ES2236108T3 - Motor turbocomound de combustion interna. - Google Patents
Motor turbocomound de combustion interna.Info
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Abstract
Motor turbocompound de combustión interna (1) que comprende un eje de accionamiento (19), un turbocompresor (2) que comprende una turbina (3) y un compresor (4); una turbina auxiliar (13) situada siguiendo el recorrido de los gases de escape, después de dicha turbina (3) de dicho turbocompresor (2); y medios de transmisión (20) entre dicha turbina auxiliar (13) y dicho eje de accionamiento (19); un primer sensor (28) de la velocidad angular para detectar la velocidad de rotación de dicha turbina auxiliar (13); y un dispositivo de control (31) para controlar la velocidad de rotación de dicha turbina auxiliar (13), el cual está conectado a dicho primer sensor (28) y que a su vez comprende medios de cálculo (34, 36, 40, 41) para calcular una gama de valores permisibles de dicha velocidad de rotación de dicha turbina auxiliar (13), medios de comparación (42, 54) para comparar la velocidad de rotación de dicha turbina auxiliar (13) medida por dicho primer sensor (28) con dicha gama de valores permisibles, y medios de control (38, 39) para controlar los parámetros operativos del motor (1) en respuesta a una señal de autorización (O1) generada por dichos medios de comparación (42, 54), de manera que se mantenga dicha velocidad de dicha turbina auxiliar (13) dentro de dicha gama de valores permisibles, estando caracterizado dicho motor porque dichos medios de cálculo (28, 36, 40, 41) para calcular dicha gama de valores permisibles comprenden un segundo sensor (34) de la velocidad angular para detectar la velocidad de rotación del eje de accionamiento (19); y medios de procesado (40, 41) para calcular por lo menos un valor máximo de la velocidad de dicha turbina auxiliar (13) en base a la velocidad del eje de accionamiento (19).
Description
Motor turbocompound de combustión interna.
La presente invención se refiere a un llamado
motor "turbocompound" de combustión interna, en particular para
un vehículo industrial.
Los motores "turbocompound" de combustión
interna son ya conocidos; dichos motores comprenden una turbina
auxiliar situada después de la turbina del turbocompresor la cual
está conectada mecánicamente al eje de accionamiento para recuperar
y convertir parte de la energía residual de los gases de escape en
energía mecánica para el eje de accionamiento.
La turbina auxiliar y el eje de accionamiento
normalmente están conectados de manera mecánica (entendida aquí en
el sentido más amplio de la capacidad de transferir energía
mecánica, como opuesto a una "conexión rígida") por medio de
una transmisión que comprende un engranaje reductor y una junta
hidráulica que permite un cierto grado de "deslizamiento". En
caso de una avería de la junta hidráulica o del correspondiente
circuito hidráulico de alimentación, la turbina hidráulica puede
quedar mecánicamente desconectada del eje de accionamiento y de
esta forma no quedar afectada por el par de frenado producido por la
rotación del eje de accionamiento, de manera que la velocidad de
la turbina, accionada exclusivamente por los gases de escape podría
sobrepasar el límite de seguridad dando así como resultado una
avería de la turbina.
A modo de solución al problema, los motores
turbocompound han sido concebidos caracterizados por un dispositivo
de seguridad de control para detectar la presión del aceite de la
junta hidráulica, que interviene cuando la presión desciende por
debajo de un límite predeterminado. Sin embargo, este tipo de
dispositivos solamente es efectivo y solamente interviene en caso de
fallos hidráulicos, mientras que los fallos en la transmisión del
par de la junta hidráulica que se ha demostrado que ocurren, por
ejemplo cuando el aceite está especialmente sucio, incluso estando
en condiciones correctas el conjunto de circuitos del sistema.
El documento US A 4 884 407 da a conocer un motor
turbocompound con una turbina auxiliar cuya rotación se invierte
durante el frenado. Un controlador acciona un sistema de conductos
de derivación mediante válvulas de desconexión y evita que la
velocidad de rotación de la turbina auxiliar, detectada por un
sensor de velocidad, llegue a ser demasiado elevada.
Es un objetivo de la presente invención el dar a
conocer un motor turbocompound de combustión interna que se
caracteriza por un dispositivo de control de la velocidad de la
turbina auxiliar diseñado para eliminar los inconvenientes
anteriormente mencionados generalmente asociados a los dispositivos
conocidos.
Según la presente invención, se da a conocer un
motor turbocompound de combustión interna que comprende: un eje de
accionamiento; un turbocompresor que comprende una turbina y un
compresor; una turbina auxiliar situada siguiendo el recorrido de
los gases de escape, después de dicha turbina de dicho
turbocompresor; y medios de transmisión entre dicha turbina auxiliar
y dicho eje de accionamiento; un primer sensor de la velocidad
angular para detectar la velocidad de rotación de dicha turbina
auxiliar; y un dispositivo de control para controlar la velocidad
de rotación de dicha turbina auxiliar, la cual está conectada a
dicho primer sensor y comprende a su vez medios de cálculo para
calcular una gama de valores permisibles de dicha velocidad de
rotación de dicha turbina auxiliar, medios de comparación para
comparar la velocidad de rotación de dicha turbina auxiliar medida
por dicho primer sensor con dicha gama de valores permisibles, y
medios de control para controlar los parámetros operativos del
motor en respuesta a una señal de autorización generada por dichos
medios de comparación, de manera que se mantenga dicha velocidad de
dicha turbina auxiliar dentro de dicha gama de valores
permisibles.
Dichos medios de cálculo para calcular dicha gama
de valores permisibles, comprende un segundo sensor de la velocidad
angular para detectar la velocidad de rotación del eje de
accionamiento; y medios de procesado (40, 41) para calcular por lo
menos un valor máximo de la velocidad de dicha turbina auxiliar, en
base a la velocidad del eje de accionamiento.
La presente invención se refiere también a un
procedimiento de control de un motor turbocompound de combustión
interna que comprende un eje de accionamiento; un turbocompresor
que comprende una turbina y un compresor; una turbina auxiliar
situada siguiendo el recorrido de los gases de escape después de
dicha turbina de dicho turbocompresor; y medios de transmisión
entre dicha turbina auxiliar y dicho eje de accionamiento,
comprendiendo dicho procedimiento los pasos de medir la velocidad
de rotación de dicha turbina auxiliar mediante un sensor;
comprobando previamente la velocidad de rotación de dicho eje de
accionamiento; el cálculo de una gama de valores permisibles de
dicha velocidad de rotación de dicha turbina auxiliar en base a la
velocidad de rotación de dicho eje de accionamiento; la comparación
de la velocidad de rotación de dicho eje de accionamiento de dicha
turbina auxiliar medida por dicho sensor con dicha gama de valores
permisibles y el control de los parámetros operativos del motor en
respuesta al resultado de dicho paso de comparación, de manera que
se mantenga dicha velocidad de dicha turbina auxiliar dentro de
dicha gama de valores permisibles.
A modo de ejemplo se describirá una forma de
realización, preferente pero no limitativa, de la presente invención
haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los
cuales:
La Figura 1 presenta un diagrama de un motor
turbocompound según la presente invención;
La Figura 2 presenta un diagrama de bloques de un
dispositivo de control del motor de la Figura 1.
El número 1 en la Figura 1 indica en conjunto el
motor de combustión interna para un vehículo industrial.
El motor 1 comprende un turbocompresor 2 que
comprende una turbina 3 y un compresor 4 dispuestos sobre un eje
común. La turbina 3 tiene una entrada 5 conectada a un colector de
escape 6 del motor 1 y una salida 7. El compresor 4 tiene una
entrada conectada a un circuito 8 de toma de aire y una salida 9
conectada a un colector de entrada (no representado) del motor a
través de un intercambiador de enfriamiento 10.
El motor 1 comprende también una turbina auxiliar
o turbina de potencia 13 que tiene una entrada 14 conectada a la
salida 7 de la turbina 3 y una salida 15 conectada a un sistema de
escape 16.
La turbina auxiliar 13 está situada sobre un eje
18 que está conectado mecánicamente con un eje de accionamiento 19
del motor 1 por medio de una transmisión indicada en conjunto con
20.
Más específicamente, la transmisión 20 comprende
un primer reductor de engranajes 24, una junta hidráulica 25 y un
segundo reductor de engranajes 26 conectados a la salida del eje de
accionamiento 19.
Según la presente invención, un sensor de la
velocidad angular 28, es decir, que comprende una rueda de
generación de impulsos 29 asociada con el eje 18 o con cualquier
otro elemento que gire a una velocidad fija con respecto al mismo,
detecta la velocidad de rotación de la turbina auxiliar 13, está
conectado a una primera entrada 30 de un dispositivo 31 para
controlar la alimentación de combustible y la geometría de la
turbina 3 y alimenta la entrada 30 con una señal I1 relacionada con
la velocidad de la turbina auxiliar 13. Un segundo sensor 34 de un
tipo convencional (no representado) y asociado por ejemplo con el
eje de entrada de la transmisión del vehículo para detectar la
velocidad angular del eje de accionamiento (a la que en adelante
nos referiremos como "velocidad del motor") está conectado y
alimenta una segunda entrada 35 del dispositivo 31 con una señal
I2.
La Figura 2 muestra un diagrama de bloques del
dispositivo 31.
El dispositivo 31 comprende esencialmente un
primer bloque 36 para calcular la velocidad teórica nTCteor de la
turbina auxiliar 13 en base a la señal I2. El bloque 36 está
conectado a una segunda entrada 35, comprendiendo esencialmente un
multiplicador para multiplicar el valor de la velocidad del motor
por una constante que tiene en cuenta la relación de transmisión de
la transmisión 20 y está conectada a la salida a un bloque 37 que
compara la velocidad real de la turbina auxiliar con una gama de
valores permisibles definida en base a la velocidad teórica
calculada anteriormente. Más específicamente, el bloque 37
comprende un primer dispositivo de adición 40 que calcula una
velocidad teórica máxima nTCmax de la turbina auxiliar 13 sumando
una constante (por ejemplo 10.000 rpm) a nTCteor y un segundo
dispositivo de adición 41 que calcula una velocidad teórica mínima
nTCmin de la turbina auxiliar 13, restando una constante (por
ejemplo 20.000 rpm) de nTCteor.
Los dos valores nTCmax y nTCmin son alimentados a
un primer comparador de umbral 42 que define una gama de valores
permisibles de la velocidad nTC de la turbina auxiliar 13. La
velocidad nTC se calcula de una forma conocida, en base a la señal
I1 del sensor 28, en un bloque de interconexión 43 conectado a la
primera entrada 30 del dispositivo 31, y que genera también de una
manera conocida una señal de diagnóstico 44 que indica el estado
operativo del sensor 28, y que tiene por ejemplo un valor lógico de
0 cuando el sensor 28 está operando de forma correcta, y un valor
lógico de 1 en caso de que la señal I1 del sensor 28 no sea
verosímil, por ejemplo que falte o no sea evaluable.
El comparador de umbral 42 recibe una señal nTC
del bloque de interconexión 43 y la compara con los valores de
umbral nTCmax y nTCmin. Más específicamente, el comparador de umbral
42 genera una señal digital 45 de valor 1 si nTC está comprendido
entre nTCmax y nTCmin y de valor 0 si está fuera de la gama definida
por nTCmax y nTCmin.
La señal 45 es alimentada a una entrada de una
primera puerta AND 46, la otra entrada de la cual es alimentada con
una señal 47 igual a la señal de diagnóstico 44 invertida por una
puerta NOT 48. La salida de la puerta AND 46 está conectada a un
bloque temporizador de filtrado 50 que genera una señal 53 del
mismo valor lógico que la señal de entrada, cuando la señal de
entrada permanece estable durante un intervalo de tiempo
predeterminado. La señal 53 es alimentada a un restablecedor de
impulsos 54 de un circuito basculante (flip-flop)
55.
El valor de nTCmax calculado por el dispositivo
de adición del primer bloque 40 es utilizado para determinar el
umbral de conmutación de un segundo comparador de umbral 54 que
recibe la señal nTC generada por el bloque de interconexión 43 y
genera una señal 56 de valor lógico 1 si nTC es mayor que nTCmax,
indicando de esta manera un funcionamiento incorrecto de la turbina
auxiliar 13, y de valor lógico 0 si nTC es inferior a nTCmax.
La señal de salida 56 del comparador 54 y la
señal de salida 47 de la puerta NOT 48 son alimentadas a las
entradas de una segunda puerta AND 57.
La salida de la puerta AND 57 está conectada a un
segundo bloque temporizador de filtrado 58 que genera una señal 59
del mismo valor lógico que la señal de entrada cuando la señal de
entrada permanece estable durante un periodo de tiempo
predeterminado. La señal 59 es alimentada a la entrada establecida
60 del circuito basculante 55.
El circuito basculante 55 genera una señal de
salida O1 que es alimentada a un bloque 38 para controlar la
geometría de la turbina 3, y a un bloque 39 para controlar la
alimentación de combustible por los inyectores. El bloque 39, cuyo
funcionamiento se describe más adelante detalladamente, recibe
también una señal nTC relativa a la velocidad de la turbina
auxiliar 13.
El funcionamiento del dispositivo 31, que en
parte es obvio por la descripción anterior, es el siguiente.
Para empezar, se supone que el sensor 28 está
funcionando correctamente, de manera que la señal 44 es de valor 1 y
no tiene efectos en las salidas de las puertas AND 46, 57, las
cuales dependen exclusivamente del valor de nTC.
Si la velocidad nTC de la turbina 13 cae dentro
de la gama de los valores permisibles, y el sensor 28 está
funcionando correctamente, la salida de la primera puerta AND 46 es
1; y si este valor permanece estable a lo largo del tiempo, la
entrada de restablecimiento del circuito basculante 55 es también
igual a 1.
Si nTC está comprendido dentro de la gama de los
valores permisibles, la condición nTC<nTCmax queda también
definitivamente confirmada, de manera que la salida del segundo
comparador de umbral 54 es 0, la salida de la segunda puerta AND 57
es 0, y si este valor permanece estable a lo largo del tiempo, la
entrada de establecimiento del circuito basculante 55 es también
0.
La señal de salida O1 del circuito basculante 55
es cero, de manera que no existe intervención alguna por parte de
los bloques 38, 39.
La rama superior del diagrama de bloques de la
Figura 2, indicado en conjunto por 31a, actúa por tanto como un
circuito de reconocimiento para determinar el funcionamiento
correcto.
Si la velocidad nTC de la turbina 13 no está
comprendida dentro de la gama de los valores permisibles, y el
sensor 28 está funcionando correctamente, la salida de la primera
puerta AND 46 es 0; y si este valor permanece constante a lo largo
del tiempo, la entrada de restablecimiento del circuito basculante
55 es también igual a 0.
Si nTC es mayor que nTCmax, la salida del segundo
comparador de umbral 54 es 1, la salida de la segunda puerta AND 57
es 1, y si este valor permanece estable a lo largo del tiempo, la
entrada de establecimiento del circuito basculante 55 es también
1.
En este caso, la señal O1 es igual a 1 y se
autoriza una corrección de la geometría de la turbina 3 y de la
alimentación de combustible.
La rama inferior del diagrama de bloques 31b,
actúa por tanto como un circuito de reconocimiento para determinar
un funcionamiento incorrecto.
A la inversa, si nTC es menor que nTCmin, la
salida del segundo comparador de umbral 54 es 0, la salida de la
segunda puerta AND 57 es 0, y si este valor permanece estable a lo
largo del tiempo, la entrada de establecimiento del circuito
basculante 55 es también 0. Ambas entradas del circuito basculante
55 son 0 y se mantiene la situación
pre-existente.
Lo mismo es aplicable en cualquier caso (es
decir, sin tener en cuenta el valor detectado de nTC) en caso que se
detecte un fallo en el sensor 28 (es decir, un valor 1 de la señal
de diagnóstico 44); en cuyo caso la señal 47 es 0 de manera que las
salidas de ambas puestas AND 46 y 57 son 0.
En presencia de un valor lógico 1 de la señal O1,
el bloque 38 determina la geometría de la turbina 3 a estado de
apertura total, reduciendo de esta forma la sobrealimentación; y al
mismo tiempo el bloque 39 reduce inmediatamente la alimentación de
combustible a los inyectores a un valor inicial predeterminado, y a
continuación modula el valor de alimentación plena para mantener la
velocidad de la turbina auxiliar 13 constante e igual a un valor
aceptable, es decir, nTCmax.
Las ventajas del motor 1, y particularmente del
dispositivo de control 31 según la presente invención quedarán
claras a partir de la descripción precedente.
En particular, por medio del dispositivo 31 que
determina la velocidad de rotación de la turbina auxiliar 13, se
detecta cualquier funcionamiento incorrecto que afecte al
comportamiento mecánico de la turbina.
El control lógico del dispositivo 31 solamente
prevé la corrección de los parámetros operativos del motor
(geometría de la turbina 3 y de la alimentación de combustible)
cuando no hay duda de que está en peligro la integridad de la
turbina 13. Esto es, no interviene cuando el fallo pueda depender
posiblemente de un funcionamiento defectuoso del sensor 28, o
cuando el fallo no amenaza la integridad de la turbina 13 (nTC <
nTCmin).
Además, la intervención está diseñada todavía
para que, si bien permite el funcionamiento de emergencia del
vehículo alimentando el motor que se está controlando, evita una
aceleración excesiva de la turbina auxiliar 13.
Evidentemente, pueden realizarse cambios en el
motor 1 y en particular en el dispositivo 31 sin que sin embargo se
aparten del alcance de las reivindicaciones que se acompañan.
Claims (9)
1. Motor turbocompound de combustión interna (1)
que comprende un eje de accionamiento (19), un turbocompresor (2)
que comprende una turbina (3) y un compresor (4); una turbina
auxiliar (13) situada siguiendo el recorrido de los gases de
escape, después de dicha turbina (3) de dicho turbocompresor (2); y
medios de transmisión (20) entre dicha turbina auxiliar (13) y dicho
eje de accionamiento (19); un primer sensor (28) de la velocidad
angular para detectar la velocidad de rotación de dicha turbina
auxiliar (13); y un dispositivo de control (31) para controlar la
velocidad de rotación de dicha turbina auxiliar (13), el cual está
conectado a dicho primer sensor (28) y que a su vez comprende
medios de cálculo (34, 36, 40, 41) para calcular una gama de valores
permisibles de dicha velocidad de rotación de dicha turbina
auxiliar (13), medios de comparación (42, 54) para comparar la
velocidad de rotación de dicha turbina auxiliar (13) medida por
dicho primer sensor (28) con dicha gama de valores permisibles, y
medios de control (38, 39) para controlar los parámetros operativos
del motor (1) en respuesta a una señal de autorización (O1) generada
por dichos medios de comparación (42, 54), de manera que se
mantenga dicha velocidad de dicha turbina auxiliar (13) dentro de
dicha gama de valores permisibles, estando caracterizado
dicho motor porque dichos medios de cálculo (28, 36, 40, 41) para
calcular dicha gama de valores permisibles comprenden un segundo
sensor (34) de la velocidad angular para detectar la velocidad de
rotación del eje de accionamiento (19); y medios de procesado (40,
41) para calcular por lo menos un valor máximo de la velocidad de
dicha turbina auxiliar (13) en base a la velocidad del eje de
accionamiento (19).
2. Motor, como el reivindicado en la
Reivindicación 1, caracterizado porque dicha turbina (3) de
dicho turbocompresor (2) es del tipo de geometría variable; dichos
medios de control (38, 39) para controlar los parámetros operativos
del motor comprenden medios (38) para variar la geometría de dicha
turbina de geometría variable.
3. Motor, como el reivindicado en la
Reivindicación 1, caracterizado porque dichos medios (38)
para variar la geometría de la turbina de geometría variable (3)
comprenden medios para determinar una condición de apertura total de
dicha turbina de geometría variable (3).
4. Motor, como el reivindicado en una de las
anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque dichos
medios de control (38, 39) para controlar los parámetros operativos
del motor, comprenden medios (39) para variar la alimentación de
combustible para mantener dicha velocidad de dicha turbina auxiliar
(13) dentro de dicho valor máximo.
5. Motor, como el reivindicado en cualquiera de
las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque dicho
dispositivo de control (31) incluye medios (43) para determinar la
verosimilitud de una señal (I1) recibida de dicho primer sensor
(28); y medios de desactivación (46, 57) para desactivar dichos
medios de control (38, 39) para controlar los parámetros operativos
del motor en respuesta a la detección de una condición de falta de
verosimilitud de dicha señal (I1).
6. Procedimiento para el control de un motor
turbocompound de combustión interna que comprende un eje de
accionamiento (19), un turbocompresor (2) que comprende una turbina
(3) y un compresor (4); una turbina auxiliar (13) situada siguiendo
el recorrido de los gases de escape, después de dicha turbina (3) de
dicho turbocompresor (2); y medios de transmisión (20) entre dicha
turbina auxiliar (13) y dicho eje de accionamiento (19);
comprendiendo dicho procedimiento el paso de medir la velocidad de
rotación de dicha turbina auxiliar (13) por medio de un primer
sensor (28); caracterizado por comprender además los pasos de
medir la velocidad de rotación de dicho eje de accionamiento (19);
de calcular una gama de valores permisibles de dicha velocidad de
rotación de dicha turbina auxiliar (13) en base a la velocidad de
rotación de dicho eje de accionamiento; de comparar la velocidad de
rotación de dicha turbina auxiliar (13) medida por dicho primer
sensor (28) con dicha gama de valores permisibles; y de controlar
los parámetros operativos del motor en respuesta al resultado de
dicho paso de comparación, de manera que se mantenga dicha
velocidad de dicha turbina auxiliar (13) dentro de dicha gama de
valores permisibles.
7. Procedimiento, como el reivindicado en la
Reivindicación 6, caracterizado porque dichos parámetros
operativos del motor comprenden la geometría de dicha turbina (3)
de dicho turbocompresor (2) y la alimentación de combustible.
8. Procedimiento, como el reivindicado en la
Reivindicación 7, caracterizado porque dicho paso de
controlar los parámetros operativos del motor (1) comprende las
operaciones de determinar dicha turbina (3) de dicho turbocompresor
(2) en una condición de total apertura; y de modular la
alimentación de combustible para mantener la velocidad de rotación
de la turbina auxiliar (13) dentro de un límite máximo.
9. Procedimiento, como el reivindicado en una de
las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque comprende
los pasos de determinar la verosimilitud de una señal (I1) recibida
de dicho primer sensor (28); y desactivar dicho paso de controlar
dichos parámetros operativos del motor en respuesta a una condición
de falta de verosimilitud de dicha señal (I1).
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