ITRM970032A1 - Sistema di ricircolo dei gas di scarico di motori a combustione interna - Google Patents

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ITRM970032A1
ITRM970032A1 IT97RM000032A ITRM970032A ITRM970032A1 IT RM970032 A1 ITRM970032 A1 IT RM970032A1 IT 97RM000032 A IT97RM000032 A IT 97RM000032A IT RM970032 A ITRM970032 A IT RM970032A IT RM970032 A1 ITRM970032 A1 IT RM970032A1
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Siegfried Sumser
Erwin Schmidt
Alfred Kuspert
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Daimler Benz Ag
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Description

DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo: ’’SISTEMA DI RICIRCOLO DEI GAS DI SCARICO DI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA''
L'invenzione concerne un sistema di ricircolo dei gas di scarico per un motore a combustione interna secondo il preambolo della rivendicazione brevettuale 1.
Dalla DE 4235 794 C1 è già noto un motore a combustione interna sovralimentato con un turbocompressore a gas di scarico che comprende una turbina a gas di scarico e un compressore ad aria.immessa Un tubo di ricircolo dei gas di scarico collega un tubo di scarico del motore a combustione interna a monte della turbina con una condotta forzata a valle del compressore dove nella condotta forzata è disposto un dispositivo regolatore di portata, comprendente un iniettore e una valvola a farfalla, mediante il quale è possibile regolare la portata dei gas di scarico rifluiti tramite il tubo di ricircolo relativo al lato di ammissione del motore a combustione interna.
Per quanto riguarda la tecnica anteriore generale si rimanda, inoltre, ai brevetti DE 3420 015 A1, DE 4429 232 CI E WO 91/18192.
Un problema nella realizzazione di un sistema di ricircolo dei gas di scarico privo di perdite nell’ambito di esercizio complessivo di un motore a combustione interna sovralimentato sta nel fatto che il livello della pressione di alimentazione sul lato di alimentazione dell'aria è maggiore del livello della pressione dei gas di scarico del lato di scarico del motore a combustione interna, in particolare nello spettro di carico medio e nello spettro di carico superiore del motore a combustione interna. In detti ambiti di carico, la caduta di pressione tra il lato di alimentazione dell'aria e i lato di scarico del motore a combustione interna non è quindi disponibile nella direzione desiderata per un ricircolo dei gas d scarico.
L'invenzione si prefigge il compito di realizzare un sistema di ricircolo dei gas di scarico il più possibile privo di perdite per un motore a combustione interna sovralimentato del tipo in questione in modo che, nell'ambito di esercizio complessivo del motore a combustione interna, sia possibile, indipendentemente dalla pressione dei gas di scarico nel tubo di scarico, riportare in circolo una quantità separata di gas di scarico in una condotta forzata e rispettivamente su un lato di ammissione del motore a combustione interna.
Il compito viene risolto, secondo l’invenzione, con i particolari indicati nella parte caraterizzante della rivendicazione brevettuale 1. I particolari delle rivendicazioni dipendenti indicano sviluppi e perfezionamenti vantaggiosi dell 'invenzione.
Un vantaggio del sistema di ricircolo dei gas di scarico secondo l'invenzione sta nel fatto che si rende possibile rimandare in circolo i gas di scarico per tutto l’intervallo di esercizio del motore a combustione interna, dato che la pressione nel tubo di scarico ora non deve essere necessariamente maggiore, dal punto di vista del funzionamento, della pressione nella condotta forzata per riportare una determinata quantità di gas di scarico al lato di ammissione del motore a combustione interna. Inoltre, grazie al turbocompressore a gas di scarico, il ricircolo dei gas di scarico è realizzabile in modo variabile dal punto di vista strutturale, dato che la turbina del secondo turbocompressore a gas di scarico può essere disposta parallelamente nel tubo di scarico a monte della turbina a gas di scarico del primo tirbocompressore a gas di scarico oppure parallelamente nella condotta forzata a valle del compressore a gas di scarico del primo turbocompressore a gas di scarico. In questo modo, l'altro turbocompressore a gas di scarico possiede, a scelta, una turbina a gas di scarico oppure una turbina ad aria immessa. La quantità di gas di scarico ricondotta in circolo è liberamente determinabile, per ogni possibile punto di esercizio del motore a combustione interna, tramite la caduta di pressione del lato di alimentazione della tubina P2,1/P'2,1 e rispettivamente tramite la caduta di pressione del lato di scarico della turbina p3,2/p'3,2 che è regolabile tramite la valvola di regolazione collegata in parallelo rispetto alla turbina del secondo turbocompressore a gas di scarico.
Altre forme di realizzazione dell'invenzione emergono dalle altre rivendicazioni dipendenti e altri vantaggi dell'invenzione emergono dalla descrizione.
L'invenzione è illustrata più dettagliatamente nei disegni con riferimento a tre esempi di esecuzione. In essi:
La figura 1 mostra, in un primo esempio di esecuzione, una rappresentazione schematica di un motore a combustione interna con un primo turbocompressore a gas di scarico con turbina a gas di scarico e compressore ad aria immessa e con un tubo di ricircolo dei gas di scarico in cui è disposto un dispositivo regolatore di portata che comprende una valvola regolatrice di pressione di alimentazione nonché un altro turbocompressore di gas di scarico con un compressore a gas di scarico e una turbina ad aria immessa dove quest'ultima è collocata a valle del compressore ad aria immessa parallelamente alla condotta forzata,
la figura 2 mostra, in un secondo esempio di esecuzione, un disegno schematico di un motore a combustione interna analogo alla figura 1, dove la turbina dell'altro turbocompressore a gas di scarico è collocata a monte della turbina a gas di scarico del primo turbocompressore a gas di scarico parallelamente al tubo di scarico e
la figura 3 mostra, in un terzo esempio di esecuzione, un disegno schematico analogo alla figura 2, dove la turbina dell’altro turbocompressore a gas di scarico è disposta parallelamente alla turbina del primo turbocompressore a gas di scarico e dove, a valle del compressore ad aria immessa, è disposto un refrigeratore d'aria immessa e, a monte del compressore a gas di scarico del secondo turbocompressore a gas di scarico, è disposto un refrigeratore di gas di scarico.
La figura 1 mostra, in un primo esempio di eecuzione, una rappresentazione schematica di un motore a combustione interna 1 collegato tramite una condotta forzata 2 e un tubo di scarico 3 con un primo turbocompressore a gas di scarico 4. Il turbocompressore a gas di scarico 4 è costituito, nelle sue parti essenziali, da un compressore ad aria immessa 5, collegato tramite un albero 6 con una turbina a gas di scarico.
Una prima parte 2' della condotta forzata 2 porta da un lato di mandata 11 del compressore 5 ad un lato di ammissione 12 del motore a combustione interna 1 e una seconda parte 2'' della condotta forzata 2 porta da un filtro d'aria non rappresentato al lato aspirante 13 del compressore ad aria immessa 5.
Una prima parte 3' del tubo di scarico 3 porta da un lato di scarico 8 del motore a combustione interna 1 ad un tronchetto di ammissione 9 della turbina a gas di scarico 7 e una seconda parte 3 '' del tubo di scarico 3 porta da un tronchetto di efflusso 10 della turbina 7 ad uno scarico non rappresentato del motore a combustione interna 1.
Dalla prima parte 3' del tubo di scarico, un tubo di ricircolo 14 dei gas di scarico porta alla prima parte 2' del tubo, dove nel tubo di ricircolo 14 dei gas di scarico è disposto un compressore a gas di scarico 15 di un altro turbocompressore a gas di scarico 16, il quale è indicato in seguito anche come turbocompressore di ricircolo dei gas di scarico. L'altro turbocompressore a gas di scarico 16 comprende, nelle sue parti essenziali, il compressore a gas di scarico 15, collegato tramite un albero 17 con una turbina ad aria immessa 18.
La turbina ad aria immessa 18 è collegata con tubi 19 e 20 parallelamente alla parte 2' della condotta forzata 2, dove tra i punti di imboccatura 21 e 22, in cui i tubi 19 e 20 sboccano nella parte 2' della condotta forzata 2, è disposta una valvola regolatrice di pressione di alimentazione 23.
L’altro turbocompressore a gas di scarico 16 con la sua turbina ad aria immessa 18 collocata nella derivazione che porta alla parte di tubo 2' insieme alla valvola regolatrice di pressione di alimentazione 23 formano gli elementi strutturali principali di un dispositivo regolatore di portata 29 con cui è possibile regolare la portata dei gas di scarico che passano attraverso il tubo di ricircolo relativo.
Il tubo 19 sbocca a valle del compressore ad aria immessa 5 del primo turbocompressore a gas di scarico 4, però a monte della valvola regolatrice 23 della pressione di alimentazione, dalla parte di tubo 2' che porta ad un lato di afflusso 24 della turbina ad aria immessa 18 e il tubo 20 porta da un lato di efflusso 25 della turbina ad aria immessa 18, tramite un raccordo 28 sul tubo di ricircolo 14 dei gas di scarico, al punto di imboccatura 22 che sbocca a monte del lato di ammissione 12 e a valle della valvola 23 regolatrice della pressione di alimentazione 23 nella parte di tubo 2'.
Una prima parte 14' del tubo di ricircolo 14 dei gas di scarico porta dalla prima parte di tubo 3' al lato aspirante del compressore a gas di serico 15 dove nella prima parte 14' del tubo di ricircolo 14 dei gas di scarico è disposta una valvola di non ritorno 26 atta ad evitare un riflusso di gas di scarico e rispettivamente di aria immessa attraverso il compressore 15 nel tubo di scarico 3 nonché a realizzare una separazione del lato di scarico dal lato di alimentazione del motore a combustione interna 1. La valvola di non ritorno 26 e la valvola regolatrice di pressione di alimentazione 23 sono collegate tramite tubi 27' indicati a tratteggio con un regolatore 27 e sono regolabili tramite una distribuzione del motore non rappresentata.
A valle del compressore a gas di scarico 15, una seconda parte 14'' del tubo di ricircolo 14 dei gas di scarico porta alla prima parte 2' della condotta forzata 2, dove la seconda parte 14'' del tubo sbocca poco prima del punto di imbocco 22 nel raccordo 28 nel tubo 20.
La pressione dei gas di scarico nella prima parte 3' del tubo che, a prescindere dalle perdite di carico per attrito nei tubi, è uguale alla pressione su un lato aspirante 30 del compressore a gas di scarico 15, viene indicata con p31 e la pressione su un lato di mandata 31 del compressore a gas di scarico 15 viene indicata con p'3 La pressione dell'aria immessa nella prima parte di tubo 2' a monte della valvola regolatrice di pressione di alimentazione 23 è p2,1 e la pressione dell'aria immessa nella prima parte di tubi 2' a valle della valvola regolatrice d pressione di alimentazione 23 è ρ'2,1 (le perdite di pressione nelle condotte vengono trascurate). In questo modo, p2,i è la pressione applicata al lato di afflusso 24 della turbina ad aria immessa 18 e p'2,1 è la pressione presente sul lato di efflusso 25 della turbina ad aria immessa 18.
Nella esecuzione secondo la figura 1, la turbina ad aria immessa 18 del turbocompressore di ricircolo dei gas di scarico viene piazzata in una derivazione parallelamente alla prima parte 2' della condotta forzata 2. La caduta di pressione p2,1/p<,>2,1 nella turbina viene indotta dalla valvola regolatrice di pressione di alimentazione 23 nella prima parte 2' del tubo (canale principale). Attraverso la caduta di pressione sopra la turbina ad aria immessa 18 si controlla la portata del compressore a gas di scarico 15 e quindi la quantità dei gas di scarico ricondotti al lato di ammissione 12 del motore a combustione interna 1. In questo modo, con il ricircolo dei gas di scarico proposto si può regolare, in linea di principio, la pressione p’2,1 al di sopra della pressione dei gas di scarico p31. Attraverso il compressore a gas di scarico 15 si aumentano i gas di scarico al livello di pressione necessario ρ'3,1 dove p'3,1 dev'essere maggiore o uguale a P'2,1 onde assicurare un ricircolo dei gas di scarico. Se non è necessario un ricircolo dei gas di scarico, la valvola regolatrice di pressione di alimentazione 23 viene completamente aperta. Il lato di scarico viene separato, in questo caso, dal lato di alimentazione attraverso la valvola di non ritorno 26 tenuta chiusa.
Nella progettazione delle componenti si deve porre attenzione, prima di tutto, ad una progettazione priva di perdite della valvola regolatrice di pressione di alimentazione 23 dato che, attraverso la regolazione di questa valvola, la pressione di alimentazione viene spostata dalla parte di tubo 2' nella derivazione al lato di ammissione 24 della turbina ad aria immessa 18. Nella realizzazione del compressore a gas di scarico 15 si debbono tener presente i carichi di temperatura e delle particelle. Si deve tener conto del fatto che la progettazione della turbina ad aria immessa 18 e del compressore a gas di scarico 15 avviene su piccoli rapporti di pressione dato che, nelle pressioni disponibili P2,1/P'2,1 e rispettivamente p3,1/p’3,1, detti rapporti di pressione P2,1/p'2,1 e rispettivamente Ρ3,1/ρ'3,1 sono relativamente bassi. Una caratteristica particolare di questo esempio di esecuzione è dato dalla turbina 18 del turbocompressore di ricircolo dei gas di scarico allacciata sul lato dell'aria immessa.
Nella figura 2 è rappresentato, in un secondo esempio di esecuzione, un disegno schematico di un motore a combustione interna 1 analogo alla figura 1. Gli stessi elementi strutturali della figura 1 vengono indicati con gli stessi numeri di riferimento .
A differenza della figura 1, ora una turbina 32 di un altro turbocompressore a gas di scarico 33 (turbocompressore di ricircolo dei gas di scarico) è disposta a monte della turbina a gas di scarico 7 del primo turbocompressore a gas di scarico 4 parallelamente alla prima parte 3' del tubo di scarico .
L'altro turbocompressore 33 comprende, nelle sue parti essenziali, la turbina a gas di scarico 32 collegata tramite un albero 34 con un compressore a gas di scarico 35. Una caratteristica principale di questo esempio di esecuzione è dato dalla turbina 32 del turbocompressore di ricircolo dei gas di scarico azionata sul lato di scarico.
La turbina a gas di scarico 32 è disposta con tubi 36, 37 parallelamente alla partre 3' del tubo di scarico 3 dove tra i punti d'imbocco 38, 39, in cui i tubi 36, 37 sboccano nella parte di tubo 3', è disposta una valvola regolatrice di gas di scarico 40. La valvola regolatrice di gas di scarico 40 e la valvola di non ritorno 26 è collegata con il regolatore 27 tramite tubi 27' indicati a tratteggio .
L'altro turbocompressore 33 con la sua turbina a gas di scarico 32 collocata nella derivazione che porta alla parte 3' del tubo di scarico 3 insieme al compressore a gas di scarico 35 nonché la valvola regolatrice di gas di scarico 40 formano un secondo esempio di esecuzione del dispositivo regolatore di portata 29.
Dalla prima parte 3' del tubo parte un tubo di ricircolo di gas di scarico 41 che porta alla prima parte 2' del tubo dove in questo tubo di ricircolo di gas di scarico è disposto il compressore a gas di scarico 35 dell'altro turbocompressore a gas di scarico 33.
Il tubo 36 (tubo di derivazione) sbocca dalla parte di tubo 3’ a valle del lato di scarico 8 del motore a combustione interna 1 e a monte della valvola regolatrice di gas di scarico 40 in uno sbocco 38 e porta ad un lato di ammissione 42 della turbina a gas di scarico 32. Il tubo 37, da un lato di scarico 43 della turbina a gas di scarico 32 ritorna alla parte di tubo 3' e sbocca in questo a valle della valvola regolatrice di gas di scarico 40.
Il tubo di ricircolo 41 dei gas di scarico è formato, visto dal lato di scarico 8 del motore a combustione interna 1, dalla parte 4la del tubo 3' che porta fino al punto d'imbocco 38, da un pezzo 41b del tubo 36, da un tubo 4le che si dirama da questo pezzo, dal compressore a gas di scarico 35 e dalla parte di tubo 41d che da un lato di mandata 45 del compressore a gas di scarico 35 porta alla parte di tubo 2’ della condotta forzata 2 ed è collegato con questo dal punto di vista del flusso. La pressione dei gas di scarico nella prima parte di tubo 3' che, a prescindere dalle perdite di carico per attrito nei tubo, è uguale alla pressione sul lato aspirante 44 del compressore a gas di scarico 35 e sul lato di ammissione 42 della turbina a gas di scarico 32, viene indicata con p32 e la pressione sul lato di scarico 43 della turbina a gas di scarico 32, che fino alle perdite di carico per attrito nei tubi corrisponde alla pressione a valle della valvola regolatrice di gas di scarico 40 nella parte di tubo 3', viene indicata con p'3,2· La pressione dell'aria immessa nella prima parte di tubo 2' è p22 e la pressione dei gas di scarico sul lato di mandata 45 del compressore 35 che corrisponde alla pressione nella parte di tubo 41d del tubo di ricircolo dei gas di scarico è p'2,2 (le perdite di pressione nelle condotte vengono trascurate) .
Una caratteristica principale del secondo esempio di esecuzione è la turbina a gas di scarico 32 collegata in parallelo con il tubo di scarico 3'. Mentre nel primo esempio di esecuzione (vedi Fig. 1) la pressione di alimentazione p21 viene abbassata a p'2,1, nel secondo esempio di esecuzione, nella figura 2, la pressione p32 viene abbassata, tramite la valvola regolatrice dei gas di scarico 40, a p'3,2 e la massa di gas di scarico viene spostata verso la turbina a gas di scarico 32. La quantità di gas di scarico desiderata, ricondotta al lato di ammissione 12, viene aspirata tramite il compressore a gas di scarico 35 ed alimentata al livello di pressione di alimentazione corrispondente (p'2,2 maggiore o uguale
a P2, 2 ).
La figura 3 mostra, in un terzo esempio di esecuzione, una rappresentazione schematica del motore a combustione interna 1 analogo alla figura 2.
Elementi strutturali analoghi della figura 2 vengono contraddistinti con numeri di riferimento uguali.
In linea di principio, l'altro turbocompressore a gas di scarico 33 è collocato come nella figura 2 però il tubo 37 dal lato di efflusso 43 della turbina a gas di scarico 32 è condotto sulla seconda parte 3'' del tubo di scarico 3 a valle della turbina a gas di scarico 7 del turbocompressore a gas di scarico 4.
A valle del compressore 5 è disposto un refrigeratore di aria immessa 46 e a monte del compressore a gas di scarico 35 è disposto un refrigeratore di gas di scarico 47. Il refrigeratore di gas di scarico 47 serve allo scarico termico e alla riduzione del lavoro di compressione del compressore a gas di scarico 35.
Come nella figura 2, il lato aspirante 44 del compressore a gas di scarico 35 e il lato di ammissione 42 della turbina a gas di scarico 32 sono collegati con un tubo costituito da una parte del tubo 36 e dal tubo 41c.
Nell'esempio di esecuzione secondo la figura 3, nel tubo 36 è disposta un'imboccatura 48 di un tubo 49 che porta al lato di scarico 8 del motore a combustione interna 1 dove nel tubo 49 è disposta una valvola regolatrice di gas di scarico 50.
Nella figura 3 è disposta la turbina a gas di scarico 32 del secondo turbocompressore a gas di sacrico 33 parallelamente al tubo di scarico 3 e, allo stesso tempo, parallelamente alla turbina a gas di scarico 7 del primo turbocompressore a gas di scarico 4.
Il flusso di gas di scarico necessario al ricircolo degli stessi viene preso dal punto 38 e/o dal punto 48 e inviato al compressore a gas di scarico 35 nonché alla turbina a gas di scarico 32. Questa disposizione provoca un peggioramento particolarmente piccolo della potenza utile nel ricircolo dei gas di scarico, dato che soltanto nel flusso di gas di scarico condotto dalla turbina a gas di scarico 32 si formano perdite di strozzamento. Queste possono essere evitate con l'impiego di una turbina a gas di scarico 32 con una griglia direttrice variabile non rappresentata. La valvola regolatrice serve, in tale turbina a gas di scarico, soltanto ad attivare e disattivare il ricircolo dei gas di scarico. La regolazione avviene tramite la valvola regolatrice di gas di scarico 50 e rispettivamente tramite la turbina a gas di scarico con la griglia direttrice variabile della turbina, pilotata secondo la curva caratteristica del motore attraverso la pressione di alimentazione e/o una misurazione di masse d'aria.

Claims (8)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di ricircolo dei gas di scarico di un motore a combustione interna che presenta un primo turbocompressore a gas di scarico con una turbina a gas di scarico e un compressore ad aria immessa nonché un tubo di scarico e una condotta forzata dove un tubo di ricircolo dei gas di scarico collega il tubo di scarico a monte della turbina a gas di scarico con la condotta forzata a valle del compressore ad aria immessa e dove la quantità dei gas di. scarico che scorre attraverso il tubo di ricircolo dei gas di scarico è regolabile con un dispositivo regolatore di portata, caratterizzato da fatto che il dispositivo regolatore di portata (29) comprende un altro turbocompressore a gas di scarico (16, 33) con un compressore a gas di scarico (15, 35) e un'altra turbina (18, 32) nonché una valvola regolatrice (23, 40) mediante la quale si può regolare la quantità di gas di scarico ricondotta in circolo dove detta altra turbina (18, 32) è collegata in parallelo con il tubo di scarico (3, 3', 3'') o in parallelo con la condotta forzata (2, 2’ ).
  2. 2. Sistema di ricircolo dei gas di scarico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'altro compressore a gas di scarico (15, 35) è disposto nel tubo di ricircolo di gas di scarico (14, 41).
  3. 3. Sistema di ricircolo dei gas di scarico secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che, in caso di altra turbina ad aria immessa (18), disposta parallelametne alla condotta forzata (2, 2') a valle del compressore ad aria immessa (4) con tubi (19, 20), è disposta una valvola regolatrice di aria immessa (23) parallelamente a questa nella condotta forzata (2, 2·).
  4. 4. Sistema di ricircolo dei gas di scarico secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che, in caso di turbina a gas di scarico (32) collocata a monte della turbina a gas di scarico (32) con tubi (36, 37) parallelamente al tubo di scarico (3, 3'), è disposta una valvola regolatrice di gas di scarico (40) parallelamente a questa nel tubo di scarico (3, 3').
  5. 5. Sistema di ricircolo dei gas di scarico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che un lato aspirante (44) del compressore a gas di scarico (35) è collegato con il tubo di scarico (3, 3') a monte della turbina a gas di scarico (7) del primo turbocompressore a gas di scarico (4) e un lato di mandata (45) del compressore a gas di scarico (35) è collegato con la condotta forzata (2, 2') a valle del compressore ad aria immessa (5).
  6. 6. Sistema di ricircolo dei gas di scarico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che a monte del compressore a gas di scarico (35) è disposto un refrigeratore di gas di scarico (47).
  7. 7. Sistema di ricircolo dei gas di scarico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che a valle del compressore ad aria immessa (5) è disposto un refrigeratore di aria immessa (46).
  8. 8. Sistema di ricircolo dei gas di scarico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che nel tubo di ricircolo dei gas di scarico (14, 41) è disposta una valvola di non ritorno (26).
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