ES2597163T3 - Esquema de turbotracción mejorado, en particular en el campo de los vehículos industriales - Google Patents

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ES2597163T3 ES13198836.2T ES13198836T ES2597163T3 ES 2597163 T3 ES2597163 T3 ES 2597163T3 ES 13198836 T ES13198836 T ES 13198836T ES 2597163 T3 ES2597163 T3 ES 2597163T3
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Abstract

Un sistema de turbotracción mejorado, en particular en el campo de los vehículos industriales, que comprende un motor de combustión (E) que tiene un cigüeñal (K), un primer sistema turbocompresor, en el que una primera turbina (T) acciona un compresor (C) de aire fresco, una turbina de potencia (PT) dispuesta aguas abajo de dicha primera turbina (T), acoplada operativamente con dicho cigüeñal (K) a través de un embrague, en el que un primer motor/generador eléctrico (EM1) está acoplado de manera estable con dicho sistema turbocompresor (T, C), un segundo motor/generador eléctrico (EM2) está acoplado de manera estable con dicha turbina de potencia (PT), estando interconectados eléctricamente los primer y segundo motores/generadores eléctricos (EM1, EM2), y en el que medios de control (CTRL) están adaptados para controlar dichos motores/generadores eléctricos (EM1, EM2) como motor o generador y adaptados para controlar uno de una manera opuesta con respecto al otro, de forma que la energía eléctrica producida por uno sea consumida por el otro y viceversa.

Description

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DESCRIPCION
Esquema de turbotraccion mejorado, en particular en el campo de los vehlculos industriales Campo de la Invencion
La presente invencion se relaciona con un esquema de turbotraccion mejorado, en particular en el campo de los vehlculos industriales.
Description de la tecnica anterior
Los sistemas de turbotraccion son conocidos de finales de los anos 60.
Por ejemplo, el documento de patente de EE.UU. n° 4100742 muestra una configuration de turbotraccion clasica, en la que una primera etapa de turbina acciona un compresor, mientras que una segunda etapa de turbina, usualmente denominada turbina de potencia, es engranada con el ciguenal con el fin de ayudas al motor de combustion.
Comunmente se usa un acoplamiento hidrodinamico para conectar la turbina de potencia al tren del ciguenal; este tipo de conexion impide que las vibraciones torsionales del ciguenal, que son amplificadas por las elevadas relaciones de engranaje de la transmision entre el ciguenal y la turbina, afecten a la turbina.
Se conoce en la tecnica el uso de embragues, por ejemplo acoplamientos hidrodinamicos conmutables para conectar/desconectar las turbinas de potencia a los trenes de ciguenal del motor, aunque raramente se ponen en practica.
Se conoce el acoplamiento de un motor electrico con un turbocompresor con el fin de obtener un incremento deseado de la velocidad del compresor. No obstante, esto implica el uso de medios para almacenar la energla que se necesita para alimentar al motor electrico.
Se conoce tambien el acoplamiento de un motor electrico, que actua como un generador, con un turbocompresor con el fin de obtener una reduction deseada de la velocidad del compresor. Esto, a su vez, implica el uso de medios para almacenar la energla generada por la maquina electrica.
Resumen de la Invencion
El principal objeto de la presente invencion es proporcionar un esquema de turbotraccion mejorado, hecho con dispositivos mecanico y electricos, adecuado para mejorar la eficiencia global de los esquemas conocidos, en particular, sin el uso de medios de almacenamiento electrico; el esquema propuesto es electricamente autosuficiente, no requiere de la presencia de un entorno electrico de vehlculo hlbrido con referencia particular a los medios de almacenamiento electrico para proveer la energla a ser transportada hasta un accionamiento electrico de traction. Aun asl, es adecuado para su integration en un vehlculo hlbrido.
El principio principal de la invencion es engranar de manera estable un primer motor/generador electrico con el arbol del turbocompresor y engranar de manera estable un segundo motor/generador electrico con el arbol de la turbina de potencia, engranada con el tren del ciguenal por via de un embrague controlable y controlar las dos maquinas electricas de manera opuesta, especlficamente, la primera como generador y la segunda como motor o viceversa de acuerdo con las condiciones operativas del momento del sistema motor.
Preferiblemente, tales condiciones demandan control activo de la velocidad del turbocompresor o de la velocidad de la turbina de potencia.
De acuerdo con una primera condition, cuando por ejemplo se requiere aumentar la velocidad del compresor por encima de los valores que pueden ser alcanzados mediante su unica turbina, el embrague entre la turbina de potencia y el tren del ciguenal recibe orden de cerrase, mientras que el motor electrico de la turbina de potencia trabaja como un generador y es accionado por el tren del ciguenal para complementar la potencia electrica al motor acoplado al turbocompresor. Esta condicion puede tener lugar mientras que es motor esta en ignition o impulsado a cualquier velocidad; con el motor en modo freno, la condicion tiene lugar solo hasta una cierta velocidad, tlpicamente la velocidad de ralentl elevada del motor. En todos los modos, en la condicen anterior el objetivo del control es aumentar la densidad del aire que entra en el motor para aumentar el potencia del motor o el par de freno.
A carga y velocidad de motor alta, en modo en ignicion, la turbina entrega mas energla al arbol del turbo de la que es requerida por el compresor. En estas condiciones, es preferible que se ordene al embrague cerrarse mientras que el motor electrico acoplado con el turbocompresor trabaja como generador transfiriendo potencia electrica al motor acoplado con la turbina de potencia, complementandola asl finalmente al tren del ciguenal.
A velocidad de motor elevada, durante el freno motor, es deseable desacoplar la turbina de potencia de los trenes del ciguenal. Entonces, es necesario evitar que se sobreacelere. En esta situation tambien es deseable complementar energla al turbocompresor para aumentar la capacidad de freno motor. Una realization de la
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invencion propone transferir, es estas condiciones (embrague abierto), la energla ganada por el motor electrico acoplado con la turbina de potencia trabajando como generador hacia el motor acoplado con el turbocompresor.
Ventajosamente, la posibilidad de limitar, cuando se requiera, la velocidad de la turbina de potencia, esta ultima puede ser disenada para una relacion alabe-velocidad optima en modo en ignicion sin restricciones de las capacidades de sobreaceleracion en condiciones de impulsion o freno motor.
Gracias a la presente invencion, la energla electrica producida por el primer motor/generador electrico es dirigida al segundo motor/generador electrico y viceversa, sin el uso de medios de almacenamiento electrico para almacenar temporalmente la energla electrica producida. Asl, los motores/generadores electricos estan interconectados electricamente mediante electronicas de potencia que adaptan y controlan adecuadamente las corrientes electricas que fluyen entre los motores/generadores.
En la presente invencion, las funciones primarias del turbocompresor y de la turbina de potencia se mantienen: ambas convierten entalpla del flujo de gases de escape en par mecanico y velocidad rotacional; esta potencia mecanica se usa en el turbocompresor para accionar un compresor, mientras que en la turbina de potencia se complementa al ciguenal del motor de combustion interna. Solo la potencia usada para controlar las velocidades y/o presion de sobrealimentacion y/o flujo masico de aire y/o la contrapresion y/o la eficiencia de la turbina de los dos dispositivos turbo es transferida al camino electrico. La mayor parte de la potencia de las turbinas es transferida sobre los caminos mecanicos a sus respectivos usuarios.
Por lo tanto, un primer objeto de la presente invencion es un esquema de turbotraccion mejorado.
Otro objeto de la presente invencion es un metodo de controlar dicho esquema de turbotraccion.
Otro objeto mas de la presente invencion es un vehlculo que comprende dicho esquema de turbotraccion.
En este contexto, el termino esquema tiene el mismo significado que sistema.
Estos y otros objetivos se alcanzan por medio de las reivindicaciones anexas, las cuales describen realizaciones preferidas de la invencion, formando parte integral de la presente descripcion.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion quedara totalmente clara a partir de la descripcion detallada que sigue, dada a tltulo de mera ejemplificacion y ejemplo no limitativo, para ser lelda con referencia a las figuras de los dibujos, en las que la figura 1 muestra el esquema de turbotraccion mejorado de acuerdo con la presente invencion.
Los mismos numeros y letras de referencia en las figuras designan las mismas partes o partes funcionalmente equivalentes.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
De acuerdo con la figura 1, un motor de combustion E, por ejemplo de tipo Diesel, tiene una colector de admision In y un colector de escape Ex. Una unidad turbocompresor T-C define una primera etapa de sobrealimentacion, que tiene la primera turbina T conectada operativamente inmediatamente aguas abajo del colector de escape. El compresor C, accionado por la primera turbina T, succiona aire fresco del ambiente, lo comprime, mientras que la unidad enfriadora intermedia CAC enfrla el aire comprimido antes de entrar en el colector de admision In.
Pueden implementarse un sistema EGR y una valvula de descarga WG. Ademas, la turbina T puede ser de tipo de geometrla variable.
Una segunda turbina PT esta dispuesta aguas abajo de dicha primera turbina T a lo largo de la tuberla de escape, segun el flujo de los gases de escape. Tambien, la turbina de potencia puede ser de tipo de geometrla variable.
Tal segunda turbina PT, es denominada en adelante en este documento como turbina de potencia, estando acoplada con el ciguenal K a traves de un embrague CL y engranajes G para adaptar la velocidad de la turbina de potencia a la velocidad del motor.
Un primer motor/generador electrico EM1 esta acoplado operativamente con la primera etapa de sobrealimentacion. Por ejemplo, el rotor del motor/generador electrico EM1 puede tener dos extremos accesibles opuestos, uno de ellos conectado axialmente con el arbol de la primera turbina T y el otro con el arbol del compresor C.
La turbina de potencia esta emparejada operativamente de manera estable con un segundo motor/generador EM2.
Ambos motores/generadores electricos EM1 y EM2 estan conectados electricamente entre si por via de electronicas de potencia PE adecuadas, especlficamente inversores/rectificadores y similares, y su funcionamiento esta
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controlado por medios de control CTRL. Dichos medios de control pueden controlar tambien la operacion del embrague CL.
Preferiblemente, a velocidades de motor y cargas elevadas, el primer motor/generador EM1 trabaja como generador para reducir la presion de sobrealimentacion del motor y as! la velocidad del compresor, de este modo la energla electrica producida por EM1 es dirigida al segundo motor/generador EM2, que coopera - como motor - con la turbina de potencia en ayudar al motor, as! la alimentacion de combustible puede reducirse. En particular, los medios de control pueden estar adaptados para reducir automaticamente el combustible alimentado - con respecto a una posicion correspondiente del pedal acelerador - sobre la base de la potencia mecanica suministra por el segundo motor/generador EM2.
Preferiblemente, a velocidad y cargas bajas del motor, y durante los pasos de carga en el modo en ignicion, cuando el motor necesita mas presion de sobrealimentacion del compresor, el segundo motor/generador electrico trabaja como generador, estando acoplado con el tren del ciguenal, mientras que la energla electrica producida por el es dirigida al primer motor/generador, que coopera - como motor - con la primera turbia en accionar el compresor.
Preferiblemente, a velocidades de motor bajas y moderadas en modo freno motor, de manera similar a la de arriba, cuando el motor necesita mas presion de sobrealimentacion del compresor, el segundo motor/generador electrico trabaja como generador, estando acoplado con el tren del ciguenal, mientras que la energla electrica producida por el es dirigida al primer motor/generador electrico, que coopera - como motor - con la primera turbina en accionar el compresor.
Preferiblemente, a velocidades de motor elevadas en modo freno motor, la turbina de potencia es desacoplada del tren del ciguenal abriendo el respectivo embrague. Para evitar que la turbina de potencia se sobreacelere, el segundo motor/generador electrico trabaja como generador, es decir frenando la turbina de potencia, mientras que la energla electrica producida por el es dirigida al primer motor/generador electrico que coopera - como motor - con la primera turbina en accionar el compresor.
Gracias a la presente invencion, la energla electrica en este sistema es producida y consumida sin almacenarla. Esto implica una transferencia de energla electrica mas rapida y una mejor eficiencia.
No obstante, pueden transferirse cantidades de potencia necesitada o suministrada por dispositivos externos a/desde medios/generadores de cargas/almacenamiento.
De acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, los motores/generadores pueden reemplazar completamente al bien conocido alternador accionado por la clasica correa. Asl, la energla almacenada en la clasica baterla de plomo para rearrancar el motor de combustion y para alimentar los servicios auxiliares a bordo puede ser suministrada por dichos motores/generadores.
De manera similar, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, el segundo motor/generador puede reemplazar completamente al bien conocido motor de arranque electrico convirtiendo el motor de arranque engranado clasico en obsoleto.
Asl, no solo se reduce el consumo de combustible sino que tambien se mejoran la capacidad de respuesta en carga y la capacidad de freno motor del sistema motor.
De acuerdo con una realizacion preferida de la invencion, puede disponerse una clapeta aguas abajo de dicha turbina de potencia PT a lo largo de dicha tuberla de escape.
Durante la operacion de freno motor, especlficamente cuando la alimentacion de combustible esta cortada y el motor esta impulsado por la inercia del vehlculo, la clapeta puede cerrarse con el fin de desarrollar una contrapresion, la cual aumenta el trabajo de bombeo del motor de combustion y, asl, el efecto de freno motor.
El control de los motores/generadores electricos y opcionalmente del embrague, es llevado a cabo por medios de control que pueden estar integrados dentro de la unidad de control ECU del motor o en otra unidad de control especlfica.
Esta invencion puede ser implementada ventajosamente en un programa informatico que comprenda medios de codigo para ejecutar uno o mas pasos de tal metodo, cuando tal programa estan siendo ejecutado en un ordenador. Por esta razon, la patente cubrira tambien tal programa informatico y el medio legible por ordenador que comprende un mensaje grabado, comprendiendo tal medio legible por ordenador los medios de codigo del programa para ejecutar uno o mas pasos de tal metodo, cuando tal programa es ejecutado en un ordenador.
Muchos cambios, modificaciones, variaciones y otros usos y aplicaciones de la invencion objeto quedaran claros a los expertos en la tecnica despues de considerar la especificacion y los dibujos que acompanan los cuales divulgan
realizaciones preferidas de la misma. Todos tales cambios, modificaciones, variaciones y otros usos y aplicaciones los cuales no salen del alcance de la invencion segun se define por las reivindicaciones anexas se considera que estan cubiertos por esta invencion.
5 No se describiran mas detalles de implementacion, pues la persona experta en la tecnica es capaz de llevar a cabo la invencion arrancando a partir de las ensenanzas de la descripcion anterior.

Claims (17)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema de turbotraccion mejorado, en particular en el campo de los vehlculos industriales, que comprende un motor de combustion (E) que tiene
    un ciguenal (K),
    un primer sistema turbocompresor, en el que una primera turbina (T) acciona un compresor (C) de aire fresco, una turbina de potencia (PT) dispuesta aguas abajo de dicha primera turbina (T), acoplada operativamente con dicho ciguenal (K) a traves de un embrague,
    en el que un primer motor/generador electrico (EM1) esta acoplado de manera estable con dicho sistema turbocompresor (T, C), un segundo motor/generador electrico (EM2) esta acoplado de manera estable con dicha turbina de potencia (PT), estando interconectados electricamente los primer y segundo motores/generadores electricos (EM1, EM2), y en el que medios de control (CTRL) estan adaptados para controlar dichos motores/generadores electricos (EM1, EM2) como motor o generador y adaptados para controlar uno de una manera opuesta con respecto al otro, de forma que la energla electrica producida por uno sea consumida por el otro y viceversa.
  2. 2. Sistema de turbotraccion de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dichos medios de control (CTRL) estan adaptados para controlar dichos motores/generadores electricos (ME1, ME2) segun dicha manera opuesta, en condicion en ignicion y/o en condiciones impulsado y freno motor, en operaciones transitorias y/o estacionarias del sistema motor.
  3. 3. Sistema de turbotraccion de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que dicho medios de control (CTRL) son capaces
    de comprobar una condicion en la que se requiere aumentar la velocidad del compresor (C) y cuando dicha condicion se verifica, dichos medios de control estan adaptados
    para controlar dicho primer motor/generador electrico (EM1) para trabajar como motor y dicho segundo motor/generador electrico (EM2) para trabajar como generador y ordenar el cierre de dicho embrague (CL).
  4. 4. Sistema de turbotraccion de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que dichos medios de control (CTRL) estan adaptados para ejecutar dichos pasos cuando al menos una de las siguientes condiciones adicionales se verifican:
    el motor de combustion esta en ignicion o
    el motor de combustion esta impulsado o en velocidad baja o moderada de condicion de freno.
  5. 5. Sistema de turbotraccion de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 2 - 4. en el que dichos medios de control (CTRL) son capaces de comprobar las siguientes condiciones:
    el motor de combustion esta en ignicion y se requiere reducir la velocidad del compresor (C) y cuando dichas condiciones se verifican dichos medios de control estan adaptados para controlar dicho primer motor/generador electrico (EM1) para trabajar como generador y dicho segundo motor/generador electrico (EM2) pata trabajar como motor y ordenar un cierre de dicho embrague con el fin de complementar al ciguenal (K).
  6. 6.Sistema de turbotraccion de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 2 - 4. en el que dichos medios de control (CTRL) son capaces de comprobar las siguientes condiciones:
    velocidad del motor elevada durante el freno motor y
    cuando dichas condiciones se verifican dichos medios de control estan adaptados ordenar la apertura de dicho embrague y para controlar dicho segundo motor/generador electrico (EM2) para trabajar como generador limitando la velocidad de la turbina de potencia y controlar dicho primer motor/generador electrico (EM1) pata trabajar como motor para aumentar la velocidad del compresor con el fin de aumentar el par de freno motor.
  7. 7. Sistema de turbotraccion de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que dichos medios de control (CTRL) estan adaptados para reducir automaticamente el combustible alimentado - con respecto a una posicion correspondiente del pedal acelerador - sobre la base de una potencia mecanica suministrada por dicho segundo motor/generador electrico (EM2).
  8. 8. Vehlculo industrial que comprende un esquema de turbotraccion de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 7.
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  9. 9. Metodo de controlar un sistema de turbotraccion, en particular en el campo de los vehlculos industriales,
    comprendiendo el sistema de turbotraccion un motor de combustion (E) que tiene un ciguenal (K), un primer sistema turbocompresor, en el que una primera turbina (T) acciona un compresor de aire fresco, una turbina de potencia (PT) dispuesta aguas abajo de dicha primera turbina (T), acoplada de manera estable con dicho ciguenal (K) a traves de un embrague, en el que un primer motor/generador electrico (EM1) esta acoplado de manera estable con dicho
    sistema turbocompresor (T, C), un segundo motor/generador electrico (EM2) esta acoplado operativamente con
    dicha turbina de potencia (PT), estando interconectados electricamente los primer y segundo motores/generadores electricos (EM1, EM2), y en el que medios de control (CTRL) estan adaptados para controlar dichos
    motores/generadores electricos (EM1, EM2) como motor o generador, comprendiendo el metodo el procedimiento de controlar uno de dichos motores/generadores electricos (EM1, EM2) de una manera opuesta con respecto al otro, de forma que la energla electrica producida por uno sea consumida por el otro y viceversa.
  10. 10. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 9, en el que dicho procedimiento para controlar dichos
    motores/generadores electricos (EM1, EM2) de acuerdo con dicha manera opuesta, es ejecutado en condicion en ignicion y/o en condiciones impulsado y freno motor, en operaciones transitorias y/o estacionarias del sistema motor.
  11. 11. Metodo de acuerdo con las reivindicaciones 9 o 10, en el que dicho procedimiento comprende
    comprobar una condicion en la que se requiere aumentar la velocidad del compresor (C) y cuando dicha condicion se verifica el procedimiento comprende
    controlar dicho primer motor/generador electrico (EM1) para trabajar como motor y dicho segundo motor/generador electrico (EM2) para trabajar como generador y ordenar un cierre de dicho embrague (CL).
  12. 12. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que dichos pasos son llevados a cabo cuando al menos una de las siguientes condiciones adicionales se verifican:
    el motor de combustion esta en ignicion o
    el motor de combustion esta impulsado o en velocidad o baja y moderada de condicion de freno.
  13. 13. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 10 - 12, que comprende, ademas, la comprobacion de las siguientes condiciones:
    el motor de combustion esta en ignicion y se requiere reducir la velocidad del compresor (C) y cuando dichas condiciones se verifican el procedimiento comprende el control de dicho primer motor/generador electrico (EM1) para trabajar como generador y dicho segundo motor/generador electrico (EM2) pata trabajar como motor y la orden de un cierre de dicho embrague con el fin de complementar al ciguenal (K).
  14. 14. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 10 - 12. que comprende, ademas, la comprobacion de las siguientes condiciones:
    velocidad del motor elevada durante el freno motor y
    cuando dichas condiciones se verifican el procedimiento comprende la orden de la apertura de dicho embrague y el controlar dicho segundo motor/generador electrico (EM2) para trabajar como generador limitando la velocidad de la turbina de potencia y controlar dicho primer motor/generador electrico (EM1) pata trabajar como motor para aumentar la velocidad del compresor con el fin de aumentar el par de freno motor.
  15. 15. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 14, que comprende, ademas, el paso de reducir automaticamente el combustible alimentado - con respecto a una posicion correspondiente del pedal acelerador - sobre la base de una potencia mecanica suministrada por dicho segundo motor/generador electrico (EM2).
  16. 16. Programa informatico que comprende medios de codigo de programa informatico adaptados para ejecutar todos los pasos de cualquiera de las reivindicaciones de 9 a 15, cuando dicho programa es ejecutado en un ordenador.
  17. 17. Un medio legible por ordenador que tiene un programa grabado en el, comprendiendo dicho medio legible por ordenador medios de codigo de programa informatico adaptados para ejecutar todos los pasos de cualquiera de las reivindicaciones de 9 a 15, cuando dicho programa es ejecutado en una ordenador.
ES13198836.2T 2013-12-20 2013-12-20 Esquema de turbotracción mejorado, en particular en el campo de los vehículos industriales Active ES2597163T3 (es)

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