ES2638078T3 - Sistema turbocompound - Google Patents

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ES2638078T3 ES13162730.9T ES13162730T ES2638078T3 ES 2638078 T3 ES2638078 T3 ES 2638078T3 ES 13162730 T ES13162730 T ES 13162730T ES 2638078 T3 ES2638078 T3 ES 2638078T3
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Abstract

Sistema turbocompound que comprende un motor de combustión (E) y una unidad de turboalimentador (TB, COM), que comprende una primera turbina (TB) que acciona un compresor (COM) para comprimir aire de entrada en la entrada del motor de combustión. una segunda turbina (TBC) alimentada por gases de escape del motor de combustión y que tiene un eje conectado con un cigüeñal del motor para proporcionar a este último energía mecánica y que comprende un sistema de recuperación de calor (RCR), acoplado con dicho motor de combustión (E) para realizar un Ciclo Rankine explotando el calor producido por el motor de combustión para producir mayor energía mecánica, en el que dicha primera turbina (TB) dispuesta aguas arriba respecto de dicha segunda turbina (TBC) a lo largo de un sistema de post tratamiento y caracterizada por que comprende un dispositivo (SCR) para reducir las emisiones contaminantes dispuesto aguas abajo de dicha segunda turbina (TBC) y aguas arriba un calentador (HE) para calentar un medio RCR y por que comprende un refrigerador EGR resfrescado por dicho medio RCR.

Description

DESCRIPCION
Sistema turbocompound Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un sistema turbocompound, en particular, en el campo de los motores de gran 5 desplazamiento.
Description de la tecnica anterior
Los esquemas turbocompound se conocen bien. Explotan la energla de los gases de escape para accionar una turbina que proporciona energla mecanica al ciguenal del motor. El eje de la turbina y el ciguenal del motor normalmente estan conectados entre si mediante engranajes de reduction y/o un embrague. Los engranajes 10 adaptan la alta velocidad de rotation de la turbina a la baja velocidad de rotation del ciguenal. El embrague normalmente permite desconectar la turbina cuando su intervention es demasiado baja o negativa y protege la turbina de vibraciones torsionales. Tambien es posible una conexion electrica al ciguenal (un generador accionado por la turbina y que acciona a motor el ciguenal del motor).
Como es bien sabido, una turbina explota el contenido energetico (entalpia) contenido en los gases de escape para 15 recuperar directamente la energla mecanica. El documento WO2012/053112 desvela todas las caracterlsticas del preambulo de la reivindicacion 1, mientras que el documento WO2012/096958 desvela la implementation de un esquema EGR de baja presion en un esquema de motor de combustion que implementa un sistema RCR. El documento US-3224186 desvela un sistema turbocompound que comprende una unidad de turboalimentador y una segunda turbina alimentada por gases de escape de un motor de combustion.
20 Sumario de la invencion
El objeto principal de la presente invencion es recuperar toda la energla posible de los gases de escape. Este objeto se alcanza facilitando un sistema turbocompound provisto tambien de un sistema de recuperation de calor residual (RCR), para convertir la energla calorlfica, normalmente expulsada al aire ambiental, en potencia mecanica mediante un expansor (Ex) que explota el ciclo Rankine.
25 El principio basico de la presente invencion se desvela en la reivindicacion 1. Ventajosamente, mientras que el sistema RCR que realiza un ciclo Rankine es principalmente efectivo en cargas mas reducidas en el motor de combustion debido a limitaciones de rechazo de calor, la turbina de energla (turbocompound) aumenta la eficiencia del sistema general principalmente a cargas elevadas (superiores a ~ 50%) De este modo, los beneficios del consumo de combustible pueden extenderse a cargas inferiores, partiendo de un esquema turbocompound. En 30 general, el consumo de combustible mejora en toda la cartografla del motor.
Estos y otros objetos se alcanzan por medio de un aparato y metodo, segun se describe en las reivindicaciones adjuntas, que forman una parte integrante de la presente descripcion.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion quedara completamente clara a partir de la siguiente descripcion detallada, que se presenta 35 meramente a modo de ejemplo enunciativo y no limitativo, para ser lelda en referencia al dibujo de la Figura 1 adjunta, en el que se muestra un esquema de recuperacion de calor de un motor de combustion provisto de turbocompound.
Los mismos numeros y letras de referencia de las figuras designan partes iguales o funcionalmente equivalentes.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
40 En la Figura 1 se muestra una realization preferida del sistema de recuperacion de calor, RCR.
Una turbina TBC se acciona mediante los gases de escape y la energla mecanica producida se proporciona al motor de combustion de una manera conocida, como se describe anteriormente.
La invencion se adapta de forma particular, pero no limitada, a un motor de combustion E provisto de una unidad de turbo-sobrealimentacion, a saber, una turbina TB alimentada por los gases de escape y un compresor COM 45 accionado por dicha turbina TB para comprimir aire de entrada que entra en el motor de combustion E.
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El motor E podrla estar provisto ademas de un refrigerador intermedio CAC para refrescar el aire de entrada comprimido por el compresor COM y/o de un medio EGR con un refrigerador EGR para refrescar gases recirculados.
El radiador ARM (agua de refrigeracion del motor) expulsa el calor contenido en el refrigerante del motor al aire ambiente. El refrigerador intermedio, si es que hay uno, expulsa el calor contenido en el aire comprimido en el ambiente.
El Ciclo Rankine es manejado por un medio diferente, denominado en lo sucesivo medio RCR.
La fuente mas frla del Ciclo Rankine es el condensador CD. Es un intercambiador de calor entre el llquido del motor y el medio RCR, conectado en el circuito de refrigeracion preferiblemente aguas abajo respecto del ECW, segun la direccion de circulation del agua.
El medio RCR condensado dentro del condensador CD es bombeado por la bomba PU al calentador PE, que explota el calor contenido en los gases de escape para evaporarlo para expandirse dentro del Expanso EX. El Expansor puede ser cualquier maquina conocida de por si.
Tras el Expansor, el medio RCR vuelve al condensador CD.
Segun la invention, el motor esta turbosobrealimentado y, en particular, la turbina TBC asociada al ciguenal del motor esta dispuesta aguas abajo de la unidad de turboalimentacion, a saber, la turbina acoplada con el compresor COM. Por lo tanto, los gases de escape que salen del motor de combustion atraviesan la primera turbina TB y despues atraviesan la turbina TBC. Por consiguiente, los gases de escape atraviesan un dispositivo, denominado de forma abreviada SCR, para reducir las emisiones contaminantes, tal como un SCR y/o un DOC y/o un filtro antipartlculas.
A lo largo del SPT (Sistema Post Tratamiento), aguas abajo del dispositivo SCR, se dispone el calentador HE para calentar el medio RCR.
Igualmente, el refrigerador EGR se refresca gracias al medio RCR, recibiendo este ultimo una mayor aportacion de calor para la recuperation calorlfica.
El expansor puede producir energla mecanica, electrica o hidraulica para ser suministrada al motor de combustion y/o al vehlculo en general.
Por ejemplo, la energla electrica producida puede explotarse para alimentar un motor electrico acoplado con el motor de combustion o con uno de los ejes de accionamiento del vehlculo.
De igual modo, la bomba puede ser accionada por el motor de combustion, por el expansor o por un motor electrico. Las funciones de dicha unidad de control podrlan integrarse en una unidad de control del motor.
El expansor puede ser conocido de por si.
De acuerdo con otra realization preferida de la invencion, que se puede combinar con las otras, previamente comentadas, el motor de combustion puede ser de tipo turbocompound.
Se sabe bien que una turbina turbocompound muestra mayores beneficios a cargas elevadas. Aunque la turbina compound extrae cierta energla, la temperatura de los gases de escape sigue siendo suficiente alta para accionar un sistema RCR y obtener un beneficio combinado con la correspondiente reduction del consumo de combustible. Realmente, la extraction de calor del sistema RCR esta limitada de todas formas por una capacidad de refrigeracion del vehlculo maxima. Por tanto, la reduccion de la energla de gases de escape debido al TBC no reduce la eficiencia RCR a cargas elevadas. A cargas inferiores (<50%), la turbina compound es menos efectiva y apenas extrae energla, lo que significa que el aumento principal de recuperacion energetica procede del sistema RCR. La combination de ambas tecnologlas mejora el consumo de combustible en todo el rango de funcionamiento (cartografla del motor) sin interferir entre si.
Para permitir la activacion/desactivacion del sistema RCR, pueden proporcionarse medios de derivation para favorecer la derivacion del calentador (HE) por el medio RCR y/o la derivacion del calentador por los gases de escape. Especialmente cuando, a cargas crlticas, el refrigerante del motor alcanza una temperatura umbral.
Por lo tanto, una unidad de control puede gestionar la conexion de la turbina compound TBC con el ciguenal y la activacion/desactivacion del sistema RCR.
Puede implementarse el control de varios componentes arquitectonicos descritos con anterioridad de forma ventajosa en un programa informatico que comprende medios de codigo de programa para realizar una o mas etapas de dicho metodo, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.
Muchos cambios, modificaciones, variaciones y otros usos y aplicaciones de la invencion objeto seran evidentes 5 para los expertos en la materia tras considerar la memoria descriptiva y los dibujos adjuntos que desvelan realizaciones preferidas de la misma. Todos aquellos cambios, modificaciones, variaciones y otros usos y aplicaciones que no se alejen del alcance de la invencion segun se define en las reivindicaciones adjuntas se consideraran cubiertos por la presente invencion.
Otras aplicaciones y las diversas realizaciones desveladas pueden combinarse entre si, al igual que con la tecnica 10 anterior comentada. Otros detalles muy conocidos no se comentan porque el experto en la materia es capaz de realizar la invencion partiendo de la ensenanza de la descripcion anterior.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Sistema turbocompound que comprende un motor de combustion (E) y
    una unidad de turboalimentador (TB, COM), que comprende una primera turbina (TB) que acciona un compresor (COM) para comprimir aire de entrada en la entrada del motor de combustion.
    5 una segunda turbina (TBC) alimentada por gases de escape del motor de combustion y que tiene un eje conectado con un ciguenal del motor para proporcionar a este ultimo energla mecanica y que comprende un sistema de recuperacion de calor (RCR), acoplado con dicho motor de combustion (E) para realizar un Ciclo Rankine explotando el calor producido por el motor de combustion para producir mayor energla mecanica, en el que dicha primera turbina (TB) dispuesta aguas arriba respecto de dicha segunda turbina (TBC) a lo largo de un sistema de 10 post tratamiento y caracterizada por que comprende un dispositivo (SCR) para reducir las emisiones contaminantes dispuesto aguas abajo de dicha segunda turbina (TBC) y aguas arriba un calentador (HE) para calentar un medio RCR y por que comprende un refrigerador EGR resfrescado por dicho medio RCR.
  2. 2. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la energla mecanica producida por el sistema de recuperacion de calor (RCR) se proporciona a dicho ciguenal del motor.
    15 3. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la energla mecanica producida por el sistema de
    recuperacion de calor (RCR) se proporciona a un generador electrico.
  3. 4. El sistema de acuerdo con cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en el que el motor de combustion (E) comprende agua de refrigeracion del motor (ARM) del tipo llquido a aire ambiente para enfriar el refrigerante del motor y en el que el condensador (CD) es un intercambiador de calor del tipo llquido a medio RCR, conectado en
    20 serie con dicha agua de refrigeracion del motor.
  4. 5. El sistema de acuerdo con una de las anteriores reivindicaciones, que comprende ademas un expansor (EX) alimentado por el medio RCR calentado, al menos, por dicho calentador (HE) y que proporciona energla mecanica a
    - dicho motor de combustion (E) y/o
    - un generador electrico
    25 6. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que, cuando el expansor (EX) proporciona energla mecanica
    a un generador electrico, un motor electrico se conecta con el ciguenal del motor para proporcionar a este ultimo dicha energla mecanica adicional, y se alimenta con energla electrica producida por dicho generador electrico.
  5. 7. El vehlculo terrestre provisto de un motor de combustion (E) provisto de un sistema turbocompound para la recuperacion calorlfica (RCR) del motor de combustion (E) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores 1 a 30 6.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015197091A1 (en) * 2014-06-26 2015-12-30 Volvo Truck Corporation A waste heat recovery device
EP3159506B1 (de) 2015-10-21 2020-08-19 Orcan Energy AG Funktionssynergien bei der integration von orc-systemen in verbrennungskraftmotoren

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3224186A (en) * 1962-04-23 1965-12-21 Continental Aviat & Eng Corp Binary internal combustion engine
JPS58220945A (ja) * 1982-06-15 1983-12-22 Toyo Radiator Kk エンジンにおける熱エネルギ−回収装置
ITMI20062046A1 (it) * 2006-10-24 2008-04-25 Iveco Motorenforschung Ag Impianto motore con sistema di recupero del calore e relativo metodo di recupero del calore
DE102009028467A1 (de) * 2009-08-12 2011-02-17 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme
DE102010047518A1 (de) * 2010-10-05 2011-07-07 Daimler AG, 70327 Vorrichtung zur Energierückgewinnung aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine
WO2012053112A1 (ja) * 2010-10-22 2012-04-26 三菱重工業株式会社 推進装置及びそれを備えた船舶
US9021808B2 (en) * 2011-01-10 2015-05-05 Cummins Intellectual Property, Inc. Rankine cycle waste heat recovery system

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