ITRM990742A1 - Dispositivo per il ricircolo di gas di scarico di motori a combustione interna. - Google Patents

Dispositivo per il ricircolo di gas di scarico di motori a combustione interna. Download PDF

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ITRM990742A1
ITRM990742A1 IT1999RM000742A ITRM990742A ITRM990742A1 IT RM990742 A1 ITRM990742 A1 IT RM990742A1 IT 1999RM000742 A IT1999RM000742 A IT 1999RM000742A IT RM990742 A ITRM990742 A IT RM990742A IT RM990742 A1 ITRM990742 A1 IT RM990742A1
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Erwin Schmidt
Helmut Finger
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Daimler Chrysler Ag
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Description

DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo: "DISPOSITIVO PER IL RICIRCOLO DI GAS DI SCARICO DI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA"
L'invenzione concerne un dispositivo per il ricircolo di gas di scarico per un motore a combustione interna sovralimentato.
Per ottenere valori limite di sostanze nocive più bassi possibili in motori a combustione interna, in particolare in motori di veicoli commerciali, si cerca di sviluppare concetti di ricircolo di gas di scarico che agiscono in modo da ridurre l'emissione di ossido di azoto, e precisamente senza aumentare notevolmente il consumo di carburante. A questo scopo, ad esempio, dalla DE 43 30 487 CI e dalla DE 43 03 521 CI è noto prevedere," in un turbocompressore, una turbina a gas di scarico presentante una geometria variabile, ad esempio griglie direttrici regolabili, palette direttrici girevoli, griglie direttrici ad anello assialmente mobili o simili. Attraverso la variazione della geometria della turbina a gas di scarico, ad esempio attraverso la chiusura della griglia direttrice della turbina, si può ottenere abbondantemente, entro ampi limiti di lavoro fino alla linea di pieno carico, che le pressioni di entrata p3 della turbina si regolino in modo da risultare maggiori delle pressioni di alimentazione p2, per cui si ha la possibilità di alimentare gas di scarico davanti alla turbina al lato dell'aria forzata, ad esempio dopo un radiatore ad aria sovralimentata direttamente davanti al motore, laddove non si determina una riduzione del rapporto aria/carburante rilevante per il consumo.
E' problematico però il fatto che, nel campo di pieno carico, il limite della massima pressione possibile del cilindro oppure anche il limite di pompaggio del compressore del turbocompressore a gas di scarico impediscono o almeno limitano un ricircolo dei gas di scarico. Questi ostacoli e rispettivamente queste limitazioni possono essere attenuati, in noti dispositivi, soltanto con accorgimenti supplementari che si ripercuotono sul rendimento totale del ricambio della carica. Come accorgimenti supplementari sono noti, ad esempio nella DE 4429232, eiettori variabili come dispositivi di regolazione di portata, disposti nella condotta d'aria sovralimentata. Per il pompaggio di gas di scarico sono possibili anche gruppi di compressori supplementari come descritti nella DE 43 12 078 C2.
Per mezzo di griglie direttrici regolabili è anche possibile realizzare, durante il funzionamento del freno motore, un cosiddetto turbofreno, al cui scopo la griglia direttrice della turbina è impostata su sezioni trasversali di flusso molto piccole e, nella fase frenante del motore, praticamente ha luogo una sovralimentazione spinta del motore a combustione interna e quindi si possono impostare potenze frenanti selezionabili molto alte.
Le prove eseguite nella pratica hanno mostrato però che le alte pretese di durata dei motori a combustione interna, specialmente di motori commerciali, non potevano essere soddisfatte con gli accorgimenti finora noti.
Dalla DE-OS 2855 687 è nota una turbina a gas di scarico asimmetrica a due scanalature in cui i canali a forma di spirale delle due scanalature separate da una parete divisoria hanno una grandezza diversa. Con questa divisione asimmetrica si deve ottenere che la pressione nel tubo di scarico davanti al canale minore sia maggiore che nella condotta d'aria sovralimentata in modo da rendere possibile un ricircolo di gas di scarico. Per garantire un sufficiente ricircolo di gas di scarico anche in presenza di elevate pressioni di alimentazione si deve prescegliere una forte asimmetria, cosa che si ripercuote però sfavorevolmente sul rendimento della turbina e rispettivamente, molto comunemente, sul rendimento del ricambio della carica del motore.
La presente invenzione si prefigge il compito di realizzare un dispositivo per il ricircolo dei gas di scarico per un motore a combustione interna sovralimentato con cui sia possibile, in condizioni funzionali diverse del motore a combustione interna, un ricircolo dei gas di scarico senza dispendiosi accorgimenti supplementari.
Secondo l'invenzione, questo compito viene risolto con i particolari citati nella rivendicazione 1.
Con i canali di circolazione realizzati in modo diverso in connessione con una geometria variabile della turbina a gas di scarico, come ad esempio una griglia direttrice regolabile, la pressione del gas di scarico da rimettere in circolo può essere regolata, tramite un dispositivo relativo, in modo da risultare, in caso di bisogno, sempre maggiore della pressione dell'aria sovralimentata così da garantire sempre un ricircolo dei gas di scarico. Contemporaneamente, attraverso una corrispondente regolazione, si evita però che nell'ambito del pieno carico nascano problemi.
In questo modo, la geometria variabile o il dispositivo a palette direttrici introducibili in uno o in entrambi i canali anulari possono essere utilizzati, secondo l'invenzione, oltre che con la funzione di turbotreno, anche per influenzare la pressione nel tubo di ricircolo dei gas di scarico davanti alla turbina a gas di scarico e quindi anche l'influsso sulla pressione nel tubo di ricircolo dei gas di scarico.
Se si sceglie, ad esempio, una variabilità più grande possibile attraverso un'asimmetria relativamente alta dei canali, in un altro ulteriore sviluppo dell'invenzione si può prevedere che nel tubo di scarico sia disposto un soffiatore o un dispositivo di riflusso mediante il quale poter eseguire uno scambio di gas di scarico tra i canali delle due scanalature e/o uno scarico.
In questo modo si può ottenere una limitazione di potenza del turbotreno e/o una regolazione della portata di ricircolo dei gas di scarico e delle pressioni dei gas di scarico.
Siccome i rendimenti della turbina con asimmetria crescente diminuiscono, l'asimmetria può essere limitata anche ad un valore superiore e, ad esempio, si può prevedere un dispositivo di regolazione di pressione nella condotta d'aria sovralimentata, ad esempio sotto forma di un eiettore variabile. E' possibile anche la combinazione con un compressore supplementare o con un secondo turbocompressore a gas di scarico collegato in parallelo.
Invece di canali di diversa grandezza oppure oltre a detti canali, nella zona di uscita di un canale si può prevedere anche un riduzione di flusso, ad esempio mediante griglie direttrici regolabili, che producono un corrispondente sviluppo di pressione in un canale.
In seguito, con riferimento ai disegni sono rappresentati, in linea di principio, due esempi di esecuzione dell'invenzione. In detti disegni:
La figura 1 mostra una rappresentazione schematica dell'invenzione con canali anulari asimmetrici, e
la figura 2 mostra un particolare ingrandito della zona di uscita di un canale anulare con una griglia direttrice regolabile come riduzione di flusso.
Secondo la figura 1, un compressore 1 di un turbocompressore a gas di scarico 2 comprime aria esterna e, dopo il passaggio attraverso un radiatore ad aria sovralimentata e un dispositivo di regolazione di portata 4, ad esempio un eiettore variabile di tipo noto, viene inviata, tramite una condotta d'aria sovralimentata 5, ad un motore a combustione interna 6.
Dal motore a combustione interna 6, collettori di scarico tenuti separati di volta in volta per due "sets" (serie) di cilindri non rappresentati del motore a combustione interna (ad esempio, lato sinistro e lato destro) conducono opportunamente gas di scarico tramite tubi di scarico 7a e 7b ad una turbina a gas di scarico 8 . La turbina a gas di scarico 8 è strutturata a guisa di turbina a due scanalature con due canali di afflusso 9 e 10 a forma di spirale, separati fra loro da una parete divisoria 11. Nell'esempio di esecuzione secondo la figura 1, il canale anulare 9 è nettamente minore del canale anulare 10. Nel punto di unione dei due canali è disposta, in modo noto, una griglia direttrice 12, assialmente regolabile, la quale regola il flusso di scarico che porta alla turbina 8. La turbina 8 è collegata, tramite un albero motore 13, con il compressore 1. Tra i tubi di scarico 7a e 7b è previsto un dispositivo soffiatore/di riflusso 14 che, da un lato, consente un trabocco tra le scanalature e rispettivamente i due canali 9 e 10 e, dall'altro lato, consente - a seconda della regolazione del dispositivo soffiatore/di riflusso 14 - anche uno scarico tramite un tubo 15 dietro la turbina 8. In questo modo si determina una limitazione di potenza e di pressione per il freno motore che viene raggiunta attraverso la geometria variabile della turbina corrispondentemente alla posizione della griglia direttrice 12. Contemporaneamente si può influenzare anche la quantità del gas di scarico da rimettere in circolo tramite un tubo di ricircolo 16 relativo nonché i numeri indici aria/carburante .
Il gas di scarico nel tubo di ricircolo relativo 16, dopo la diramazione dal tubo di scarico 7a e rispettivamente 7b, viene condotto prima, tramite una valvola di riflusso 17 dei gas di scarico, ad un radiatore a gas di scarico 18 da cui esso giunge in un compressore supplementare 19 prima di essere inviato alla condotta di aria sovralimentata 5. In caso di impiego di un compressore supplementare 19 si può omettere il dispositivo di regolazione di portata 4. Il dispositivo di regolazione di portata 4 va previsto specialmente quando, invece di un ricircolo del gas di scarico tramite il compressore supplementare, ha luogo un ricircolo dei gas di scarico, invece che tramite la valvola 17, tramite una valvola 20 {rappresentata a tratteggio) direttamente attraverso una diramazione 16b {rappresentata a tratteggio) nel tubo di ricircolo 16 dei gas di scarico.
Per consentire il ricircolo dei gas di scarico si deve soltanto fare in modo che la pressione di scarico pai nel tubo di scarico la e rispettivamente la pressione di scarico p3r nel tubo di scarico 7b siano maggiori della pressione di alimentazione p2 davanti al motore a combustione interna 6. Se il ricircolo dei gas di scarico avviene tramite il compressore supplementare 19, le pressioni p3i e p3r possono essere, eventualmente, anche minori dal momento che, attraverso il compressore supplementare 19, si ottiene una pressione adeguatamente maggiore. Tramite un regolatore 21 che riceve il suoi ordini attraverso una guida di comando 22 corrispondentemente al diagramma dei consumi specifici nominale del motore vengono diretti, tramite linee di comando, i corrispondenti ordini di comando per aprire e chiudere la valvola 17 e rispettivamente 20 (a scelta), del dispositivo di regolazione del flusso 4 e della posizione della griglia direttrice 12. In questo modo, nell'eiettore 4 come dispositivo di regolazione della pressione, in caso di bisogno, si abbassa la pressione statica del gas di scarico.
Le due valvole di scarico 17 e 20 impiegate alternativamente possono essere realizzate a guisa di cosiddette "valvole ad intermittenza" per cui le pulsazioni di pressioni nel sistema di scarico possono essere utilizzate per il ricircolo del gas di scarico.
Invece del compressore supplementare 19, in caso di bisogno si può prevedere anche un completo turbocompressore a gas di scarico supplementare 2 (non rappresentato) .
La figura 2 mostra, in un particolare ingrandito, una rriduzione di flusso lungo una griglia direttrice regolabile 12a per uno dei due canali anulari, cioè per il canale anulare 9. Attivando, cioè inserendo la griglia direttrice 12, nel canale anulare 9 si ottiene, opportunamente, lo sviluppo di pressione desiderato .
La soluzione secondo la figura 2 può essere prevista in alternativa ai canali anulari di grandezza diversa secondo la figura 1 però, eventualmente, anche in aggiunta a questi, e precisamente senza o anche con un'altra griglia direttrice 12. In questo modo si ottiene una grande variabilità, in particolare anche per quanto riguarda l'impiego come turbotreno.

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il ricircolo dei gas di scarico per un motore a combustione interna sovralimentato con le seguenti caratteristiche: 1.1 con un turbocompressore a gas di scarico (2) con una turbina a gas di scarico {8) e un compressore (1), 1.2 con un tubo di scarico (7a, 7b) e una condotta di aria sovralimentata (5), 1.3 con un tubo di ricircolo di gas di scarico (16) che collega il tubo di scarico (7a e rispettivamente 7b) davanti alla turbina a gas di scarico (8) con la condotta di aria sovralimentata (3) dopo il compressore (1), 1.4 la turbina a gas di scarico (8) è realizzata a guisa di turbina a due scanalature, 1.5 i canali (9, 10) delle due scanalature sono realizzati e/o provvisti di dispositivi (12a) in modo che sia “regolato o che si possa regolare un comportamento asimmetrico di portata per i canali (9, 10), 1.6 la turbina a .gas di scarico (8) presenta una geometria variabile per la variazione della portata dei gas di scarico, e 1.7 con un dispositivo di regolazione (21), mediante il quale poter regolare la pressione nella condotta di ricircolo (16) dei gas di scarico in modo che detta pressione possa essere regolata in modo da risultare più alta della pressione esistente nella condotta di aria sovralimentata (5) dopo il compressore (1).
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, per l'ottenimento di un comportamento di portata asimmetrico, i canali (9, 10) delle due scanalature sono realizzati asimmetricamente con un canale minore e un canale maggiore (9, 10).
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che per l'ottenimento di un comportamento di portata asimmetrico nella zona di uscita di almeno uno dei canali è previsto una o più riduzioni di flusso (12a).
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, 2 oppure 3, caratterizzato dal fatto che, per la geometria variabile, la turbina a gas di scarico (8) è provvista di una griglia direttrice regolabile (12).
  5. 5. Dispositivo secondo le rivendicazioni 3 e 4, caratterizzato dal fatto che per le riduzioni di flusso è previsto almeno una griglia direttrice (12a) regolabile .
  6. 6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che nel tubo di scarico (7a, 7b) è disposto un dispositivo soffiatore o di riflusso (14) mediante il quale è possibile eseguire uno scambio di gas di scarico tra i canali (9, 10) delle due scanalature e/o uno scarico.
  7. 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che nella condotta di aria sovralimentata (3) è disposto un dispositivo di regolazione di portata (4) collegato con il tubo di ricircolo (16) dei gas di scarico.
  8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di regolazione di portata (4) presenta un eiettore variabile .
  9. 9. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che la griglia direttrice (12) regolabile presenta una saracinesca assiale, realizzata a guisa di turbofreno.
  10. 10. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che il turbocompressore a gas di scarico (8) è provvisto di un compressore supplementare (19).
  11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che il compressore supplementare (19) è disposto sullo stesso albero (13) del compressore (1).
  12. 12. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che è collegato in parallelo un secondo turbocompressore a gas di scarico.
  13. 13. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, caratterizzato dal fatto che nel tubo di ricircolo (16) dei gas di scarico è disposta una valvola ad intermittenza (17 e rispettivamente 20).
IT1999RM000742A 1998-12-11 1999-12-06 Dispositivo per il ricircolo di gas di scarico di motori a combustione interna. IT1308027B1 (it)

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