ES2340501T3 - Metodo y un dispositivo para controlar la velocidad de rotacion de un turbo-supercargador en un motor de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Un método (1) para controlar la velocidad de rotación de un turbosupercargador (7) en un motor de combustión interna (2) de un vehículo de motor incluyendo: un compresor (9), una turbina (8) para mover el compresor (9) en rotación bajo la acción de los gases de escape del motor (2); y una válvula de compuerta de descarga (12) para regular la tasa de flujo de los gases de escape dispuesta en la entrada a la turbina (8) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) propiamente dicha como una función de una presión de supercarga objetiva (POB) que indica el valor de la presión de supercarga que, en base a un mapa objetivo del motor y de un conjunto de parámetros de motor, se requiere en salida de dicho compresor (9); caracterizándose dicho método porque incluye los pasos de: - establecer una velocidad de rotación límite (Ntc) del turbosupercargador (7); y durante el control de la velocidad de rotación de la turbina (8) realizado a través de dicha válvula de compuerta de descarga (12), implementar los pasos siguientes: - medir la presión (PAMB) del aire introducido en la entrada por el compresor (9); - determinar la tasa de flujo másico (QAH) del compresor (9); - calcular, a través de un mapa predeterminado (15a) que caracteriza la operación del compresor (9) y como una función de la velocidad de rotación límite preestablecida (Ntc), de la presión medida del aire (PAMB), y de la tasa de flujo másico (QAH), una presión de supercarga límite (SP1), que se correlaciona con la presión de aire obtenible en salida del compresor (9) cuando la turbina (8) gira a una velocidad sustancialmente igual a dicha velocidad límite preestablecida (Ntc); - verificar si la presión de supercarga objetiva requerida (POB) cumple una relación preestablecida con dicha presión de supercarga límite calculada (SP1); cumpliéndose dicha relación preestablecida cuando dicha presión objetiva (POB) requerida es más alta que dicha presión de supercarga límite (SP1); - en el caso en que se cumpla dicha relación, accionar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de la presión de supercarga límite (SP1) con el fin de limitar la velocidad de rotación de dicho turbo-supercargador (7) a un valor sustancialmente igual a dicha velocidad límite preestablecida (Ntc); - en el caso en que dicha relación no se cumpla, accionar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de la presión de supercarga objetiva (POB) con el fin de lograr una supercarga correspondiente a la presión objetiva (POB) propiamente dicha.
Description
Método y un dispositivo para controlar la
velocidad de rotación de un turbo-supercargador en
un motor de combustión interna.
La presente invención se refiere a un método y
un dispositivo para controlar la velocidad de rotación de un
turbo-supercargador en un motor de combustión
interna.
Como es conocido, algunos motores de combustión
interna de vehículos de motor están provistos de un sistema
supercargador, que es capaz de aumentar la potencia desarrollada por
el motor explotando la energía residual de los gases de escape
producidos por el motor propiamente dicho.
Los sistemas supercargadores del tipo mencionado
anteriormente están provistos típicamente de un turbosupercargador
que consta, a su vez, de un conjunto de turbina a lo largo del tubo
de escape de manera que gire a alta velocidad bajo la acción de los
gases de escape expulsados por el motor, y de un conjunto compresor
a lo largo del tubo de alimentación de aire, que está conectado a la
turbina mediante un eje para ser movido en rotación por la turbina
propiamente dicha con el fin de "expulsar" el aire aspirado
hacia los cilindros del motor. La acción de empuje genera una
supercarga, es decir, un aumento de la presión de aire suministrado
al motor, que determina un aumento de la potencia desarrollada por
él.
También es conocido que, en los sistemas
supercargadores del tipo descrito anteriormente, hay que ser capaz
de limitar, cuando varían las condiciones de operación del motor, la
velocidad máxima de rotación del turbosupercargador tanto por
razones funcionales como por razones estructurales con el fin de
evitar situaciones operativas críticas que puedan producir daño en
el turbosupercargador.
US5829254 describe un dispositivo de control de
presión de sobrecarga, en el que la velocidad del turbocargador de
un motor de combustión interna para un avión se controla regulando
la abertura de una válvula de compuerta de descarga. En el
dispositivo de control del motor de combustión interna, una tasa de
flujo de aire de entrada de un compresor de turbocargador, una
presión del aire de entrada, una temperatura del aire de entrada, y
una relación aire-carburante del motor de combustión
interna son detectadas por respectivos sensores correspondientes.
En estas condiciones, se calcula una relación de presión del
compresor donde el turbocargador opera cerca de la velocidad máxima
permisible. Al mismo tiempo, la abertura de la válvula de compuerta
de descarga es controlada con el fin de obtener la relación de
presión calculada. Por esto, el turbocargador opera constantemente
cerca de la velocidad máxima permisible.
Por lo tanto, la finalidad de la presente
invención es proporcionar un dispositivo para controlar la velocidad
de rotación de un turbosupercargador en un motor de combustión
interna que será simple y barato y capaz de asegurar que, en
cualquier condición de operación del motor, la velocidad de rotación
del turbosupercargador siempre permanezca por debajo de un valor
preestablecido.
El documento US 5.829.254 A describe tal
dispositivo, pero para un motor de avión, donde el turbocargador
siempre opera cerca de su velocidad máxima.
Según la presente invención, aquí se facilita un
método para controlar la velocidad de rotación de un
turbosupercargador en un motor de combustión interna como el
indicado en la reivindicación 1 y, preferiblemente, en cualquiera
de las reivindicaciones posteriores que dependen directa o
indirectamente de la reivindicación 1.
Según la presente invención, se facilita un
dispositivo para controlar la velocidad de rotación de un
turbosupercargador en un motor de combustión interna especificado en
la reivindicación 9 y, preferiblemente, en cualquiera de las
reivindicaciones posteriores que dependen directa o indirectamente
de la reivindicación 9.
La presente invención se describirá ahora con
referencia a los dibujos adjuntos, que ilustran un ejemplo no
limitador de realización de la misma, y en los que:
La figura 1 es una ilustración esquemática de un
sistema supercargador provisto de un dispositivo para controlar la
velocidad de rotación de un turbosupercargador, según las ideas de
la presente invención.
La figura 2 representa un diagrama de bloques de
una unidad electrónica de control incluida en el dispositivo
ilustrado en la figura 1 para controlar la velocidad.
La figura 3 representa un mapa de operación del
compresor incluyendo un conjunto de curvas, de las que cada una
está asociada a una velocidad de rotación y representa la curva de
la relación de compresión del compresor en función de su tasa de
flujo másico.
La figura 4, en cambio, representa un detalle
del mapa de operación del compresor en el que se representan dos
umbrales limite, de los que uno define una zona de inhibición del
control de velocidad y el otro una zona de limitación de la
velocidad.
Con referencia a la figura 1, el número 1
designa en conjunto un sistema supercargador que tiene la función
de incrementar la potencia mecánica desarrollada por un motor 2
explotando la energía residual de los gases de escape producidos
por el motor 2 propiamente dicho.
El motor 2 incluye: un tubo de admisión 3
diseñado para tomar aire, o cualquier fluido similar, del entorno
externo; un colector 4 conectado al tubo de admisión 3 para recibir
el aire y suministrarlo a los cilindros del motor 2; y una válvula
de mariposa 5, que se pone entre el tubo de admisión 3 y el colector
4 para regular la entrada de aire suministrado en la entrada al
motor 2. El motor 2 está provisto además de un tubo de escape 6, a
través del que los gases de escape generados por el motor 2 a la
combustión son expulsados hacia el entorno externo.
Con referencia a la figura 1, el sistema
supercargador 1 incluye, en cambio, un turbosupercargador 7
incluyendo a su vez una turbina 8, que se pone a lo largo del tubo
de escape 6 para girar a alta velocidad bajo la acción de los gases
de escape expulsados del motor 2, y un compresor 9, que se pone a lo
largo del tubo de admisión 3 y está conectado mecánicamente a la
turbina 8 para ser movido en rotación por la turbina 8 propiamente
dicha con el fin de aumentar la presión de aire suministrado en el
colector 4, produciendo así la supercarga del motor 2.
El sistema 1 incluye un dispositivo 10 para
controlar la velocidad de rotación del turbosupercargador 7, que, a
su vez, incluye: un tubo de derivación 11 conectado al tubo de
escape 6 en paralelo a la turbina 8, de tal forma que presente uno
de sus extremos conectado hacia arriba y el otro hacia abajo de la
turbina 8 propiamente dicha; una válvula de regulación, designada a
continuación válvula de compuerta de descarga 12, que se pone a lo
largo del tubo de derivación 11 para regular la tasa de flujo de los
gases de escape suministrados en la entrada a la turbina 8; y un
accionador 13 de un tipo conocido que tiene la función de accionar
a la orden la válvula de compuerta de descarga 12.
El dispositivo de control 10 incluye además una
unidad electrónica de control 14, que tiene la función de
controlar, por medio del accionador 13, la válvula de compuerta de
descarga 12 de tal forma que permita que una parte de los gases de
escape expulsados del motor 2 lleguen a la parte terminal del tubo
de escape 6 directamente, sin pasar a través de la turbina 8,
permitiendo así el control de la velocidad de rotación de la
turbina 8 propiamente dicha.
Con referencia a la figura 2, la unidad
electrónica de control 14 incluye básicamente una unidad de cálculo
15, que recibe en la entrada: una señal correlacionada a la tasa de
flujo másico Q_{AH} del compresor 9, determinada mediante una
estimación o una medición de la masa de aire que atraviesa el
compresor 9 propiamente dicho por unidad de tiempo; una señal
correlacionada a una velocidad límite preestablecida N_{tc} del
turbosupercargador 7, más allá de la que pasa a una condición
crítica; y la temperatura T_{AMB} del aire medida hacia arriba
del compresor 9.
La unidad de cálculo 15 calcula, como una
función de los parámetros Q_{AH}, T_{AMB} y N_{tc} recibidos
en la entrada y en base a un mapa predeterminado que caracteriza la
operación del compresor 9 (descrito en detalle a continuación), una
presión de supercarga límite S_{P1} correlacionada a la presión
obtenible en la salida del compresor 9 cuando la turbina 8 gira a
una velocidad sustancialmente igual a la velocidad límite
preestablecida N_{tc}. En otros términos, la presión de supercarga
límite S_{P1} indica la presión de supercarga máxima que se puede
alcanzar en la salida del compresor 9, cuya superación corresponde a
una velocidad de rotación del turbosupercargador 7 más alta que la
velocidad límite preestablecida N_{tc} que puede resistir el
turbosupercargador 7 propiamente dicho.
La unidad electrónica de control 14 incluye
además una unidad de comparación 16, que recibe en la entrada la
presión de supercarga límite S_{P1}, y una presión objetiva
P_{OB}, que indica el valor de la presión de supercarga que, en
base a un mapa objetivo del motor (conocido y no ilustrado) y de un
conjunto de parámetros de operación del motor (tal como, por
ejemplo, las rpm del motor, la eficiencia de admisión del motor,
etc) se requiere en el sistema 1 hacia abajo del compresor 9, es
decir, en la entrada al motor 2.
En particular, la unidad de comparación 16 es
capaz de verificar si la presión objetiva P_{OB} cumple o no una
relación dada (descrita en detalle a continuación) con la presión de
supercarga límite S_{P1}, y genera en salida una señal
conteniendo una presión de orden P_{EC}, a la que se asigna, según
el resultado de dicha verificación, la presión de supercarga límite
S_{P1} (P_{EC} = S_{P1}) o, alternativamente, la presión
objetiva P_{OB} (P_{EC} = P_{OB}).
La unidad electrónica de control 14 incluye
además una unidad de accionamiento 17, que recibe en la entrada la
señal conteniendo la presión de orden P_{EC} y genera según la
última una señal S_{WG}, que controla, mediante el accionador 13,
la válvula de compuerta de descarga 12 con el fin de regular la
presión de los gases de escape suministrados en la entrada a la
turbina 8 con el fin de aumentar/disminuir la velocidad de rotación
de la turbina 8 y del compresor 9, haciendo así que la presión de
orden P_{EC} en el tubo de admisión 3 se alcance hacia abajo del
compresor 9.
Con referencia a la figura 2, la unidad de
cálculo 15 es capaz de generar la presión de supercarga límite
S_{P1} en base a un mapa predeterminado de operación, que contiene
una pluralidad de curvas características de operación del compresor
9, designadas a continuación con C_{i}, (siendo i del orden de 1 a
n), cada una de las cuales está asociada a una velocidad constante
dada V_{tc} y da la relación de compresión R_{P} entre la
presión de aire en salida P_{O} al compresor 9 y la presión de
aire P_{AMB} suministrada en la entrada al compresor 9
propiamente dicho en función de su tasa de flujo másico
Q_{AH}.
En particular, la unidad de cálculo 15 está
diseñada para procesar el mapa predeterminado de operación para
identificar la curva de operación característica C_{i} asociada a
la velocidad V_{tc} que corresponde a la velocidad límite
N_{tc}, y determina a través de la curva C_{i} identificada, y
en función de la tasa de flujo másico Q_{AH}, la relación de
compresión máxima R_{M} del compresor 9. Una vez que la relación
de compresión máxima R_{M} ha sido determinada, la unidad de
cálculo 15 es capaz de determinar, según la presión P_{AMB} del
aire medida en la entrada al compresor 9, el umbral límite de
supercarga S_{P1} a suministrar en la entrada a la unidad de
comparación 16. En el caso en cuestión, la unidad de cálculo 15
está diseñada para determinar el umbral límite de supercarga
S_{P1} multiplicando la relación de compresión máxima RM por la
presión de aire P_{AMB} (S_{P1} R_{M}*P_{AMB}).
Se deberá señalar que el mapa predeterminado de
operación y las curvas correspondientes C_{i} de operación del
compresor 9 se determinan en un paso de prueba y calibración del
turbosupercargador 7, durante el que las cantidades físicas de
interés, es decir, la velocidad de rotación V_{tc}, la tasa de
flujo másico Q_{AH}, y la relación de compresión RM son medidas y
determinadas en un estado de referencia caracterizado por una
temperatura de referencia T_{RIF} y una presión de referencia
P_{RIF}. En el caso en cuestión, el mapa predeterminado de
operación y las curvas correspondientes C_{i} de operación son
suministradas típicamente en forma "normalizada" de modo que
permita la determinación de dichos parámetros en cualquier condición
de operación del turbosupercargador 7 distinta de la condición de
referencia.
Con referencia al ejemplo ilustrado en las
figuras 3 y 4, el mapa de operación 15a almacenado en la unidad de
cálculo 15 y los parámetros correspondientes son preferiblemente,
pero no necesariamente, "normalizados" con respecto a las
condiciones de referencia preestablecidas adoptadas en las
mediciones realizadas durante la prueba y calibración del
turbosupercargador 7. En particular, las curvas C_{i} del mapa de
operación 15a son "normalizadas", es decir, son referenciadas
a las condiciones de referencia preestablecidas (P_{RIF} y
T_{RIF}) para permitir la determinación de la relación de
compresión R_{R} en cualquier condición de operación del
turbosupercargador 7 diferentes de la condición de referencia
preestablecida.
Con más detalle, cada curva C_{i} del mapa de
operación "normalizado" ilustrado en las figuras 3 y 4 está
asociada a una velocidad reducida V_{tcr} calculada usando la
relación siguiente:
mientras que la tasa de flujo
másico Q_{AH} se normaliza usando la relación
siguiente:
Q_{AHR} es la tasa de flujo másico reducida
del compresor 9; se deberá señalar que la tasa de flujo másico
Q_{AH} puede ser estimada de forma conocida en base a un conjunto
de parámetros de operación del motor, o de otro modo se puede medir
con un flujómetro 19 colocado en el tubo de admisión 3
preferiblemente hacia arriba del compresor 9; y
P_{AMB} y T_{AMB} son, respectivamente, la
presión y la temperatura del aire en el tubo de admisión 3, que se
pueden medir preferiblemente a través de respectivos sensores 20a y
20b situados en posiciones correspondientes al tubo de admisión 3
propiamente dicho hacia arriba del compresor 9.
Con referencia al ejemplo ilustrado en las
figuras 2, 3 y 4, la unidad de cálculo 15 incluye básicamente un
módulo de cálculo 21, que recibe en la entrada la tasa de flujo
másico Q_{AH}, la presión P_{AMB} y preferiblemente la
temperatura T_{AMB} del aire medida hacia arriba del compresor 9,
la presión de referencia P_{RIF} y la temperatura de referencia
T_{RIF} asociada a las curvas C_{i} del mapa predeterminado 15a,
y suministra en salida la tasa de flujo másico reducida Q_{AHR}
determinada aplicando la relación b) que aparece anteriormente.
La unidad de cálculo 15 incluye además un módulo
de cálculo 22, que recibe en la entrada la velocidad límite
preestablecida N_{tc}, preferiblemente las temperaturas T_{AMB}
y T_{RTF}, y está diseñada para implementar la relación
con el fin de suministrar en salida
la velocidad límite reducida N_{tcr} normalizada con respecto a la
condición de
referencia.
Con referencia a la figura 2, la unidad de
cálculo 15 incluye además un módulo de procesado 23, que recibe en
la entrada la velocidad límite reducida N_{tcr} y la tasa de flujo
másico reducida Q_{AHR} y suministra en salida la presión de
supercarga límite S_{P1} y una señal A_{WG} conteniendo una
orden para habilitar/inhabilitar el control de la válvula de
compuerta de descarga 12 por el sistema 1 (descrito a
continuación).
En particular, en el ejemplo ilustrado en la
figura 2, el módulo de procesado 23 incluye un bloque de procesado
24, que contiene el mapa predeterminado 15a en la forma
"normalizada", y está diseñado para determinar en el mapa
propiamente dicho la curva C_{i} asociada a la velocidad reducida
V_{tcr} correspondiente a la velocidad límite reducida
N_{tcr}.
Con más detalle, con referencia a la figura 4,
después de la identificación de la curva C_{i} correspondiente a
la velocidad límite reducida N_{tcr}, el bloque de procesado 24
determina, como una función de la tasa de flujo másico reducida
Q_{AHR}, una relación de compresión máxima R_{M} y la suministra
en salida.
Con referencia a la figura 2, el módulo de
procesado 23 incluye además, preferiblemente, pero no
necesariamente, un bloque de cálculo 26, que recibe en la entrada la
relación de compresión máxima R_{M} y resta de ésta última un
primer umbral de seguridad \DeltaC_{1} para determinar una
relación de compresión limite R_{PL} (R_{PL} = R_{M} -
\DeltaC_{1}).
Se deberá señalar que el primer umbral de
seguridad \DeltaC1 se establece de tal forma que determine "una
zona de operación limite" del compresor 9, dentro de la que el
dispositivo de control 10 interviene en la válvula de compuerta de
descarga 12 para limitar la velocidad de rotación del
turbosupercargador 7. La zona de operación limite se representa
esquemáticamente en la figura 4 y está delimitada en la parte
superior por la curva C_{i} que presenta una velocidad U_{tcr}
que corresponde a la velocidad limite reducida N_{tcr} y en la
parte inferior por una curva asociada al primer umbral de seguridad
\DeltaC1 (representado con una linea de trazos). Así, es evidente
que la regulación del primer umbral de seguridad \DeltaC1 permite
ventajosamente la definición de la velocidad de rotación limite
asignada al turbo-
supercargador 7.
supercargador 7.
El módulo de procesado 23 incluye además un
bloque de cálculo 27, que recibe en la entrada la relación de
compresión limite R_{PL} y la presión P_{AMB} y suministra en
salida la presión de supercarga limite S_{P1}. En el caso en
cuestión, el bloque de cálculo 27 calcula la presión de supercarga
limite S_{P1} usando la relación siguiente S_{P1} =
R_{PL} *P_{AMB}.
R_{PL} *P_{AMB}.
Con referencia a la figura 2, el módulo de
procesado 23 incluye además un bloque de desactivación 28, que
recibe en la entrada la relación de compresión máxima R_{M}, la
presión P_{AMB}, una presión P_{UTH} correspondiente a la
presión de aire medida hacia abajo del compresor 9 a través de un
sensor 29 colocado en una posición correspondiente a la válvula de
mariposa 5, y un segundo umbral de seguridad preestablecido
\DeltaC_{2} (representado en la figura 4) y suministra en salida
la señal A_{WG} conteniendo la orden para habilitar/inhabilitar
el supercargador.
En particular, el bloque de desactivación 28
está diseñado para realizar las operaciones siguientes: determinar
una relación de compresión efectiva R_{E} = P_{UTH}/P_{AMB}
correspondiente a la relación entre la presión P_{UTH} medida en
salida del compresor 9 y la presión P_{AMB} medida en la entrada
al compresor 9; restar de la relación de compresión calculada
máxima RM el segundo umbral de seguridad \DeltaC2 con el fin de
determinar una relación de compresión de desactivación R_{D} =
(R_{M}-\DeltaC2); y verificar si la relación de
compresión efectiva RE cumple o no una relación preestablecida de
comparación con la relación de compresión de desactivación R_{D}.
En el caso en cuestión, si la relación de compresión efectiva RE es
mayor o igual a la relación de compresión de desactivación R_{D}
(R_{E} \geq R_{D}), entonces el bloque de desactivación 28
codifica en la señal A_{wg} una orden para desactivación de la
válvula de compuerta de descarga 12 (que produce una reducción de
supercarga parcial o total), mientras que si la relación de
compresión efectiva RE es inferior a la relación de compresión de
desactivación R_{D}, el bloque de desactivación 27 codifica en la
señal A_{WG} una orden que lleva a cabo la activación del control
de la válvula de compuerta de descarga 12 (condición de control de
supercarga).
Con más detalle, el bloque de desactivación 28
suministra la señal A_{WG} a la unidad de accionamiento 17, que,
en el caso donde la señal A_{WG} codifica la orden de activación,
controla la válvula de compuerta de descarga 12 según la presión de
orden P_{EC} de modo que controle la velocidad de rotación del
turbosupercargador 7 (manteniendo en consecuencia la supercarga
activa).
En cambio, si la señal A_{WG} codifica la
orden de inhabilitación, la unidad de accionamiento 17 pasa a una
condición de inhibición con vistas al control de la válvula de
compuerta de descarga 12. En este último caso, la válvula de
compuerta de descarga 12 puede pasar automáticamente a una condición
operativa preestablecida, en la que la supercarga se reduce parcial
o completamente. Por ejemplo, al inicio de la condición de
inhibición, el sistema supercargador 1 puede cesar el control
electrónico de la válvula de compuerta de descarga 12 y contemplar
su control de un tipo tradicional, por ejemplo un control
"mecánico", en el que el accionador 13, bajo la presión de
aire generada en salida del tubo de admisión 3, acciona la válvula
de compuerta de descarga 12 cuando la presión alcanzada hacia abajo
del compresor 9 excede de un umbral límite preestablecido. De hecho,
la superación de dicha presión umbral lleva a cabo un control
mecánico del accionador 13, que acciona la válvula de compuerta de
descarga 12, produciendo así una limitación de la velocidad de la
turbina 8 y una reducción de supercarga correspondiente.
En la descripción anterior, se ha de indicar que
el segundo umbral de seguridad \DeltaC2 se establece en tal forma
que determine una "zona de desactivación" del
turbosupercargador 7 dentro de la que el dispositivo de control 10
interviene en la válvula de compuerta de descarga 12 para reducir
parcial o completamente la supercarga del motor 2. La zona de
desactivación se representa esquemáticamente en la figura 4 y está
delimitada en la parte superior por la curva C_{i} correspondiente
a la velocidad límite reducida V_{tcr} = N_{tcr} y en la parte
inferior por una curva asociada al segundo umbral de seguridad
\DeltaC2 (representado con una línea de puntos y trazos). En
consecuencia, es evidente que la regulación del segundo umbral de
seguridad \DeltaC2 hace posible ventajosamente establecer la
intervención para inhabilitar la supercarga desde el dispositivo de
control 10.
En la descripción anterior, se ha de indicar que
el primer umbral de seguridad \DeltaC_{1} y/o el segundo umbral
de seguridad \DeltaC2 pueden asumir un valor constante o de otro
modo pueden variar en función de un conjunto de parámetros
asociados con el aire introducido por el compresor 9, tal como, por
ejemplo, la temperatura T_{AMB}, la tasa de flujo másico
Q_{AH}, la presión P_{AMB}, y la presión P_{UTH}, y/o en
función de uno o más parámetros operativos del motor, tales como,
por ejemplo, la presión del colector 4, la temperatura del aceite
de motor, la temperatura del aceite del turbosupercargador 7, la
temperatura del refrigerante del motor, las rpm del motor, etc.
Con respecto a la unidad de comparación 16, ésta
compara la presión objetiva requerida P_{OB} con la presión de
supercarga limite S_{P1} y asigna a la presión de orden P_{EC},
según el resultado de la comparación, la presión objetiva P_{OB}
o la presión de supercarga limite S_{P1}. En el caso en cuestión,
en el ejemplo ilustrado, si la presión objetiva P_{OB} requerida
es inferior o igual a la presión de supercarga limite S_{P1}, la
unidad de comparación 16 asigna a la presión de orden P_{EC} la
presión objetiva P_{OB}. En este caso, la unidad de accionamiento
17, que ha recibido en la entrada la presión objetiva P_{OB},
regula la velocidad del turbosupercargador 7 de tal forma que logre
una supercarga correspondiente a la presión objetiva P_{OB}
propiamente dicha.
En cambio, si la presión objetiva P_{OB}
requerida es más alta que la presión de supercarga limite S_{P1},
la unidad de comparación 16 asigna a la presión de orden P_{EC} la
presión de supercarga limite S_{P1}. En este caso, la unidad de
accionamiento 17, que ha recibido la presión de supercarga limite
S_{P1}, limita la velocidad de rotación del turbosupercargador 7
a un valor correspondiente a la velocidad preestablecida máxima
N_{tc}, manteniendo de esta forma una presión de supercarga limite
S_{P1} hacia abajo del compresor 9.
En la descripción anterior, se ha de indicar que
el dispositivo de control 10 puede carecer del sensor 20b para
medición de la temperatura T_{AMB} y que la tasa de flujo másico
reducida Q_{AHR} puede ser normalizada "parcialmente" en
base a la relación entre las presiones P_{RIF}/P_{AMB}, sin
tener en cuenta la relación entre las temperaturas T_{AMB} y
T_{RIF}. En este caso, es ventajosamente posible "compensar"
la normalización "parcial" y por lo tanto garantizar un margen
de seguridad dado en la limitación de la velocidad máxima, variando
apropiadamente el primer umbral de seguridad \DeltaC_{1} y/o el
segundo umbral de seguridad \DeltaC2.
El dispositivo de control 10 del sistema
supercargador 1 presenta la ventaja de ser simple y económico de
producir en la medida en que no requiere dispositivos de medición
adicionales, tales como, por ejemplo, sensores de medición de
velocidad instalados en el turbosupercargador 7 para medir su
velocidad de rotación, pero usa los sensores típicamente presentes
en el sistema de control de motor y supercargador tradicionales.
Además, el dispositivo de control 10 presenta la ventaja de
asegurar una limitación de la velocidad de rotación del
turbosupercargador cuando las condiciones medioambientales y/o el
estado de operación del motor varían.
Finalmente, es claro que se puede hacer
modificaciones y variaciones en el dispositivo de control aquí
descrito e ilustrado, sin apartarse por ello del alcance de la
presente invención, definido en las reivindicaciones anexas.
En particular, según una variante (no
ilustrada), el mapa de operación del turbosupercargador puede estar
asociado a un umbral de velocidad límite dado que "no esté
reducido" es decir, no normalizado con respecto a la temperatura
de referencia T_{RIF}, mientras que cada curva C_{i} del mapa
propiamente dicho puede estar asociada a una temperatura dada T del
aire en la entrada al compresor 9 y proporciona el gráfico de la
relación de compresión Rp en función de la tasa de flujo másico
reducida Q_{AHR}. En este caso, la unidad de cálculo 15 carece
del bloque de cálculo 22, y el bloque de cálculo 24 determina la
curva C_{i} a usar para el cálculo de la relación de compresión
máxima R_{M} en función de la temperatura T_{AMB} del aire.
Claims (14)
1. Un método (1) para controlar la velocidad de
rotación de un turbosupercargador (7) en un motor de combustión
interna (2) de un vehículo de motor incluyendo: un compresor (9),
una turbina (8) para mover el compresor (9) en rotación bajo la
acción de los gases de escape del motor (2); y una válvula de
compuerta de descarga (12) para regular la tasa de flujo de los
gases de escape dispuesta en la entrada a la turbina (8) para
controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) propiamente
dicha como una función de una presión de supercarga objetiva (POB)
que indica el valor de la presión de supercarga que, en base a un
mapa objetivo del motor y de un conjunto de parámetros de motor, se
requiere en salida de dicho compresor (9); caracterizándose
dicho método porque incluye los pasos de:
- establecer una velocidad de rotación límite
(Ntc) del turbosupercargador (7); y
durante el control de la velocidad de rotación
de la turbina (8) realizado a través de dicha válvula de compuerta
de descarga (12), implementar los pasos siguientes:
- medir la presión (PAMB) del aire introducido
en la entrada por el compresor (9);
- determinar la tasa de flujo másico (QAH) del
compresor (9);
- calcular, a través de un mapa predeterminado
(15a) que caracteriza la operación del compresor (9) y como
una función de la velocidad de rotación límite preestablecida (Ntc),
de la presión medida del aire (PAMB), y de la tasa de flujo másico
(QAH), una presión de supercarga límite (SP1), que se correlaciona
con la presión de aire obtenible en salida del compresor (9) cuando
la turbina (8) gira a una velocidad sustancialmente igual a dicha
velocidad límite preestablecida (Ntc);
- verificar si la presión de supercarga objetiva
requerida (POB) cumple una relación preestablecida con dicha
presión de supercarga límite calculada (SP1); cumpliéndose dicha
relación preestablecida cuando dicha presión objetiva (POB)
requerida es más alta que dicha presión de supercarga límite
(SP1);
- en el caso en que se cumpla dicha relación,
accionar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar
la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de la
presión de supercarga límite (SP1) con el fin de limitar la
velocidad de rotación de dicho turbo-supercargador
(7) a un valor sustancialmente igual a dicha velocidad límite
preestablecida (Ntc);
- en el caso en que dicha relación no se cumpla,
accionar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar
la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de la
presión de supercarga objetiva (POB) con el fin de lograr una
supercarga correspondiente a la presión objetiva (POB) propiamente
dicha.
2. El método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho mapa predeterminado (15a) incluye
una pluralidad de curvas características de operación (Ci), cada
una de las cuales está asociada a una velocidad (Vtc) de rotación
respectiva del compresor (9) y está diseñada para producir una
relación de compresión máxima (RM) del compresor (9) propiamente
dicho como una función de su tasa de flujo másico (QAH) y de la
velocidad límite preestablecida (Ntc); dicho paso de calcular la
presión de supercarga límite (SP1) incluye el paso de identificar,
en dicho mapa predeterminado (15a), la curva de operación (Ci)
característica asociada a un valor de velocidad (Vtc)
correspondiente a la velocidad límite preestablecida (Ntc).
3. El método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho mapa predeterminado (15a) incluye
una pluralidad de curvas características de operación (Ci), que
están asociadas a una y la misma velocidad (Vtc) de rotación del
compresor (9), están correlacionadas a una temperatura respectiva
(T) del aire en la entrada al compresor (9), y están diseñadas para
producir una relación de compresión máxima (RM) del compresor (9)
propiamente dicho como una función de su tasa de flujo másico (QAH)
y de la temperatura (TAMB) del aire medida en la entrada al
compresor (9); dicho paso de calcular la presión de supercarga
límite (SP1) incluye el paso de identificar una curva de operación
(Ci) característica asociada a una temperatura (T) correspondiente
a la temperatura ambiente (TAMB) medida hacia arriba de dicho
compresor (9).
4. El método según la reivindicación 2 o la
reivindicación 3, caracterizado porque dicho paso de calcular
la presión de supercarga límite (SP1) incluye los pasos de
determinar una relación de compresión máxima (RM) por medio de la
curva de operación (Ci) característica identificada, y como una
función de dicha tasa de flujo másico (QAH); y calcular dicha
presión de supercarga límite (SP1) como una función de dicha
relación de compresión máxima (RM) y de dicha presión medida (PAMB)
del aire.
5. El método según alguna de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye el
paso de establecer un primer umbral de seguridad (\DeltaC1), y
porque dicho paso de determinar una relación de compresión máxima
(RM) incluye el paso de determinar una relación de compresión límite
(RPL) haciendo una diferencia entre dicha relación de compresión
máxima (RM) y dicho primer umbral de seguridad (\DeltaC1);
determinándose dicha presión de supercarga límite (SP1) como una
función de la relación de compresión límite (RPL) y de la presión
de aire (PAMB) medida en la entrada al compresor (9).
6. El método según alguna de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye
los pasos de establecer un segundo umbral de seguridad
(\DeltaC2), medir la presión de aire (PUTH) suministrada en la
salida del compresor (9), determinar una relación de compresión
efectiva (RE) entre las presiones medidas en la salida (PUTH) de y,
respectivamente, en la entrada al compresor (9), determinar una
relación de compresión de desactivación (RD) como una función de la
diferencia entre dicha relación de compresión máxima (RM) y dicho
segundo umbral de seguridad (\DeltaC2), verificar si dicha
relación de compresión efectiva (RE) cumple o no una relación
preestablecida de comparación con la relación de compresión de
desactivación (RD), e inhabilitar o no el control de dicha válvula
de compuerta de descarga (12) según el resultado de dicha
verificación.
7. El método según la reivindicación 6,
caracterizado porque dichos umbrales de seguridad primero y/o
segundo (\DeltaC1, \DeltaC2) pueden asumir un valor
preestablecido constante, o de otro modo se pueden variar como una
función de uno o más parámetros (TAMB, QAH, PAMB, PUTH)
correlacionados con el aire introducido por el compresor (9), y/o
como una función de uno o más parámetros operativos del motor
(2).
8. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque las curvas
características (Ci) del mapa predeterminado de operación (15a) y
los parámetros correspondientes (Vtcr, QAHR) que caracterizan
dichas curvas son normalizados con respecto a una presión de
referencia (PRIF) y/o temperatura de referencia (TRIF); dicho paso
de calcular la presión de supercarga limite (SP1) incluye los pasos
de identificar la curva de operación (Ci) correspondiente a una
velocidad limite normalizada preestablecida (Ntcr), y determinar,
en base a la curva (Ci) identificada, una relación de compresión
máxima (RM) como una función de una tasa de flujo másico
normalizada (QAHR).
9. Un dispositivo (10) para controlar la
velocidad en un motor de combustión interna de un vehículo de motor
incluyendo: un compresor (9); una turbina (8), diseñada para
accionar dicho compresor (9) en rotación bajo la acción de los
gases de escape del motor (2); y una válvula de compuerta de
descarga (12), diseñada para regular la tasa de flujo de los gases
de escape dispuesta en la entrada a la turbina (8); incluyendo dicho
dispositivo de control (10) una unidad de control (14) diseñada
para controlar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para
controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) como una
función de una presión de supercarga objetiva (POB) que indica el
valor de la presión de supercarga que, en base a un mapa objetivo
del motor y de un conjunto de parámetros de motor, se requiere en la
salida de dicho compresor (9); caracterizándose dicho
dispositivo de control (10) porque incluye:
- primeros medios sensores (20a) para medir la
presión del aire (PAMB) en la entrada a dicho compresor (9);
y porque dicha unidad de control (14)
incluye:
- una unidad de cálculo (15), que recibe en la
entrada un conjunto de parámetros incluyendo una velocidad límite
preestablecida (Ntc), dicha presión del aire (PAMB) medida en la
entrada al compresor (9), y la tasa de flujo másico (QAH) de dicho
compresor (9), y está diseñada para procesar dichos parámetros para
determinar, a través de un mapa predeterminado (15a) que
caracteriza la operación del compresor (9), una presión de
supercarga límite (SP1) correlacionada con la presión de aire
obtenible en la salida del compresor (9) en una condición en la que
la turbina (8) gira a una velocidad sustancialmente igual a la
velocidad límite máxima preestablecida (Ntc);
- una unidad de comparación (16), diseñada para
verificar si la presión de supercarga objetiva requerida (POB)
cumple una relación preestablecida con dicha presión de supercarga
límite calculada (SP1); cumpliéndose dicha relación preestablecida
cuando dicha presión objetiva (POB) requerida es más alta que dicha
presión de supercarga límite (SP1) y
- una unidad de accionamiento (17), que, en el
caso donde se cumpla dicha relación preestablecida, está diseñada
para controlar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para
controlar la velocidad de la turbina (8) como una función de la
presión de supercarga límite (SP1) con el fin de limitar la
velocidad de rotación de dicho turbosupercargador (7) a un valor
sustancialmente igual a dicha velocidad límite preestablecida (Ntc);
en el caso donde dicha relación no se cumpla, siendo capaz dicha
unidad de accionamiento (17) de accionar dicha válvula de compuerta
de descarga (12) para controlar la velocidad de rotación de la
turbina (8) como una función de la presión de supercarga objetiva
(POB) con el fin de lograr una supercarga correspondiente a la
presión objetiva (POB) propiamente dicha.
10. El dispositivo según la reivindicación 9,
caracterizado porque dicha unidad de cálculo (15) incluye
primeros medios de cálculo (24) conteniendo dicho mapa
predeterminado (15a), que a su vez incluye una pluralidad de curvas
de operación (Ci), cada una de las cuales está asociada con una
velocidad preestablecida (Vtc) y está diseñada para producir una
relación de compresión máxima (RM) del compresor (9) como una
función de su tasa de flujo másico dada (QAH) y como una función de
dicha velocidad límite (Ntc); estando diseñados dichos primeros
medios de cálculo (24) para identificar la curva de operación (Ci)
asociada a una velocidad preestablecida (Vtc) correspondiente a la
velocidad límite preestablecida (Ntc).
11. El dispositivo según la reivindicación 9,
caracterizado porque dicha unidad de cálculo (15) incluye
primeros medios de cálculo (24) conteniendo dicho mapa
predeterminado (15a), que a su vez incluye una pluralidad de curvas
de operación (Ci), que están asociadas a una y la misma velocidad
(Vtc) de rotación del compresor (9), están correlacionadas con una
temperatura respectiva (T) del aire en la entrada al compresor (9),
y están diseñadas para producir una relación de compresión máxima
(RM) del compresor (9) propiamente dicho como una función de su
tasa de flujo másico (QAH) y de la temperatura del aire (TAMB)
medida hacia arriba de dicho compresor (9); estando diseñados
dichos primeros medios de cálculo (24) para identificar la curva de
operación (Ci) asociada a una temperatura (T) correspondiente a la
temperatura ambiente (TAMB) medida hacia arriba de dicho compresor
(9).
12. El dispositivo según la reivindicación 10 o
la reivindicación 11, caracterizado porque dichos primeros
medios de cálculo (28) están diseñados para determinar, en base a la
curva (Ci) identificada, una relación de compresión máxima (RM)
como una función de dicha tasa de flujo másico (QAH) con el fin de
calcular dicha presión de supercarga límite (SP1) como una función
de dicha relación de compresión máxima (RM) y dicha presión medida
de aire (PAMB).
13. El dispositivo según la reivindicación 12,
caracterizado porque dicha unidad de cálculo (15) incluye
segundos medios de cálculo (26), que reciben en la entrada un primer
umbral de seguridad preestablecido (\DeltaC1) y están diseñados
para determinar una relación de compresión límite (RPL) como una
función de la diferencia entre dicha relación de seguridad máxima
(RM) y dicho primer umbral de seguridad (\DeltaC1); y terceros
medios de cálculo (27) diseñados para determinar dicha presión de
supercarga límite (SP1) como una función de dicha relación de
compresión límite (RPL) y de dicha presión medida (PAMB) del aire en
la entrada al compresor (9).
14. El dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque incluye:
- segundos medios sensores (29), diseñados para
medir una presión de aire (PUTH) presente en salida del compresor
(9);
- medios de desactivación (28) que reciben en la
entrada un conjunto de parámetros conteniendo un segundo umbral de
seguridad preestablecido (\DeltaC2) y dicha presión de aire
(PUTH), medida en la salida del compresor (9); estando diseñados
dichos medios de desactivación (28) para: determinar una relación de
compresión efectiva (RE) entre la presión de aire (PUTH) medida en
la salida de dicho compresor (9) y la presión de aire (PAMB) medida
en la entrada a dicho compresor (9); determinar una relación de
compresión de desactivación (RD) como una función de la diferencia
entre dicha relación de compresión máxima (RM) y dicho segundo
umbral de seguridad (\DeltaC2); y verificar si dicha relación de
compresión efectiva (RE) cumple o no una relación preestablecida de
comparación con la relación de compresión de desactivación (RD) con
el fin de inhabilitar o no el control de dicha válvula de compuerta
de descarga (12) según el resultado de dicha verificación.
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