BRPI0713876A2 - método e aparelho de qualificação de desempenho de turbo carregador - Google Patents

Abstract

MéTODO E APARELHO DE QUALIFICAçãO DE DESEMPENHO DE TURBO CARREGADOR. A presente invenção refere-se a um método de qualificação do desempenho do turbo carregador inclui a etapa de operação de um turbo carregador em uma única condição de teste (402). Um conjunto de dados pode ser adquirido a partir de um conjunto de parâmetros operacionais do turbo carregador (404) operando na condição de teste. O conjunto de dados adquirindo pode ser comparado com um conjunto d efaixas operacionais (406) que são consideradas aceitáveis, e uma determinação pode ser feita quanto ao fato de o conjunto de ddaos estar dentro das faixas operacionais aceitáveis (408). O desempenho do turbo carregador pode então ser qualificado (412,414) com base em um resultado da determinação (410).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E APARELHO DE QUALIFICAÇÃO DE DESEMPENHO DE TURBO CAR- REGADOR".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a motores de combustão interna, incluindo, mas não limitado à caracterização de componentes de motor, es- pecificamente, a caracterização do desempenho de um turbo carregador. Antecedentes da Invenção

Existem inúmeros casos quando um desempenho de um turbo carregador pode exigir qualificação. Por exemplo, as unidades de turbo car- regador recém fabricadas podem exigir um teste de desempenho nas insta- lações do fabricante, ou outras instalações, para se determinar se existem defeitos de desempenho, ou se os turbo carregadores se conformam às es- pecificações funcionais. Em outros casos, os turbo carregadores que pas- sam por uma refabricação ou processo de recondicionamento também po- dem exigir testes para qualificar seu desempenho. Em outros casos adicio- nais, o desempenho do turbo carregador pode exigir qualificação em um ambiente de serviço ou teste como parte de um processo de solução de pro- blemas de motor. Em qualquer um desses casos, vários parâmetros de de- sempenho de uma unidade de turbo carregador de amostra podem ser ad- quiridos através de testes e analisados.

As técnicas utilizadas previamente para a qualificação de de- sempenho de turbo carregador incluíam a aquisição de vários pontos de da- dos dentro de uma faixa operacional de um turbo carregador para compila- ção de uma turbina ou mapa de compressor, isto é, representações de cur- vas bidimensionais representando o desempenho da turbina ou de compres- sor representado contra um fluxo de massa através da turbina ou compres- sor versus uma razão de pressão através da turbina ou compressor. Tipica- mente, um mapa é uma coleção de 20 a 70 pontos de dados de funciona- mento individuais que são conectados para formar curvas de velocidade e surge constantes. Com interpolação, ilhas de eficiência são representadas através das curvas. Esses mapas de turbina ou compressor são tipicamente sobrepostos sobre o que é considerado um mapa típico, para resultar em uma determinação da adequação do desempenho de um dispositivo através da observação visual e estimativa de sobreposição. A interpretação dos re- sultados é subjetiva e não fornece dados razoáveis para se verificar o de- sempenho individual do turbo.

Tais técnicas não são práticas de se implementar em um ambi- ente de produção, e mesmo se a verificação local for realizada nas mesmas peças de uma linha de produção, a qualificação de desempenho de um turbo carregador ou um de seus componentes é incompleta e também pode ser imprecisa visto que é baseada em uma determinação visual. Ademais, essas técnicas conhecidas são intensas em termos de dados na compilação dos mapas de desempenho, intensas em termos de tempo e caras de se imple- mentar.

De acordo, existe uma necessidade de se criar um método aper- feiçoado de qualificação de desempenho para turbo carregadores, que seja precisa, não dependa de uma determinação subjetiva, e não exija grandes quantidades de dados a serem coletados.

Sumário da Invenção

Um método de qualificação do desempenho de um turbo carre- gador que seja preciso, não dependa de uma determinação subjetiva, e que não exija grandes quantidades de dados a serem coletados inclui a etapa de operando de um turbo carregador em uma única condição de teste. Um con- junto de dados pode ser adquirido a partir de um conjunto de parâmetros operacionais do turbo carregador operando na condição de teste. O conjunto de dados adquirido pode ser comparado com um conjunto de faixas opera- cionais que são consideradas aceitáveis, e uma determinação pode ser feita quanto ao fato de o conjunto de dados se encontrar dentro de faixas opera- cionais aceitáveis. O desempenho do turbo carregador pode então ser quali- ficado com base no resultado da determinação.

Em uma modalidade, um turbo carregador pode ser operado em um motor em uma condição de teste como parte de um sistema de motor. Um conjunto de entradas para o sistema que inclui uma taxa de consumo de combustível do sistema de motor pode ser monitorado durante o teste. Um conjunto de saídas do sistema que inclui uma pressão de saída do compres- sor do turbo carregador também pode ser monitorado. O conjunto de saídas pode ser comparado com um conjunto de taxas aceitáveis respectivas, e a descoberta do desempenho aceitável do turbo carregador pode ser realizada quando o conjunto de saídas está dentro do conjunto de faixas aceitáveis respectivas.

Uma estação de teste para a qualificação do desempenho do turbo carregador em um ambiente de fabricação ou nova fabricação e que pode incluir um acessório de teste possuindo um aparelho de montagem de turbo carregador fixado ao mesmo, um controlador eletrônico associado ao mesmo, uma pluralidade de sensores que são dispostos para medir os pa- râmetros operacionais da estação de teste e que são operacionalmente co- nectados à estação de teste, e uma bomba de fluido disposta e construída para conectar por fluido um turbo carregador em momento quando o turbo carregador é conectado ao acessório de teste com o aparelho de montagem, de forma que uma saída da bomba de fluido seja conectada a uma passa- gem de entrada de turbina.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é um diagrama em bloco de um motor possuindo um turbo carregador associado ao mesmo;

A figura 2 é um gráfico contendo dados sobrepostos para múlti- plos turbo carregadores;

A figura 3 é um gráfico para representar a informação referente a uma determinação de qualificação de múltiplos turbo carregadores de acor- do com a invenção;

A figura 4 é um fluxograma de um método de qualificação analí- tica do desempenho do turbo carregador de acordo com a invenção;

A figura 5 é um fluxograma de um método de qualificação gráfica do desempenho do turbo carregador de acordo com a invenção;

A figura 6 é um diagrama em bloco de uma estação de teste pa- ra testar e qualificar o desempenho do turbo carregador de acordo com a invenção;

A figura 7 é um gráfico de distribuição utilizada para qualificar o desempenho do turbo carregador de acordo com a invenção. Descrição da Modalidade Preferida A seguir é descrito um aparelho e método de qualificação do de-

sempenho dos turbo carregadores. Alguns dos exemplos descritos aqui li- dam com métodos de qualificação de turbo carregadores ou componentes individuais dos mesmos para uso em motores de combustão interna, mas esses métodos possuem de forma vantajosa aplicabilidade geral a qualquer tipo de turbina e/ou dispositivo de compressor utilizado em outras aplica- ções.

Uma configuração típica de um motor 100 possuindo um turbo carregador 102 associado com o mesmo é ilustrada na forma de um diagra- ma em bloco na figura 1. O turbo carregador 102 pode incluir um compressor104 conectado a uma turbina 106 como ilustrado. Um fluxo de ar 108 pode entrar no compressor 104 durante a operação do turbo carregador 102, onde é comprimido. Um fluxo de ar comprimido, juntamente com um fluxo de combustível 110, pode entrar no motor 100 onde os dois fluxos podem ser misturados e comburados para resultar em uma saída de energia 112 do motor 100. Um fluxo de gás de exaustão pode sair do motor 100 e ser dire- cionado para a turbina 106, onde pode ser expandido para fornecer trabalho para o mesmo para operar o compressor 104 antes de ser expulso para o ambiente como um fluxo de gás de exaustão de baixa pressão 114. Durante a operação do motor 100 e do turbo carregador 102 e para uma condição de operação específica, o fluxo de ar 108 pode ter uma taxa de fluxo de massa, m1, em uma pressão de saída de compressor, P1, e uma pressão de entra- da de compressor, P2. De forma similar, o fluxo de gás de exaustão 114 po- de ter uma taxa de fluxo de massa, m2, e estar a uma pressão P3 na entra- da da turbina 106, e a uma pressão P4 na saída da turbina 106. Quando, por exemplo, a qualificação do desempenho do compressor 104 é desejada, o fluxo de massa m1 ao longo das pressões P1 e P2 pode ser adquirido para uma faixa de condições operacionais do motor 100, e representado em um mapa de compressor. Tipicamente, os dados para mais de um compressor podem ser sobrepostos a um mapa de compressor de um compressor nomi- nal.

Uma sobreposição de mapa de compressor típico que é similar a uma sobreposição de mapa tipicamente utilizada para qualificar o desempe- nho de um compressor ou uma turbina é ilustrada na figura 2. A sobreposi- ção de mapa de compressor ilustrada na figura 2 inclui um conjunto de pon- tos de dados, representado por pontos de círculo cruzado 200 e conectado por linhas tracejadas longas 201, que representam um desempenho de um compressor nominal. Sobreposto aí se encontra um segundo conjunto de pontos, representado por triângulos 202 e conectado por linhas sólidas 203, que representam um desempenho de um segundo compressor que não é o compressor nominal, e um terceiro conjunto de pontos, representado por quadrados 204 e conectado por linhas tracejadas curtas 205, que representa um desempenho de um terceiro compressor que também não é o compres- sor nominal. Existem apenas 15 pontos de teste no total representados nes- se gráfico para cada compressor, para fins de clareza, apesar de a sobrepo- sição típica de mapa poder incluir 20 a 70 pontos de teste no total para cada compressor sendo avaliado.

A série de pontos 200, 202 e 204 são adquiridas sob condições operacionais similares. Uma determinação visual no desempenho de cada compressor testado envolve tipicamente uma determinação da abrangência de cada um dos pontos 200, 202 e 204. Sob algumas condições, os agru- pamentos de pontos podem ser associados um ao outro, por exemplo, um agrupamento 206. Os pontos dentro do agrupamento 206 podem ser associ- ados de perto um com o outro o suficiente para garantir uma determinação de que o desempenho de cada um dos compressores que renderam esses pontos seja satisfatório quando comparado com o compressor nominal. Sob algumas outras condições, no entanto, os agrupamentos dos pontos na mesma sobreposição podem não ser associados de perto um com o outro, por exemplo, um agrupamento 208.

Os pontos dentro do agrupamento 208 podem ser espalhados o suficiente para garantir uma determinação de que o desempenho de cada um dos compressores que resultou nesses pontos não é satisfatório em comparação com o compressor nominal. Em um caso similar ao ilustrado os agrupamentos similares aos agrupamentos 206 e 208 aparecem na mesma sobreposição, uma determinação geral subjetiva quanto ao desempenho de cada compressor testado pode ser realizada. Como descrito acima, tal de- terminação é intensa em termos de dados, é demorada, cara e pode não determinar de forma conclusiva a aceitabilidade de um compressor sendo testado visto que é baseada no julgamento subjetivo da pessoa que está revisando os dados. Ademais, uma qualificação de uma unidade de turbo carregador depende de determinações separadas realizadas individualmente para o compressor e a turbina que criam tal turbo carregador, removendo adicionalmente a comparação de determinação entre o desempenho de toda a unidade do turbo carregador com relação a de um turbo carregador nomi- nal.

Esses problemas e outros podem ser solucionados pelo método de qualificação do desempenho de um turbo carregador como descrito aqui. Um gráfico ilustrando uma alternativa e método aperfeiçoados de se deter- minar de forma objetiva a aceitabilidade do desempenho de não apenas um componente do turbo carregador, mas, de forma vantajosa, a determinação da aceitabilidade de desempenho de toda uma unidade de turbo carregador é ilustrado na figura 3. Um eixo geométrico horizontal 302 representa um parâmetro de entrada de energia em um sistema, No exemplo descrito aqui, todo o motor pode ser considerado um sistema, e uma taxa de consumo de combustível, (Lbs/h) em kg/h, pode ser considerada como entrada de ener- gia. Obviamente outras combinações podem ser consideradas, por exemplo, a unidade de turbo carregador pode ser o sistema para uma bancada de tes- te, ou uma entrada de entalpia pode ser calculada e considerada como en- trada de energia. Outras combinações de hardware ou parâmetros de ener- gia podem ser utilizadas. Uma seleção de hardware e parâmetros utilizada para essa consideração pode depender muito da finalidade da qualificação, por exemplo, um fabricante de motores interessado em testar sistemas de motor enquanto monitora o consumo de combustível pode utilizar parâme- tros iguais ou similares aos utilizados para a compilação do gráfico ilustrado na figura 3, isso é, uma taxa de fluxo de combustível do eixo geométrico ho- rizontal 302 X um eixo geométrico vertical 304 que pode ser utilizado para expressar os valores combinados, nesse caso, uma pressão de saída de compressor e um ciclo de tarefa de percentual de turbina de bocal variável (VNT).

Os parâmetros selecionados para fins de quantificação e repre- sentação são representativos das entradas e saídas controláveis do motor. Por exemplo, uma entrada controlada para um motor de ignição por com- pressão é uma posição de aceleração que determina uma taxa de consumo de combustível e, portanto, uma velocidade de motor. Os motores de ignição por fagulha operam de forma similar, mas ao invés de um combustível, o fluxo de ar que entra no motor que opera sob uma razão de ar para combus- tível substancialmente constante pode ser controlado para controlar a velo- cidade do motor pelo uso de uma válvula de aceleração. Uma saída que po- de ser monitorada em um motor que é indicativa do desempenho do turbo carregador é a pressão de saída do compressor, que também é representa- da no gráfico da figura 3, apesar de outros parâmetros também poderem ser utilizados. Finalmente, o ciclo de tarefa VNT, como uma entrada variável controlável para o sistema de motor também pode ser representado no gráfi- co da figura 3, mas é opcional e pode ser considerado fixo para cada condi- ção de teste experimental. Em geral, o sistema de motor é observado como um sistema completo, com parâmetros de entrada de combustível e ar en- trando no sistema, e um fluxo de gás de exaustão e energia saindo do sis- tema como saídas. Os dados representados no gráfico da figura 3 representam um método de qualificação do desempenho das unidades de turbo carregador. Os dados em uma ou mais unidades do turbo carregador podem ser adquiri- dos para uma primeira condição de teste 306 e uma segunda condição de teste 308. Cada uma das condições de teste 306 e 308 pode ser um único ponto de estado estável da operação do motor, e pode ser selecionado co- mo pontos que representam a operação do motor para otimização do de- sempenho e/ou emissores. No exemplo ilustrado aqui por motivos de ilustra- ção, a condição de teste 306 e/ou a condição de teste 308 pode ser vantajo- samente selecionada a partir de uma série de pontos de modo de teste de emissões de tarefa pesada padrão. A condição de teste 306 pode ser dis- posta para obter uma velocidade de motor de 2100 revoluções por minuto (RPM) em uma taxa de consumo de combustível de cerca de 45,5 kg/h para representar uma condição de carga de média para alta, enquanto a condição de teste 308 pode ser disposta para obter uma velocidade de motor de cerca de 1000 RPM com uma taxa de consumo de combustível de cerca de 13 Kg/h para representar uma condição de carga de baixa para média. Quais- quer outros pontos da operação do motor podem ser vantajosamente sele- cionados.

No exemplo ilustrado, os dados para um primeiro, um segundo e um terceiro turbo carregados que foram testados em motores iguais ou van- tajosamente diferentes são adquiridos e representados. A informação sobre o primeiro turbo carregador é representada utilizando-se um ponto de círculo oco 310 para a pressão de saída do compressor, e um círculo preenchido312 para um ciclo de tarefa para a configuração da turbina de bocal variável (VNT) durante o teste. Os pontos 310 e 312, como representados, represen- tam uma pressão de amplificação de cerca de 420 kPa em um ciclo de tarefa VNT de cerca de 70%. De forma similar, os dados em um segundo turbo carregador são representados utilizando-se um ponto triangular oco 314 pa- ra a pressão de saída do compressor, e um triângulo preenchido 316 para uma configuração de ciclo de tarefa VNT durante o teste. Os pontos 314 e316, como representados, representam uma pressão de amplificação de cerca de 406 kPa em um ciclo de tarefa VNT de cerca de 70%. Por fim, os dados no terceiro turbo carregador são representados utilizando-se um pon- to quadrado oco 318 para a pressão de saída do compressor, e um quadra- do preenchido 320 para uma configuração de ciclo de tarefa VNT durante o teste. Os pontos 310 e 320 como representados, representam uma pressão de amplificação de cerca de 440 kPa com um ciclo de tarefa VNT de cerca de 70%.

Os dados podem ser representados para a condição de teste308 de forma similar e utilizando os mesmos formatos de representação que os dados representados para a condição de teste 306. Dessa forma, o ponto 322 pode representar uma pressão de amplificação e o ponto 324 pode re- presentar a tarefa VNT do primeiro turbo carregador, o ponto 326 pode re- presentar uma pressão de amplificação e o ponto 328 pode representar a tarefa VNT do segundo turbo carregador, e finalmente o ponto 330 pode re- presentar uma pressão de amplificação e o ponto 332 pode representar a tarefa VNT do terceiro turbo carregador.

Os pontos de dados 310 a 332 podem ser vantajosamente utili- zados para uma qualificação completa de cada um dos primeiro, segundo e terceiro turbo carregadores sendo avaliados.

Essa qualificação pode ser feita utilizando-se as faixas nominal e limite para todos os valores de interesse sendo representados. No gráfico da figura 3, os parâmetro selecionados para serem de interesse são a pressão de saída do compressor (amplificação) e o ciclo de tarefa VNT. Cada um desses parâmetros pode ter uma faixa nominal e desvios permitidos de cada uma das condições de teste sendo representadas. Um faixa de amplificação nominal para a condição de teste 306 é representada pela linha de traço- ponto-traço 334. A linha 334 pode ser disposta para representar uma faixa limitada de condições operacionais para permitir que ajustes menores à taxa de combustível desejada do motor durante o teste, e pode ser ligeiramente inclinada para acomodar as diferenças esperadas na saída, nesse casos os valores de amplificação, como resultado das variações em um parâmetro de entrada, nesse caso, a taxa de combustível do motor. A linha 334 pode ser utilizada para gerar uma faixa definida por uma linha limite superior 336, e uma linha limite inferior 338. As linhas limite superior 336 e inferior 338 po- dem seguir a linha nominal 334. Uma área 340 é ilustrada sombreada e defi- nida entre a linha limite superior 336. a linha limite inferior 338 e as linhas verticais que coincidem com cada extremidade da linha nominal 334, e pode ser utilizada para uma qualificação da amplificação gerada por um turbo car- regador sendo testados.

Os pontos que se encontram dentro da área 340 podem repre- sentar vantajosamente turbo carregadores com características de desempe- nho aceitáveis, enquanto os pontos que se encontram fora da área 340 po- dem representar os turbo carregadores que se encontram acima ou abaixo de uma faixa de característica de desempenho desejada, isso é, os turbo carregadores que falham na determinação de qualificação.

Similar à área 340, outras áreas podem ser consideradas em torno de outras linhas nominais que caracterizam outros parâmetros e/ou condições de teste. Por exemplo, uma linha nominal 342 pode ser definida como uma linha nominal representando uma faixa de teste aceitável para o ciclo de tarefa VNT. Uma linha de limite superior 344 e uma linha de limite inferior 346 podem definir uma área 384 como descrito acima. Com base nos dados ilustrativos ilustrados para a primeira condição de teste 306, um de- sempenho do primeiro turbo carregador como inferior pelos pontos 310 e 312 que se encontram dentro das áreas 340 e 348, respectivamente, indica que o primeiro turbo carregador possui um desempenho aceitável na primei- ra condição de teste. Um desempenho do segundo turbo carregador como inferido pelos pontos 314 e 316 que se encontram dentro as áreas 340 e 348, respectivamente, indica que o segundo turbo carregador está um pouco além dos valores nominais do que o primeiro turbo carregador, mas ainda possui um desempenho aceitável na primeira condição de teste. O terceiro turbo carregador, no entanto, possuindo um ponto 320 que se encontra par- cialmente fora da área 348, e o ponto 318 que se encontra completamente fora da área 340, é inaceitável e deve ser rejeitado.

Uma determinação completa da aceitabilidade de um turbo car- regador pode ser realizada com base em um único conjunto de dados em uma condição de teste. Se houver mais de uma condição de teste de inte- resse, pode-se utilizar de forma vantajosa múltiplos pontos de teste, cada um configurado de forma similar, por exemplo, à segunda condição de teste 308 ilustrada na figura 3. Uma faixa de amplificação nominal para a condição de teste 308 é representada pela linha de traço-ponto-traço 350. A linha 350 pode ser utilizada para gerar uma faixa definida por uma linha limite superior 352, e uma linha limite inferior 354. As linhas de limite superior 352 e de limi- te inferior 354 podem seguir a linha nominal 350. Uma área 356 é ilustrada sombreada e definida entre a linha limite superior 352, a linha limite inferior 354, e linhas verticais que coincidem com cada extremidade da linha nomi- nal 350, e pode ser utilizada para uma qualificação da amplificação gerada por um turbo carregador sendo testado.

Os pontos que se encontram dentro da área 356, por exemplo, os pontos 322 e 326, podem representar vantajosamente os turbo carrega- dores com características de desempenho aceitáveis, enquanto os pontos que se encontram fora da área 340, por exemplo, o ponto 330, podem repre- sentar os turbo carregadores que se encontram acima ou abaixo de uma faixa de característica de desempenho desejada, isso é, turbo carregadores que não passam com sucesso por uma determinação de qualificação.

Uma linha nominal 358 pode ser definida como uma linha nomi- nal representando uma faixa de teste aceitável para o ciclo de tarefa VNT sob a condição de teste 308. Uma linha limite superior 360 e uma linha limite inferior 362 podem definir uma área 364 como descrito acima. Com base nos dados ilustrativos ilustrados para a condição de teste 308, um desempenho do primeiro turbo carregador como inferido pelos pontos 322 e 326 que se encontram dentro das áreas 356 e 364, respectivamente, indica que o pri- meiro turbo carregador possui um desempenho aceitável. Um desempenho do segundo turbo carregador como inferido pelos pontos 326 e 328 que se encontram dentro das áreas 356 e 364, respectivamente, indica que o se- gundo turbo carregador possui um desempenho aceitável. O terceiro turbo carregador, no entanto, possuindo pontos 330 e 332 que se encontram com- pletamente fora das áreas 356 e 364, respectivamente, é inaceitável e deve ser rejeitado.

Um fluxograma para um método de qualificação do desempenho do turbo carregador é ilustrado na figura 4. Um turbo carregador é operado em uma condição de teste na etapa 402. A operação do turbo carregador nessa etapa pode ser vantajosamente realizada utilizando-se qualquer mé- todo adequado, por exemplo, a operação em um motor em um veiculo ou conectada a um dinamômetro, a operação de uma bomba de gás, ou opera- ção em uma estação de linha de montagem. Durante a operação do turbo carregador na condição de teste, um conjunto de parâmetros é adquirido na etapa 404. Esses parâmetros, ou dados, podem incluir opcionalmente parâ- metro se entrada para um sistema, tal como consumo de ar e/ou combustí- vel de um motor, conteúdo de energia ou entalpia do gás sendo suprido para o turbo carregador por um motor ou uma bomba de gás e assim por diante. Os parâmetros de saída também podem ser medidos, por exemplo, um con- teúdo de energia ou entalpia de um gás de saída do turbo carregador, uma pressão e/ou taxa de fluxo em uma saída de um compressor do turbo carre- gador, e assim por diante. Outras variáveis também podem ser monitoradas, por exemplo, se o turbo carregador inclui um VNT, um ciclo de tarefa que controle uma posição de aleta do VNT também pode ser adquirido.

Os dados adquiridos podem ser analisados na etapa 406 contra as condições de entrada e saída do turbo carregador. A análise pode ser realizada pela representação de pontos de dados em um gráfico. O gráfico pode incluir um parâmetro de entrada em um eixo geométrico horizontal X um ou mais outros parâmetros de entrada ou saída em um eixo ou eixos ge- ométricos verticais. Cada condição de teste pode gerar um ou mais pontos no gráfico que representam as condições de entrada ou saída. Por exemplo, se um turbo carregador estiver sendo testado em um motor, como descrito acima, o eixo geométrico horizontal do gráfico pode representar uma taxa de consumo de combustível do motor, e um eixo geométrico vertical pode re- presentar ambos uma pressão de saída do compressor e um ciclo de tarefa VNT. Os pontos representados para o ciclo de tarefa VNT X o consumo de combustível do motor podem representar uma condição de entrada para o turbo carregador, enquanto uma pressão de saída de compressor X o con- sumo de combustível pode representar uma condição de saída.

Parte da análise dos dados na etapa 406 pode incluir uma de- terminação da aceitabilidade dos dados na etapa 408, por exemplo, pela comparação de pelo menos um parâmetro de entrada com uma faixa de va- Iores que são específicos para a condição de teste e constituem uma faixa aceitável de entradas para o teste. Quando os dados adquiridos na etapa404 são considerados aceitáveis na etapa 408, um turbo carregador é quali- ficado e uma determinação de passagem ou falha é feita na etapa 410. A qualificação do turbo carregador na etapa 410 é feita pela comparação de pelo menos um valor de saída com uma faixa aceitável de valores de saída. Se o valor de saída do teste do turbo carregador se encontrar dentro da faixa aceitável, o turbo carregador é considerado como tendo passado pelo teste com sucesso na etapa 412, do contrário, o turbo carregador pode ser rejei- tado na etapa 414 por ter falhado no teste.

Os métodos analíticos para qualificação dos turbo carregadores podem ser aplicados, por exemplo, em um ambiente de fabricação como uma medida de monitoramento de qualidade de produto. Os métodos gráfi- cos podem ser aplicados, por exemplo, em um ambiente de desenvolvimen- to. Um fluxograma apara uma aplicação analítica de um método de qualifica- ção de turbo carregadores, disposto especificamente para a qualificação de turbo carregador em um ambiente de fabricação, é ilustrado na figura 5. Um turbo carregador é recebido de um processo de montagem na etapa 502. O turbo carregador pode ser uma unidade completa, ou pode, alternativamen- te, ser uma unidade parcialmente construída que é construída com compo- nentes suficientes para ser funcional, mas não está totalmente montada e aparada. O turbo carregador pode ser fixado a uma bancada de teste na e- tapa 504.

A bancada de teste pode incluir um controlador eletrônico, ou micro controlador, que é associado com a mesma, e hardware adequado que seja capaz de reter o turbo carregador e vedar uma ou todas as suas passagens de fluido. A bancada de teste também pode ser conectada a uma bomba de ar, gás ou outro fluido que é disposta para gerar um fluxo de fluido ou ar e direcionar o mesmo para uma entrada da turbina do turbo carregador fazendo com que a roda da turbina gire na etapa 506. Vários sensores po- dem ser associados com a bancada de teste que são dispostos para medir vários parâmetros, por exemplo, entrada e pressão, temperatura e/ou taxa de fluxo da turbina e compressor, velocidade rotativa do eixo, e assim por diante. Esses parâmetros podem ser adquiridos com sensores e enviados em um controlador eletrônico, na etapa 508. O controlador eletrônico pode analisar os parâmetros e calcular os parâmetros específicos do turbo carre- gador, tal como, eficiência de turbina ou compressor.

Alguns dos parâmetros, por exemplo, pressão de saída de com- pressor, podem ser comparados com faixas de valor aceitável na etapa 510, e uma determinação da aceitabilidade para o turbo carregador pode ser feita no controlador eletrônico na etapa 512. Uma notificação pode ser enviada para um monitor ou para outro controlador associado com o processo de montagem para aceitar o turbo carregador que acabou de ser testado, ou rejeitar o mesmo e eliminá-lo ou reenviá-lo para reparo com base na deter- minação, na etapa 514.

Um diagrama em bloco de uma estação de teste 600, disposto e construído para qualificar o desempenho do turbo carregador, é ilustrado na figura 6. A estação de teste 600 pode incluir um acessório 602, um aparelho de montagem de turbo carregador adequado 604, um controlador eletrônico 606 associado com o mesmo, e uma bomba de fluido 608 pode ser conecta- da a um aquecedor opcional 610. Um turbo carregador 612 é ilustrado co- nectado à estação de teste 600 para fins de ilustração. O turbo carregador 612 possui uma turbina 614 possuindo uma passagem de entrada 616 e uma passagem de saída 618, e um compressor 620 possuindo uma passa- gem de entrada 622 e uma passagem de saída 624. A configuração ilustrada na figura 6 é uma configuração em potencial da estação de teste 600 duran- te o teste do turbo carregador 612.

Para se testar o turbo carregador 612, por exemplo, quando o turbo carregador 612 sai da linha de montagem para teste de final de linha e/ou controle de qualidade, o turbo carregador 612 pode ser conectado ao acessório de teste 602 através do aparelho de montagem 604. A bomba de fluido 608 pode ser conectada à passagem de entrada 616 da turbina 614. O aquecedor opcional 610 também pode estar em comunicação por fluido com a passagem de entrada 616 e conectado entre a turbina 614 e a bomba de fluido 608. A passagem de saída 618 pode ser aberta para o ambiente ou ventilada para o ambiente. A passagem de entrada 622 do compressor 620 pode ser conectada por fluido a uma fonte de ar filtrado e pode conter um dispositivo de medidor de fluxo 626. A passagem de saída 624 do compres- sor 620 pode ser aberta para o ambiente, ou pode opcionalmente ser conec- tada (a conexão não sendo ilustrada) a uma entrada de fluido ou ar 632 da bomba de fluido 608. A passagem de saída 624 também pode conter um orifício de fluxo 628.

Uma entrada de trabalho, W, para ativar e operar a bomba de fluido 606 pode iniciar o teste depois que o turbo carregador 612 foi conec- tado ao acessório de teste 602. A bomba 608 pode suprir um fluxo de ar possuindo uma taxa de fluxo, m3, a uma pressão, P5, para a passagem de entrada 616 para operar a turbina 614. O fluxo de ar na passagem de entra- da 616 pode ser opcionalmente aquecido no aquecedor 610 que opera por uma entrada de calor, Q. O aquecedor 610 pode ser um aquecedor elétrico, ou pode, alternativamente, ser um aquecedor de ignição por gás possuindo um permutador de calor que é disposto para aquecer o ar que passa através do mesmo. A turbina 614 pode gerar um trabalho para operar o compressor620 durante o teste pela extração de energia do ar na passagem de entrada 616, e exaurir o ar da passagem 618 em uma pressão, P6, que pode ser uma pressão ambiente, ou, alternativamente, um vácuo no caso onde, op- cionalmente, a passagem de saída 618 é conectada a uma fonte de vácuo ou entrada da bomba de fluido 608.

O compressor 620, enquanto operado pela turbina 614 pode pu- xar um fluxo de ar a uma taxa de fluxo, m4, e uma pressão, P7, através da passagem de entrada 622. A taxa de fluxo m4 pode ser medida pelo medidor de fluxo 626 e monitorada durante o teste. O compressor 620 pode compri- mir o ar da pressão P7 para uma pressão de saída, P8, presente na passa- gem de saída 624 durante o teste. O orifício de fluxo 628 pode vantajosa- mente ser utilizado na passagem de saída 624 para criar uma restrição. A pressão de saída P7 pode ser uma pressão ambiente ou, alternativamente, um vácuo no caso onde, opcionalmente, a passagem de saída 624 é conec- tada a uma fonte de vácuo ou entrada da bomba de fluido 608.

Uma leitura do medidor de fluxo 626, juntamente com outras lei- turas dos sensores de pressão dispostos para medir as pressões P5, P6, P7 e P8 podem ser comunicadas para o controlador eletrônico 606 para análise, cálculos e/ou processamento. Os resultados do teste do turbo carregador612, juntamente com uma determinação da aceitabilidade do teste ou quais- quer outras notificações podem ser enviados a partir do controlador eletrôni- co para um monitor 630 que pode notificar um operador ou outro dispositivo eletrônico sobre qualquer informação pertinente sobre o turbo carregador ou o teste. Por exemplo, a notificação de que o turbo carregador 612 é aceitável e passou pelo teste pode ser enviada, uma notificação de que o turbo carre- gador 612 falhou no teste, ou uma notificação para se repetir o teste, pode ser enviada.

O acessório de teste 602 pode ser utilizado para qualificar toda a unidade do turbo carregador, ou componentes individuais do mesmo. Quan- do, por exemplo, a qualificação do desempenho do turbo carregador 612 é desejada, o fluxo de massa, m4, juntamente com as pressões Pl e P8 po- dem ser adquiridos, e representados em um mapa de compressor X uma entrada de energia para a turbina 614, ou mais vantajosamente, uma ental- pia do ar na passagem de entrada 616 que dependerá da entrada de traba- lho W mais a entrada de calor Q se o aquecedor 610 for utilizado e estiver ativo durante o teste. Tipicamente, os dados para cada turbo carregador tes- tado podem ser sobrepostos em um mapa de turbina ou compressor e com- parados com um nominal, como descrito acima. As modalidades descritas aqui são vantajosas visto que um pro-

cesso é fornecido para a qualificação das unidades de turbo carregador e componentes pelo teste dos mesmos sob menos condições operacionais que antes, tipicamente uma ou duas, em um motor ou uma bomba de gás. Pela utilização de dois pontos de dados, por exemplo, a determinação de que o desempenho do turbo carregador em ambas as velocidades baixa e alta e condições de carga são representadas. Os resultados desses dois pontos de dados podem determinar vantajosamente uma determinação de sucesso ou não para o desempenho adequado do turbo carregador. Dois pontos de dados parecem fornecer informação adequada para uma ampla faixa de operação, mas investigações de uma faixa de operação menor po- dem ser adequadamente obtidas por um único ponto de dados.

Uma vantagem que pode ser realizada pelo uso das modalida- des descritas aqui é a capacidade de se qualificar estatisticamente o de- sempenho de grupos de unidades de turbo carregador, por exemplo, unida- des de turbo carregador pertencentes a um teste de produção, ou uma bate- ada de protótipo, e assim por diante. Essa análise estatística pode ser utili- zada para diagnosticar grupos de turbo carregadores, ou até mesmo criar parâmetros pertencentes ao desempenho desses turbo carregadores para uso como especificações funcionais.

Uma curva de distribuição de um grupo de turbo carregadores é ilustrada na figura 7. Um grupo de unidades de turbo carregador pode ser testado em uma única condição de teste, e um valor de métrica de saída pode ser gravado. A informação gravada para o grupo de unidades de turbo carregador pode ser acumulada no gráfico da figura 7, que representa um valor para a métrica de saída ao longo de um eixo geométrico horizontal 702. Um número ou percentual de unidades de turbo carregador exibindo o desempenho dentro de um incremento da escala do eixo geométrico hori- zontal 702 é exibido em um eixo geométrico vertical 704. Uma curva 706 pode ser criada e pode ilustrar a distribuição do desempenho do turbo carre- gador. Um ponto de pico 708 da curva 706 pode representar um valor nomi- nal 710 no eixo geométrico horizontal para a métrica de saída. Ademais, um valor máximo 712 e um valor mínimo 714 também podem ser definidos para a métrica de saída. A distribuição ilustrada na figura 7 possui um formato de uma distribuição normal, mas outras distribuições também podem surgir. O limite máximo 712 e o limite mínimo 714 podem ser subseqüentemente utili- zados para definir os critérios de aceitação dos turbo carregadores não- pertencentes ao grupo de unidades de turbo carregador testadas.

A presente invenção pode ser consubstanciada em outras for- mas específicas sem se distanciar de seu espírito ou características essen- ciais. As modalidades descritas devem ser consideradas em todos os aspec- tos apenas como ilustrativas e não restritivas. O escopo da invenção é, por- tanto, indicado pelas reivindicações em anexo ao invés de pela descrição acima. Todas as modificações que se encontrem dentro do significado e fai- xa de equivalência das reivindicações devem ser englobadas em seu esco- po.

Claims (18)

1. Método de qualificação do desempenho do turbo carregador, compreendendo as etapas de: operação de um turbo carregador em uma condição de teste; aquisição de um conjunto de dados a partir de um conjunto de parâmetros operacionais do turbo carregador na condição de teste; comparação do conjunto de dados com um conjunto de faixas operacionais aceitáveis; determinação de se o conjunto de dados se encontra dentro das faixas operacionais aceitáveis; qualificação do turbo carregador com base em um resultado da determinação.

2. Método de qualificação do desempenho do turbo carregador, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo adicionalmente as etapas de: operação do turbo carregador em uma condição de teste adicio- nal; aquisição de um conjunto adicional de dados a partir do conjunto de parâmetros operacionais do turbo carregador na condição de teste adi- cional; comparação do conjunto adicional de dados com o conjunto de faixas operacionais aceitáveis; determinação de se o conjunto adicional de dados se encontra dentro das faixas operacionais aceitáveis; qualificação do turbo carregador com base na determinação de que o conjunto de dados e na determinação do conjunto adicional de dados; onde a condição de teste é equivalente a uma faixa de operação de velocidade de motor baixa, e a condição de teste adicional é equivalente a uma faixa de operação de velocidade de motor alta.

3. Método de qualificação do desempenho do turbo carregador, de acordo com a reivindicação 1, no qual a etapa de determinação inclui adi- cionalmente as etapas de: representação do conjunto de dados em um gráfico; definição de uma área retangular no gráfico para representar as faixas operacionais aceitáveis; e determinação de se os pontos de dados no gráfico se encontram dentro da área retangular no gráfico.

4. Método de qualificação do desempenho de turbo carregador, de acordo com a reivindicação 1, no qual as etapas de comparação, deter- minação e qualificação são realizadas em um controlador eletrônico.

5. Método de qualificação do desempenho de um turbo carrega- dor, de acordo com a reivindicação 1, no qual o conjunto de dados é sele- cionado a partir do conjunto de parâmetros operacionais que inclui pelo me- nos um dentre: uma temperatura de gás de entrada de turbina, uma pressão de gás de entrada de turbina, uma entalpia de gás de entrada de turbina, uma taxa de fluxo de gás de entrada de turbina, uma temperatura de ar de entra- da de compressor, uma pressão de ar de entrada de compressor, uma en- talpia de ar de entrada de compressor, uma taxa de fluxo de ar de entrada de compressor, uma taxa de combustível de motor, uma velocidade de mo- tor, um ciclo de tarefa VNT, uma velocidade de eixo de turbina, uma entrada de trabalho de bomba de fluido, e uma entrada de energia de aquecedor.

6. Método de qualificação do desempenho de turbo carregador, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo adicionalmente a etapa de envio de pelo menos uma dentre uma notificação de sucesso, uma notifica- ção de falha, ou uma notificação de novo teste.

7. Método de qualificação do desempenho de turbo carregador, de acordo com a reivindicação 1, no qual a etapa de operação do turbo car- regador na condição de teste é realizada pela operação do turbo carregador em um motor de combustão interna.

8. Método de qualificação de desempenho de turbo carregador, de acordo com a reivindicação 1, no qual a etapa de operação do turbo car- regador na condição de teste é realizada pela operação do turbo carregador em um acessório de teste.

9. Método de teste de turbo carregadores, compreendendo as etapas de: operar um turbo carregador em uma condição de teste como parte de um sistema de motor; monitorar um conjunto de entradas no sistema que inclui uma taxa de consumo de combustível do sistema de motor; monitorar um conjunto de saídas do sistema que inclui uma pressão de saída de compressor do turbo carregador; comparar o conjunto de saídas com um conjunto de faixas acei- táveis respectivas; encontrar um desempenho do turbo carregador aceitável em momentos nos quais o conjunto de saídas está dentro do conjunto de faixas aceitáveis respectivas.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, compreendendo adicionalmente a etapa de representar um conjunto de pontos representando o conjunto de entradas e o conjunto de saídas em um gráfico, onde o gráfico inclui um eixo geométrico horizontal que representa um dentre um conjunto de entradas, onde o gráfico inclui pelo menos um eixo geométrico vertical que representa pelo menos um dos conjuntos de saídas, onde a condição de teste é representada por pelo menos um ponto no gráfico, onde pelo menos um conjunto de faixas aceitáveis é representado por uma área no gráfico, e onde a descoberta do desempenho do turbo carregador aceitável ocorre quando o pelo menos um ponto está dentro da área no gráfico.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, no qual o conjunto de entradas inclui parâmetros mensuráveis e parâmetros derivados de ope- ração do sistema de motor, onde os valores mensuráveis são selecionados a partir do grupo que compreende temperatura de gás de entrada de turbina, pressão de gás de entrada de turbina, taxa de fluxo de gás de entrada de turbina, temperatura de ar de entrada de compressor, pressão de ar de en- trada de compressor, taxa de fluxo de ar de entrada de compressor, taxa de combustível de motor, velocidade de motor, ciclo de tarefa VNT, e velocida- de de eixo de turbina, e onde os parâmetros derivados são selecionados a partir do grupo que compreende entalpia de gás de entrada de turbina e en- talpia de ar de entrada de compressor.

12. Estação de teste para qualificar o desempenho do turbo car- regador, compreendendo: um acessório de teste possuindo um aparelho de montagem de turbo carregador fixado ao mesmo; um controlador eletrônico associado com o mesmo; uma pluralidade de sensores que são dispostos para medir os parâmetros operacionais da estação de teste e são conectados operacio- nalmente à estação de teste; uma bomba de fluido disposta e construída para conectar por fluido a um turbo carregador em momentos nos quais o turbo carregador é conectado ao acessório de teste com o aparelho de montagem, de forma que uma saída da bomba de fluido seja conectada a uma passagem de en- trada de turbina.

13. Estação de teste, de acordo com a reivindicação 12, com- preendendo adicionalmente um dispositivo medidor de fluxo conectado por fluido a uma passagem de entrada de compressor, onde a passagem de en- trada de compressor é disposta a fim de conectar a uma entrada de um compressor do turbo carregador.

14. Estação de teste, de acordo com a reivindicação 12, com- preendendo adicionalmente pelo menos um dentre: um primeiro sensor de pressão disposto para medir uma pressão de ar na passagem de entrada de turbina; um segundo sensor de pressão disposto para medir uma pres- são de ar em uma passagem de saída de turbina; um terceiro sensor de pressão disposto para medir uma pressão de ar na passagem de entrada de compressor; e um quarto sensor de pressão que é disposto para medir uma pressão de ar em uma passagem de saída de compressor; onde pelo menos um dentre o primeiro sensor de pressão, o se- gundo sensor de pressão, o terceiro sensor de pressão e o quarto sensor de pressão é conectado ao controlador eletrônico.

15. Estação de teste, de acordo com a reivindicação 12, com- preendendo adicionalmente um aquecedor disposto na passagem de entra- da de turbina entre a bomba de fluido e o turbo carregador.

16. Estação de teste, de acordo com a reivindicação 12, com- preendendo adicionalmente um orifício disposto na passagem de saída de compressor.

17. Estação de teste, de acordo com a reivindicação 12, com- preendendo adicionalmente um monitor associado de forma operacional com o controlador eletrônico.

18. Estação de teste, de acordo com a reivindicação 12, com- preendendo adicionalmente um turbo carregador, no qual o turbo carregador inclui uma turbina possuindo uma entrada de turbina e uma saída de turbina, um compressor possuindo uma entrada de compressor e uma saída de compressor, onde a entrada de turbina é conectada por fluido à passagem de entrada de turbina, onde a entrada de compressor é conectada por fluido à passagem de entrada de compressor, e onde a saída do compressor é conectada por fluido à passagem de saída do compressor.