un giro relativamente de alta velocidad, está hecho de un diámetro pequeño. Eso hace posible evitar aquellos tipos de cavidades 39 en el centro de la rueda de turbina 40 que se utilizan normalmente en la técnica anterior en turbinas de este tipo (llamada "ondulado"). Estas cavidades 39 se muestran con líneas discontinuas en la fig. 4, simplemente a fin de ilustrar la técnica anterior. Como resultado de la eliminación de estas cavidades, la rueda de turbina es capaz de funcionar más eficientemente para una eficiencia global mayor.
Las turbinas tienen paletas de guía de entrada aguas arriba de cada rueda para un caudal óptimo contra la rueda. La disposición comprendiendo una turbina de alta presión del tipo radial y de baja presión del tipo axial significa que, las pérdidas de caudal entre las etapas de turbina pueden minimizarse por medio de un conducto intermedio corto. La turbina de alta presión se ha provisto de un tornillo sin fin de doble alimentación a fin de hacer un uso óptimo de la energía en los gases de escape del motor diesel. La invención puede además, no obstante, utilizarse en admisiones convencionales con una admisión única, doble o múltiple.
A fin de producir una presión adecuada para un motor diesel de 6 a 20 litros de cubicaje, aproximadamente 4-6 bar de presión absoluta, cada compresor sólo necesita tener un incremento de presión de 2-2,5 veces la presión de admisión y por tanto se optimiza para relaciones de baja presión inferiores a los compresores normales de una única etapa.
El sistema de turbocompresor que se describe anteriormente puede ser aplicado ventajosamente a un motor diesel de cuatro tiempos con la llamada leva Miller (fija o ajustable), lo que significa que parte de la compresión efectiva se transfiere fuera del cilindro a los turbo compresores con la posterior refrigeración en los refrigeradores del aire de sobrealimentación, después de lo cual la temperatura del volumen de aire se reduce, lo cual produce un proceso termodinámicamente más efectivo en el cilindro y emisiones de escape inferiores, por ejemplo óxidos de nitrógeno (NOx).
El sistema de turbocompresor puede usarse además para un motor con recirculación de gases de escape del tipo "EGR de trayecto largo", es decir en el que pueden extraerse gases de escape tras la salida de la turbina de baja presión 21 y recirculado al lado de admisión del motor, antes de la entrada del compresor de baja presión.
La invención no se debería considerar limitada a las realizaciones ilustrativas descritas anteriormente, sino que más bien son imaginables numerosas variantes adicionales y modificaciones dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones de patentes. Por ejemplo, el sistema de turbocompresor según la invención está descrito en relación a un motor diesel de seis cilindros, pero el sistema es aplicable a todos los motores de varios pistones desde un cilindro en adelante y que funcionan en un ciclo de dos tiempos o de cuatro tiempos.
También se puede aplicar la invención a motores marinos y a motores con otros cubicajes distintos a los anteriormente citados. Se ha descrito anteriormente una realización ilustrativa implicando una turbina de baja presión del tipo axial, pero además puede utilizarse la invención con turbinas de baja presión del tipo radial. Además, la turbina de alta presión 17 puede estar provista de paletas de guía de entrada 17a fijas o geométricamente rotables.

Claims (19)

1. Un sistema de turbocompresor para un motor de combustión interna (10) con un conducto de escape (15, 16) como mínimo, para evacuar los gases de escape de la cámara de combustión (11) del motor y un conducto de admisión (12) como mínimo, para suministrar aire a dicha cámara de combustión, comprendiendo una turbina de alta presión (17) interactuando con un compresor de alta presión (19), y una turbina de baja presión (21) interactuando con un compresor de baja presión (23), para extraer energía del caudal de escape del motor y presurizar el aire de admisión del motor, caracterizado porque ambas etapas de compresor son del tipo radial y están provistas de ruedas de compresor y álabes orientados hacia atrás (35), en los cuales el ángulo del álabe (\beta_{b2}), entre una prolongación imaginaria de la línea central del álabe entre la parte interior y la parte extrema en la dirección de la tangente exterior y una línea (36) conectando el eje central de la rueda de compresor con el punto exterior del álabe, es como mínimo de 40 grados aproximadamente, porque la turbina de alta presión (17) es del tipo radial y está conectada a la turbina de baja presión mediante un conducto intermedio corto (20), y porque la turbina de baja presión (21) está provista de paletas de guía de entrada (34).
2. El sistema de turbocompresor reivindicado en la reivindicación 1, caracterizado porque la turbina de baja presión (21) es del tipo axial.
3. El sistema de turbocompresor reivindicado en la reivindicación 1, caracterizado porque la turbina de baja presión (21) es del tipo radial.
4. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque el ángulo del álabe (\beta_{b2}), es como mínimo de 45 grados aproximadamente.
5. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque el ángulo del álabe (\beta_{b2}), es como mínimo de 50 grados aproximadamente.
6. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque la turbina de alta presión (17) está provista de un anillo estator con paletas de guía de entrada fijas.
7. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque la turbina de alta presión (17) está provista de un anillo estator con paletas de guía de entrada geométricamente variables.
8. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la turbina de alta presión (17) está provista de un tornillo sin fin de alimentación con doble entrada, en el cual cada conducto de entrada (15, 16) proporciona la mitad del caudal de gas de la turbina vía las paletas de guía de entrada.
9. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque al menos uno de los compresores (19 y 23) está provisto de un difusor.
10. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la turbina de alta presión (17) que acciona el compresor de alta presión (19) es del tipo radial, con una rueda de turbina que, para un giro relativamente de alta velocidad, está hecho de un diámetro pequeño y un centro libre de
cavidades.
11. El sistema de turbocompresor reivindicado en la reivindicación 2, caracterizado porque el raíl guía (34) de la turbina axial está configurada para optimizar el trabajo cerca de la parte central de la turbina (llamada configuración "compuesta fina") para una eficiencia máxima.
12. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las dos etapas de compresor (19, 23) están conectadas fluídricamente mediante un refrigerador de aire de sobrealimentación (27).
13. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el conducto intermedio (20) es anular, con un cuerpo interior (20a) de una sección transversal que aumenta en la dirección aguas abajo.
14. El sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se coloca un difusor anular de escape (37) aguas abajo de la turbina de baja presión (21) para recuperar energía cinética del caudal de gas.
15. El sistema de turbocompresor reivindicado en la reivindicación 14, caracterizado porque el difusor de escape (37) se abre hacia fuera en un colector de escape (38).
16. El sistema de turbocompresor reivindicado en la reivindicación 15, caracterizado porque la pared exterior del difusor de salida está cerrado con un saliente 37a colocado asimétricamente.
17. El sistema de turbocompresor reivindicado en la reivindicación 15, caracterizado porque la pared exterior del difusor de salida está cerrada con un saliente 37a colocado asimétricamente con su menor extensión radial diametralmente opuesta a la salida del colector de escape.
18. El uso de un sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17 en un motor de combustión interna con un cierre avanzado o retrasado de la válvula de admisión (referido al punto muerto inferior del pistón).
19. El uso de un sistema de turbocompresor reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18 en un motor de combustión interna con recirculación de gases de escape, en el cual los gases de escape pueden extraerse tras la salida de la turbina de baja presión (21) y recirculados al lado de admisión del motor, antes de la entrada del compresor de baja presión.
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