Turbocompresor con control pasivo.

Dispositivo de control de flujo para un turbocompresor, comprendiendo el dispositivo de control de flujo un reductor de flujo de reducción variable

(1) para reducir una cantidad variable de flujo en una entrada de turbocompresor, caracterizado por que el dispositivo de control de flujo está dispuesto de manera que la posición del reductor de flujo varía la reducción de flujo en respuesta a la fuerza que actúa sobre una superficie de reductor de flujo causada por impulsiones de presión de gas de escape en una dirección de flujo, comprendiendo el dispositivo de control de flujo un componente de empuje dispuesto para empujar el reductor de flujo en una dirección opuesta a la dirección de flujo, de manera que, en uso, el reductor de flujo oscila de manera sustancialmente sincronizada con las impulsiones de presión de gas de escape.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2008/001377.

Solicitante: IMPERIAL INNOVATIONS LIMITED.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: 52 Princes Gate Exhibition Road London SW7 2PG REINO UNIDO.

Inventor/es: MARTINEZ-BOTAS,RICARDO, RAJOO,SRITHAR, PESIRIDIS,APOSTOLOS, FLORA,HARMINDER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > Regulación o control mediante variación del flujo... > F01D17/16 (obturando los inyectores)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES... > PLANTAS MOTRICES DE TURBINAS DE GAS; TOMAS DE AIRE... > Plantas motrices de turbinas de gas múltiples; Combinaciones... > F02C6/12 (Turbocompresores, es decir, plantas que aumentan la potencia mecánica de salida de los pistones de los motores de combustión interna incrementando la presión de carga)

PDF original: ES-2456046_T3.pdf

 

google+ twitter facebook

Fragmento de la descripción:

Turbocompresor con control pasivo La invención se refiere a un dispositivo de control de flujo para un turbocompresor.

El uso de turbocompresores es bien conocido en motores de combustión interna de gasolina y de diésel. Un turbocompresor presuriza una corriente de aire de admisión usando el calor y el flujo volumétrico de gas de escape que sale del motor. La corriente de aire es dirigida a una cámara de combustión del motor a través de un compresor de aire que es accionado por el flujo de gas de escape. En concreto, el gas de escape que sale del motor es encaminado a una carcasa de turbina de un turbocompresor en un modo que hace que una turbina accionada por gas de escape gire dentro de la carcasa. La turbina accionada por gas de escape está montada en un extremo de un árbol que es común a un compresor de aire radial montado en un extremo opuesto del árbol. Por tanto, la acción giratoria de la turbina también hace que el compresor de aire gire dentro de una carcasa de compresor del turbocompresor que está separada de la carcasa de escape. La acción giratoria del compresor de aire hace que el aire de admisión entre en la carcasa de compresor y sea presurizado una cantidad deseada antes de que se mezcle con combustible y se queme dentro de la cámara de combustión de motor.

La cantidad de presurización del aire de admisión se controla regulando la cantidad de gas de escape que pasa a través de la carcasa de turbina mediante una válvula de descarga y/o abriendo o cerrando de manera selectiva un canal o conducto de gas de escape a la turbina, que se desplaza a través de la carcasa de turbina. Los turbocompresores que se construyen con estos canales de gas de escape ajustables se conocen en la industria como turbinas de geometría variable (VGT) . Una VGT normalmente incluye un elemento móvil que se coloca dentro de una carcasa de turbina entre la fuente de gas de escape y la turbina. El elemento móvil es accionado desde fuera de la carcasa de turbina por un mecanismo de accionamiento adecuado para aumentar o disminuir el caudal volumétrico del gas de escape hacia la turbina como se requiere en las condiciones de funcionamiento de los motores actuales, que pueden ser, por ejemplo, velocidad del motor, carga del motor, presión de sobrealimentación (compresor) o presión diferencial a través del motor. El aumento o disminución de caudal volumétrico de gas de escape a la turbina, aumenta o disminuye, respectivamente, la presión de sobrealimentación de aire de admisión generada por el compresor montado en el extremo opuesto del árbol de turbina.

Tales VGT convencionales se han vuelto muy populares para combinar la geometría de entrada de turbina con las características de la corriente de gas de escape en todos los parámetros de funcionamiento de motor aparte del punto de diseño óptimo seleccionado para turbocompresores de geometría fija. Esto ha derivado (especialmente en combinación con sistemas de recirculación de gas de escape combinados) en una reducción de las emisiones de partículas, en una mayor sobrealimentación (especialmente a velocidades más bajas) y en unas condiciones de carga baja, derivando esto por tanto en un par motor disponible aumentado y en una aceleración mejorada en la parte inferior del entorno operativo del motor. Además, el tiempo de respuesta del turbocompresor ha mejorado de forma espectacular.

El problema es que aunque las VGT pueden alterar la geometría del turbocompresor en función de las condiciones de funcionamiento del motor, no aprovechan al máximo la energía disponible. Si se recuperara más energía durante cada periodo de proceso de escape, esto podría aumentar la cantidad de energía absorbida por la turbina y por tanto el turbocompresor podría extraer más potencia en las mismas condiciones de funcionamiento del motor.

Un avance que ha demostrado una recuperación de energía mejorada es para controlar activamente el flujo de gas de escape mediante el control de la posición del elemento móvil en un turbocompresor dependiendo de una medida de la presión de admisión de gas de escape, como se describe en el documento WO2006/061588.

Sin embargo, este control activo requiere las complicaciones añadidas de componentes de detección, circuitería de control y un dispositivo de accionamiento de consumo de energía para alterar la posición del elemento móvil. Sólo una mejora limitada en la recuperación de energía es posible antes de que el consumo de energía del dispositivo de 45 accionamiento sea mayor que cualquier recuperación de energía.

El documento US3173241 da a conocer un turbocompresor que comprende un conducto de tobera sin álabes que se extiende radialmente utilizado como una sección de mezcla en la que el flujo se puede distribuir a sí mismo de manera que se convierta en un flujo homogéneo uniforme en el momento en el que entra en los álabes de turbina giratoria. El documento WO-A-2004022924 da a conocer un turbocompresor que comprende un resorte elástico que 50 empuja el pistón hacia una posición en la que los álabes proporcionan una reducción máxima al gas de escape recibido en el conducto de entrada.

La invención se expone en las reivindicaciones.

Debido a que el dispositivo de control de flujo está dispuesto de manera que la posición del reductor de flujo varía en respuesta a la fuerza que actúa sobre una superficie del reductor de flujo causada por impulsiones de presión de 55 admisión, el control de flujo de gas de escape se proporciona de forma pasiva, en base a la oscilación natural del reductor de flujo en respuesta a las impulsiones de presión del gas de escape de entrada que impacta sobre la superficie del reductor de flujo debido a un componente de empuje opuesto. Esto reduce la necesidad de sensores y

de medios de control electrónicos en el sistema y proporciona un mejor uso de la energía disponible por parte del

turbocompresor. A continuación se describen ejemplos de la presente invención con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 es una vista despiezada de un elemento ejemplar de reducción de flujo con álabes pivotantes; La figura 2a es una vista en perspectiva de un álabe pivotante ejemplar; La figura 2b es una vista lateral del álabe pivotante de la figura 2a; La figura 3 es una vista de frente de un conjunto de corona con álabes pivotantes en una posición totalmente abierta (40 grados desde la radial) ;

La figura 4a muestra la posición relativa de álabes adyacentes en la posición A de la figura 3; La figura 4b muestra la posición relativa de álabes adyacentes en la posición B de la figura 3; La figura 5 es una vista de frente de un conjunto de corona con álabes pivotantes en una posición casi cerrada (90

grados desde la radial) ;

La figura 6a muestra la posición relativa de álabes adyacentes en el punto C de la figura 5;

La figura 6b muestra la posición relativa de álabes adyacentes en el punto D de la figura 5; La figura 7a muestra una corona de álabes pivotantes in situ con un rotor de flujo mixto; La figura 7b muestra una vista en perspectiva lateral de álabes adyacentes en el punto E de la figura 7a; La figura 7c muestra una vista en perspectiva superior de álabes adyacentes en el punto E de la figura 7a; La figura 8 muestra una disposición de amortiguación ejemplar;

La figura 9a es un gráfico que muestra la variación de la presión estática de entrada a diferentes velocidades de turbina a través del tiempo;

La figura 9b es un gráfico que muestra la variación de ángulo de álabe a diferentes frecuencias de impulsión a través del tiempo;

La figura 9c es un gráfico que muestra la variación en el área de garganta de tobera a diferentes velocidades de

turbina... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de control de flujo para un turbocompresor, comprendiendo el dispositivo de control de flujo un reductor de flujo de reducción variable (1) para reducir una cantidad variable de flujo en una entrada de 5 turbocompresor, caracterizado por que el dispositivo de control de flujo está dispuesto de manera que la posición del reductor de flujo varía la reducción de flujo en respuesta a la fuerza que actúa sobre una superficie de reductor de flujo causada por impulsiones de presión de gas de escape en una dirección de flujo, comprendiendo el dispositivo de control de flujo un componente de empuje dispuesto para empujar el reductor de flujo en una dirección opuesta a la dirección de flujo, de manera que, en uso, el reductor de flujo oscila de manera sustancialmente sincronizada con las impulsiones de presión de gas de escape.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el componente de empuje (21, 22) proporciona una fuerza variable.

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el componente de empuje (21, 22) comprende un resorte (22) .

4. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el resorte (22) tiene una rigidez variable.

5. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el componente de empuje (21, 22) conecta el reductor de flujo (1) a un componente fijo de manera que el reductor de flujo es empujado con respecto al componente fijo en respuesta a la fuerza.

6. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el reductor de flujo (1) es

empujado en una dirección sustancialmente opuesta a una dirección en la que actúa al menos un componente de impulsión de presión.

7. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuerza de empuje, empuja el reductor de flujo (1) de manera que la fuerza de empuje y las fuerzas causadas por una pluralidad de impulsiones de presión de admisión hacen que la reducción del reductor de flujo varíe de manera oscilante.

8. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el reductor de flujo (1) tiene una posición cerrada que proporciona una superficie de sección transversal de entrada de voluta de turbina minimizada y una posición abierta que proporciona una superficie de sección transversal de entrada de voluta de turbina maximizada y en el que el reductor de flujo es empujado hacia la posición cerrada para que el reductor de flujo se pueda desplazar a la posición abierta en respuesta a una fuerza predeterminada que actúa sobre el reductor

de flujo causada por la impulsión de presión de admisión.

9. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el reductor de flujo (1) comprende una pluralidad de álabes (3) pivotables entre una pluralidad de posiciones de reductor de flujo alrededor de una dirección axial.

10. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el dispositivo comprende además una pluralidad de 35 componentes de empuje conectados, respectivamente, a cada álabe (3) .

11. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende además un varillaje de álabe conectado a una pluralidad de álabes (3) estando el componente de empuje conectado al varillaje.

12. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un amortiguador (22) dispuesto para amortiguar la fuerza que actúa sobre el reductor de flujo (1) .

13. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el amortiguador (21) comprende un agitador electrodinámico.

14. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el amortiguador (21) comprende un resorte.

15. Turbocompresor que comprende un dispositivo de control de flujo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

16. Vehículo o motor que comprende un turbocompresor de acuerdo con la reivindicación 15.

17. Método de control de flujo en una entrada de turbocompresor, comprendiendo el método una reducción de flujo de un reductor de flujo de reducción variable (1) en respuesta a una fuerza que actúa sobre el reductor de flujo causada por una impulsión de presión de gas de escape, comprendiendo el método las etapas de:

aplicar una primera fuerza a una superficie del reductor de flujo en una dirección de flujo mediante la impulsión de presión;

desplazar la posición del reductor de flujo de una primera posición a una segunda posición en respuesta a una 5 primera fuerza;

cesar la aplicación de la primera fuerza en la superficie del reductor de flujo;

desplazar la posición del reductor de flujo de la segunda posición a la primera posición en respuesta al cese de la aplicación de la primera fuerza bajo un empuje aplicado por un componente de empuje en una dirección opuesta a la dirección de flujo, de manera que el reductor de flujo oscila entre las posiciones primera y segunda de manera sustancialmente sincronizada con las impulsiones de presión de gas de escape.

Pulsación 20Hz y ~ 30000rpm

Ajustes Potencia Media de Ciclo (kW) Potencia Media (kW) A Potencia Media (kW) B

Caso 1 8, 91 23, 55 1, 89

Caso 2 8, 62 21, 83 2, 24

Caso 3 8, 43 18, 36 3, 64

70 grados 8, 34 18, 47 3, 62

65 grados 8, 39 19, 91 2, 98

60 grados 8, 27 21, 34 2, 05

50 grados 8, 19 21, 98 1, 54

40 grados 8, 22 22, 41 1, 45

FIG. 10F