MX2013008258A

MX2013008258A - Sistema de motor super-turboalimentado de mezcla rica de combustible.

Info

Publication number: MX2013008258A
Application number: MX2013008258A
Authority: MX
Inventors: Ed Vandyne; Volker Schumacher; Tom Waldron; Jared William Brown
Original assignee: Vandyne Superturbo Inc
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2014-09-12
Also published as: CN103429868B; DE112011104763T5; DE112011104763B4; CN103429868A; MX366764B; WO2012170001A1

Abstract

Se describe un sistema de super-turboalimentador (100) que incrementa la potencia y la eficiencia de un motor (102). El sistema utiliza las propiedades exotérmicas de un convertidor catalítico (116) para extraer la energía adicional proveniente del calor de los gases de exhaustación que se utiliza para agregar potencia al motor. Se suministra aire comprimido y se mezcla con los gases de exhaustación corriente arriba y/o corriente abajo de un convertidor catalítico (116) que se conecta a un colector de gases de exhaustación. La mezcla gaseosa de gases de exhaustación y aire comprimido es suficientemente rica en oxígeno para oxidizar los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el convertidor catalítico (116), que agrega calor a la mezcla gaseosa. Además se suministra una cantidad suficiente de aire comprimido a los gases de exhaustación para mantener la temperatura de la mezcla gaseosa a un nivel de temperatura sustancialmente óptimo. La mezcla gaseosa se aplica a la turbina (106) del super-turboalimentador, el cual incrementa el rendimiento de dicho super-turboalimentador, que incrementa la potencia y eficiencia de dicho motor (102).

Description

SISTEMA DE MOTOR SUPER-TURBOALIMENTADO DE MEZCLA RICA DE COMBUSTIBLE ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los super-turbosobrealimentadores son dispositivos convenientes para incrementar la potencia y/o la eficiencia de motores de combustión interna. Un motor más pequeño, más eficiente que utiliza un super-turbosobrealimentador puede producir la misma potencia que un motor más grande, menos eficiente, mejorando así la eficiencia general del sistema. Los super-turbosobrealimentadores tienen al menos un compresor y al menos una turbina conectada a un dispositivo de transmisión de potencia que transmite potencia y recibe potencia proveniente de, un tren de propulsión acoplado al motor, o a un cigüeñal, transmisión de vehículo, u otro acoplamiento, cuando el motor se utiliza en un vehículo. De esta manera, los super-turbosobrealimentadores pueden incrementar el desempeño de un motor de pistones, ya sea que ese motor se utilice en un vehículo, para generación de potencia, u otra función.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Por consiguiente, una modalidad de la presente invención puede comprender un método para mejorar el desempeño de un sistema de motor que tiene un super-turbosobrealimentador, teniendo el sistema de motor un motor que opera con una mezcla rica de combustible que comprende: generar una cantidad de aire comprimido proveniente de un compresor en respuesta a una señal de control; mezclar la cantidad de aire comprimido con gases de exhaustación provenientes del motor para producir una mezcla gaseosa de los gases de exhaustación y el aire comprimido; suministrar la mezcla gaseosa a un convertidor catalítico; detectar los niveles de oxígeno de la mezcla gaseosa que se introduce al convertidor catalítico; detectar los niveles de temperatura de la mezcla gaseosa que sale del convertidor catalítico; ajustar la cantidad del aire comprimido, en respuesta a los niveles de oxigeno, para proporcionar una cantidad suficiente de aire comprimido para oxidar sustancialmente los hidrocarburos y el monóxido de carbono presentes en la mezcla gaseosa en el convertidor catalítico, mientras se mantiene un nivel de temperatura predeterminado sustancialmente óptimo de la mezcla gaseosa; suministrar la mezcla gaseosa a una turbina del super-turbosobrealimentador para impulsar el super-turbosobrealimentador .

Una modalidad de la presente invención puede comprender además un sistema de motor que opera con una mezcla rica de combustible que comprende: un super-turbosobrealimentador que tiene una turbina y un compresor; un compresor adicional que suministra una cantidad de aire comprimido en respuesta a una señal de control; una cámara mezcladora que mezcla los gases de exhaustación provenientes del sistema de motor con la cantidad de aire comprimido para producir una mezcla gaseosa de los gases de exhaustación y el aire comprimido; un convertidor catalítico acoplado a la cámara mezcladora que recibe la mezcla gaseosa; un detector de oxígeno que detecta los niveles de oxígeno de la mezcla gaseosa que se introduce al convertidor catalítico y genera una señal del detector de oxígeno; un detector de temperatura que detecta los niveles de temperatura de la mezcla gaseosa que sale del convertidor catalítico y genera una señal del detector de temperatura; un controlador que genera la señal de control en respuesta a la señal del detector de oxigeno y a la señal del detector de temperatura de manera que la cantidad del aire comprimido suministrado por el compresor adicional al convertidor catalítico es suficiente para que el convertidor catalítico oxide sustancialmente los hidrocarburos y el monóxido de carbono en la mezcla gaseosa mientras mantiene un nivel de temperatura predeterminado sustancialmente óptimo de la mezcla gaseosa que sale del convertidor catalítico; suministrar la mezcla gaseosa a la turbina para impulsar el super-turbosobrealimentador .

Una modalidad de la presente invención puede comprender además un método para mejorar el desempeño de un sistema de motor que tiene un super-turbosobrealimentador impulsado por una turbina acoplado a un compresor, que comprende: proporcionar un convertidor catalítico que recibe gases de exhaustación provenientes del sistema de motor y produce una reacción exotérmica que agrega calor a los gases de exhaustación para generar gases de exhaustación calientes convertidos en una salida del convertidor catalítico; proporcionar aire comprimido proveniente de un compresor; mezclar una porción del aire comprimido con los gases de exhaustación calientes convertidos provenientes del convertidor catalítico para crear una mezcla gaseosa que tiene una temperatura que no excede una temperatura máxima predeterminada a fin de evitar daños a la turbina del super-turbosobrealimentador ; impulsar la turbina con la mezcla gaseosa; transferir el exceso de energía mecánica rotacional de turbina proveniente de la turbina a un tren de propulsión que de otra manera ocasionaría que la turbina girara a una velocidad que causaría daño al compresor.

Una modalidad de la presente invención puede comprender además un método para mejorar el desempeño de un sistema de motor super-turbosobrealimentado, que comprende: proporcionar un motor; proporcionar un convertidor catalítico conectado a una salida de escape próxima al motor que recibe los gases de exhaustación de motor provenientes del motor que activan una reacción exotérmica en el convertidor catalítico lo cual agrega energía adicional a los gases de exhaustación de motor y produce gases de exhaustación de convertidor catalítico en una salida del convertidor catalítico que son más calientes que los gases de exhaustación del motor; proporcionar un flujo de aire comprimido a una entrada de aire del motor; proporcionar un flujo de aire comprimido adicional; mezclar el aire comprimido adicional con los gases de exhaustación del convertidor catalítico corriente abajo del convertidor catalítico para producir una mezcla gaseosa de los gases de exhaustación del convertidor catalítico y el aire comprimido adicional; generar una señal de control para regular el flujo del aire comprimido adicional hacia la cámara mezcladora para mantener la mezcla gaseosa por debajo de una temperatura máxima; suministrar la mezcla gaseosa a una turbina que produce energía mecánica rotacional de turbina en respuesta al flujo de la mezcla gaseosa; transmitir la energía mecánica rotacional de turbina proveniente de la turbina al compresor que utiliza la energía mecánica rotacional de turbina para comprimir una fuente de aire para producir el aire comprimido cuando el flujo de la mezcla gaseosa a través de la turbina es suficiente para impulsar el compresor; extraer al menos una porción de la energía mecánica rotacional de turbina proveniente de la turbina y aplicar la porción de la energía mecánica rotacional de turbina a un tren de propulsión cuando la porción de la energía mecánica rotacional de turbina proveniente de la turbina no es necesaria para operar el compresor; proporcionar la energía mecánica rotacional del tren de propulsión proveniente del tren de propulsión al compresor para evitar el turbo-retraso cuando el flujo de la mezcla gaseosa a través de la turbina no es suficiente para impulsar el compresor.

Una modalidad de la presente invención puede comprender además un motor super-turbosobrealimentado que comprende: un motor; un convertidor catalítico conectado a un conducto de escape próximo a una salida de escape del motor de tal manera que los gases de exhaustación provenientes del motor activan una reacción exotérmica en el convertidor catalítico que agrega energía a los gases de exhaustación calientes y produce gases de exhaustación convertidos; un compresor conectado a una fuente de aire que proporciona aire comprimido que se aplica a una entrada de aire del motor; un compresor adicional que proporciona una cantidad de aire comprimido adicional que tiene una presión mayor que el nivel de presión de los gases de exhaustación; un conducto que suministra el aire comprimido adicional a los gases de exhaustación convertidos de manera que el aire comprimido adicional se mezcla con los gases de exhaustación convertidos para producir una mezcla gaseosa; una turbina mecánicamente acoplada al compresor y que genera energía mecánica rotacional de turbina a partir de la mezcla gaseosa; un controlador que genera una señal de control que regula la cantidad del aire comprimido adicional para mantener la mezcla gaseosa por debajo de una temperatura máxima; una transmisión que proporciona energía mecánica rotacional del tren de propulsión proveniente del tren de propulsión al compresor para reducir el turbo-retraso cuando el flujo de los gases de exhaustación a través de la turbina no es suficiente para impulsar el compresor a un nivel de presión de sobrealimentación deseado, y que extrae el exceso de energía mecánica rotacional de turbina proveniente de la turbina para mantener las velocidades rotacionales del compresor por debajo de una velocidad rotacional máxima predeterminada a la cual ocurriría un daño al compresor.

Una modalidad de la presente invención puede comprender además un método para incrementar el desempeño de un sistema de motor de pistones que tiene un super-turbosobrealimentador : aplicando gases de exhaustación provenientes del sistema de motor de pistones a un convertidor de NOx, que convierte los gases de exhaustación para producir gases de NOx convertidos; generando una cantidad de aire comprimido proveniente de un compresor en respuesta a una señal de control; mezclando la cantidad de aire comprimido con los gases de NOx convertidos para producir una mezcla gaseosa de los gases de NOx convertidos y el aire comprimido; suministrando la mezcla gaseosa a un convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono para producir gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos; detectando el nivel de temperatura de los gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos; ajustando la cantidad de aire comprimido para ajustar el nivel de temperatura de los gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos a un nivel de temperatura deseado.

Una modalidad de la presente invención puede comprender además un método para incrementar el desempeño del sistema de motor de pistones que tiene un super-turbosobrealimentador : aplicando los gases de exhaustación provenientes del motor de pistones a un convertidor de ???, que convierte los gases de exhaustación para producir gases de ??? convertidos; generando una primera cantidad de aire comprimido; mezclando la primera cantidad del aire comprimido con los gases de NOx convertidos para producir una primera mezcla gaseosa de los gases de NOx convertidos y el aire comprimido; suministrando la primera mezcla gaseosa a un convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono para producir gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos; generando una segunda cantidad de aire comprimido; mezclado la segunda cantidad de aire comprimido con los gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos para enfriar los gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos a una temperatura deseada para producir gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos enfriados; impulsando una turbina del super-turbosobrealimentador con los gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos enfriados .

Una modalidad de la presente invención puede comprender además un sistema de motor super-turbosobrealimentado que comprende: un motor de pistones que genera gases de exhaustación; un convertidor de N0X acoplado para recibir los gases de exhaustación y para producir gases de ??? convertidos; un compresor conectado a una fuente de aire que proporciona el aire comprimido que se aplica a una entrada de aire del motor; una válvula de realimentación que suministra una porción del aire comprimido que se mezcla con los gases de N0X convertidos para producir una mezcla gaseosa; un convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono conectado para recibir la mezcla gaseosa y oxidar los hidrocarburos y el monóxido de carbono en la mezcla gaseosa para producir una mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida; una turbina acoplada para recibir la mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono y generar energía mecánica rotacional de turbina a partir de la mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida.

Una modalidad de la presente invención puede comprender además un sistema de motor super-turbosobrealimentado que comprende: un motor de pistones que genera gases de exhaustación; un convertidor de N0X acoplado para recibir los gases de exhaustación y producir gases de NOx convertidos; un compresor que genera una fuente de aire comprimido; un conducto que suministra el aire comprimido a los gases de NOx convertidos de manera que los gases de NOx convertidos se mezclan con el aire comprimido para producir una mezcla gaseosa; un convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono acoplado para recibir la mezcla gaseosa y oxidar los hidrocarburos y el monóxido de carbono presentes en la mezcla gaseosa para producir una mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida; una turbina acoplada para recibir la mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono y para generar energía mecánica rotacional de turbina a partir de la mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama simplificado del sistema de una sola linea de una modalidad de un motor super-turbosobrealimentado de acuerdo con las enseñanzas de la presente invención.

La Figura 2 es una ilustración esquemática de otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 3 es una ilustración esquemática de otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 4 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 5 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 6 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 7 es una gráfica de las temperaturas de operación de un convertidor catalítico.

La Figura 8 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 9 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 10 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 11 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 12 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 13 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 14 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 15 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 16 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 17 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia.

La Figura 18 es una ilustración esquemática de otra modalidad de un convertidor catalítico.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES La Figura 1 es una ilustración simplificada de una modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado 100 de alta eficiencia construido de acuerdo con las enseñanzas de la presente invención. Como se hará aparente para los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción, tal sistema de motor super-turbosobrealimentado 100 encuentra su aplicabilidad particular en motores a gasolina de ignición por chispa que se utilizan en vehículos de pasajeros y comerciales y, en consecuencia, los ejemplos ilustrativos expuestos en la presente utilizan tal ambiente para ayudar al entendimiento de la invención. Sin embargo, al reconocer que las modalidades del sistema 100 de la presente invención tienen aplicabilidad en otros ambientes operativos tales como, por ejemplo, motores terrestres de generación de potencia y otros motores terrestres, tales ejemplos deben tomarse a modo de ilustración y no a modo de limitación .

Como puede observarse a partir de la Figura 1, el sistema 100 incluye un motor 102 que utiliza un super- turbosobrealimentador 104 para incrementar el desempeño del motor 102. En general, un super-turbosobrealimentador comprende un compresor y una turbina que se acoplan entre si con un turbo eje. Se han utilizado otras formas de acoplar el compresor y la turbina uno con otro. Además, el super-turbosobrealimentador incluye una transmisión que transmite potencia entre el turbo eje y el tren de potencia o tren motor (tren de propulsión) del vehículo. Por ejemplo, la transmisión puede acoplarse mecánicamente al cigüeñal de un motor, a la transmisión del . vehículo, u otras porciones del tren motor o tren de potencia. Éstos se refieren colectivamente como el tren de propulsión. La transmisión puede ser una transmisión mecánica que utiliza engranajes, una transmisión hidráulica, transmisión neumática, una transmisión de impulsión de tracción o una transmisión eléctrica. Un motor/generador eléctrico puede acoplarse al turbo eje y utilizarse ya sea para impulsar el turbo eje o para ser impulsado por el turbo eje y generar energía eléctrica. La energía eléctrica generada por el motor/generador puede utilizarse simplemente para producir electricidad, para cargar baterías, para impulsar motores/generadores que se utilizan para propulsar un vehículo, o para ayudar a energizar un vehículo híbrido. A ese respecto, el sistema de motor super-turbosobrealimentado 100 puede dimensionarse y utilizarse para el propósito de generar electricidad en un sistema eléctrico de automóvil o puede emplearse tanto para generar energía como para ayudar a energizar el vehículo con energía mecánica, tal como en un sistema de vehículo híbrido.

Como se muestra en la Figura 1, el super-turbosobrealimentador 104 incluye una turbina 106, un compresor 108 y una transmisión 110 acoplada al cigüeñal 112 del motor 102 o a otras porciones del tren de propulsión. Aunque no se requiere en todas las modalidades, la modalidad ilustrada de la Figura 1, incluye también un interenfriador 114 para incrementar la densidad del aire suministrado al motor 102 proveniente del compresor 108 para incrementar adicionalmente la energía disponible del motor 102.

Los super-turbosobrealimentadores tienen ciertas ventajas sobre los turboalimentadores . Un turboalimentador utiliza una turbina impulsada por los gases de exhaustación del motor. Esta turbina se acopla a un compresor que comprime el aire entrante alimentado hacia los cilindros del motor. La turbina en un turboalimentador se impulsa por medio de los gases de exhaustación provenientes del motor. Por definición, el motor experimenta un retraso en la presión de sobrealimentación cuando se acelera primeramente hasta que hay suficientes gases de exhaustación calientes para hacer girar la turbina para energizar al compresor, que se encuentra mecánicamente acoplado a la turbina, para generar . suficiente presión de sobrealimentación. Para minimizar el retraso, se utilizan típicamente turboalimentadores más pequeños y/o más ligeros. La más baja inercia de los turboalimentadores de peso ligero les permite girar muy rápidamente, minimizando así el retraso en el desempeño.

Desafortunadamente, tales turboalimentadores más pequeños y/o de peso más ligero pueden sobre-acelerarse durante una operación a alta velocidad del motor cuando se produce una gran cantidad de flujo de gases de exhaustación y de temperatura. Para evitar tales ocurrencias de sobre-aceleración, los turboalimentadores típicos incluyen una válvula de compuerta de residuos instalada en el tubo de escape corriente arriba de la turbina. La válvula de compuerta de residuos es una válvula operada a presión que desvía parte de los gases de exhaustación alrededor de la turbina cuando la presión de salida del compresor excede un límite predeterminado. Este límite se establece a una presión menor que la presión que ocasionaría que el turboalimentador se sobre-acelerara. Desafortunadamente, esto da como resultado el desaprovechamiento de una porción de la energía disponible proveniente de los gases de exhaustación del motor.

Al reconocer que los turboalimentadores convencionales sacrifican un desempeño a baja potencia por energía a alta potencia, se desarrollaron los di-spositivos conocidos como super-turbosobrealimentadores . Uno de tales super-turbosobrealimentadores se describe en la Patente de E.U. No. 7,490,594 titulada "Super-Turbocharger" (Super-turbosobrealimentador ) expedida el 17 de febrero de 2009, y cedida al cesionario de la presente solicitud. Esta solicitud se incorpora específicamente en la presente mediante la referencia por todo lo que expone y enseña.

Como se expone en la solicitud antes referida, en un super-turbosobrealimentador el compresor se impulsa por medio del cigüeñal a través de una transmisión acoplada al motor durante la operación de baja velocidad del motor cuando no se dispone de gases de exhaustación suficientemente calientes del motor para impulsar la turbina. La energía mecánica suministrada por el motor al compresor reduce el problema de turbo-retraso sufrido por los turboalimentadores convencionales, y permite un uso más prolongado o más eficiente de la turbina y el compresor.

El super-turbosobrealimentador 104, ilustrado en la Figura 1, opera para suministrar aire comprimido del compresor 108 al motor 102 sin sufrir del problema del turbo-retraso de un turboalimentador convencional a bajas revoluciones y sin desaprovechar la energía disponible del calor de los gases de exhaustación del motor suministrado a la turbina 106 a altas revoluciones. Estas ventajas se proporcionan por la inclusión de la transmisión 110 que puede tanto extraer energía de, como suministrar energía a, el cigüeñal 112 del motor tanto para impulsar el compresor 108 como para cargar la turbina 106, respectivamente, durante los diversos modos de operación del motor 102.

Durante el arranque, cuando los turboalimentadores convencionales sufren un retraso debido a la falta de energía suficiente proveniente del calor del gas de escape del motor para impulsar la turbina, el super-turbosobrealimentador 104 proporciona una acción de super-sobrealimentación mediante la cual se toma la energía proveniente del cigüeñal 112 a través de la transmisión 110 para impulsar el compresor 108 para proporcionar una presión de sobrealimentación suficiente al motor 102. A medida que el motor se acelera y la cantidad de energía disponible proveniente del calor del gas de escape del motor es suficiente para impulsar la turbina 106, se reduce la cantidad de energía tomada del cigüeñal 112 por medio de la transmisión 110. Después, la turbina 106 continúa suministrando energía al compresor 108 para comprimir el aire de admisión para su uso. por el motor 102.

A medida que se incrementa la velocidad del motor, la cantidad de energía disponible proveniente del calor del gas de escape del motor se incrementa hasta el punto en que la turbina 106 se sobre-acelera en un turboalimentador convencional. Sin embargo, en el super-turbosobrealimentador 104, el exceso de energía proporcionada por el calor del gas de escape del motor a la turbina 106 se canaliza a través de la transmisión 110 hacia el cigüeñal 112 del motor mientras se mantiene el compresor 108 a la velocidad apropiada para suministrar la presión de sobrealimentación ideal al motor 102. Debido a que se dispone de más energía de salida proveniente del calor del gas de escape del motor 102, se genera más energía por la turbina 106, que se canaliza a través de la transmisión 110 hacia el cigüeñal 112, mientras se mantiene la presión de sobrealimentación disponible del compresor 108. La carga de la turbina 106 por medio de la transmisión 110 evita que la turbina 106 se sobre-acelere y maximiza la eficiencia de la energía extraída de los gases de exhaustación del motor. Por definición, no se requiere una compuerta de residuos convencional y la energía no se pierde a través de una compuerta de residuos.

Aunque la cantidad de energía disponible para impulsar la turbina 106 en una aplicación de super-turboalimentación convencional se limita estrictamente a la cantidad de energía disponible proveniente de los gases de exhaustación del motor, la turbina 106 tiene la capacidad de generar significativamente más energía si la energía térmica y el flujo másico suministrados a los álabes de turbina pueden utilizarse completamente y/o pueden incrementarse. Sin embargo, la turbina 106 no puede operar por arriba de cierta temperatura sin daño, y el flujo másico se limita convencionalmente a los gases de exhaustación que salen del motor 102.

Reconociendo esto, la modalidad del sistema 100 tiene la capacidad de extraer energía adicional proveniente de los gases de exhaustación mientras protege la turbina 106 de estados transitorios de alta temperatura. En una modalidad, el convertidor catalítico 116 se coloca corriente arriba de la turbina cercano al colector de gases de exhaustación lo que permite las reacciones exotérmicas que dan como resultado un incremento en la temperatura del gas de escape durante una operación sostenida de alta velocidad o de carga máxima del motor. Para enfriar el gas de escape, previo a alcanzar la turbina, una porción del aire comprimido generado por el compresor 108 se alimenta directamente hacia el escape corriente arriba de la turbina a través de una válvula controlable de realimentación 118 y se agrega a los gases de exhaustación del motor que abandonan el convertidor catalítico 116. El aire de admisión 122 más frío se expande y enfría el gas de escape y agrega masa adicional al flujo de gas de escape, lo cual agrega energía adicional a la turbina del super-turbosobrealimentador , como se describe en mayor detalle más adelante. Debido a que se proporciona aire más frío a los gases de exhaustación calientes para mantener la temperatura del flujo combinado a la turbina a una temperatura óptima, la energía y el flujo másico que se suministran a los álabes de turbina también se incrementan. Esto incrementa la energía suministrada por la turbina para impulsar el cigüeñal del motor.

A fin de no interferir con la reacción estequiométrica dentro del convertidor catalítico, el aire retroalimentado del compresor se agrega corriente abajo del convertidor catalítico. En tal modalidad, el gas de escape del motor se pasa a través del convertidor catalítico y se incrementa la temperatura del gas de escape por medio de la reacción exotérmica. El aire retroalimentado del compresor se agrega entonces y se expande de manera que se incrementa el flujo másico total suministrado a la turbina. Las modalidades de la presente invención controlan la cantidad del aire retroalimentado comprimido suministrado para enfriar los gases de exhaustación y para impulsar la turbina para asegurar que la combinación del aire más frío retroalimentado del compresor y los gases de exhaustación del motor se suministren a la turbina a una temperatura óptima para la operación del álabe de turbina.

Debido a que el convertidor catalítico 116, ilustrado en la Figura 1, tiene una gran masa térmica, el convertidor catalítico 116 opera inicialmente como un amortiguador térmico, que evita que altos picos térmicos de temperatura lleguen a la turbina 106. Sin embargo, debido a que las reacciones en el convertidor catalítico 116 son de - - naturaleza exotérmica, la temperatura de los gases de exhaustación que abandonan el convertidor catalítico 116 será eventualmente más alta que la de los gases de exhaustación que entran al convertidor catalítico 116. Siempre que la temperatura de los gases de exhaustación que entran a la turbina permanezca por debajo de la máxima temperatura de operación de la turbina 106, la turbina no se dañará.

Sin embargo, durante la operación sostenida a alta velocidad y carga máxima del motor 102, las temperaturas de salida del gas de escape convertido proveniente del convertidor catalítico 116 pueden exceder la máxima temperatura de operación de la turbina 106. Como se expuso anteriormente, la temperatura de los gases de exhaustación que salen del convertidor catalítico 116 se reduce suministrando una porción del aire comprimido proveniente del compresor 108 a través de una válvula de realimentación 118, y mezclando con el gas de escape que sale del convertidor catalítico 116. Se logra una economía significativamente mejorada no utilizando el combustible como refrigerante durante tales condiciones, como se realiza en sistemas convencionales. Adicionalmente , la operación de la transmisión se controla para permitir que el compresor 108 suministre una cantidad suficiente de aire comprimido para proporcionar una presión de sobrealimentación óptima al motor 102 y el aire de realimentación comprimido a la turbina 106 a través de la válvula de realimentación 118. El exceso de energía generada por la turbina 106 que resulta del flujo másico incrementado del aire comprimido a través de la turbina se canaliza a través de la transmisión 110 hacia el cigüeñal 112, incrementado aun adicionalmente la eficiencia del combustible.

La temperatura de salida del aire comprimido proveniente del compresor 108 se encuentra típicamente entre aproximadamente 200°C y 300°C. Una turbina convencional puede operar de manera óptima para extraer la energía de los gases a aproximadamente 950°C, pero no significativamente más, sin deformación o falla posible. Debido a los límites de material de los álabes de turbina, la energía óptima se logra a aproximadamente 950°C. Debido a que los materiales limitan las temperaturas del gas de escape a aproximadamente 950°C, el suministro de más aire para incrementar el flujo másico a través de la turbina a la temperatura límite, e.g.( 950°C, incrementa el desempeño de la turbina.

Aunque tal flujo de aire de realimentación comprimido de 200°C a 300°C ayuda a reducir la temperatura del gas de escape que sale del convertidor catalítico 116, se reconoce que la máxima energía proveniente de la turbina 106 puede suministrarse cuando la temperatura y el flujo másico se maximizan dentro de los límites térmicos de la turbina 106. Por definición, en una modalidad, la cantidad del aire de realimentación de controla a fin de que la combinación de gas de escape y aire de realimentación se mantenga a o cerca de la temperatura máxima de operación de la turbina de manera que la cantidad de energía suministrada a la turbina se maximice o se incremente significativamente. Debido a que normalmente el compresor 108 no requiere toda esta energía excesiva para suministrar la presión de sobrealimentación óptima al motor 102 y para suministrar el aire de realimentación del compresor a través de la válvula de realimentación 118, el exceso de energía puede transferirse por medio de la transmisión 110 al cigüeñal 112 del motor 102, o al tren de propulsión de un vehículo, para incrementar así la eficiencia general o la energía del motor 102.

Como se expuso anteriormente, en una modalidad, la conexión del aire de realimentación del compresor a través de la válvula de realimentación 118 emplea un convertidor catalítico 116 como amortiguador térmico entre el motor 102 y la turbina 106. Por definición, el suministro del aire proveniente del compresor se proporciona corriente abajo del convertidor catalítico 116 a fin de no afectar la reacción estequiométrica dentro del convertidor catalítico 116. Es decir, en modalidades que utilizan un convertidor catalítico 116, el suministro del aire de realimentación del compresor corriente arriba del convertidor catalítico 116 daría como resultado el suministro de un exceso de oxígeno al convertidor catalítico 116, evitando así que el convertidor catalítico 116 generara la reacción estequiométrica requerida para su apropiada operación, como se describe en mayor detalle más adelante.

Debido a que la incrementada eficiencia de generación de potencia por medio de la turbina 106 se logra cuando la temperatura de la mezcla gaseosa de aire de realimentación del compresor y gas de escape en los álabes de turbina casi se maximiza (dentro de los límites materiales de la turbina en sí) , la cantidad de aire de realimentación del compresor admitida por la válvula de realimentación 118 se limita a fin de no reducir significativamente la temperatura por debajo de una temperatura optimizada tal. Debido a que el convertidor catalítico 116 produce más energía térmica a través de una reacción exotérmica y a que la temperatura de los gases de exhaustación convertidos provenientes del convertidor catalítico 116 se incrementa a casi la máxima temperatura de operación de la turbina 106, puede suministrarse más aire de realimentación del compresor a través de la válvula de realimentación 118, lo cual incrementa el flujo másico y la energía suministrada a la turbina 106. A medida que se reduce la cantidad de energía térmica generada por el convertidor catalítico 116, la cantidad del aire de realimentación del compresor suministrada por la válvula de realimentación 118 también puede reducirse a fin de evitar suministrar más aire del necesario, lo cual da como resultado el mantenimiento de la temperatura de la mezcla gaseosa a casi la condición de operación óptima.

En otra modalidad, el sistema utiliza la válvula de realimentación 118 para retroalimentar el aire refrigerante del compresor hacia el escape antes de a la turbina en condiciones de operación de baja velocidad, de carga máxima para evitar la sobrecarga del compresor. La sobrecarga del compresor se presenta cuando la presión del compresor aumenta pero el flujo másico permitido en el motor es bajo como resultado del giro del motor a bajas rpm y de no requerir mucho flujo de aire de admisión. La sobrecarga (o pérdida aerodinámica) del compresor que resulta del bajo flujo de aire a través de los álabes del compresor ocasiona que la eficiencia del compresor caiga muy rápidamente. En el caso de un turboalimentador normal, una sobrecarga suficiente puede detener el giro de la turbina. En el caso de un super-turbosobrealimentador es posible utilizar la energía del cigüeñal del motor para impulsar al compresor a la sobrecarga. Al abrir la válvula de realimentación 118 se permite que una porción del aire comprimido se retroalimente alrededor del motor. Este flujo de realimentación saca al compresor de la sobrecarga y permite que una presión de sobrealimentación mayor alcance al motor 102, permitiendo así que el motor 102 genere más energía de la normalmente posible a bajas velocidádes del motor. La inyección del aire comprimido en el escape antes de la turbina conserva el flujo másico total a través del compresor de manera que todo el flujo alcanza la turbina lo cual minimiza la energía necesaria del motor para super cargarse a un alto nivel de presión de sobrealimentación.

En otra modalidad, puede incluirse una válvula de control de arranque en frío 120 adicional para su operación durante los inicios en frío del motor enriquecido. Durante tal arranque en frío del motor, los gases de exhaustación provenientes del motor 102 incluyen típicamente un exceso de combustible no consumido. Debido a que esta mezcla enriquecida no es estequiométrica, el convertidor catalítico 116 no tiene la capacidad de oxidar totalmente los hidrocarburos no consumidos (UHC) en el gas de escape. Durante tales momentos, la válvula de control de arranque en frío 120 puede abrirse para proporcionar aire de realimentación del compresor a la entrada del convertidor catalítico 116 para suministrar el oxígeno extra necesario para bajar la mezcla enriquecida a niveles estequiométricos . Esto permite que el convertidor catalítico 116 se apague más rápido y reduzca eficientemente las emisiones durante el evento de arranque en frío. Si el motor está inactivo, un turboalimentador no tendría presión de sobrealimentación para ser capaz de suministrar el aire de realimentación. Sin embargo, la relación de transmisión de la transmisión 110 puede ajustarse para proporcionar la velocidad suficiente al compresor para generar la presión necesaria para que el aire fluya a través de la válvula 120. A este respecto, puede utilizarse una señal de control 124 para ajustar la relación de la transmisión 119 a fin de poder proporcionar suficiente velocidad rotacional del eje motor 112 del motor al compresor 108 durante la inactividad, especialmente durante un arranque en frió, para comprimir el aire suficiente para que fluya a través de la válvula de arranque en frío 120 y encender el convertidor catalítico 116 con una cantidad suficiente de oxigeno .

El requerimiento de oxigeno adicional es típicamente limitado en un evento de arranque en frío, y frecuentemente dura solamente de 30 a 40 segundos. Muchos vehículos incluyen actualmente una bomba de aire separada para suministrar este oxígeno durante el evento de arranque en frío, a un costo y peso significativos en comparación con la limitada cantidad de tiempo en que se requiere tal bomba de aire para operar. Al remplazar la bomba de aire separada con la simple válvula de control de arranque en frío 120, se realizan significativos ahorros en costos, peso y complejidad. Debido a que el super-turbosobrealimentador 104 puede controlar la velocidad del compresor 108 a través de la transmisión 110, la válvula de control de arranque en frío 120 puede comprender una válvula simple de encendido-apagado. La cantidad de aire suministrada durante el evento de arranque en frío puede controlarse entonces controlando la velocidad del compresor 108 a través de la transmisión 110 bajo la operación de la señal de control 124.

La válvula de control de arranque en frió 120 también puede utilizarse durante periodos de operación de temperatura extremadamente alta si se utiliza el combustible como refrigerante dentro del motor y/o para el convertidor catalítico 116, a pesar del efecto negativo en la eficiencia del combustible. Como se explica en mayor detalle más adelante, la válvula de control de arranque en frío 120 tendrá la capacidad de suministrar el oxígeno extra necesario para bajar los gases de exhaustación enriquecidos a niveles estequiométricos para permitir que el convertidor catalítico 116 oxide apropiadamente las emisiones de hidrocarburo no consumido en el gas de escape. Esto proporciona un beneficio significativo al ambiente sobre los sistemas previos.

En modalidades en donde la válvula de control de arranque en frío 120 es una válvula de encendido-apagado, el sistema puede modular la válvula de control de arranque en frío 120 para hacer variar la cantidad de aire comprimido suministrada a fin de bajar los gases de exhaustación a niveles estequiométricos. También pueden utilizarse otros tipos de válvulas de control de flujo variable para lograr esta misma función.

La Figura 1 describe también un controlador 140. El controlador 140 controla la operación de la válvula de realimentación 118 y de la válvula de arranque en frío 120. El controlador 140 opera para optimizar la cantidad del flujo de aire a través de la válvula de realimentación 118 para diferentes condiciones. La cantidad de aire que fluye a través de la válvula de realimentación 118, para una operación óptima, es la cantidad mínima del flujo de aire necesaria para obtener una condición deseada específica, como se describió anteriormente. Existen dos condiciones específicas en las cuales opera el controlador 140 en la válvula de realimentación 118, que son: 1) el límite de sobrecarga del compresor para un requerimiento de presión de sobrealimentación dado se acerca cuando el motor opera en condiciones de bajas rpm, de máxima carga; y 2) la temperatura de la mezcla gaseosa que entra a la turbina 106 se acerca a los límites de temperatura cuando el motor opera en condiciones de altas rpm, de máxima carga.

Como se muestra en la Figura 1, el controlador 140 recibe la señal de temperatura 130 de la mezcla gaseosa de un detector de temperatura 138 que detecta la temperatura de la mezcla gaseosa del aire de refrigeración suministrado desde el compresor 108 que se mezcla con los gases de exhaustación calientes producidos por el convertidor catalítico 116. Además, el controlador 140 detecta la señal de presión de admisión 132 del aire comprimido que se genera por el detector de presión 136 dispuesto en el conducto del aire comprimido suministrado desde el compresor 108. Además, una señal de velocidad de motor 126 y una señal de carga de motor 128 que se suministran desde el motor 102, o un regulador, se alimentan al controlador 140.

Con respecto al control de la temperatura de la mezcla gaseosa que se suministra a la turbina 106 en condiciones de alta velocidad, de máxima carga, el controlador 140 genera señales de control para operar la válvula de realimentación 118 para limitar la temperatura de la mezcla gaseosa a una temperatura que, en algunos casos, maximiza la operación de la turbina 106, sin ser tan alta que dañe los mecanismos de la turbina 106. En una modalidad, una temperatura de aproximadamente 925°C es una temperatura óptima para que la mezcla gaseosa opere la turbina 106. Una vez que la temperatura de la mezcla gaseosa que se alimenta a la turbina 106 comienza a exceder los 900°C, la válvula de realimentación 118 se abre para permitir que el aire comprimido del compresor 108 enfríe los gases de exhaustación calientes provenientes del convertidor catalítico 116 antes de pasar hacia la turbina 106. El controlador 140 puede diseñarse para enfocarse a una temperatura de aproximadamente 925°C, con un límite superior de 950°C y un limite inferior de 900°C. El límite de apenas ligeramente más de 950°C es uno al cual puede presentarse un daño a la turbina 106 utilizando materiales convencionales. Por supuesto, el controlador puede diseñarse para otras temperaturas, dependiendo de los tipos de componentes y materiales particulares utilizados en la turbina 106. Puede utilizarse en el controlador 140 un dispositivo lógico de control derivativo integral proporcional (PID) convencional para producir estos resultados controlados.

El beneficio de controlar la temperatura de la mezcla gaseosa que entra a la turbina 106 es que se elimina el uso de combustible en los gases de exhaustación para limitar las temperaturas de entrada de la turbina de la mezcla gaseosa, lo cual incrementa la eficiencia del sistema. El uso del flujo del aire comprimido más frío para enfriarlos gases de exhaustación calientes provenientes del convertidor catalítico 116 requiere una gran cantidad de aire, que contiene una gran masa para lograr las temperaturas más frías deseadas de la mezcla gaseosa. La cantidad de aire requerida para enfriar los gases de exhaustación calientes provenientes del convertidor catalítico 116 es grande debido a que el aire comprimido más frío proveniente del compresor 108 no es un buen refrigerante, especialmente en comparación con el combustible líquido que se inserta en el gas de escape. Los gases de exhaustación calientes provenientes de la salida del convertidor catalítico 116 ocasionan que el gas comprimido más frío proveniente del compresor 108 se expanda para crear la mezcla gaseosa. Debido a que se requiere una gran masa del aire comprimido más frío proveniente del compresor 108 para disminuir la temperatura de los gases de exhaustación calientes provenientes del convertidor catalítico 116, un gran flujo másico de la mezcla gaseosa fluye a través de la turbina 106, lo cual incrementa en gran medida la salida de la turbina .106. La energía de la turbina se incrementa por la diferencia de la energía creada por el diferencial del flujo másico menos el trabajo requerido para comprimir el aire comprimido que fluye a través de la válvula de realimentación 118. Al obtener la señal de temperatura 130 de la mezcla gaseosa del detector de temperatura 138 y al controlar la adición del aire comprimido por medio de la válvula de realimentación 118, no se excede la temperatura máxima .

El controlador 140 también controla a la válvula de realimentación 118 para limitar la sobrecarga en el compresor 108. El limite de sobrecarga es un límite que varía corno una función de la presión de sobrealimentación, del flujo del aire a través del compresor y del diseño del compresor 108. Los compresores, tales como el compresor 108, que se utilizan típicamente en turboalimentadores , exceden el límite de sobrecarga cuando el aire de admisión 122 es bajo y la relación de presión entre el aire de admisión 122 y el aire comprimido es alta. En super-turbosobrealimentadores convencionales, el flujo del aire de admisión 122 es bajo cuando la velocidad del motor (rpm) 126 es baja. A bajas rpm, cuando el aire comprimido no se utiliza en grandes volúmenes por el motor 102, el flujo másico del aire de admisión 122 es bajo y se presenta sobrecarga debido a que el compresor giratorio 108 no puede impulsar el aire hacia un conducto de alta presión sin un flujo razonable de aire de admisión 122. La válvula de realimentación 118 permite el flujo a través del conducto ele aire comprimido 109 y evita o reduce la sobrecarga en el compresor 108. Una vez que se presenta sobrecarga en el compresor 108, no puede mantenerse la presión en el conducto de aire comprimido 109. Por tanto, en condiciones de operación ele máxima carga a bajas rpm del motor 102, la presión del aire comprimido en el conducto de aire comprimido 109 puede caer por debajo ele los niveles deseados. Al abrir la válvula ele realimentación 118, se incrementa el flujo de aire de admisión 122 a través del compresor 108, especialmente en condiciones de operación ele máxima carga a bajas rpm, lo cual permite alcanzar el nivel de sobrealimentación deseado en el conducto de aire comprimido 109. La válvula de realimentación 118 puede simplemente abrirse hasta alcanzar la presión deseada en el conducto de aire comprimido 109. Sin embargo, al detectar simplemente la presión de sobrealimentación en el conducto de aire comprimido 109, se presentará sobrecarga antes de abrir la válvula de realimentación 118 para sacar al compresor 108 de una condición de sobrecarga.

Sin embargo, es preferible determinar el limite de sobrecarga y abrir la válvula de realimentación 118 anticipadamente, antes de que se presente una condición de sobrecarga. Para una rpm dada y un nivel de sobrealimentación deseado puede determinarse un limite de sobrecarga. La válvula de realimentación 118 puede empezar a abrirse antes de que el compresor 108 alcance un límite de sobrecarga calculado. Al abrir la válvula anticipadamente se permite que el compresor se rebobine a una presión de sobrealimentación mayor debido a que el compresor permanece más cercano a los puntos de eficiencia más altos de los parámetros operacionales del compresor. Entonces puede lograrse una rápida elevación de la presión de sobrealimentación a bajas rpm. Al abrir la válvula antes de presentarse la sobrecarga, también puede lograrse un sistema de control más estable.

La apertura de la válvula de realimentación 118 a fin de mejorar la capacidad de respuesta del motor 102, se logra dejando que el motor 102 alcance más rápidamente una mayor presión de sobrealimentación cuando el motor 102 se encuentra a más bajas rpm. El compresor 108 también es más eficiente, lo cual da como resultado menos trabajo para la transmisión 110 para alcanzar la super alimentación. El control de limite de sobrecarga puede modelarse dentro de un código de simulación de control basado en el modelo estándar, tal como MATLAB. Al modelar de esta manera se permitirá la simulación del controlador 140 y la auto-codificación de los algoritmos para el controlador 140.

Un sistema de control basado en el modelo, tal como se describió anteriormente, es único en que la utilización de la transmisión 110 para controlar la rotación de la turbina 106 y el compresor 108 genera presión de sobrealimen ación sin turbo-retraso. En otras palabras, la transmisión 110 puede extraer la energía rotacional del cigüeñal 112 para impulsar al compresor 108 para lograr la sobrealimentación deseada en el conducto de aire comprimido 109 muy rápidamente y antes de que la turbina 106 genere la energía mecánica suficiente la impulsar el compresor 108 a tal nivel deseado. De esta manera, se reducen o se eliminan los controles en un turboalimentador convencional para reducir el retraso. El control basado en el modelo del controlador 140 debe diseñarse para mantener la óptima eficiencia del compresor 108 dentro de los parámetros operacionales del compresor 108.

El modelo de control del controlador 140 también debe modelarse cuidadosamente sobre los parámetros operacionales de presión, como se mapea contra el flujo másico que permite el motor para una velocidad y carga objetivo dadas en los cuales pueden definirse la velocidad y la carga objetivo en relación a la posición del regulador del vehículo. Como se muestra en la Figura 1, la señal de velocidad de motor 126 puede obtenerse del motor .102 y se aplica al controlador 140. De manera similar, la señal de carga de motor 128 puede obtenerse del motor 102 y aplicarse al controlador 140. Alternativamente, estos parámetros pueden obtenerse de detectores localizados en el regulador del motor (no mostrado) . Entonces la válvula de realimentación 118 puede operarse en respuesta a una señal de control 142 generada por el controlador 140. El detector de presión 136 genera la señal de presión de entrada de aire comprimido 132 que se aplica al controlador 140, el cual calcula la señal de control 142 en respuesta a la señal de velocidad de motor 126, a la señal de carga de motor 128 y a la señal de presión de entrada de aire comprimido 132.

Durante las condiciones operacionales del motor 102, en las cuales el compresor 108 no alcanza el límite de sobrecarga y no se alcanza la temperatura de la mezcla gaseosa, detectada por el detector de temperatura 138, la válvula de realimentación 118 está cerrada de manera que el sistema funciona como un sistema super-turbosobrealimentado convencional. Esto ocurre durante la mayoría de los parámetros de operación del motor 102. Cuando se presentan condiciones de carga máxima y bajas rpm del motor 102, la válvula de realimentación 118 se abre para evitar la sobrecarga. De manera similar, en condiciones de operación de carga máxima a altas rpm del motor 102, se producen altas temperaturas en los gases de exhaustación en la salida del convertidor catalítico 116, de manera que la válvula de realimentación 118 debe abrirse para reducir la temperatura de la mezcla gaseosa aplicada a la turbina 106 por debajo de una temperatura que ocasionaría daños a la turbina 106.

La Figura 2 es un diagrama detallado de una modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia 200. Como se muestra en la Figura 2, el motor 202 incluye un super-turbosobrealimentador que se ha modificado, como se describió anteriormente con respecto a la Figura 1, para proporcionar mayor eficiencia general que los motores super- turbosobrea limentados convencionales, así como para proporcionar una eficiencia alta, casi óptima en condiciones de operación de carga máxima a bajas rpm, y una eficiencia alta, casi óptima en condiciones de carga máxima a altas rpm. El super-turbosobrealimentador incluye una turbina 204 mecánicamente conectada por medio de un eje al compresor 108. El compresor 206 comprime el aire de admisión 234 para producir aire comprimido 288 que se suministra al conducto de aire comprimido 238. El conducto de a.ire comprimido 238 se conecta a la válvula de realimentación 260 y al interenfriador 242. Como se expuso anteriormente, el interenfriador 242 funciona para enfriar el aire comprimido 288 que se calienta durante el proceso de compresión. El interenfriador 242 se conecta al conducto de aire comprimido 238 que, a su vez, se conecta al colector de admisión (no mostrado) del motor 202. El detector de presión 240 se conecta al conducto de aire comprimido 238 para detectar la presión del aire comprimido 288 y suministra la lectura de presión a través de la señal de presión de aire de admisión comprimido 262, la cual se aplica al controlador 266. La válvula de realimentación 260 se controla por medio de una señal de control de válvula de realimentación 258 generada por el controlador 266, como se expuso anteriormente. Bajo ciertas condiciones de operación, la válvula de realimentación 260 se abre para suministrar aire comprimido 288 desde el conducto de aire comprimido 238 a la cámara mezcladora 246.

Como se muestra en la modalidad de la Figura 2, la cámara mezcladora 246 comprende simplemente una serie de aberturas 244 en el conducto de salida 210 del convertidor catalítico, que se encuentra rodeado por el conducto de aire comprimido 238 de manera que el aire comprimido 288 suministrado desde el conducto de aire comprimido 238 pasa a través de las aberturas 244 para mezclarse con la mezcla gaseosa convertida 292 en el conducto de salida 210 del convertidor catalítico. Puede utilizarse cualquier tipo deseado de cámara mezcladora para mezclar el aire comprimido 288 más frío con 'la mezcla gaseosa convertida 284 para bajar la temperatura de la mezcla gaseosa enfriada 288. El detector de temperatura 248 se localiza en el conducto de salida 210 del convertidor catalítico para medir la temperatura de la mezcla gaseosa 286 enfriada en el conducto de salida 210 del convertidor catalítico. El detector de temperatura 248 suministra una señal de temperatura de mezcla gaseosa 256 al controlador 266, que controla la válvula de realimentación 260 a través de la señal de control de válvula de realimentación 258 para asegurar que la temperatura de la mezcla gaseosa 286 enfriada no exceda una temperatura máxima que dañaría la turbina 204. El convertidor catalítico 252 se conecta al colector de gases de exhaustación 208 por medio del conducto de entrada 250 del convertidor catalítico. AL ubicar el convertidor catalítico 252 cercano al colector de gases de exhaustación 208, los gases de exhaustación calientes provenientes del motor 202 fluyen directamente hacia el convertidor catalítico 252, que ayuda a activar al convertidor catalítico 252. En otras palabras, la localización cercana del convertidor catalítico 252 cerca de la salida de los gases de exhaustación del motor no permite que los gases de exhaustación se enfríen sustancialrnente antes de entrar al convertidor catalítico 252, lo cual incrementa el desempeño del convertidor catalítico 252. A medida que los gases de exhaustación pasan a través del convertidor catalítico 252, el convertidor catalítico 252 agrega calor adicional a los gases de exhaustación, debido a que los gases de exhaustación se catalizan por el convertidor catalítico 252 en una reacción exotérmica que se presenta en el convertidor catalítico 252. Esta mezcla gaseosa convertida 284, muy caliente, en la salida del convertidor catalítico 252 se suministra al conducto de salida 210 del convertidor catalítico y se enfría por medio del aire comprimido 288. Dependiendo de la temperatura de la mezcla gaseosa convertida 284, muy caliente, que varía dependiendo de las condiciones de operación del motor 202, se agregará una cantidad diferente de aire comprimido 288 a la mezcla gaseosa convertida 284, tal como durante condiciones de carga máxima a alta velocidad. Durante condiciones de carga máxima del motor a baja velocidad del motor, la válvula de realimentación 260 funciona también para permitir el flujo del aire de admisión a través del compresor para evitar la sobrecarga. La sobrecarga es similar a la pérdida aerodinámica de los álabes del compresor, que se presenta como resultado de las condiciones de bajo flujo a través del compresor durante condiciones de baja velocidad del motor. Como se expuso ante iormente, la energía mecánica rotacional se transfiere desde el cigüeñal 222 del motor a través de la transmisión 214 continuamente variable, que impulsa al compresor 206, a una velocidad controlada por la señal de control CVT 264, que es suficiente para hacer girar el compresor 206 para evitar la sobrecarga. Cuando se presenta sobrecarga, la presión en el colector de admisión (no mostrado) cae debido a que el compresor 206 no tiene la capacidad para comprimir el aire de admisión. Al permitir el flujo del aire a través del compresor 206 como resultado de la apertura de la válvula de realimentación 260, puede mantenerse la presión en el colector de admisión de manera que, cuando se requiere un gran torque a bajas velocidades del motor, puede lograrse un gran torque debido a la alta presión del colector de admisión.

Como se describió anteriormente, cuando el motor 202 opera bajo condiciones de carga máxima a alta velocidad, el convertidor catalítico 252 ocasiona la generación de una gran cantidad de calor en los gases de exhaustación que se suministran al conducto de salida 210 del convertidor catalítico. Al suministrar aire refrigerante 292 comprimido al conducto de salida 210 del convertidor catalítico, la mezcla gaseosa convertida 284, caliente, bajo condiciones de carga máxima a alta velocidad, se enfría. A medida que se incrementa la carga y la velocidad del motor, se producen gases convertidos más calientes y se requiere más del air^ refrigerante 292 comprimido. Si la turbina 204 no proporciona suficiente energía rotacional para impulsar el compresor 206, tal como bajo condiciones de carga máxima a baja velocidad, el cigüeñal 222 del motor puede suministrar energía rotacional al compresor 206 a través de una banda de transmisión 218, una polea motriz 220, un eje 216, un engranaje de reducción 224 y una transmisión 232. De nuevo, cualquier porción del tren de propulsión de un vehículo puede utilizarse para suministrar energía rotacional al compresor 206, y la Figura 2 describe una implemen ación de acuerdo con la modalidad descrita.

Como se ilustra también en la Figura 3, una válvula mezcladora 236 se conecta también al conducto de aire comprimido 238 y al conducto mezclador 212. El conducto mezclador 212 se conecta al conducto de entrada 250 del convertidor catalítico, que se encuentra corriente arriba del convertidor catalítico 252. El propósito de la válvula de control de mezclado 236 es proporcionar aire comprimido 280 a la entrada del convertidor catalítico 252 durante las condiciones de arranque, como se describió anteriormente, y otras condiciones de mezcla de combustible enriquecida. Bajo condiciones ele arranque, antes de que el convertidor catalítico 252 alcance las temperaturas de operación totales, se proporciona oxígeno adicional mediante aire comprimido 280, a través del conducto mezclador 212, para iniciar el proceso catalítico. El oxigeno adicional que se proporciona a través del conducto mezclador 212 ayuda al inicio del proceso catalítico. Como se explica en mayor detalle más adelante, puede suministrarse oxígeno adicional a la entrada del convertidor catalítico '252 durante condiciones de operación del motor con combustible enriquecido, tal como cuando se conduce en condiciones de regulador abierto, para llevar al convertidor catalítico a condiciones de operación estequiométricas , lo cual reduce los contaminan es e incrementa la temperatura de los gases de exhaustación que salen del convertidor catalítico 252, que pueden utilizarse para incrementar la salida del super- turbosobrea 1 imen tador ilustrado en la Figura 2. El controlador 266 controla la válvula mezcladora 236 a través de la señal de control de válvula mezcladora 254 en respuesta a la señal de velocidad de motor 268, a la señal de carga de motor 270 y a la señal de temperatura de mezcla gaseosa 256.

Por tanto, el sistema de motor super-turbosobrealimentado de ignición por chispa, de alta eficiencia 200 opera de manera similar a un super-turbosobrealimentador , con la excepción de que la válvula de realimentación 260 suministra una porción del aire comprimido 288 desde el compresor a la entrada de la turbina por dos razones. Una razón es para enfriar la mezcla gaseosa convertida 284 antes de que entre a la turbina de manera que pueda utilizarse la energía total de los gases de exhaustación y no sea necesaria una compuerta de residuos bajo condiciones de carga máxima a alta velocidad. La otra razón es para proporcionar un flujo de aire a través del compresor para evitar la sobrecarga en condiciones de carga máxima a bajas rpm. Además, el convertidor catalítico 252 puede conectarse en la corriente de escape antes de que los gases de exhaustación lleguen a la turbina de manera que pueda utilizarse el calor generado por el convertidor catalítico 252 para impulsar la turbina 204 , y para expandir el aire comprimido 238 que se mezcla con los gases calientes provenientes del convertidor catalítico 252, lo cual incrementa la eficiencia del sistema. Además, la válvula mezcladora 236 puede utilizarse para iniciar el proceso catalítico en el convertidor catalítico 252 proporcionando oxígeno a los gases de exhaustación durante condiciones de arranque, y para reducir los contaminantes y agregar más calor a los gases de exhaustación durante otras condiciones de operación con mezcla rica de combustible.

Como se mencionó anteriormente, pueden presentarse otras mezclas de aire/combustible enriquecidas, especialmente en motores utilizados en vehículos. Por ejemplo, cuando se acelera un vehículo abriendo el regulador, se genera una mezcla enriquecida de aire/combustible, y el motor 202, así como el convertidor catalítico 252, no operan de manera estequiométrica . Como resultado, se emiten gases de CO e hidrocarburos en los gases de exhaustación 230. Aunque el motor 200 puede crear mayores caballos de fuerza cuando se utiliza una mezcla rica de combustible, que permite la aceleración del vehículo, la mezcla rica de combustible no se consume totalmente por el motor 202, o el convertidor catalítico 252. Al controlar la válvula mezcladora 236 y agregar más oxígeno a los gases de exhaustación que salen del colector de gases de exhaustación 208 y que entran al conducto de entrada 250 del convertidor catalítico, el oxígeno adicional proporcionado por el aire comprimido 280 permite oxidar el monóxido de carbono y los hidrocarburos en el convertidor catalítico 252. Un detector de O; 272 se localiza en el conducto de entrada 250 del convertidor catalítico que proporciona una entrada de detector de O; que se aplica al controlador 266. La entrada de detector de O detecta la cantidad de oxígeno en la mezcla gaseosa en la entrada del convertidor catalítico 252 y genera que la señal-de control de válvula mezcladora 254 opere la válvula mezcladora 236. De esta manera, la válvula mezcladora 236 puede abrirse para suministrar suficiente oxígeno al conducto de entrada 250 del convertidor catalítico para ajustar la mezcla gaseosa 290 que entra al convertidor catalítico 252, que comprende la mezcla rica de combustible de los gases de exhaustación provenientes del colector de gases de exhaustación 208 y el aire comprimido 280, para oxidar el monóxido de carbono y los hidrocarburos, mientras se mantiene la operación estequiométrica del convertidor catalítico 252. Tanto la señal de velocidad de motor 268 como la señal de carga de motor 270 pueden utilizarse para determinar cuándo se aplica una mezcla rica de combustible al motor 202 y ajustan así la apertura de la válvula mezcladora 235 generando una señal de control de válvula mezcladora 252 por medio del controlador 266 para anticipar la generación de gases de exhaustación de combustible enriquecidos en el colector de gases de exhaustación 208. Debido a que la mezcla rica de combustible se oxida en el convertidor catalítico 252, se crea calor adicional por medio del convertidor catalítico 252. Por tanto, el detector de temperatura 248 detectará una temperatura más alta en los gases en el conducto de salida 210 del convertidor catalítico, y la válvula de realimentación 260 puede abrirse para agregar aire refrigerante 292 comprimido adicional al conducto de salida 210 del convertidor catalítico para asegurar que la mezcla gaseosa 286 enfriada no exceda una temperatura máxima, que puede ser de aproximadamen e 950°C, que pudiera dañar la turbina 204. El uso de la válvula mezcladora 236 de esta manera permite que el convertidor catalítico 252 opere de manera estequiométrica en la mayoría o todas las condiciones de operación, reduciendo significativamente los contaminantes emitidos por el sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia 200.

La válvula mezcladora 236, de la Figura 2, también puede utilizarse de manera que no cree la operación estequiométrica del convertidor catalítico 252. Por ejemplo, algunas clases de motores de autos de carreras, y motores de vehículos en algunos países, no requieren control de contaminación. En ese caso, la válvula mezcladora 236 puede abrirse para proporcionar el oxígeno suficiente para asegurar que todo el monóxido de carbono y los hidrocarburos se oxiden en el convertidor catalítico 252 sin mantener necesariamente la operación estequiométrica del convertidor catalítico 252. Los motores de carreras utilizan típicamente una mezcla muy enriquecida que incrementa la energía de salida del motor 202. Además, el combustible extra ayuda a enfriar los componentes del motor. Puede agregarse aire comprimido adicional a través de una válvula mezcladora 236 no solamente para agregar oxígeno para oxidar los hidrocarburos y el monóxido de carbono, sino también para agregar gases refrigerantes en la entrada del convertidor catalítico 252. La oxidación de las mezclas muy enriquecidas de combustible puede ocasionar que el convertidor catalítico 252 opere a una temperatura demasiado alta, que puede reducirse agregando aire adicional a través de una válvula mezcladora 236.

La Figura 3 es un diagrama esquemático de otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentaclo de alta eficiencia 300. El sistema de motor super-turbosobrealimentado 300 difiere al menos en un aspecto de la modalidad de las Figuras 1 y 2 en que se proporciona un compresor 328 adicional. Como se ilustra en la Figura 3, el motor 340 incluye una turbina 344 que impulsa mecánicamente a un compresor 356. El compresor 356 comprime el air5e proveniente de la entrada de aire 360 y suministra el aire comprimido 388 al conducto 312. El conducto 312 se conecta a un interenfriador 362 que enfría el aire comprimido 388. El interenfriador 362 se conecta al conducto de aire comprimido 368 que, a su vez, se conecta al colector de admisión (no mostrado) del motor 340. Como se muestra también en la Figura 3, el controlador 354 recibe una señal de velocidad de motor 350 y una señal de carga de motor 352. Estas señales se utilizan para calcular una señal de control de relación de super- turbosobrealimentador 310 que se aplica a la transmisión variable o motor /generador eléctrico 326. La energía 334 proveniente del motor 340 o del tren de propulsión de un vehículo, se acopla a la transmisión variable o motor /generador eléctrico 332 a fin de que la energía 334 pueda transferirse entre la transmisión variable o motor /generador eléctrico 332 y un tren de propulsión mecánica o sistema de propulsión eléctrica.

Como se muestra también en la Figura 3, un compresor 328.separado se conecta a un motor de transmisión variable o eléctrico 326. La energía 324 proveniente del tren de propulsión puede utilizarse para impulsar la transmisión variable 326. Alternativamente, la energía eléctrica proveniente del sistema de motor 300 puede utilizarse para impulsar un motor eléctrico 326. El compresor 328 comprime el aire proveniente de la entrada de gas refrigerante 322 para proporcionar el gas refrigerante comprimido 380, que se aplica a un conducto de aire comprimido 320. El gas refrigerante comprimido 380 en el conducto de aire comprimido 320 se aplica a la cámara mezcladora 316, que tiene aberturas 314 en el conducto de salida 306 del convertidor catalítico. Puede utilizarse cualquier tipo deseado de cámara mezcladora para mezclar el gas refrigerante comprimido 380 con los gases de exhaustación convertidos 384 para disminuir la temperatura de los gases de exhaustación 386 enfriados en el conducto de salida 306 del convertidor catalítico. El detector de temperatura 364 se dispone en el conducto de salida 306 del convertidor catalítico corriente abajo de la cámara mezcladora 316 para medir la temperatura de los gases de exhaustación 386 enfriados. El detector de temperatura 364 suministra una señal de temperatura de mezcla gaseosa 348 al controlado!" 354, que controla la operación del motor de transmisión variable o eléctrico 332. El controlador 354 genera una señal de control de ransmisión/motor 308 que se aplica al motor de transmisión variable o eléctrico 326 para controlar la velocidad del compresor 328 y la cantidad del gas refrigerante comprimido 380 que se suministra al conducto de aire comprimido 320. La cantidad del gas refrigerante comprimido 380 que se suministra al conducto de aire comprimido 320 se controla para asegurar que la temperatura de los gases de exhaustación 386 enfriados que entran a la turbina 344 no exceda una temperatura máxima que dañaría a la turbina 344. Esta temperatura máxima puede encontrarse en el rango de 900 a 950°C. Los gases de exhaustación de la turbina 344 se escapan entonces por el escape 366.

Como también se ilustra en la Figura 3, el conducto de entrada 342 del convertidor catalítico se conecta a L colector de gases de exhaustación 318 en una ubicación cercana el colector de gases de exhaustación 318 de manera que los gases de exhaustación provenientes del colector de gases de exhaustación 318 activan el catalizador en el convertidor catalítico 346. Los gases de exhaustación 384 calientes, convertidos que se convierten por medio del convertidor catalítico 346 salen del convertidor catalítico 346 y se aplican al conducto de salida 306 del convertidor catalítico. Los gases de exhaustación convertidos 384 se mezclan subsecuentemente con el gas refrigerante comprimido 380.

Por tanto, el compresor 328 adicional y el motor de transmisión variable o eléctrico 326, como se ilustran en la Figura 3, remplazan la válvula de realimentación 118 de la Figura 1 suministrando una fuente de gas refrigerante comprimido 380 más frío a través del conducto de aire comprimido 320 para asegurar que los gases de exhaustación 384 calientes, convertidos provenientes del convertidor catalítico, en el conducto de salida 306 del convertidor catalítico, se enfríen suficientemente para evitar daños a la turbina 344. Sin embargo, la modalidad de la Figura 3 no proporciona una manera de limitar la sobrecarga mediante el uso de una válvula de realimentación, tal como la válvula de realimentación 260 en la Figura 2. Por tanto, la modalidad de la Figura 3, así como la modalidad ilustrada en la Figura 4, pueden modificarse para incluir una válvula de realimentación 118 que puede abrirse cuando se alcanzan los límites de sobrecarga, tales como las condiciones de operación de carga máxima a bajas rpm del motor, para evitar la sobrecarga. Una válvula de realimentación, tal como l.i válvula de realimentación 260, en la Figura 2, también puede ayudar a agregar gases más fríos adicionales a los gases de exhaustación calientes convertidos en el conducto ele salida 306 del convertidor catalítico para ayudar a disminuir adicionalmente la temperatura de los gases de exhaustación 386 enfriados a una temperatura óptima, y para evitar daños a la turbina 344.

La Figura 4 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia 400. Como se muestra en la Figura 4, el motor 402 incluye un super-turbosobrealimentador que comprende una transmisión de alta velocidad 406, una turbina 408, un escape 410, un compresor 404 y aire de admisión 462. El super-turbosobrealimentador también incluye una transmisión de velocidad variable o motor /generador eléctrico 428 acoplado a un sistema de energía 430, tal como un tren de propulsión mecánico o sistema de propulsión eléctrico. El aire comprimido proveniente el compresor 404 se aplica al conducto 412. Un interenfriador 460 enfría el aire comprimido y aplica el aire comprimido al conducto de aire comprimido 458. El conducto de aire comprimido 458 se acopla a un colector de entrada (no mostrado) del motor 402.

Como se ilustra en la Figura 4 y como se describió anteriormente, la energía 430 puede ya sea transferirse desdo el super-turbosobrealimentador a un tren de propulsión mecánica o un tren de propulsión eléctrica, o transferirse desde el tren de propulsión mecánica o eléctrica de nuevo hacia el super-turbosobrealimentador para operar el super-turbosobrealimentador durante ciertas condiciones tales como, por ejemplo, durante condiciones de turbo-retraso. L..i transmisión variable o motor/generaclor eléctrico 428 pued-1 ser ya sea una transmisión mecánica continuamente variable o puede constituir un motor/generador . Pueden utilizarse varios tipos de motores/generadores. Por ejemplo, pueden utilizarse motores /generadores similares a los motores/generadores utilizados en autos eléctricos para propulsión y frenado. Cuando un engranaje de reducción 426 impulsa un motor /generador eléctrico 428, la energía eléctrica generada por el motor/generador eléctrico puede suministrarse a un sistema de propulsión eléctrico para ayudar a impulsar el auto. Alternativamente, un motor/generador eléctrico 428 puede funcionar como un motor impulsado por energía eléctrica proveniente del sistema eléctrico de un vehículo para impulsar el engranaje de reducción 426 durante ciertas condiciones, tales como las condiciones cuando puede presentarse un turbo-retraso, como ejemplo. La transmisión variable o motor/generador eléctrico 428 opera de manera similar a la transmisión variable o motor/generador eléctrico 326 de la Figura 3. La transmisión variable o motor/generador eléctrico 428 funciona en respuesta a la señal de control de relación de super-turbosobrealimentador 452. La señal de carga de motor 456 y la señal de velocidad de motor 454 se aplican al controlado! 470, que controla la transmisión variable o motor/generador eléctrico 428 a través de la señal de control de relación dn super- turbosobrealimentador 452.

El sistema ele la Figura 4 incluye también un convertidor catalítico 468 que se conecta al conducto de entrada 440 del convertidor catalítico. El conducto de entrada 440 del convertidor catalítico, a su vez, se conecta al colector de gases de exhaustación 418. El convertidor catalítico 468 se localiza cerca del colector de gases de exhaustación 418 que permite que los gases de exhaustación 470 calientes provenientes del colector de gases de exhaustación 418 activen los catalizadores en el convertidor catalítico. El convertidor catalítico 468 puede operar en una región es tequiométrica controlado por el sistema de combustible del vehículo. El convertidor catalítico 468 crea calor adicional en los gases de exhaustación convertidos 472, que se suministra al conducto de salida 446 del convertidor catalítico. La transmisión variable 424 se acopla al engranaje de reducción 426 y opera bajo el control de la señal de control de motor de transmisión va iable/eléctrico 448 que se genera por el controlador 470. La transmisión variable 424 opera el compresor 422 que comprime los gases provenientes de la entrada de gas refrigerante 420 y aplica el gas refrigerante comprimido 478 al conducto de gas comprimido 432. El gas comprimido en el conducto de gas refrigerante comprimido 432 se mezcla con loa gases de exhaustación calientes, convertidos 472 en la cámara mezcladora 416. Las aberturas 414 permiten el flujo del gas refrigerante comprimido 478 desde el conducto de gas comprimido 432 hacia el conducto de salida 440 del convertidor catalítico para mezclarse con los gases de exhaustación convertidos 472 que salen del convertidor catalítico 468. El detector de temperatura 464 mide la temperatura corriente abajo de la cámara mezcladora 416. De nuevo, los gases de exhaustación enfriados 474 deben encontrarse por debajo de la temperatura máxima que dañaría la turbina 408, que es de aproximadamente 900°C a 950°C en muchas modalidades. El detector de temperatura 464 envía una señal de temperatura de mezcla gaseosa 450 al controlador 470 que genera la señal de control del motor de transmisión variable/eléctrico 448 que se utiliza para controlar la velocidad del compresor 422 que, a su vez, controla la cantidad del gas refrigerante comprimido 478 en el conducto de gas comprimido 432 que se mezcla con los gases de exhaustación convertidos 472 en el conducto de salida 446 de L convertidor catalítico para mantener la temperatura del gas refrigerante comprimido 478 a una temperatura óptima de aproximadamente 900°C. por tanto el sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia 402 utiliza una transmisión variable 424 adicional que se acopla al engranaje de reducción 426 para agregar el gas refrigerante comprimido 478 a los gases de exhaustación convertidos 472 antes de que el gas refrigerante comprimido 478 entre a la turbina 408.

De esta manera, el aire comprimido 476 del compresor 404 y del conducto 412 no se extrae con el propósito de enfriar los gases de exhaustación convertidos 472.

Pueden utilizarse otros gases, diferentes al aire ambiente, como el gas refrigerante comprimido 478 que se suministra a la entrada de gas refrigerante 420. Por ejemplo, pueden utilizarse gases de tubo de escape, gases del cárter del cigüeñal, gases de entrada de aire RAM, etc., como fuente de gas ref igerante. Los gases de exhaustación contienen una gran cantidad de vapor de agua y bióxido de carbono que enfrian efectivamente los gases de exhaustación convertidos 472 emitidos desde el colector de gases de exhaustación 418. Como también se indicó anteriormente, puede conectarse una bomba para bombear los gases de cárter de cigüeñal provenientes del cárter del cigüeñal para disminuir la presión del aire en el cárter del cigüeñal y limitar los efectos aerodinámicos de las partes movibles en el cárter del cigüeñal. Debido a que los gases de cárter de cigüeñal incluyen vapores de aceite, la introducción de los vapores de aceite en el extremo frontal del convertidor catalítico 836 ayuda a reducir las emisiones, debido a que el convertidor catalítico 836 oxidará esos vapores de aceite.

Las modalidades ilustradas en las Figuras 1 a 3 están destinadas principalmente a operarse con motores que tienen una mezcla de aire/combustible proveniente de un motor que opera a o ligeramente arriba de, el punto es tequiométrico . Este se encuentra normalmente en la región de aproximadamente 14.6 a 14.8 partes de aire por una parte de combustible, por peso, para la mayoría de las mezclas de gasolina, como se describe en mayor detalle más adelante. De esta manera, un convertidor catalítico de tres vías puede reducir el ¡MOx y oxidar el monóxido de carbono y los hidrocarburos no consumidos para producir bajas emisiones. Como se expone más adelante, las modalidades de las Figuras 5 y 6 están destinadas principalmente para funcionar con motores que utilizan una mezcla enriquecida de gas/combustible agregando oxígeno a la entrada del convertidor catalítico. Las modalidades de las Figuras 5 y (J no se relacionan con la generación de gases de NOx, sino más bien, se dirigen a lograr la máxima energía de salida qun puede aplicarse por el motor utilizando una mezcla enriquecida de gas/combustible para la combustión y recuperando el calor residual a través de la oxidación del monóxido de carbono y los hidrocarburos no consumidos en el convertidor catalítico.

La Figura 5 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia 500 que utiliza un compresor 526 adicional. La modalidad de la Figura 5 se utiliza con el motor 500 que utiliza una mezcla enriquecida de gas/combustible para producir una gran cantidad de caballos de fuerza del motor 502. Por ejemplo, la modalidad de la Figura 5 puede emplearse en un auto de carreras u otro motor que no se someta a requerimientos de contaminación, especialmente con respecto a los gases de ???. La modalidad de la Figura 5 oxida los contaminantes de hidrocarburo ni los contaminantes de monóxido de carbono, pero el convertidor catalítico 502 no opera de manera estequiométrica para reducir los contaminantes de NOx .

Como se ilustra en la Figura 5, la transmisión variable o motor /generador eléctrico 532 transfiere la energía 534 hacia y desde el tren de propulsión y/o el sistema eléctrico. Una transmisión de alta velocidad 506 acopla la turbina 508 y el compresor 504 al engranaje de reducción 568. El compresor 504 comprime el aire proveniente de la entrada de aire 540. El aire comprimido se aplica al conducto 530, que se conecta al interenfriador 544. El interenf iador 544 enfría el aire comprimido y aplica el aire comprimido al conducto de aire comprimido 542. El conducto de aire comprimido 542 se acopla al colector de admisión del motor 502. La transmisión variable o motor/generador eléctrico 532 opera bajo el control de una señal de control de relación de super-turbosobrealimentador 562 que se genera por el controlador 514 a partir de la señal de velocidad de motor 564 y la señal de carga de motor 566, como se explicó en mayor detalle anteriormente.

Como también se muestra en la Figura 5, un compresor 562 adicional se opera por medio de una transmisión variable o motor eléctrico 524 desde una fuente de energía eléctrica o mecánica 522. La energía eléctrica proveniente de la fuente de energía 534 puede utilizarse para operar un motor eléctrico 52 . Una transmisión variable o motor /generador eléctrico 532 puede operarse mediante la energía mecánica proveniente de un engranaje de reducción 568 o mediante la energía mecánica rotacional proveniente del motor 502 o un tren de propulsión al cual se encuentra acoplado el motor 502. El compresor 526 comprime el aire recibido proveniente de la entrada de gas refrigeran e 528 y aplica el aire comprimido al conducto de aire comprimido 520. La transmisión variable o motor eléctrico 524 opera bajo el control de la señal de control de transmisión variable/motor /generador eléctrico 558. El aire comprimido en el conducto de aire comprimido 520 se aplica a la cámara mezcladora 516, que tiene una serie de aberturas 546 en e L conducto de entrada 548 del convertidor catalítico de manera que el aire comprimido en el conducto de aire comprimido 520 se mezcla con los gases de exhaustación calientes provenientes del colector de gases de exhaustación 518 para producir la mezcla gaseosa 572. El propósito de agregar aire comprimido adicional proveniente del conducto de aire comprimido 520 corriente arriba del convertidor catalítico 510 es agregar más oxígeno y/o gases re igerantes a los gases de exhaustación suministrados al convertidor catalítico 510.

En la modalidad ilustrada en la Figura 5, no se pretende necesariamente que el convertidor catalítico 510 se opere en la región estequiométrica . El sistema de motor super- turbosobrealimentado de alta eficiencia 500 es un sistema que puede utilizarse en un auto de carreras u otros sistemas de motor alimentados con muy alta energía que pudieran emitir gases de N0X. En estos tipos de sistemas de motor, los motores operan con una mezcla rica de combustible a fin de generar una gran cantidad de energía del motor 502. Una mezcla rica de combustible es una mezcla de combustible y aire en la cual no se consume todo el combustible durante el ciclo de combustión y, por definición los gases de exhaustación contienen combustible no consumido. En vehículos normales de pasajeros y comerciales que se someten a estándares de contaminación, los sistemas de motor se equilibran cuidadosamente para un convertidor catalítico de tres vías para llevar a cabo simultáneamente las tareas de: 1. Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno a través de: 2NOx - x02 + N; Ecuación (1) 2. Oxidación de monóxido de carbono a bióxido de carbono a través de: 2C0 + 02 - 2C02 Ecuación (2) 3. Oxidación de hidrocarburos (HC) no consumidos a bióxido de carbono y agua a través de: CxH2x+2 + [ (3x + l)/2] 02 - xC0 + (x +1) H:0 Ecuación (3) Estas reacciones se producen más eficientemente cuando el convertidor catalítico recibe gases de ex austación provenientes de un motor que opera a o ligeramente arriba de, el punto estequiométrico . Este se encuentra entre 14.6 y 14.8 partes de aire por 1 parte de combustible, por masa, para gasolina. Dentro de una estrecha relación de combustible/aire que rodea la estequiometria , la conversión de todos los tres contaminantes está casi completa. Por ejemplo, la mayoría de los convertidores catalíticos operan con 97 por ciento de eficiencia. Cuando existe más oxígeno que el requerido, se dice que el sistema opera empobrecido y el sistema se encuentra en condición oxidante. En ese caso, las dos reacciones de oxidación, i.e., las Ecuaciones 2 y 3 anteriores, se favorecen a expensas de la reducción de NOv (Ecuación 1) . Por otra parte, cuando existe un exceso de combustible, el motor opera enriquecido, y la reducción de ??? se favorece (Ecuación 1) a expensas de la oxidación de CO y HC (Ecuaciones 2 y 3 anteriores) .

De nuevo con referencia a la Figura 5, la adición de aire comprimido a través del conducto de aire comprimido 520 a los gases de exhaustación en el conducto de entrada 5?8 del convertidor catalítico para producir la mezcla gaseosa 572 favorecerá la Ecuación 2 y la Ecuación 3 anteriores. Debido a que un motor de carreras, u otro motor que genera gran cantidad de energía, opera con una mezcla rica de combustible, tal como cuando un vehículo se acelera u opera con un regulador abierto, esto ocasionará que el convertidor catalítico 510 oxide una gran cantidad de la mezcla rica de combustible presente en los gases de exhaustación del motor. Más que permitir que la mezcla rica de combustible pase a través del convertidor catalítico 510 al escape 512, la adición del oxígeno presente en el aire comprimido del compresor 52S permitirá que el convertidor catalítico 510 lleve a cabo de manera sustancialmente completa las reacciones de oxidación expuestas en las Ecuaciones 2 y 3 anteriores. El proceso de oxidar el combustible no consumido en el convertidor catalítico 510 generará una gran cantidad de calor en el convertidor catalítico 510. El detector de temperatura 552 genera una señal de temperatura de mezcla gaseosa 560 que se aplica al controlador 514. De nuevo, es necesario mantener la temperatura de la mezcla gaseosa convertida 574 a un nivel por debajo de aproximadamente 950°C a fin de que no se presente ningún daño al convertidor catalítico 510 o a la turbina 508. En ese aspecto, el controlador 514 genera la señal de control de transmisión variable/motor eléctrico 558 que controla la transmisión variable o motor eléctrico 524 para producir gases refrigerantes adicionales en el conducto de aire comprimido 520 para mantener la temperatura en el conducto de salida 556 del convertidor catalítico a una temperatura casi óptima de aproximadamente 900°C a 950°C. Puede proporcionarse más o menos gas comprimido por medio del compresor 526 para mantener la temperatura medida por el detector de temperatura 552 a aproximadamente 900°C. De nuevo, de 900°C a 950°C es una temperatura casi óptima debido a que es menor que la temperatura que ocasionaría daños a la turbina 508 y aL convertidor catalítico 510, pero aún suficientemente alta para generar los gases calientes a alta velocidad en el conducto de salida 556 del convertidor catalítico. Entre más caliente se encuentra la mezcla gaseosa convertida 574, es mayor la velocidad de la mezcla gaseosa convertida 574, de manera que la mezcla gaseosa convertida 574, más caliente tiene la capacidad de hacer girar la turbina 508 a una tasa de velocidad más alta que la mezcla gaseosa convertida 574 a una temperatura más baja. De nuevo, la temperatura de 900°C a 950°C es solamente ejemplar y se basa en los materiales del sistema. Por ejemplo, si la turbina 508 puede construirse de materiales que puedan soportar temperaturas más altas, una temperatura más alta puede ser una temperatura más óptima.

Como se ilustra también en la Figura 5, el detector de oxígeno 550 se utiliza para medir el nivel de oxígeno de los gases aplicados al convertidor catalítico 510. Una señal del detector de oxígeno 554, generada por el detector de oxígeno 550, se aplica al controlado!" 514. El controlador 514 controla el nivel de oxígeno de la mezcla gaseosa de escape y aire comprimido que se aplica al convertidor catalítico 510 generando la señal de control de transmisión variable/motor eléctrico 558 aplicada a la transmisión variable o motor eléctrico 524, que controla al compresor 526. El controlador 514 se programa para asegurar que una cantidad suficiente de oxígeno se encuentre en la mezcla gaseosa 572 que se aplica al convertidor catalítico 510 de manera que la oxidación expuesta en las Ecuaciones 2 y 3 anteriores se complete. Por tanto, se aplicará una cantidad suficiente de aire comprimido al conducto de entrada 548 del convertidor catalítico para asegurar la oxidación de acuerdo con las Ecuaciones 2 y 3 anteriores. Se aplicará aire comprimido adicional por medio del compresor 526 cuando la temperatura detectada por el detector de temperatura 552 comience a alcanzar de 900°C a 950°C. De esa manera, el detector de oxígeno 550 debe detectar una cantidad suficiente de oxígeno en la mezcla gaseosa 572 para asegurar la oxidación de acuerdo con las Ecuaciones 2 y 3, mientras mantiene la temperatura por debajo de un nivel máximo do temperatura en respuesta a la señal de temperatura de mezcla gaseosa 560, que detecta la temperatura de la mezcla gaseosa convertida 574 que sale del convertidor catalítico 510. La programación del controlador 514 puede lograrse utilizando las técnicas descritas anteriormente.

Adiciona Imente , el sistema de motor super-turbosobrealimentado de alta eficiencia 500, ilustrado en la Figura 5, puede operarse también de manera que el convertidor catalítico 510 opere de manera estequiométrica . Por ejemplo, si el sistema de motor 500 se emplea en un vehículo, puede agregarse oxígeno adicional al conducto de entrada 548 del convertidor catalítico para mantener el equilibrio de las reacciones de las Ecuaciones 1 a 3, de manera que el convertidor catalítico 510 opere en una región estequiométrica. Una situación típica en un sistema de motor 500 que se dispone en un vehículo es que se utiliza una mezcla rica de combustible cuando el regulador se abre para acelerar el vehículo y obtener más energía del motor 502. En este caso, puede agregarse oxígeno adicional a través del compresor 526, el conducto de aire comprimido 520, la cámara mezcladora 516 y las aberturas 546 para equilibrar las Ecuaciones 1 a 3 y ocasionar que el convertidor catalítico 510 opere estequiométricamente . De esta manera, los contaminantes pueden reducirse en gran medida en el escape 512, incluso durante períodos de aceleración del vehículo.

La Figura 6 ilustra un sistema similar al de la Figura 5, que se utiliza con un sistema de motor 600 energizado, tal como el utilizado en un vehículo de carreras, o para reducir contaminantes en situaciones de regulador abierto. Los motores de carreras se diseñan para operar con una mezcla enriquecida de aire/combustible para asegurar que pueda generarse una gran cantidad de energía desde el motor 602. Una transmisión variable o motor /generador eléctrico 630 transfiere la energía 632 entre un sistema de propulsión mecánica o un sistema de propulsión eléctrica en respuesta a la señal de control de relación de super-turbosobrealimentador 656 generada por el controlador 638 en respuesta a la señal de velocidad de motor 658 y a la señal de carga de motor 660. Una turbina 604 y un compresor 608 están acoplados a la transmisión de alta velocidad 606 que suministra energía mecánica rotacional al engranaje de reducción 628. El compresor 608 comprime el aire proveniente de la entrada de aire 612 y suministra el aire comprimido 676 al conducto 634. El aire comprimido 676 se enfría en el interenfriador 614 y se aplica al conducto de aire comprimido 636. El aire comprimido 676 en el conducto de aire comprimido 636 se aplica al colector de admisión (no mostrado) para incrementar la potencia del motor 602. La turbina 604 opera en respuesta a un mezcla gaseosa caliente, convertida 674 proveniente del conducto de salida 650 del convertidor catalítico. La mezcla gaseosa caliente convertida 674 , opera los álabes de la turbina 604 y se expulsa a través del escape 610.

Como se ilustra en la Figura 6, un compresor 624 adicional se acopla a una transmisión variable 626 que se acopla al engranaje de reducción 628. La transmisión variable 626 hace girar al compresor 624 a una velocidad deseada en respuesta a la señal de control de transmisión variable/motor 652. El compresor 624 comprime los gases provenientes de la entrada de gas refrigerante 622 y suministra el gas comprimido 670 al conducto de gas comprimido 620. De nuevo, la fuente de la entrada de gas refrigerante 622 puede comprender cualquier gas deseado, incluyendo gases de exhaus ación , gases del cárter del cigüeñal, aire ambiente u otras fuentes de gas. El gas comprimido 670 en el conducto de gas comprimido 620 se aplica a la cámara mezcladora 616, que incluye aberturas 662 en el conducto de entrada 640 del convertidor catalítico. E',1 conducto de entrada 640 del convertidor catalítico también s acopla al colector de escape 618. El convertidor catalítico 646 se acopla al conducto de entrada 640 del convertidor catalítico próximo al colector de escape 618 de manera que los gases de exhaustación calientes provenientes del colector de escape 618 puedan aplicarse al convertidor catalítico 646. El detector de temperatura 644 detecta la temperatura de la mezcla gaseosa 672 del gas comprimido y de los gases de exhaustación que se aplican al convertidor catalítico 646. El detector de oxígeno 642 genera una señal del detector de oxígeno 648 que se aplica al controlador 638. El detector de temperatura 644 supervisa la temperatura de la mezcla gaseosa convertida 674 que sale del convertidor catalítico 646. El detector de temperatura 644 genera una señal del detector de temperatura de mezcla gaseosa 654, que se aplica al controlador 638.

El controlador 638 opera de la misma manera que el controlador 514 de la Figura 5. Debido a que el motor 602 puede operar con una mezcla rica de combustible, se suministra una cantidad suficiente de gas comprimido 670 ai convertidor catalítico 646, por medio del compresor 624, en respuesta a la señal de control de transmisión va r iable /moto r 652, para ocasionar una oxidación sustancialmente completa de los hidrocarburos y el monóxido de carbono de acuerdo con las Ecuaciones 2 y 3. Esto ocasiona que el convertidor catalítico 646 agregue una gran cantidad de calor a la mezcln gaseosa convertida 674, que se suministra al conducto do salida 650 del convertidor catalítico y subsecuentemente a 1.3 turbina 604. El detector de oxígeno 642 genera una señal del. detector de oxígeno 648 que se aplica al controlador 638, lo cual asegura que una cantidad suficiente de oxígeno so encuentre presente en la mezcla gaseosa 672, como resultado del suministro del gas comprimido 670 por el compresor 624, para asegurar la oxidación de acuerdo con las Ecuaciones 2 y 3, en el convertidor catalítico 646. El detector de temperatura 644 genera la señal de temperatura de mezcla gaseosa 654 que se aplica al controlador 638 para asegurar que se aplique la cantidad correcta de gas comprimido 670 al conducto de entrada 640 del convertidor catalítico para asegurar que se mantenga una temperatura de aproximadamen e 900°C a 950°C en la mezcla gaseosa convertida 674, de manera que no se dañe la turbina 604. La señal de control de transmisión variable/motor 652 controla la velocidad a la cual gira el compresor 624 que, a su vez, controla la cantidad de gas comprimido que aplica el compresor 624 al conducto de gas comprimido 620.

Como se indicó anteriormente, con respecto a la Figura 5, puede agregarse oxígeno a la mezcla gaseosa 672 por medio del compresor 624 durante condiciones de aceleración o regulador abierto del motor 602. En ese caso, el motor 602 no opera estequiométricamente, sino más bien, se aplica una mezcla rica de combustible al motor 602. Por definición, puede suministrarse oxígeno adicional a la mezcla gaseosa 672 justo suficiente para permitir que el convertidor catalítico 646 opere estequiométricamente de manera que las Ecuaciones 1 a 3 se equilibran y se eliminan sus tancialmen te todas las tres fuentes de contaminación, i.e., NOx, monóxido de carbono e hidrocarburos.

La energía requerida para operar los compresores 526, 624 en las Figuras 5 y 6, respectivamente, es aproximadamente la mitad de la energía que puede generarse por las turbinas 508, 604, como resultado del calor adicional que se genera por los convertidores catalíticos 510, 646. De esta manera, puede extraerse una gran cantidad de energía adicional de los motores que operan enriquecidos ilustrados en las Figuras 5 y 6. Los sistemas ilustrados en las Figuras 5 y 6 no solamente extraen energía adicional para incrementar la salida de energía de los motores ilustrados en las Figuras 5 y 6, la oxidación descrita en las Ecuaciones 2 y 3 reduce significativamente los contaminantes en los gases de exhaustación de sistemas de motor que operan enriquecidos, tales como los autos de carreras. Aunque no se reduce el NOx cuando se suministra oxígeno extra a la entrada del convertidor catalítico 646, el monóxido de carbono y los hidrocarburos se oxidan significativamente desde la salida de gases de exhaustación de estos motores que operan enriquecidos. Debe reconocerse también que, cuando el motor 602 opera enriquecido, el motor 602 crea menos gases de NOx en la cámara de combustión, que funciona para reducir la salida de gases de NOx, aunque se agregue oxígeno extra por el compresor 624 hacía la entrada del convertidor catalítico 646 lo cual reduce la efectividad de la Ecuación 1. Pueden utilizarse compresores más pequeños, tales como los compresores 526, 624 en las Figuras 5 y 6, respecti amente, debido a que no es necesaria una gran cantidad de gas comprimido 670 para ocasionar tanto la oxidación como el enfriamiento de los gases de exhaustación necesarios para operar los sistemas de motor ilustrados en las Figuras 5 y 6. Pueden utilizarse compresores baratos de pistón, centrífugos o de diafragma para suministrar el aire comprimido requerido. Estos compresores pueden operar, como se explicó anteriormente, desde un motor eléctrico o desde una transmisión variable que se conecta al tren de propulsión. De esta manera, los sistemas ilustrados en las Figuras 5 y 6 pueden construirse fácilmente a bajo costo. Además, los convertidores catalíticos 510, 646 pueden comprender conve tidores catalíticos de alto flujo que tienen la capacidad de pasar una gran cantidad de la mezcla gaseosa a través del convertidor catalítico. De esta manera, los convertidores catalíticos 510, 646 no restringen el flujo del gas de escape a las turbinas 508, 604.

La Figura 7 es una gráfica 700 que ilustra las temperaturas de la mezcla gaseosa en el conducto de salida 556 del convertidor catalítico de la Figura 5 y en el conducto de salida 650 del convertidor catalítico de la Figura 6. Como se ilustra en la Figura 7, durante la porción 702 de la curva, la temperatura se incrementa a medida que el convertidor catalítico 510, 646 inicia la operación y se proporciona oxigeno adicional a través del aire comprimido. En el punto 703, los controladores 514, 638 determinan que se requerirá más aire para mantener la mezcla gaseosa de 900°C a 950°C. Por definición, se agrega una cantidad suficiente de 5 aire para mantener la temperatura de la mezcla gaseosa en la salida del convertidor catalítico 510, 646 aproximadamente de 900°C a 950°C, como se ilustra por medio de la porción 704 de la curva. Si no se agregara aire comprimido adicional, la temperatura de la mezcla gaseosa en la salida de los 10 convertidores catalíticos 510, 646, se incrementaría de otra manera hasta aproximadamente 1100°C, como se muestra por medio de la curva 706. En el punto 705, los con oladores 514, 638 determinan que existe una cantidad de oxígeno suficiente en respuesta a la señal del detector de oxígeno Ib 554, 648 , pero que la más grande cantidad de aire suministrada por el compresor 526, 624 ocasionaría la disminución de las temperaturas de la mezcla gaseosa en Ja salida del convertidor catalítico 510, 646, como se ilusl- i por medio de la curva 708. Por tanto, la cantidad ele airo ¿0 comprimido se reduce a fin de mantener la temperatura de la mezcla gaseosa aproximadamente de 900°C a 950°C como s ilustra por medio de la porción 709 de la curva. De eslM manera, la temperatura de la mezcla gaseosa en la salida d" los convertidores catalíticos 510, 646 se mantiene a un niveL 25 sus tancialmente óptimo para extraer la mayor cantidad d energía proveniente de los gases de exhaustación calientes por medio de las turbinas 508, 604, mientras se asegura también a través de la detección de los detectores de oxígeno 550, 642, de que se encuentra presente una cantidad suficiente de oxígeno en la mezcla gaseosa en la entrada de los convertidores catalíticos 510, 646, como se detecta por los detectores de oxígeno 550, 642, para asegurar que ocurra una oxidación completa, de acuerdo con las Ecuaciones 2 y 3 anteriores .

La Figura 8 es una ilustración esquemática de otra modalidad de un sistema de motor super- turbosobrea 1 imen ado de alta eficiencia 800. Como se muestra en la Figura 8, el motor 802 utiliza un super-turbosobrealimentador que incluye una turbina 804 y un compresor 806. Conectada a la turbina 804 y al compresor 806 se encuentra una transmisión 808 que transfiere energía entre la transmisión variable o motor /generador eléctrico 820 y la turbina 804/compresor 806. La energía 822 se transfiere entre la transmisión variable o motor /generador eléctrico 820 y la salida del motor o tren de potencia, como se describió anteriormente. El gas de entrada 824 se comprime por medio del compresor 806 y los gases de exhaustación 810 se expulsan desde ' la turbina 804.

Como se ilustra en la Figura 8, el compresor 806 suministra aire comprimido 875 al conducto 860. El aire comprimido 876 en el conducto 860 se aplica al interenfriador 858, que enfría el aire comprimido 876. El aire comprimido enfriado se aplica entonces al colector de admisión (no mostrado) del motor 802 a través del conducto de aire comprimido 856. La válvula mezcladora 842 se conecta al conducto mezclador 818 que suministra aire comprimido 870 ai conducto de entrada 830 del convertidor catalítico a través de la cámara mezcladora 814. La válvula mezcladora 842 opera bajo el control de la señal de válvula mezcladora de controlador 844. Las aberturas 812 en el conducto de entrada 830 del convertidor catalítico permiten el flujo de aire comprimido 870 hacia el conducto de entrada 830 del convertidor catalítico y el mezclado con los gases de exhaustacion provenientes del colector de gases do exhaustacion 816. La presión del aire comprimido 870 en eL conducto mezclador 818 es mayor que la presión promedio de los gases de exhaustacion en el conducto de entrada 830 del convertidor catalítico, de manera que el aire comprimido 870 fluye hacia y se mezcla con los gases de exhaustacion en el conducto de entrada 830 del convertidor catalítico para producir la mezcla gaseosa 872. Como se indicó anteriormente, el gas de entrada 824 puede comprender aire ambiente de entrada proveniente del ambiente circundante u otros gases. Si se suministra aire ambiente a través del conducto mezclador 818 a la cámara mezcladora 814, la adición de oxígeno al convertidor catalítico 836 ayudará a oxidar el monóxido de carbono y los hidrocarburos que existen en los gases de exhaustación provenientes del colector de gases de exhaustación 816. Al agregar oxigeno adicional a los gases de exhaustación excediendo el punto estequiomé trico para la relación de aire/combustible, el convertidor catalítico 836 oxidará efectivamente tanto los hidrocarburos como los gases de monóxido de carbono que existen en los gases ele exhaustación, de acuerdo con los procesos expuestos en la Ecuación 2 y la Ecuación 3. Sin embargo, el oxígeno adicional, que excede el punto estequiométrico, reducirá los procesos expuestos en la Ecuación 1, de manera que habrá una reducción menos efectiva de los gases de NOx.

Como también se muestra en la Figura 8, el conducto de entrada 830 del convertidor catalítico se conecta a la entrada del convertidor catalítico 836. El convertido catalítico 836 puede comprender un convertidor catalítico ele alto flujo que crea poca o ninguna retro presión en los gases de exhaustación emitidos desde el colector de gases de exhaustación 816. Pueden utilizarse conver idores catalíticos de alto flujo en todas las modalidades descritas en la presente. Un detector de oxígeno 832 puede ayudar a crear mezclas gaseosas que tienen una relación es tequiométr ica , de manera que el convertidor catalítico opera de manera estequiométrica . El detector ele oxígeno 832 detecta el nivel de oxígeno de la mezcla gaseosa 872. Una señal del detector de oxigeno 838, generada por el detector de oxigeno 832, se aplica al controlador 850. El controlados 850 calcula el nivel de oxigeno apropiado para crear una relación estequiométrica de la mezcla gaseosa 872 para alcanzar un punto estequiométrico . El controlador 850 genera entonces una señal de válvula mezcladora de controlador 8 4 que controla la válvula mezcladora 842 para ajustar la cantidad de aire comprimido 870 que se mezcla con los gases de exhaustación en la cámara mezcladora 814 para crear una relación estequiométrica de estos gases.

El convertidor catalítico puede llevar a cabo entonces las reacciones químicas indicadas en las Ecuaciones 1 a 3 anteriores. Por definición, el monóxido de carbono y los hidrocarburos se oxidan en el convertidor catalítico 836, mientras los gases de NOx también se reducen, debido a que la relación estequiométrica de la mezcla de aire/combustible se proporciona al convertidor catalítico 836. Además, la señal de datos 880 puede proporcionar datos provenientes de la computadora del vehículo al controlador 850. La computadora del vehículo controla la relación de aire/combustible de la mezcla que entra a la cámara de combustión del motor. Cuando se envía al motor una relación no es equiométrica de la mezcla de aire/combustible, la computadora del vehículo reconoce la relación de aire/combustible. La señal de datos 880 incluye los datos de la relación de aire/combus ible relacionados con la relación de aire/combustible. El controlador 850 puede iniciar el proceso de controlar la apertura o el cierre de la válvula mezcladora 842 a través de la señal de válvula mezcladora de controlador 844 anticipando un cambio en la relación de aire/combustible de los gases de exhaustación emitidos desde el colector de gases de exhaustación . Por ejemplo, si el regulador se encuentra abierto en el vehículo, la computadora del vehículo genera una señal de control que controla la relación de aire/combustible para controlar el regulador. La señal de control también se aplica como señal de datos 880 al controlador 850. El controlador 850 calcula la nueva relación de aire/combustible y genera una señal de válvula mezcladora de controlador 844 para abrir la válvula mezcladora 842 por una cantidad predeterminada para agregar más aire comprimido 870 al conducto de entrada 830 del convertidor catalítico para incrementar el contenido de oxígeno de la mezcla gaseosa 872. El detector de oxígeno 832 genera una señal ele detector de 0: 838 que se aplica al controlador 850 para confirmar que existe un nivel apropiado de oxígeno de la mezcla gaseosa 872 en la entrada hacia el. convertidor catalítico 836. El controlador 850 puedo continuar para ajustar la válvula mezcladora 842, s medida que cambia la relación de aire /combustible , en respuesta a la señal de datos 880. El retraso entre la apertura (¡el regulador, que crea una mezcla rica de combustible, y la existencia de la relación de la mezcla rica de combustible en los gases de exhaustación emitidos desde el colector de gases de exhaustación 816, se conoce o puede calcularse por el controlador 850. El controlador 850 también calcula el retraso entre la apertura de la válvula mezcladora 842 y el suministro del aire comprimido al conducto de entrada 830 del convertidor catalítico, para una presión dada del aire comprimido 870, de manera que la apertura de la válvula mezcladora 842 puede cronometrarse a fin de que el oxígeno adicional proveniente del gas comprimido alcance el conducto de entrada 830 del convertidor catalítico aproximadamente de manera simultánea con la mezcla rica de combustible emiticlc-i por el colector de gases de exhaustación 816. De esta manera, puede aplicarse continuamente una relación estequiométrica al convertidor catalítico 836, a fin de que el convertidor catalítico 836 pueda operar de manera estequiométrica y reducir sustancialmente los contaminantes de acuerdo con las Ecuaciones 1 a 3. El convertidor catalítico 836 también puede operarse de manera no estequiométrica, como se describe más adelante.

Como también se muestra en la Figura 8, el detector de temperatura 834 detecta la temperatura de la mezcla gaseosa convertida 874 que sale del convertidor catalítico 836. La mezcla gaseosa convertida 874 fluye hacia l conducto de salida 840 del convertidor catalítico y se canaliza hacia la turbina 804 para impulsar a la turbina 804. La mezcla gaseosa convertida 874 se expulsa entonces en el escape 810. El controlador 850 recibe la señal de detector de O2 838, que indica la cantidad de oxígeno en la mezcla gaseosa 872 aplicada al convertidor catalítico, y la señal de temperatura de mezcla gaseosa 846, que indica la temperatura de la mezcla gaseosa convertida 874 que fluye desde el convertidor catalítico 836. El controlador 850 genera una señal de válvula mezcladora de controlador 844 en respuesta a la señal de velocidad de motor 852 y a la señal de carga de motor 854 , así como a la señal de detector de O- 838 y a la señal de temperatura de mezcla gaseosa 846, para controlar la operación de la válvula mezcladora 842. Por ejemplo, el airo comprimido 870 que fluye desde el conducto 860 a través ele la válvula mezcladora de control 842 puede funcionar para enfriar la mezcla gaseosa 872 que entra al convertidor catalítico 836, así como para proporcionar oxígeno adicional para oxidar la mezcla rica de combustible sin crear una relación estequiométrica . Por ejemplo, el detector de 0. 832 puede indicar al controlador 850 que se necesita oxígeno adicional para oxidar una mezcla rica de combustible para llevar al convertidor catalítico 836 a niveles estequiométricos de operación. Después el detector do temperatura 834 puede indicar que puede necesitarse aire comprimido adicional para enfriar los gases emitidos desde el convertidor catalítico 836, de manera que no se dañe la turbina 804. El controlador 850 puede operar la válvula mezcladora 842 para asegurar que se suministre un suministro adecuado de aire de admisión al conducto de entrada 830 del convertidor catalítico, de manera que el convertidor catalítico 836 puede operar estequiométricamente en presencia de una mezcla rica de combustible y, si es necesario, proporcionar gases refrigerantes adicionales, a fin de que la mezcla gaseosa convertida 874 no exceda una temperatura que dañaría la turbina 804. En ese caso, el aire comprimido 870 adicional ocasionaría que la mezcla gaseosa 872 no se encontrara a una relación estequiométrica , pero los gases de exhaustación convertidos pueden enfriarse para evitar daños a la turbina 804.

La Figura 9 es una ilustración esquemática de otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentaclo de ignición por chispa de alta eficiencia 900. El sistema clt; motor incluye un motor 902, una turbina 904, un compresor 906 y una transmisión 908. La transmisión 908 transfiere energía entre el eje de turbina/compresor (no mostrado) y la transmisión continuamente variable 924. También st; transfiere energía entre la transmisión continuamente variable 924 y el eje 926, la banda de transmisión 928, la polea motriz 930 y el cigüeñal 974. La señal de control CVT 952 opera la transmisión continuamente variable 924 con respecto al acoplamiento de la energía rotacional desde la transmisión 908 al cigüeñal 974 a la velocidad rotacional apropiada. Alternativamente, la transmisión continuamente variable 924 puede conectarse a un motor /generador eléctrico, como se expuso anteriormente. Además, más que acoplar la energía a un cigüeñal 974, la energía puede acoplarse a un tren de propulsión de un vehículo, tal como una transmisión de vehículo.

Como se muestra en la Figura 9, el compresor 906 funciona para comprimir el aire proveniente de una entrada de aire 910, que suministra el aire comprimido 996 al conducto 96 . El detector de presión 966 genera una señal de presión de entrada de aire comprimido 954 que se alimenta al controlador 956. El conducto 964 suministra el aire comprimido 996 al interenfriador 970, que enfría el aire comprimido 996. El aire comprimido 992 enfriarlo se suministra entonces al conducto de aire comprimido 968, que se encuentra acoplado al colector de admisión (no mostrado) del motor 902. El aire comprimido 992 enfriado en la salida del interenf riador 970 también se suministra a un conducto de interenfriador 934. El controlador 956 genera una señal l e válvula de interen riador 950 que se aplica a la válvula de interenfriador 962 para controlar la operación de la válvula de interenfriador 962. Cuando se abre la válvula interenfriador 962, se suministra aire comprimido 992 enfriado por medio del conducto de interenfriador 934 hacia la cámara mezcladora 916. Las aberturas 914 permiten que el aire comprimido 992 enfriado entre al conducto de salida 922 del convertidor catalítico para enfriar la mezcla gaseosa convertida 990 emitida desde el convertidor catalítico 944. El detector de temperatura 932 detecta la temperatura de la mezcla gaseosa 994 enfriada y genera una señal de temperatura de mezcla gaseosa 948 que se suministra al controlador 956. Si la temperatura de la mezcla gaseosa 994 enfriada que entra a la turbina 904, como se indica por la señal de temperatura de mezcla gaseosa 948, es demasiado alta, la válvula de interenfriador 962 se controla por medio de la señal de válvula de interenfriador 950 para abrirse adiciona Imen o para enfriar además la mezcla gaseosa 994 enfriada que entra a la turbina 904.

Como también se muestra en la Figura 9, la válvula mezcladora 972 opera en respuesta a la señal de válvula mezcladora 946 para suministrar aire comprimido 996 al. conducto mezclador 920. El conducto mezclador 920 está acoplado a la cámara mezcladora 978 para suministrar aire comprimido 986 desde el conducto mezclador 920 al conducto de entrada 940 del convertidor catalítico. El aire comprimido 986 en el conducto mezclador 920 constituye normalmente el aire comprimido que contiene oxígeno. Debido a que el aire refrigerante se suministra por medio del conducto de interenfriador 936, a través de la cámara mezcladora 916, a los gases de exhaustación convertidos emitidos por el convertidor catalítico 944, no es necesario que el aire comprimido 986 que se suministra al conducto de entrada 940 del convertidor catalítico oxide los hidrocarburos y el monóxido de carbono y proporcione gases refrigerantes para enfriar la mezcla gaseosa 988. En otras palabras, todo el enfriamiento de la mezcla gaseosa convertida 990 puede lograrse por medio del aire comprimido 992 enfriado. De esta manera, el aire comprimido 986 proporcionado por el conducto mezclador 920 puede ser para el único propósito de crear una relación estequiométrica de gases en el conducto de entrada 940 del convertidor catalítico. De manera similar a la descrita anteriormente con respecto a la Figura 8, una señal de datos 982 proveniente de la computadora del vehículo es recibida por el controlador 956, que indica la relación de l..i mezcla de aire/combustible que se aplica a las cámaras dij combustión del motor 902. La señal de datos 982 se utiliza por el controlador 956 para controlar la apertura de la válvula mezcladora 972 a través de la señal de válvula mezcladora 946. La señal de válvula mezcladora 946 abre la válvula mezcladora 972 para permitir una cantidad suficiente de aire comprimido 996 hacia el conducto mezclador 920, que se inserta en el conducto de entrada 940 del conver idor - - catalítico a través de la cámara mezcladora 978 y las aberturas 980 para crear una relación estequiométrica de gases que se aplica al convertidor catalítico 944, de la manera descrita con respecto a la Figura 8. El detector de O2 976 que se aplica al controlador 956 para confirmar que se ha alcanzado el nivel de oxígeno deseado en la mezcla gaseosa 988 para crear una relación estequiométrica en la mezcla gaseosa 988. La válvula mezcladora 972 puede operarse de manera continua en respuesta a la señal de válvula mezcladora 946 para crear continuamente una relación estequiométrica en la mezcla gaseosa 988 para las diversas condiciones de operación del vehículo.

Alternativamente, la válvula mezcladora 972 puede operar en respuesta a la señal de detector de O 976 simplemente para asegurar que se suministre el oxígeno suficiente a la mezcla gaseosa 988 para oxidar los hidrocarburos y el monóxido de carbono sin crear una relación estequiomé rica de la mezcla gaseosa 988 que se aplica al convertidor catalítico 944·. En ese caso, las Ecuaciones 2 y 3 se favorecen con respecto a la Ecuación 1. Por definición, el convertidor catalítico 944, no funcionará para reducir los gases de NO:< . Por ejemplo, el detector de O; 942 puede generar una señal de detector de O2 976, que se aplica al controlador 956, para indicar el nivel de oxígeno en la mezcla gaseosa 988 que se aplica al convertidor catalítico - - 944. En respuesta a la señal de detector 0- 976, eJ controlador 956 genera que la señal de válvula mezcladora 946 controle el nivel de oxigeno en la mezcla gaseosa 988 que se aplica al convertidor catalítico 944. De esta manera, puede suministrarse el oxigeno adicional para asegurar que exista una total oxidación del monóxido de carbono e los hidrocarburos independientemente de la reducción en los gases de ??? . Los gases convertidos en la salida del convertidor catalítico 944 se transmiten entonces al conducto de salida 922 del convertidor catalítico, en donde estos gases se mezclan con el aire comprimido 996 enfriado proveniente del conducto de interenfriador 934. La mezcla gaseosa 994 enfriada se canaliza a la entrada de la turbina 904, que se impulsa por medio de la mezcla gaseosa 994 enfriada y que se expulsa por el escape 912.

Como se ilustra además en la Figura 9, la señal ele presión de entrada de aire comprimido 954 se aplica di controlador 956. El controlador 956 determina si puede crearse una potencial condición de sobrecarga a partir de la señal de presión de entrada de aire comprimido 954, así corno de la señal de velocidad de motor 958 y de la señal de carga de motor 960. Si es así, ya sea la válvula mezcladora 972 o la válvula de interenfriador 962 puede abrirse para evitar la condición de sobrecarga. Puede ser preferible abrir La válvula de interenfriador 962, que simplemente agregará gases refrigerantes adicionales a los gases de exhaustación convertidos que salen del convertidor catalítico 944, más que abrir la válvula mezcladora 972, debido a que la apertura de la válvula mezcladora 972 puede dar como resultado una relación no es equiométrica de gases en el conducto de entrada 940 del convertidor catalítico.

La Figura 10 es otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de ignición por chispa de alta eficiencia 1000. El motor 1002 opera con un super-turbosobrealimentador que incluye una turbina 1004 y un compresor 1006. El compresor 1006 comprime el aire proveniente de la entrada de aire 1010 y genera el aire comprimido que se aplica al conducto 1066. El detector de presión 1068 se localiza en el conducto 1066 para detectar la presión del aire comprimido 1026 y para generar una señal de presión de entrada de aire comprimido 1056 que se aplica al controlador 1058. El controlador 1058 lee la señal de presión de entrada de aire comprimido 1056, así como la señal de velocidad de motor 1060 y la señal de carga de motor 1062 para determinar si puede crearse una condición de sobrecarga. En ese caso, ya sea la válvula mezcladora 1074 o la válvula de interenfriador 1064 puede abrirse en respuesta a la señal de control de válvula mezcladora 1048, o la señal de control de válvula de interenfriador 1052, respectivamente.

La Figura 10 es similar a la Figura 9, en algunos aspectos, en que el aire comprimido 1008 enfriado puede aplicarse a través de la válvula de interenfriador 1064 a la cámara mezcladora 1016 y fluye a través de las aberturas 1014 para enfriar la mezcla gaseosa convertida 1018 en el conducto de salida 1020 del convertidor catalítico para producir la mezcla gaseosa 1040 enfriada que impulsa la turbina 1004. Sin embargo, la fuente principal de enfriamiento del aire comprimido 1026 es el conducto de aire comprimido 1022. El detector de temperatura 1076 genera una señal de temperatura de mezcla gaseosa 1050 que indica la temperatura de la mezcla gaseosa convertida 1018 corriente abajo desde la cámara mezcladora 1016. Si la temperatura de la mezcla gaseosa convertida 1018, en la entrada de la turbina 1004, comienza a incrementarse hacia una temperatura máxima, tal como de aproximadamente 950°C, la válvula mezcladora 1074 se abre en respuesta a la señal de control de válvula mezcladora 1048, generada por el controlador 1058. Si la válvula mezcladora 1074 se abre completamente, y la temperatura de lo mezcla gaseosa convertida 1018, en la entrada a la turbina 1004 continúa elevándose, la válvula de interenf iador 1064 pu d>; abrirse en respuesta a una señal de control de válvula d control de interenfriador 1052 generada por el controlador 1058. En ese caso, la válvula mezcladora 1074 puede cerrarse, o cerrarse parcialmente, de manera que put'de requerirse que el aire comprimido 1008 enfriado proveniente - - del interenfriador 1072, presente en el conducto de interenfriador 1030, enfrie suficientemente la mezcla gaseosa convertida 1018. Debido a que el aire comprimido 1008 enfriado está más frío que el aire comprimido 1026, el aire comprimido 1008 enfriado puede ser capaz de enfriar suficientemente la mezcla gaseosa convertida 1018, o puede ser necesaria una combinación del aire comprimido 1008 enfriado y el aire comprimido 1026 para enfriar suficientemente la mezcla gaseosa convertida 1018. Si el controlador 1058 detecta que la señal de temperatura de gas 1050 continúa elevándose, aunque se aplique el aire comprimido 1008 enfriado y el aire comprimido 1026 a la mezcla gaseosa convertida 1018, el controlador 1058 puede generar una señal de control CVT 1054, lo que ocasionará que el compresor 1006 se opere a una velocidad más alta para crear más aire comprimido 1026 y aire comprimido ]008 enfriado. En ese aspecto, el detector de presión 1068 crea una señal de presión de entrada de aire comprimido 1056 que indica la presión en el conducto 1066 para determinar adicionalmente si se encuentra presente una cantidad suficiente de aire comprimido en el conducto 1066. El detector de presión 1068, asi como los detectores de presión en otras modalidades, también se proporciona al controlador, tal como al controlador 1058, para evitar condiciones de sobrecarga, como se explicó en mayor detalle anteriormente.

En la modalidad ilustrada en la Figura 10, el aire comprimido, tal como el aire comprimido 1026, no se aplica a la entrada del convertidor catalítico 1044. Por tanto, el motor 1002 puede operarse con una relación estequiométrica de aire/combustible, o una relación no estequiométrica de aire/combustible. En cualquier caso, el convertidor catalítico 1044 puede operar con gases de exhaustación que tienen una relación estequiométrica o una relación no estequiométrica. En cualquier caso, el convertido r catalítico 1044 intentará llevar a cabo las reacciones de las Ecuaciones 1 a 3 para reducir los contaminantes en el escape 1012.

La Figura 11 es otra modalidad de un motor super-turbosobrealimentaclo de ignición de chispa de alta eficiencia 1100. El sistema de motor super-turbosobrealimentado 1100 incluye un motor 1102 que tiene un super-turbosobrealimentador que incluye una turbina 1104 y un compresor 1106. La transmisión variable 1132 se conecta a un compresor 1130 que comprime un gas de admisión proveniente da la entrada de gas refrigerante 1128. El gas de admisión comprende normalmente aire, pero puede comprender otros gases tal como se describió anteriormente. La transmisión variable 1132 opera en respuesta a una señal de control de transmisión 1152 generada por el controlador 1158. La transmisión variable 1132 hace girar el compresor 1130 para crear l:i - - cantidad de aire comprimido 1008 deseada para el enfriamiento de la mezcla gaseosa convertida 1114 y la oxidación de los hidrocarburos en la mezcla gaseosa 1112. Una válvula mezcladora 1074 controla la cantidad de aire comprimido 1108 suministrada a la cámara mezcladora 1118. Las aberturas 1116 permiten que el aire comprimido 1108 entre al conducto de entrada 1140 del convertidor catalítico a través de las aberturas 1116 para producir la mezcla gaseosa 1112. La mezcla gaseosa 1112 comprende gases de exhaustación provenientes del colector de gases de exhaustación 1124 y del aire comprimido 1108. El aire comprimido 1108 también se alimenta a la cámara mezcladora 1122. Las aberturas 1120 permiten que el aire comprimido 1108 fluya hacia el conducto de salida 1150 del convertidor catalítico y se mezcle con la mezcla gaseosa convertida 1114. Puede incluirse una válvula opcional 1134 para controlar la cantidad de aire comp imido 1108 que se suministra a la cámara mezcladora 1122, en respuesta a la señal de válvula de control 1137.

De acuerdo con la modalidad de la Figura 11, la cantidad de aire comprimido 1108 que se suministra por medio de la válvula mezcladora 1126 se controla para producir una mezcla gaseosa 1112 que tiene una relación de aire/combustible que tiene una relación estequiométrica . De acuerdo con una modalidad alternativa, la señal de relación de combustible 1136 proveniente de la computadora del vehículo puede enviarse al controlador 1158 que indica la relación de aire/combustible de la mezcla que se aplica a las cámaras de combustión del motor 1102. La señal de relación de combustible 1136 es recibida por el controlador 1158, que calcula el oxígeno necesario para crear una mezcla gaseosa 1112 que tenga una relación estequiométrica . El controlador 1158 genera una señal de válvula mezcladora 1144 en respuesta a la señal de relación de combustible 1136. La señal de válvula mezcladora 1144 se aplica a la válvula mezcladora 1126 de manera que se inserta la cantidad correcta de aire comprimido 1108 en el conducto de entrada 1140 del convertidor catalítico para crear una mezcla gaseosa 1112 que tiene una relación estequiométrica. El detector de O; 1142 detecta el contenido de oxígeno y genera una señal de detector de O; 1148 que se aplica al controlador 1158 para asegurar que se ha insertado la cantidad correcta de oxígeno en el conducto de entrada 1140 del convertidor catalítico para crear una relación estequiomé rica de aire/combustible. El convertidor catalítico 1146 convierte entonces la mezcla gaseosa 1112 para crear la mezcla gaseosa convertida 1114 en el conducto de salida 1150 del convertidor catalítico. El aire comprimido 1108 se aplica entonces a la cam r mezcladora 1122. El aire comprimido 1108 fluye a través de las aberturas 1120 y se mezcla con la mezcla gaseosa convertida 1114 para crear la mezcla gaseosa 1160 enfriada en _ respuesta a una señal de control de válvula generada por el controlador 1158. Puede proporcionarse una válvula 1134 opcional para controlar la cantidad de aire refrigerante que se inserta en la cámara mezcladora 1122. Sin embargo, la señal de control de transmisión 1152 puede operar la transmisión variable 1132 para controlar la cantidad de aire comprimido 1108 que se inserta en la cámara mezcladora 1122 a fin de no necesitar esa válvula 1134. La válvula 1134 puede controlarse por medio del controlador 1158 utilizando una señal de control de válvula (no mostrada) . El detector de temperatura 1168 detecta la temperatura de la mezcla gaseosa 1160 enfriada y genera una señal de temperatura de mezcla gaseosa 1154. El controlador 1158 supervisa la temperatura de la mezcla gaseosa 1160 enfriada y controla la operación de la transmisión variable 1132 por medio de la señal de control de transmisión 1152 para controlar la cantidad de aire comprimido 1108 que se inserta en el conducto de salida 1150 del convertidor catalítico para asegurar que la mezcla gaseosa 1160 enfriada no exceda una temperatura que dañaría la turbina 1104. Al ernativamente, la válvula 1134 opcional también puede controlarse por medio del controlador 1158 para controlar la cantidad de aire comprimido 1108 que se inserta en el conducto de salida 1150 del convertidor catalítico. L mezcla gaseosa 1160 enfriada se inserta entonces en la turbina 1104. La turbina 1104 se impulsa por la mezcla gaseosa 1160 enfriada que, a su vez, impulsa al compresor 1106.

La Figura 12 ilustra otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de ignición por chispa de alta eficiencia 1200. El sistema de motor super-turbosobrealimentado 1200 incluye un motor 1202. El motor 1202 está acoplado a un super-turbosobrealimentador que incluye una turbina 1210 y un compresor 1204. El compresor 1204 comprime el aire de admisión suministrado por la entrada de aire 1208 para generar el aire comprimido 1248 en el conducto 1228. El interenfriador 1232 enfria el aire comprimido 1248 y genera el aire comprimido 1250 enfriado en el conducto de aire comprimido 1230 que se aplica al colector de admisión del motor 1202.

Como se muestra también en la Figura 12, los gases de exhaustación 1242 provenientes del colector de escape 1234 se insertan en el conducto de entrada 1220 del convertidor catalítico. El convertidor catalítico 1222 convierte ios gases de exhaustación 1242 para generar gases de exhaustación convertidos 1244 en el conducto de salida 1224 del convertidor catalítico. La válvula de realimentación 1226 e instala en el conducto 1228. El conducto 1228 se conecta a un conducto de salida 1224 del convertidor catalítico. Cuando la válvula de realimentación 1226 se abre, en respuesta a una señal de control, el aire refrigerante 1246 proveniente del conducto 1228 se mezcla con los gases de exhaustación convertidos 1244. La longitud de conducto 1240 es suficiente para permitir el mezclado sustancial de los gases de exhaustación convertidos 1244 y el aire refrigerante 1246 de manera que la mezcla gaseosa enfriada 1212 se mezcla y se enfria antes de entrar a la turbina 1210. El motor 1202 puede operar ya sea con una relación estequiométrica de aire/combustible o una relación no estequiométrica de aire/combustible, tal como una relación enriquecida de combustible. Cuando el motor 1202 opera con una relación estequiométrica de aire/combustible, el convertidor catalítico 1222 lleva a cabo las reacciones químicas de las Ecuaciones 1 a 3 para reducir sustancialmente los contaminantes y los gases de exhaustación convertidos 1244. Cuando se utiliza una relación no estequiométrica, tal como una relación enriquecida, el convertidor catalítico 1222 no es tan efectivo debido a que los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el gas de escape no se encuentran totalmente oxidados por el convertidor catalítico 1222. Sin embargo, el aire refrigerante 1246 reduce la temperatura de los gases de exhaustación convertidos 1244 antes de entrar a la turbina 1210. En ese aspecto, durante la condición de regulador abierto para un vehículo en el cual se instala el motor 1202, se utiliza una mezcla rica de combustible en el motor 1202. Esto crea niveles más altos de hidrocarburos y monóxido de carbono en los gases de exhaustación 1242 que se convierten por medio del convertidor catalítico 1222. El aire refrigerante 1246 asegura gue la temperatura de la mezcla gaseosa enfriada 1212 no exceda una tempera ura que ocasionaría daños a la turbina 1210.

La Figura lLa Figura 13 es una ilustración esquemática de otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de ignición por chispa de alta eficiencia 1300. El sistema de motor super-turbosobrealimentado 1300 incluye un motor 1302 que tiene un super-turbosobrealimentador que incluye una turbina 1304 y un compresor 1306. El compresor 1306 comprime el aire proveniente de la entrada de aire 1310 para generar aire comprimido 1320 en el conducto 1350. El aire comprimido 1320 fluye a través del interenfriador 1352 que enfría el aire comprimido para crear el aire comprimido 13338 enfriado en el. conducto de aire comprimido 1354. El aire comprimido 1338 enfriado en el conducto de aire comprimido 1354 se aplica ai colector de admisión (no mostrado) del motor 1302. Los gases de exhaustación 1316 se emiten por el colector de gases de exhaustación 1362 y fluyen a través del conducto 1330. La válvula de realimentación 1336 permite el flujo del aire comprimido 1320 hacia la cámara mezcladora 1360. Las aberturas 1358 permiten el flujo del aire comprimido 1320 hacia el conducto de salida 1364 del convertidor catalítico.

El detector de temperatura 1366 genera una señal de temperatura de mezcla gaseosa 1332 que se aplica al controlador 1346. El controlador 1346 genera una señal de válvula de realimentación 1334 del controlador que se aplica a la válvula de realimentación 1336 para controlar la temperatura de la mezcla gaseosa 1314 enfriada detectada por el detector de temperatura 1366. La temperatura de la mezcla gaseosa 1314 enfriada se mantiene por debajo de una temperatura máxima que dañaría a la turbina 1304.

La Figura 14 es una ilustración esquemática de un sistema de motor super-turbosobrealimentado de ignición por chispa de alta eficiencia 1400. El sistema de motor super-turbosobrealimentado 1400 incluye un motor 1402 que está equipado con un super- turbosobrealimentaclor . El super-turbosobrealimentador 1400 incluye una turbina 1404 y un compresor 1406. El compresor 1406 comprime el aire de admisión proporcionado por una entrada de aire 1410 para proporcionar aire comprimido 1484 en el conducto ]462. El interenfriador 1466 enfría el aire comprimido 1484 para crear el aire comprimido 1486 enfriado en el conducto de aire comprimido 1464. El aire comprimido 1486 enfriado se aplica al colector de admisión (no mostrado) del motor 1402.

Como también se ilustra en la Figura 14, una transmisión variable o motor eléctrico 1426 se opera bajo el control de una señal de control de energía de compresor 1450 que se genera por el controlador 1456. La transmisión variable o motor eléctrico 1426 se opera por medio de la fuente de energía 1424. La fuente de energía 1424 puede ser una fuente de energía eléctrica que opera un motor eléctrico 1426 o una fuente de energía mecánica que opera una transmisión variable 1426. El compresor 1428 está acoplado a la transmisión variable o motor eléctrico 1426 y genera gas refrigerante comprimido 1432. El compresor 1428 genera el gas refrigerante comprimido 1432 proveniente del gas proporcionado en la entrada de gas refrigerante 1430. En general, el gas refrigerante se comprende de aire ambiente, pero puede comprender cualquiera de los otros gases descritos anteriormente. El gas refrigerante comprimido se suministra a la cámara mezcladora 1416. La cámara mezcladora 1416 tiene aberturas 1414 que permiten el flujo del gas refrigerante comprimido 1432 hacia el conducto de entrada 1440 del convertidor catalítico, y se mezcla con los gases de exhaustación provenientes del colector de gases de exhaustación 1422, para producir una mezcla gaseosa 1434. Además, el gas refrigerante comprimido 1432 se suministra a la cámara mezcladora 1420. La cámara mezcladora 1420 tiene aberturas 1418 en el conducto de salida 1448 del convertidor catalítico que permiten el flujo de la mezcla gaseosa convertida 1480 hacia el conducto de salida 1448 del convertidor catalítico para producir la mezcla gasees enfriada 1480. La mezcla gaseosa enfriada se suministra a la turbina 1404, para impulsar la turbina 1404, y se expulsa desde la salida de escape 1412. Si el motor 1402 opera enriquecido, el compresor 1428 puede proporcionar oxigeno adicional en forma de gas refrigerante comprimido 1432 que se aplica a la cámara mezcladora 1416 para crear una relación estequiométrica de la mezcla gaseosa 1434. La relación estequiométrica de la mezcla gaseosa 1434 puede producirse en el conducto de entrada 1440 del convertidor catalítico ajusfando la operación de la transmisión variable o motor eléctrico 1426 en respuesta a la señal de control de energía de compresor 1450 que se proporciona por el controlador 1456. El controlador 1456 controla la transmisión variable o motor eléctrico 1426 a través de la señal de control de energía de compresor 1450 para suministrar más o menos gas refrigerante comprimido 1432 al conducto de entrada 1440 del convertidor catalítico. También, el detector de oxígeno 1442 supervisa el nivel de oxígeno en el conducto de entrada 1440 del convertidor catalítico y genera una señal de detector de O-1446 que proporciona al controlador 1456 una señal que indica el nivel de oxígeno9 presente en el conducto de entrada 1440 del convertidor catalítico. El controlador 1456 también puede controlar el nivel de oxígeno en el conducto de entrada 1440 del convertidor catalítico controlando la cantidad del gas refrigerante comprimido 1432 que se suministra a la cámara mezcladora 1416 controlando la operación de la transmisión variable o motor eléctrico a través del uso de la señal de detector de 0: 1446. Alternativamente, puede suministrarse una señal de datos 1408 desde la computadora del vehículo que indica la relación de aire/combustible de la mezcla gaseosa que se aplica a la cámara de combustión del motor 1402. Después, el controlador 1456 genera la señal de control de energía de compresor 1450 en respuesta a la señal de datos 1408. El detector de temperatura 1468 genera una señal de temperatura de mezcla gaseosa 1452 que también se aplica al controlador 1456. De nuevo, la transmisión variable o motor eléctrico 1426 puede ajustarse por medio del controlador 1456 que genera una señal de control de energía de compresor 1450 en respuesta a la señal de temperatura de mezcla gaseosa 1452 para asegurar que la temperatura de la mezcla gaseosa 1482 enfriada no exceda una temperatura máxima que podría dañar la turbina 1404.

La Figura 15A ilustra otra modalidad de un sistema de motor super-tu rbosobrealimentado de ignición por chispa de alta eficiencia 1500. El sistema de motor super-turbosobrealimentado 1500 incluye un motor 1502 que está equipado con un super-turbosobrealimentador . El super-turbosobrealimentador incluye una turbina 1504 y un compresor 1506. El compresor 1506 comprime el aire de admisión proveniente de una entrada de aire 1510 para crear aire - - comprimido 1548 en el conducto 1514. El interenfriador 1518 enfria el aire comprimido 1548 para crear el aire comprimido 1550 enfriado en el conducto de aire comprimido 1516, que se aplica al colector de admisión (no mostrado) del motor 1502.

Como también se ilustra en la Figura 15A, una transmisión variable o motor eléctrico 1550 se opera en respuesta a una señal de control de energía de compresor 1519 generada por el controlador 1527. Un compresor 1526 est acoplado a la transmisión variable o motor eléctrico 1520 y comprime un gas refrigerante suministrado por la entrada de gas refrigerante 1528. El gas refrigerante puede comprender aire ambiente u otros gases descritos anteriormente. El gas comprimido 1522 producido por el compresor 1526 se suministra al conducto 1562. El gas comprimido se canaliza a través del conducto 1562 a la válvula ele equilibrio 1560. La válvula do equilibrio se opera en respuesta a la señal de válvula de equilibrio 1592 que se genera por el controlador 1527. El gas comprimido 1522 se aplica a la cámara mezcladora 1578 y fluye hacia el conducto de entrada 1588 del convertidor de ??? a través de las aberturas 1580 para crear una mezcla gaseosa 1524. La mezcla gaseosa 1524 es una mezcla del gas comprimido 1522 y los gases de exhaustación provenientes del colector de escape 1576. El detector de O; 1590 supervisa el nivel de oxígeno de la mezcla gaseosa 1524 y genera una señal de detector ele O.? 1596 que se aplica al controlador 1527. E.1 controlador 1527 controla la operación de la válvula de equilibrio 1560 a través de la señal de válvula de equilibrio 1592 para suministrar más o menos gas comprimido 1522 al conducto de entrada 1588 del convertidor de NOx . El convertidor de NOx 1594 funciona para reducir los gases de ??? de acuerdo con la Ecuación 1 anterior. El convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 funciona para oxidar los hidrocarburos y el monóxido de carbono en la mezcla gaseosa convertida de NO:< 1541 que sale del convertidor de NOx 1594. En otras palabras, la reducción de con aminan es se presenta en dos etapas. El convertidor de N0X 159.4 convierte los gases de NO:<. La mezcla gaseosa convertida de NOx 1541 se aplica entonces al convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 que oxida los hidrocarburos y el monóxido ele carbono en la mezcla gaseosa convertida de N0X 1541. ? partir de la Ecuación 1, se entiende que los gases de NO>: se reducen cuando la relación de combustible está enriquecida. A partir de las Ecuaciones 2 y 3 anteriores, el oxigeno adicional permite que el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 oxide completamente los hidrocarburos y el monóxido de carbono. Si una mezcla muy enriquecida, tal como una mezcla sobre enriquecida al 30%, se consume por el motor 1502, los gases de exhaustación del colector de gases de exhaustación 1576 pueden estar extremadamente enriquecidos con hidrocarburos y monóxido de carbono. La combustión de - - todos los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 puede ocasionar el sobrecalentamiento del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572. En ese aspecto, puede suministrarse el oxigeno proveniente del gas comprimido 1522 a través de la válvula de equilibrio 1560 para consumir parte de los hidrocarburos en el convertidor 1594, que puede comprender el convertidor catalítico de tres vías que tiene la capacidad de oxidar los hidrocarburos y el monóxido de carbono. De esta manera, la existencia de hidrocarburos y monóxido de carbono en la mezcla gaseosa convertida de NOv 1541 se reduce de cierta manera de modo que el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 no tiene que oxidar todos los hidrocarburos y el monóxido de carbono y, por definición, puede evitarse el sobrecalentamiento. EL detector de 02 1590 proporciona una señal de detector de O: 1596 al controlador 1527 para supervisar la adición del oxígeno por medio del gas comprimido 1522 al conducto do entrada 1588 del convertidor ele NO*.

Como también se ilustra en la Figura 15A, ei. conducto 1562 se conecta al conducto 1582 que suministra l gas comprimido 1522 a una cámara mezcladora 1570 cuando li válvula 1584 se abre. El gas comprimido 1522 fluye a través de las aberturas 1574 para crear la mezcla gaseosa 1543. La válvula 1584 opera en respuesta a la señal de válvula de control 1537 que se genera por el controlador 1527. El detector de O; 1586 supervisa el nivel de oxigeno en la mezcla gaseosa convertidos de N02 1541 y genera una señal de detector de 02 1525 que se aplica al controlador 1527. El controlador 1527 abre la válvula 1584 por medio de la señal de válvula de control 1537 para agregar el gas comprimido 1522 a través de las aberturas 1574 a la mezcla gaseosa convertida de NOx 1541 para asegurar que exista suficiente oxigeno en la mezcla gaseosa 1543 que entra al convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 para consumir completamente todos los hidrocarburos y el monóxido de carbono. No es necesario crear una relación estequiométrica en la mezcla gaseosa 1543 debido a que ningún gas de NOx se ha convertido en el convertidor de NOx 1594. El detector de temperatura 1533 supervisa la temperatura de la mezcla gaseosa oxidada 1545 que sale del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 y genera una señal de temperatura de mezcla gaseosa 1521 que se aplica al controlador 1527. El controlador 1527 utiliza la señal de temperatura de mezcla gaseosa 1521 para generar una señal de válvula de control 1535 que controla la operación de la válvula 1566 dispuesta en el conducto 1564. La válvula 1566 permite el flujo del gas comprimido 1522 hacia la cámara mezcladora 1568 y a través de las aberturas 1575 para mezclarse con la mezcla gaseosa oxidada 1545 para enfriar la mezcla gaseosa oxidada 1545. La mezcla gaseosa enfriada 1547 se aplica entonces a la turbina 1504. La operación de la válvula 1566 asegura que la mezcla gaseosa enfriada 1547 no exceda una temperatura que dañaría a la turbina 1504.

La ventaja del sistema de motor super-turbosobrealimentado 1500, ilustrado en la Figura 15?, es que el motor puede dejarse operar enriquecido sin crear ninguna contaminación adicional. Al permitir que el motor 1502 opere enriquecido, el combustible líquido en el motor ayuda a enfriar las partes internas del motor lo cual incrementa la longevidad del motor 1502. También, el convertidor de NO/ 1594 opera más eficientemente con una mezcla rica de combustible. Además, la mezcla rica de combustible se oxida completamente en el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 de manera que no se presentan en el escape 1512 hidrocarburos y monóxido de carbono. Además, los motores de operación enriquecida normalmente se consideran menos eficientes debido al combustible residual en los gases do exhaustación . Sin embargo, el calor generado por la oxidación de los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 se recupera al menos parcialmente al operar la turbina 1504 con la mezcla gaseosa oxidada 1545. Este calor adicional generado en la mezcla gaseosa oxidada 1545 impulsa a la turbina 1504 de una manera que permite recuperar una gran porción de la energía proveniente de la mezcla rica de combustible. La válvula 1566 se opera a fin de que la temperatura de la mezcla gaseosa enfriada 1547 se encuentre en el rango de 900°C a 950°C el cual se encuentra justo por debajo de la temperatura a la cual podría dañarse la turbina 1504. Además, el motor 1502 crea caballos de fuerza adicionales cuando opera con una mezcla rica de combustible lo cual también se agrega a la eficiencia del sistema ele motor super- turbosobrealimentado 1500. Por tanto, el sistema de motor super- turbosobrealimentado 1500, ilustrado en la Figura 15A, incrementa los caballos de fuerza de salida del motor 1502, no crea contaminantes y tiene la capacidad de recuperar lo que de otra manera sería un calor residual en la mezcla gaseosa enfriada 1597 para operar la turbina 1504. Adicionalmente, las partes internas del motor 1502 operan más frías debido a que la mezcla rica de combustible funciona para enfriar las partes del motor y el convertidor de MO 1594 es más efectivo.

Para simplificar adicionalmente la operación del sistema de motor 1500, puede eliminarse la adición del gas comprimido 1522 al conducto de entrada 1588 del convertidor de ??? . Parte de la razón para agregar el " gas comprimido 1522 a la mezcla gaseosa 1524 es para oxidar parcialmente la mezcla rica de combustible en el convertidor de N0X 1594 que puede funcionar como un convertidor de tres vías, más que simplemente como un convertidor de NO;< . Como se indicó anteriormente, la razón para oxidar parcialmente la mezcla rica de combustible es para prevenir el sobrecalen amien o del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 debido a la gran cantidad de hidrocarburos y monóxido de carbono en la mezcla gaseosa convertida de NOx 1541. Sin embargo, puede agregarse una cantidad adicional de gas comprimido 1522 a la mezcla gaseosa convertida de NOx 1541 en el conducto de salida 1598 del convertidor de ??? más allá de la cantidad requerida para oxidar comple amente los hidrocarburos y el monóxido de carbono. En otras palabras, puede insertarse una cantidad adicional del gas comprimido 1522 en el conducto de salida 1598 del convertidor de NOv no solamente para oxidar todos los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el convertidor de hidrocarburo/monóxiclo d carbono 1572 sino también para proporcionar gases refrigerantes para reducir la temperatura de operación del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572. Do esta manera, el gas comprimido 1522 suministrado por In cámara mezcladora 1570 puede suministrarse en una cantidad que evitará el sobrecalentamiento del convertidor do hidrocarburo/monóxido ele carbono 1572. La señal do temperatura de mezcla gaseosa 1521 suministra los datos de temperatura en la salida del convertidor ele hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 al controlador 1527 de manera que el controlador 1527 pueda operar la válvula 1584 a través de la señal de válvula de control 1537 para evitar el calentamiento del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572, mientras se mantiene aún una temperatura de operación adecuada para la operación del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572. De esta manera, puede eliminarse la válvula de equilibrio 1560.

La Figura 15B es una ilustración esquemática de una modificación del sistema de motor super-turbosobrealimentado de ignición por chispa de alta eficiencia 1500 de la Figura 15A. Como se muestra en la Figura 15B, se utiliza un solo conducto 1582 para suministrar el aire comprimido 1522 con el propósito tanto de proporcionar oxigeno al convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 como de proporcionar el gas refrigerante. En comparación con la Figura 15A, la cámara mezcladora 1578 y la válvula de equilibrio 1560 se han retirado asi como el conducto 1564, la válvula 1566 y la cámara mezcladora 1568. El conducto 1582 y la válvula 158 pueden suministrar el oxigeno necesario p ra que el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 oxide completamente todos los hidrocarburos y el rnonóxido do carbono que existen en la mezcla gaseosa convertida de MO 1541. Además, puede agregarse aire comprimido 1522 adiciona] a la mezcla gaseosa convertida de NOx 1541 para enfriar la mezcla gaseosa oxidada 1545 para mantener la temperatura de la mezcla gaseosa oxidada 1545 por debajo de una temperatura máxima que ocasionaría daños a la turbina 1504. El detector de temperatura 1533 produce una señal de temperatura de mezcla gaseosa 1521 que se envía al controlador 1527. El controlador puede simplemente supervisar la temperatura de la mezcla gaseosa oxidada 1545 y controlar la válvula 1584 utilizando la señal de válvula de control 1537 para asegurar el suministro de una cantidad suficiente de gas comprimido 1522 al conducto de salida 1598 del convertidor de NOx para mantener la temperatura de la mezcla gaseosa oxidada 1545 por debajo de una temperatura que dañaría a la turbina 1504. Sin embargo, debe suministrarse una cantidad suficiente de oxígeno a la mezcla gaseosa convertida 1541 para asegurar la oxidación de todos los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572. Por ejemplo, durante condiciones de arranque en frío, la mezcla gaseosa convertida de NOx 1541 se encuentra relativamente fría y no necesita gas comprimido 1522 adicional para enfriarse. Sin embargo, es necesario gas comprimido 1522 adicional para iniciar y ayudar al catalizador en el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 a llevar a cabo el proceso de oxidación de los hidrocarburos y el monóxido de carbono. En ese aspecto, el detector de 02 supervisa el nivel de oxígeno en la mezcla gaseosa convertida de N0X 1541 y genera una señal de detector de O2 1525 que se envía al controlador 1527 que indica los niveles de oxígeno presentes en la mezcla gaseosa convertida de ??? 1541. Si es necesario oxígeno adicional en la mezcla gaseosa 1543 que entra al convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 para asegurar la oxidación completa de todos los hidrocarburos y el monóxido de carbono que existe en la mezcla gaseosa convertida de MO;.; 1541, el controlador 1527 puede abrir la válvula 1584 para asegurar el suministro de una cantidad suficiente de aire comprimido 1522 al conducto de salida 1598 del convertidor de NOx para oxidar completamente los hidrocarburos y el monóxido de carbono.

Además, la válvula 1584 no es necesaria si la transmisión variable 1520 que opera el compresor 1526 se controla por el controlador 1527 a través de la señal de control de energía de compresor 1519 para suministrar la cantidad deseada de gas comprimido 1522 en respuesta a la señal de detector de ( 1525 y a la señal de temperatura do mezcla gaseosa 1521. Alternativamente, el compresor 152b puede operarse a una velocidad constante a fin de que se suministre una cantidad suficiente de gas comprimido 1522 tanto para oxidar como para enfriar la mezcla gaseosa convertida de N0 1541 ya sea sin ningún control o simplemente controlando la válvula 1584. Si el sistema se opera sin la válvula 1584, el compresor 1526 simplemen e suministra una cantidad establecida de gas comprimido 1522, lo cual asegura tanto la completa oxidación como el gas comprimido 1522 suficiente para enfriar la mezcla gaseosa 1543 bajo todas las condiciones de operación. La única desventaja en tal sistema es que la temperatura del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 puede disminuir y no opera tan eficientemente como podría operar el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1572 a una temperatura más alta. Además, el gasto ponderal de aire adicional, bajo muchas condiciones, disminuirá la temperatura de la mezcla gaseosa enfriada 1547 de manera que la turbina 1504 no operaría tan eficientemente como operaría la turbina 1504 cuando la mezcla gaseosa enfriada 1547 se encuentra cerca de la temperatura máxima que de otra manera ocasionaría daños a la turbina 1504. El compresor 1526 también puedo operarse utilizando un motor eléctrico energizado por el sistema eléctrico del sistema de motor supcr-turbosobrealimentado 1500. Un motor eléctrico 1520 también puede controlarse por medio del controlador 1527 para suministrar la cantidad correcta de gas comprimido 1522 do manera que no se requiere la válvula 1584.

El sistema de motor super- 1 u rbosobreal imen t aclo 1500 ilustrado en las Figuras 15A y 15B, así como las otias modalidades descritas en la presente, son únicas en que utilizan gas comprimido tal como el gas comprimido 1522 com refrigerante. Los gases comprimidos normalmente no se consideran un refrigerante efectivo debido a que las propiedades de los gases comprimidos no son especialmente efectivas como refrigerantes. Normalmente se consideran refrigerantes efectivos los líquidos tal como agua y combustible líquido. Sin embargo, el uso de un gas • comprimido proporciona el oxígeno y el medio refrigerante para enfriar los gases de exhaustación calientes. Aunque se necesita una gran cantidad de aire comprimido para enfriar, se utiliza un flujo másico adicional para operar la turbina 1504 a niveles de energía más altos. Además, se impide la sobrevelocidad de la turbina 1504 transmitiendo la energía adicional de nuevo ya sea al cigüeñal del motor o al tren de propulsión de un vehículo.

La Figura 16 es una ilustración esquemática de otra modalidad de un sistema de motor super-turbosobrealimen tado de ignición por chispa de alta eficiencia 1600. Como se muestra en la Figura 16, el sistema de motor super- turbosobrealimentado 1600 incluye un motor que tiene un super-turbosobrealimentador . El super-turbosobrealimentador incluye una turbina 1604 y un compresor 1606. El compresor 1606 comprime el aire suministrado por la entrada de aire 1610 para producir el aire comprimido 1674 en el conducto 1616. El interenfriador 1618 enfría el aire comprimido para producir el aire comprimido 1622 en el conducto de aire comprimido 1620, que se suministra al colector de admisión (no mostrado) del motor 1602. La válvula de realimentación 1664 está instalada en el conducto 16.16 y suministra el aire comprimido 1674 a la cámara mezcladora 1640. Las aberturas 1638 permiten el flujo del aire comprimido 1674 hacia el conducto de salida 1682 del convertidor de NO:< para mezclarse con la mezcla gaseosa convertida de N0X 1632. Los gases de exhaustación del colector de gases de exhaustación 1644 pueden fluir hacia el convertidor de NOx en el conducto de entrada 1646 del convertidor de ??? . El convertidor de NOx 1648 convierte los gases de exhaustación para reducir los gases de NOx y suministra la mezcla gaseosa convertida de NOx 1632 al conducto de salida 1682 del convertidor de NOx . La mezcla gaseosa 1630 fluye hacia el convertidor de NOK 1648 que convierte los gases de NOx. La mezcla gaseosa convertida de NOv 1632 fluye entonces hacia el conducto de salida 1682 del convertidor de NOx . El detector de oxigeno L6bb supervisa el nivel de oxigeno de la mezcla gaseosa convertido de NOx 1632 y genera la señal de detector de O- 1668 que envía al controlador 1680. El controlador 1680 genera una señal de válvula mezcladora de controlador 1660 para operar la válvula de realimentación 1664 para suministrar el aire comprimido 1674 al conducto de salida 1682 del convertidor de NOx para mezclarse con la mezcla gaseosa convertida de NO ; 1632. El aire comprimido 1674 que se suministra al conducto de salida 1682 del convertidor de N0X por medio de la válvula de realimentación 1664 proporciona oxigeno asi como gases ref igerantes que se mezclan con la mezcla gaseosa convertida de ??? 1632 para crear la mezcla gaseosa enfriada 1636. La mezcla gaseosa enfriada 1636 fluye hacia el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1686 que oxida los hidrocarburos y el monóxido de carbono presentes en la mezcla gaseosa enfriada 1636. El detector de temperatura 1684 supervisa la temperatura de la mezcla gaseosa convertida de hidrocarburo/monóxido de carbono 1634 que sale del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1686 y genera una señal de temperatura de mezcla gaseosa 1662 que se suministra al controlador 1680. El controlador 1680, en respuesta, genera una señal de válvula mezcladora do controlador 1660 que controla a la válvula de realimentación 1664 para suministrar aire comprimido 1674 adicional a la mezcla gaseosa enfriada 1636 si la temperatura de la mezcla gaseosa en la salida del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1686 está alcanzando una temperatura que dañaría la turbina 1604. La mezcla gaseosa convertida cío hidrocarburo/monóxido de carbono 1634 se suministra a l<.t turbina 1604, para impulsar la turbina 1604. La mezcla gaseosa convertida de hidrocarburo/monóxido ele carbono 1631 se expulsa entonces de la turbina 1604 a través del escapo 1612. El detector de 02 1666 también supervisa el nivel «Jo oxígeno en la mezcla gaseosa convertida de N0X 1632 y genera la señal de detector de 0: 1668 que se alimenta al controlador 1680. El controlador 1680 también utiliza la señal de detector de 0; 1668 para controlar la válvula :le realimentación 1664 por medio de la señal de válvula mezcladora ele controlador 1660 para asegurar que exista suficiente oxigeno presente en la mezcla gaseosa enfriada 1636 para oxidar completamente los hidrocarburos y el monóxido de carbono presentes en la mezcla gaseosa convertida de NOx 1632. Por tanto, el controlador 1680 funciona para controlar la válvula de realimentación 1664 para proporcionar tanto el oxígeno suficiente para asegurar la completa oxidación de los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1686 como los gases refrigerantes suficientes para enfriar la mezcla gaseosa enfriada 1636 de manera que no ocurra un daño a la turbina 1604. De esta manera, la mezcla gaseosa convertida ele hidrocarburo/monóxido de carbono 1634 mantiene una temperatura que no daña la turbina 1604 mientras todos los hidrocarburos y el monóxido de carbono se han oxidado en eL convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1686.

La Figura 16 también ilustra un conducto 164/ opcional que tiene una válvula mezcladora 1624. La válvula mezcladora 1624 se opera por el controlador 1680 a través del uso de una señal de válvula de realimentación de controlador 1670. Como se ilustra en la Figura 16, el aire comprimido 1626 puede proporcionarse opcionalmente a la cámara mezcladora 1628 para agregar oxigeno y gases refrigerantes a la mezcla gaseosa 1630 más que, o además ele, el aire comprimido 1674 agregado en la cámara mezcladora 1640. De esta manera, puede agregarse una cantidad adicional ele aire comprimido 1626 tanto para el enfriamiento como para la oxidación de los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1686. En ese aspecto, el conducto 1642 simplemente muestra una ubicación alternativa para agregar el gas comprimido.

Alternativamente, el convertidor de NO:< 1648 puede comprender un convertidor de tres vías. En ese caso, el aire comprimido 1626 suministra cierta cantidad de oxigeno que permitiría la oxidación de parte ele los hidrocarburos y el monóxido d<j carbono en un convertidor de tres vías 1648 de manera que no necesariamente tocios los hidrocarburos y el monóxido de carbono tienen que oxidarse en el convertidor do hidrocarburo/monóxido de carbono 1686. Por ejemplo, si la mezcla gaseosa 1630 es una mezcla ele comí, astible muy enriquecida, tal como la mezcla ele combustible sobre enriquecida al 30 por ciento, debe oxidarse una gran cantidad de hidrocarburos y monóxido de carbono. En ese caso el convertidor de hidrocarburos /monóxido de carbono 1686 podría sobrecalentarse y una cantidad suficiente del aire comprimido 1674 puede no tener la capacidad de proporcionar suficiente enfriamiento para disminuir la temperatura de la mezcla gaseosa convertida de hidrocarburo/monóxido de carbono 1634 a una temperatura que evitaría que se dañara la turbina 1604. En este caso, parte de los hidrocarburos y el monóxido de carbono se oxida en un convertidor de tres vías 1648 de manera que no toda la oxidación tiene que ocurrir en el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1686.

La Figura 17 es una ilustración esquemática de un sistema de motor super- turbosobrealimentado de ignición por chispa de alta eficiencia 1700. El sistema de motor super-turbosobrealimentado 1700 incluye un motor 1702 que tiene un super-turbosobrealimentador . El super- turbosobrealimentador incluye una turbina 1704 y un compresor 1706. El sistema de motor super-turbosobrealimentado 1700 es similar al sistema de motor super-turbosobrealimentado 1600 de la Figura 16 retirando el conducto 1642, la válvula mezcladora 1624 y la cámara mezcladora 1628. Como se ilustra en la Figura 17, el compresor 1706 genera una fuente de aire comprimido J766 proveniente del aire suministrado por la entrada de aire 1712. El aire comprimido 1766 se suministra al conducto 1778. El aire comprimido 1766 fluye a través del interenfriador 1730 que enfría el aire comprimido 1766 para crear aire comprimido enfriado 1764 en el conducto de air<; comprimido 1732 que está acoplado al colector de admisión (n mostrado) del motor 1702. Los gases de exhaustación 1714 emitidos por el colector de gases de exhaustación 1744 fluyen hacia el conducto de entrada 1746 del convertidor de NOv. Los gases de exhaustación 1714 fluyen entonces desde el conducto de entrada 1746 del convertidor de NOv hacia el convertidor de NOx 1748, que convierte los gases de NO¾ para producir los gases de exhaustación convertidos de ??? 1716 en el conducto de salida 1742 del convertidor de NOv. El motor 1702 puede dejarse operar enriquecido durante condiciones de regulador abierto y otras condiciones de operación enriquecida, lo cual permite que el convertidor de NOx 1748 opere efectivamente y permite al motor 1702 generar una cantidad menor de gases de NOx en las cámaras de combustión del motor 1702. El detector de oxigeno 1750 supervisa ! nivel de oxigeno de los gases de exhaustación convertidos d NOx 1716 y genera una señal de detector de O; 1752 que s alimenta al controlador 1770 que indica la cantidad oxigeno presente en los gases de exhaustación convertidos d" ??? 1716. Debe suministrarse una cantidad de oxí. cj i i ) suficiente a los gases de exhaustación convertidos de NL:.: 1716 para asegurar que se oxiden todos los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el convertidor d>? hidrocarburo/monóxido de carbono 1738. El controlador 1770 genera una señal de válvula de realimentación de controla' lo ·; 1760 que controla la cantidad de aire comprimido 1766 quo ss aplica a la cámara mezcladora 1736. El aire comprimido 1766 fluye a través de las aberturas 1734 y se mezcla con los gases de exhaustación convertidos de NO* 1716 para crear una mezcla gaseosa 1720. El detector de temperatura 1740 supervisa la temperatura de la mezcla gaseosa convertida de hidrocarburo/monóxido de carbono 1722 en la salida del convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1738 y genera una señal de temperatura de mezcla gaseosa 1756 que se aplica al controlador 1770. El controlador 1770 lee la señal de temperatura de mezcla gaseosa 1756 y controla la válvula de realimentación 1758 a través de la señal de válvula de realimentación de controlador 1760 para abrir y cerrar la válvula de realimentación 1758 para mantener la temperatura de la mezcla gaseosa convertida de hidrocarburo/monóxido do carbono 1722 a una temperatura que no ocasione daños a la turbina 1704. Como se indicó anteriormen e, temperaturas en el rango de 900°C a 950°C, las cuales se encuentran justo por debajo de la temperatura a la cual se ocasionarían daños a la turbina 1704, permiten gran extracción de energía por medio de la turbina 1704 a partir de la mezcla gaseosa convertida de hidrocarburo/monóxido de carbono 1722. La mezcla gaseosa convertida de hidrocarburo/monóxido de carbono 1722 se suministra a la turbina 1704 para impulsar la turbina 1704. La mezcla gaseosa convertida de hidrocarburo/monóxido de carbono 1722 se expulsa entonces desde la turbina 1704 a través del escape 1710.

La Figura 18 es una vista seccionada de una modalidad de un convertidor catalítico dual 1800. Como se muestra en la Figura 18, el convertidor catalítico dual 1800 tiene una entrada 1802 en la cual se insertan mezclas gaseosas, tales como los gases de exhaustación que incluyen óxido de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos, en la etapa inicial del convertidor catalítico dual 1800, que comprende la sección de convertidor de NOx 1804. El convertidor de NOx 1804 reduce inicialmente los gases de NOx en la mezcla gaseosa que se aplica al convertidor catalítico 1800. Se suministra aire ambiente por medio de uno de los compresores ilustrados en las diversas modalidades descritas anteriormente a la válvula 1814 que controla la cantidad do aire que se aplica al conducto 1812. El conducto 1812 se conecta a la cámara mezcladora 1806 que mezcla los gases convertidos de ???, provenientes de la sección de convertidor de ??? 1804, con el aire ambiente. El aire ambiente contieno una cantidad suficiente de oxígeno para ocasionar la oxidación de los hidrocarburos y el monóxido de carbono en la sección de convertidor de hidrocarburo/rrtonóxiclo de carbono 1808. Los gases convertidos fluyen entonces hacia la salida 1810.

La ventaja del convertidor catalítico 1800, ilustrado en la Figura 18, es que no tiene que proporciona se una mezcla estequiométrica de gases a la entrada 1802. De hecho, una mezcla gaseosa de combustible enriquecida ayuda a permitir que la sección de convertidor de N0X 1804 opere más efectivamente. La adición de oxigeno a la cámara mezcladora 1806 permite la oxidación casi completa de los hidrocarburos y el monóxido de carbono en el convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1808. De esta manera los gases convertidos en la salida 1810 son extremadamente bajos en contaminantes. El convertidor catalítico dual 1800 normalmente no se opera de la manera en que se inserta una mezcla rica de combustible en la entrada 1802 debido a que el calor creado en la oxidación de una mezcla rica de combustible normalmente no puede recuperarse. Sin embargo, el uso de un convertidor catalítico dual .1800 permj te recapturar el calor generado en la sección de convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono 1808 debido a que los gases de exhaustación se enfrían a una temperatura casi óptima, con un flujo másico incrementado en la turbina que recaptura í,i energía térmica. En otras palabras, el convertidor catalítico dual 1800, así como los dos convertidores 17489, 1738 ilustrados en la Figura 17 y los dos convertidores 1648, 1686 ilustrados en la Figura 16, permite una reducción efectiva de contaminantes, mientras que no reduce la eficiencia de los sistemas de motor, debido a que el calor generado se recaptura en las incrementadas tempera uras y e.l. incrementado flujo másico de los gases de exhaustación que entran a las turbinas. Además, la capacidad de utilizar una mezcla rica de combustible para operar un motor permite que las partes internas del motor se enfrien por medio del combustible lo cual incrementa la longevidad del motor. Además, la mezcla rica de combustible, que se aplica inicialmente a un convertidor de ???, permite que el convertidor de NOx funcione mejor. La capacidad para agregar oxigeno adicional al convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono, más que una mezcla estequiomé trica , permite la completa oxidación de los hidrocarburos y el monóxido de carbono de manera que los gases de exhaustación tienen menos contaminantes que los convertidores catalíticos de tres vías estándar. Por supuesto, el convertidor catalítico dual 1800 puede utilizarse en las modalidades de las Figuras 15A, 15B, 16 y 17.

La descripción anterior de la invención se Im presentado para propósitos de ilustración y descripción. Ésta no pretende ser exhaustiva ni limitar la invención a 1 i forma precisa expuesta, y pueden ser posibles otras modificaciones y variaciones teniendo en cuenta las enseñanzas anteriores. La modalidad se seleccionó y s describió a fin de explicar mejor los principios de la invención y su aplicación práctica para permitir así a otro.; expertos en la técnica utilizar mejor la invención en diversas modalidades y diversas modificaciones según se adecúen al uso particular contemplado. Se pretende que las reivindicaciones anexas se interpreten incluyendo otras modalidades alternativas de la invención excepto en lo que se limite por la técnica anterior.

Claims

REI INDICACIONES

1. Un método para mejorar el desempeño de un sistema de motor que tiene un super-turbosobrealimentado , teniendo dicho sistema de motor un motor que opera con una mezcla rica de combustible, que comprende: generar una cantidad de aire comprimido proveniente de un compresor en respuesta a una señal de control; mezclar dicha cantidad de dicho aire comprimido con gases de exhaustación provenientes de dicho motor para producir una mezcla gaseosa de dichos gases de exhaustación y dicho aire comprimido; suministrar dicha mezcla gaseosa a un convertidor catalítico; detectar los niveles de oxigeno de dicha mezcla gaseosa que se introduce a dicho convertidor catalítico; detectar dichos niveles de temperatura de dicha mezcla gaseosa que sale de dicho convertidor catalítico; ajustar dicha cantidad de aire comprimido, en respuesta a dichos niveles de oxígeno, para proporcionar una cantidad suficiente de dicho aire comprimido para oxidar sustancialmente los hidrocarburos y el monóxido de carbono presentes en dicha mezcla gaseosa en dicho convertidor catalítico, mientras se mantiene un nivel de temperatura predeterminado sustancialmente óptimo de dicha mezcla gaseosa; suministrar dicha mezcla gaseosa a una turbina de dicho super-turbosobrealimentador para impulsar dicho super-turbosobrealimen ador .

2. El método de la reivindicación 1, en donde dicho nivel de temperatura predeterminado sustancialmente óptimo es un nivel de temperatura que no dañará dicha turbina .

3. El método de la reivindicación 1, en donde dicho nivel de temperatura predeterminado sustancialmente óptimo es de aproximadamente 950°C.

4. El método de la reivindicación 1, en donde dicho compresor es un compresor utilizado por dicho super-turbosobrealimentador .

5. El método de la reivindicación 1, en donde dicho compresor es un compresor adicional eléctricamente impulsado .

6. El método de la reivindicación 1, en donde dicho compresor es un compresor adicional mecánicamente impulsado que se acopla mecánicamen e a dicho super-turbosobrealimentador .

7. Un sistema de motor que opera con una mezcle) rica de combustible, que comprende: un super-turbosobrealimentador que tiene una turbina y un compresor; un compresor adicional que suministra una cantidad de aire comprimido en respuesta a una señal de control; una cámara mezcladora que mezcla los gases de exhaustacion provenientes de dicho sistema de motor con dicha cantidad de aire comprimido para producir una mezcla gaseosa de dichos gases de exhaustacion y dicho aire comprimido; un convertidor catalítico acoplado a dicha cámara mezcladora que recibe dicha mezcla gaseosa; un detector ele oxígeno que detecta los niveles de oxígeno de dicha mezcla gaseosa que se introduce a dicho convertidor catalítico y genera una señal del detector de oxígeno; un detector de temperatura que detecta dichos niveles de temperatura de dicha mezcla gaseosa que sale de dicho convertidor catalítico y genera una señal del detector de temperatura; un controlados que genera dicha señal de control en respuesta a dicha señal del detector ele oxígeno y a dicha señal del detector de temperatura ele manera que dicha cantidad de aire comprimido suministrado por dicho compresor adicional a dicho convertidor catalítico es suficiente para que dicho convertidor catalítico oxide sustancialmente los hidrocarburos y el monóxido de carbono en dicha mezcla gaseosa mientras mantiene un nivel de temperatura predeterminado sustancialmente óptimo de dicha mezcla gaseosa que sale de dicho convertidor catalítico; suminis rar dicha mezcla gaseosa a dicha turbina para impulsar dicho super-turbosobrealimentador .

8. El sistema de motor de la reivindicación 7, en donde dicho nivel de temperatura predeterminado sustancialmente óptimo es un nivel de temperatura menor que la temperatura que dañaría dicha turbina.

9. El sistema de motor de la reivindicación 7, en donde dicho nivel de temperatura predeterminado sustancialmente óptimo es de aproximadamente 950°C.

10. El sistema de motor de la reivindicación 7, en donde dicho nivel de temperatura predeterminado sustancialmente óptimo se encuentra dentro de aproximadamente 100°C menos que el nivel de temperatura que dañaría dicha turbina .

11. EL sistema de motor de la reivindicación 7, en donde dicho compresor adicional es un compresor eléctricamente impulsado.

12. El sistema de motor de la reivindicación 7, en donde dicho compresor adicional es un compresor mecánicamen e impulsado que tiene una transmisión variable mecánicamente acoplada a dicha turbina y controlado por dicho controlaclor .

13. El sistema de motor de la reivindicación 8, en donde dicho compresor adicional es un compresor eléctricamente impulsado.

14. El sistema de motor de la reivindicación 8, en donde dicho compresor adicional es en compresor mecánicamente impulsado que tiene una transmisión variable mecánicamente acoplada a dicha turbina y controlado por dicho controiador.

15. Un método para mejorar el desempeño de un sistema de motor que tiene un super- t urbosobrea 1 imen ador , que comprende: proporcionar un convertidor catalítico que recibe gases de exhaustación provenientes de dicho sistema de motor y produce una reacción exotérmica que agrega calor a dichos gases de exhaustación para generar gases de exhaustación calientes convertidos, en una salida de dicho convertidor catalítico; proporcionar aire comprimido proveniente de un compreso ; mezclar una porción de dicho aire comprimido con dichos gases de exhaustación calientes convertidos provenientes de dicho convertidor catalítico para crear un 3 mezcla gaseosa que tiene una temperatura que no excede una temperatura máxima prede erminada a fin de evitar daños a dicha turbina de dicho super- turbosobrea limen ador ; impulsar dicha turbina con dicha mezcla gaseosa; transferir el exceso de energía mecánica rotacional de turbina proveniente de dicha turbina a un tren d propulsión que de otra manera ocasionaría que dicha turbina girara a una velocidad que causaría daño a dicho compresor.

16. El método de la reivindicación 15, que comprende además: transferir la energía mecánica rotacional del tren de propulsión proveniente de dicho tren de propulsión a dicho compresor para reducir el turbo-retraso.

17. El método de la reivindicación 15, en donde dicho proceso de proporcionar aire comprimido comprende además : proporcionar aire comprimido proveniente de un compresor de dicho super-turbosobrealimentador .

18. El método de la reivindicación 15, en donde dicho proceso de proporcionar aire comprimido comprende además : proporcionar el aire comprimido proveniente de un compresor adicional que no es un compresor de dicho super-turbosobrealimentador que proporciona aire comprimido para dicho sistema de motor.

19. Un método para mejorar el desempeño de un sistema de motor super-turbosobrealimentaclo, que comprende: proporcionar un motor; proporcionar un convertidor catalítico conectado i una salida de escape próxima a dicho motor que recibe los gases de exhaustación de motor provenientes de dicho motor que activan una reacción exotérmica en dicho convertidor catalítico lo cual agrega energía adicional a dichos gases de - L29 - exhaustacion de motor y produce gases de exhaustacion de convertidor catalítico en una salida de dicho convertidor catalítico que son más calientes que dichos gases de exhaustacion de motor; proporcionar un flujo de aire comprimido a una entrada de aire de dicho motor; proporcionar un flujo de aire comprimido adicional; mezclar dicho aire comprimido adicional con dichos gases de exhaustacion del convertidor catalítico corriente abajo de dicho convertidor catalítico para producir una mezcla gaseosa de dichos gases de exhaustacion del convertidor catalítico y dicho aire comprimido adicional; generar una señal de control para regular dicho flujo de dicho aire comprimido adicional hacia dicha cámara mezcladora para mantener dicha mezcla gaseosa por debajo de una temperatura máxima; suministrar dicha mezcla gaseosa a una turbina que produce energía mecánica rotacional de turbina en respuesta al flujo de dicha mezcla gaseosa; transmitir dicha energía mecánica rotacional de turbina proveniente de dicha turbina a dicho compresor que utiliza dicha energía mecánica rotacional de turbina para comprimir una fuente de aire para producir dicho aire comprimido cuando dicho flujo de dicha mezcla gaseosa a través de dicha turbina es suficiente para impulsar dicho compresor ; extraer al menos una porción de dicha energía mecánica rotacional de turbina proveniente de dicha turbina y aplicar dicha porción de dicha energía mecánica rotacional de 5 turbina a un tren de propulsión cuando dicha porción de dicha energía mecánica rotacional de turbina proveniente de dicha turbina no es necesaria para operar dicho compresor; proporcionar la energía mecánica rotacional del tren de propulsión proveniente de dicho tren de propulsión a 10 dicho compresor para evitar el turbo-retraso cuando dicho flujo de dicha mezcla gaseosa a través de dicha turbina no es suficiente para impulsar dicho compresor.

20. El método de la reivindicación 19, en donde dicha temperatura máxima de dicha mezcla gaseosa se encuentra 15 por debajo de una temperatura a la cual de otra manera dicha mezcla gaseosa ocasionaría daños a dicha turbina.

21. El método de la rei indicación 20, en donde-1 dicha temperatura máxima de dicha mezcla gaseosa se encuentra por debajo de aproximadamente 950°C. ¿0

22. El método de la reivindicación 20, en donde dicha eficiencia de dicho motor se mejora al no utilizar una compuerta de residuos para expulsar el exceso de gases Je dicha mezcla gaseosa.

23. El método de la reivindicación 22, en donde 25 dicho proceso de extraer el exceso de energía mecánica rotacional de turbina proveniente de dicha turbina y proporcionar la energía mecánica rotacional del tren de propulsión proveniente de dicho tren de propulsión a dicho compresor, comprende: utilizar una transmisión que acopla dicho exceso de energía mecánica rotacional de turbina y dicha energía mecánica rotacional del tren de propulsión entre dicho tren de propulsión y un eje que conecta dicha turbina y dicho compresor .

24. El método de la reivindicación 23, en donde dicho proceso de mezclar dicho aire comprimido adicional con dichos gases de exhaustación del convertidor catalítico, comprende : proporcionar una cámara mezcladora que tiene al menos una abertura en un conducto de escape conectado a un conducto de aire comprimido a fin de que dicho airo comprimido adicional fluya a través de dicha al menos una abertura y se mezcle con dichos gases de exhaustación más calientes en dicho conducto de escape.

25. El método de la reivindicación 19, en donde dicho proceso de proporcionar un flujo de aire comprimido adicional, comprende: proporcionar un flujo de aire comprimido adicional proveniente de un compresor que proporciona dicho flujo de aire comprimido a dicha entrada de aire de dicho motor. - 1.32 -

26. El método de la reivindicación 19, en donde dicho proceso de proporcionar un flujo de aire comprimido adicional, comprende: proporcionar un flujo de aire comprimido adicional proveniente de un compresor que no proporciona dicho flujo de aire comprimido a dicha entrada de aire de dicho motor.

27. Un motor super-turbosobrealimentado que comprende : un motor; un convertidor catalítico conectado a un conducto de escape próximo a la salida de escape de dicho motor de ral manera que los gases de exhaustación calientes provenientes de dicho motor ¦ activan una reacción exotérmica en dich convertidor catalítico que agrega energía a dichos gases d-; exhaustación calientes y produce gases ele exhaustación convertidos ; un compresor conectado a una fuente de aire que proporciona el aire comprimido que se aplica a una entrada de aire de dicho motor; un compresor adicional que proporciona una cantidad de aire comprimido adicional que tiene una presión mayor cincel nivel de presión de dichos gases de exhaustación; un conducto que suministra dicho aire comprimido adicional a dichos gases de exhaustación convertidos, d-manera que dicho aire comprimido adicional se mezcla cor dichos gases de exhaus tación convertidos para producir una mezcla gaseosa; una turbina mecánicamen e acoplada a dicho compresor y que genera energía mecánica rotacional de turbina a partir de dicha mezcla gaseosa; un controlador que genera una señal de control que regula dicha cantidad de dicho aire comprimido adicional para mantener dicha mezcla gaseosa por debajo de una temperatura máxima ; una transmisión que proporciona energía mecánica rotacional del tren de propulsión proveniente del tren de propulsión a dicho compresor para reducir el turbo-retraso cuando dicho flujo de dicho escape a través de dicha turbina no es suficiente para impulsar dicho compresor a un nivel de presión de sobrealimentación deseado, y que extrae el exceso de energía mecánica rotacional de turbina proveniente le dicha turbina para mantener las velocidades rotacionales di dicho compresor por debajo de una velocidad rotacional rnáxim. i predeterminada a la cual ocurriría un daño a dicho compresor.

28. El sistema de motor de la reivindicación 27, en donde dicho compresor adicional es un compresor eléctrico.

29. El sistema de motor de la reivindicación 27, en donde dicho compresor adicional es un compresor mecánico acoplado a una transmisión variable que está mecánicamente acoplada a dicha turbina y controlada por dicho controlador.

30. Un método para incrementar el desempeño de un sistema de motor de pistones que tiene un super-turbosobrealimentado : aplicando gases de exhaustación provenientes de dicho sistema de motor de pistones a un convertidor de N0X, que convierte dichos gases de exhaustación para producir gases de 0X convertidos; generando una cantidad de aire comprimido proveniente de un compresor en respuesta a una señal de control; mezclando dicha cantidad de dicho aire comprimido con dichos gases de ??? convertidos para producir una mezcla gaseosa de dichos gases de NOy convertidos y dicho airo comprimido ; suministrando dicha mezcla gaseosa a un convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono para producir gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos; detectando dicho nivel de temperatura de dichos gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos; a ustando dicha cantidad de aire comprimido para ajustar dicho nivel de temperatura de dichos gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos a un nivel de temperatura deseado.

31. El método de la reivindicación 30, en donde dicho nivel de temperatura deseado es un nivel de temperatura que no dañará dicha turbina.

32. El método de la reivindicación 30, en donde dicho proceso de mezclar dicha cantidad de aire comprimido con dichos gases convertidos, comprende: mezclar dicha cantidad de aire comprimido que es suficiente para oxidar de manera sustancialmente completa los hidrocarburos y el monóxido de carbono en dichos gases de NO;< convertidos .

33. Un método para incrementar el desempeño de un sistema de motor de pistones que tiene un super-turbosobrealimentador: aplicando los gases de exhaus tación provenientes de dicho sistema de motor de pistones a un convertidor de NOx, que convierte dichos gases de exhaustacíón para producir gases de N0X convertidos; generando una primera cantidad de aire comprimido; mezclando dicha primera cantidad de dicho ai re comprimido con dichos gases de ??? convertidos para producir una primera mezcla gaseosa de dichos gases de MOv convertidos y dicho aire comprimido; suministrando dicha primera mezcla gaseosa a un convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono para producir gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos; generando una segunda cantidad de aire comprimido; mezclado dicha segunda cantidad de aire comprimido con dichos gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos para enfriar dichos gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos a una temperatura deseada para producir gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos enfriados; impulsando una turbina de dicho super-turbosobrealimentador con dichos gases de hidrocarburo/monóxido de carbono convertidos enfriados.

34. El método de la reivindicación 33, en donde dicha temperatura deseada es una temperatura que no dañará dicha turbina.

35. El método de la reivindicación 33, en donde dicha primera cantidad de aire comprimido es una cantidad que permitirá que dicho convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono oxide de manera sustancialmen te completa 1O:Í hidrocarburos y el rnonóxido de carbono en dichos gases de NOy convertidos .

36. Un sistema de motor super-turbosobrealimentadc que comprende: un motor de pistones que genera gases de exha ustación ; un convertidor de N0X acoplado para recibir dichos gases de exhaustación y producir gases de ??? convertidos; un compresor conectado a una fuente de aire que proporciona el aire comprimido que se aplica a una entrada de - J 37 - aire de dicho motor; una válvula de realimentación que suministra una porción de dicho aire comprimido que se mezcla con dichos gases de N0X convertidos para producir una mezcla gaseosa; un convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono conectado para recibir dicha mezcla gaseosa y oxidar los hidrocarburos y el rnonóxido de carbono en dicha mezcla gaseosa para producir una mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida; una turbina acoplada para recibir dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono y generar energía mecánica rotacional de turbina a partir de dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida.

37. El sistema de motor super-turbosobrealiment clo de la reivindicación 36, que comprende además: un controlador que genera una señal de control que regula dicha cantidad de dicho aire comprimido para mantener dicha mezcla gaseosa por debajo de una temperatura máxima.

38. El sistema de motor supe r- t u rbosob rea 1 i raen tado de la reivindicación 37, que comprende además: una transmisión que extrae el exceso de enerqj mecánica rotacional de turbina proveniente de dicha turbina y convierte dicho exceso de energía mecánica rotacional c 1 turbina en energía mecánica rotacional del tren d ' propulsión .

39. El sistema de motor super-turbosobrealimentado de la reivindicación 36, en donde dicha porción de dicho aire comprimido es suficiente para ocasionar que dichos hidrocarburos y monóxido de carbono se oxiden de manera sustancialmente completa en dicho convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono.

40. El sistema de motor super-turbosobrealimentado de la reivindicación 36, en donde dicha porción de dicho aire comprimido es suficiente para enfriar dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida a una temperatura deseada .

41. El sistema de motor super-turbosobrealimentado de la reivindicación 39, en donde dicha porción de dicho aire comprimido es suficiente para enfriar dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida a una tempe atu a deseada .

42. El sistema de motor super-turbosobrealimentado de la reivindicación 38, en donde dicha transmisión proporciona energía mecánica rotacional del tren do propulsión proveniente de un tren de propulsión a dicho compresor para reducir el turbo-retraso cuando dicho flujo de dicho escape a través de dicha turbina no es suficiente p ra impulsar dicho compresor a un nivel de presión de sobrealimentación deseado.

43. El sistema de motor super-turbosobrealimentado de la reivindicación 38, en donde dicha transmisión extrae el exceso de energía mecánica rotacional de turbina proveniente de dicha turbina para mantener las velocidades rotacionales de dicho compresor para impulsar dicho compresor a un nivel de presión de sobrealimentación deseado.

44. El sistema de motor super-turbosobrealimentaclo de la reivindicación 38, en donde dicha transmisión extrae el exceso de energía mecánica rotacional de turbina proveniente de dicha turbina para mantener las velocidades rotacionales de dicho compresor por debajo de una velocidad rotacional máxima predeterminada a la cual ocurrirían daños a dicho compresor .

45. El sistema de motor super-turbosobrealimentaclo de la reivindicación 38, en donde dicha transmisión proporciona energía mecánica rotacional del tren de propulsión proveniente de un tren de propulsión a dicho compresor para impulsar dicho compresor a un nivel de presión de sobrealimentación deseado cuando dicho flujo de dicho escape a través de dicha turbina no es suficiente.

46. El sistema de motor super-turbosobreal imentado de la reivindicación 45, en donde dicha válvula de realimentación permite que dicha porción de dicho aire comprimido se mezcle con dichos gases de NOv convertidos para evitar la sobrecarga y alcanzar un nivel de presión de sobrealimentación deseado cuando dicho flujo de aire - MO - comprimido a través de dicho compresor ocasionaría de otra manera la sobrecarga en dicho compresor.

47. El sistema de motor super-turbosobrealimentado de la reivindicación 36, que comprende además: 5 otra válvula de realimen ación que suministra otra porción de dicho aire comprimido que se mezcla con dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono para enfriar dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono a un nivel de temperatura por debajo de un nivel de 10 temperatura máximo que ocasionaría daños a dicha turbina.

48. Un sistema de motor super-turbosobrealimen ado que comprende: un motor de pistones que genera gases de exhaustacion; 15 un convertidor de NO-/ acoplado para recibir dichos gases de exhaustacion y producir gases de N0X convertidos; un compresor que genera una fuente de aire comprimido ; un conducto que suministra dicho aire comprimido a ¿0 dichos gases de MOx convertidos de manera que dichos gases de ??? convertidos se mezclan con dicho aire comprimido para producir una mezcla gaseosa; un convertidor de hidrocarburo/monóxido de carbono acoplado para recibir dicha mezcla gaseosa y oxidar los 25 hidrocarburos y el monóxido de carbono presentes en dicha mezcla gaseosa para producir una mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida; una turbina acoplada para recibir dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono y para generar energía mecánica rotacional de turbina a partir de dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida .

49. El sistema de motor super- turbosobrea limen tado de la reivindicación 48, que comprende además: un controlador que genera una señal de control que regula dicha cantidad de dicho aire comprimido para mantener dicha mezcla gaseosa por debajo de una temperatura máxima.

50. El sistema de motor super-turbosobrealimentado de la reivindicación 48, que comprende además: una transmisión que extrae el exceso de energía mecánica rotacional de turbina proveniente de dicha turbina y la convierte en energía mecánica rotacional del tren de propulsión .

51. El sistema de motor super-turbosobrealimentaclo de la reivindicación 48, en donde dicho aire comprimido es suficiente para ocasionar que dichos hidrocarburos y monóxido de carbono se oxiden de manera sustancialmente completa c-n dicho convertidor de hidrocarburo/monóxido de ca bono.

52. El sistema de motor super-turbosobrealimentado de la reivindicación 48, en donde dicho aire comprimido es suficiente para enfriar dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida a una tempera u a deseada .

53. El sistema de motor super-turbosobrealimentado de la rei indicación 51, en done dicho aire comprimido es suficiente para enfriar dicha mezcla gaseosa de hidrocarburo/monóxido de carbono convertida a una tempera ura deseada .