IT201900014274A1 - Motore a combustione interna di tipo perfezionato e metodo per il controllo di detto motore - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA DI TIPO PERFEZIONATO E METODO PER IL CONTROLLO DI DETTO MOTORE”
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad un motore a combustione interna di tipo perfezionato e ad un metodo per il controllo di detto motore a combustione interna di tipo perfezionato.
ARTE ANTERIORE
Come noto, un motore a combustione interna comprende un numero di cilindri, ciascuno dei quali è collegato ad un collettore di aspirazione tramite almeno una rispettiva valvola di aspirazione e ad un collettore di scarico tramite almeno una rispettiva valvola di scarico. Il collettore di aspirazione riceve una miscela di gas che comprende sia gas di scarico e aria fresca, cioè aria proveniente dall’ambiente esterno attraverso un condotto di aspirazione regolato da una valvola a farfalla. Al collettore di scarico è poi collegato un condotto di scarico che alimenta i gas di scarico prodotti dalla combustione ad un sistema di scarico, il quale emette i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera.
Nel caso in cui il motore a combustione interna sia del tipo sovralimentato mediante un sistema di sovralimentazione a turbocompressore, detto turbocompressore è provvisto di una turbina, che è disposta lungo il condotto di scarico per ruotare ad alta velocità sotto l’azione dei gas di scarico espulsi dai cilindri e di un compressore, che è disposto lungo il condotto di aspirazione ed è collegato meccanicamente alla turbina per venire trascinato in rotazione dalla turbina stessa così da aumentare la pressione dell’aria presente nel condotto di alimentazione.
I motori a combustione interna del tipo fin qui descritto sono però afflitti da un duplice problema.
In primo luogo, tipicamente, il carico motore viene controllato mediante una regolazione della portata di gas alimentati al motore a combustione interna realizzata pilotando la valvola a farfalla. La regolazione della portata di gas alimentati al motore a combustione interna attraverso la valvola a farfalla comporta però una considerevole riduzione del rendimento nei punti motore a carico parzializzato.
Inoltre, nel caso di un motore a combustione interna sovralimentato, solitamente quando da una condizione di coppia oppure potenza motrice modesta (bassi regimi di rotazione e velocità contenuta) si verifica una improvvisa e rapida richiesta di aumento considerevole della coppia oppure potenza motrice (cioè quando il pilota affonda decisamente il pedale dell’acceleratore ad esempio per eseguire un sorpasso) è presente un ritardo del turbo (“turbo-lag”) abbastanza evidente. Questo fenomeno conosciuto come ritardo del turbo o risposta del turbo rappresenta la tendenza dei motori dotati di turbocompressore nel mancare di risposta in potenza all'azionamento veloce del comando acceleratore. Il motivo di questo ritardo nella risposta risiede nel principio di funzionamento del turbocompressore stesso, che necessita di una grande portata dei gas di scarico per vincere l’inerzia della propria girante e produrre l'effetto di sovralimentazione del motore. Il ritardo del turbo è causato principalmente dal momento di inerzia del rotore che si verifica in occasione di una improvvisa e rapida richiesta di maggiore coppia oppure potenza motrice, dal fatto che il volume complessivo del circuito posto a monte della turbina deve aumentare la pressione al suo interno e dal fatto che il volume complessivo del circuito posto a valle del compressore deve aumentare la pressione al suo interno.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è di realizzare un motore a combustione interna di tipo perfezionato che sia esente dagli inconvenienti dello stato dell’arte e, al contempo, che sia di facile ed economica realizzazione.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo per il controllo di un motore a combustione interna di tipo perfezionato che sia esente dagli inconvenienti dello stato dell’arte e, al contempo, che sia di facile ed economica implementazione.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un motore a combustione interna di tipo perfezionato ed un metodo di controllo di detto motore secondo quanto stabilito nelle rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo in cui:
- la figura 1 illustra schematicamente un motore a combustione interna sovralimentato realizzato in accordo con la presente invenzione;
- la figura 2 illustra la curva caratteristica di una turbina a geometria fissa del motore della figura 1; e - la figura 3 illustra la curva caratteristica di una turbina a geometria variabile del motore della figura 1. FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un motore a combustione interna sovralimentato mediante un sistema di sovralimentazione a turbocompressore.
Il motore 1 a combustione interna comprende quattro iniettori 2 che iniettano direttamente il combustibile in quattro cilindri 3, ciascuno dei quali è collegato ad un collettore 4 di aspirazione tramite almeno una rispettiva valvola di aspirazione (non illustrata) e ad un collettore 5 di scarico tramite almeno una rispettiva valvola di scarico (non illustrata). Secondo una variante gli iniettori 2 sono disposti direttamente nel collettore 4 di aspirazione.
Il collettore 4 di aspirazione riceve una miscela di gas (che comprende tipicamente aria fresca, cioè aria proveniente dall’ambiente esterno ed eventualmente anche gas di scarico ricircolati), attraverso un condotto 6 di aspirazione, il quale è provvisto di un filtro 7 aria per il flusso di aria fresca.
Lungo il condotto 6 di aspirazione a valle del filtro 7 aria, è disposto anche un debimetro 7* (meglio noto come Air Flow Meter) realizzato per rilevare la portata di aria in ingresso, la temperatura dell’aria in ingresso, l’umidità relativa dell’aria in ingresso e la pressione a valle del filtro 7 aria.
Lungo il condotto 6 di aspirazione è disposto un intercooler 9 del tipo aria/aria avente la funzione di raffreddare l’aria aspirata. Secondo una ulteriore variante, l’intercooler 9 è del tipo aria/acqua ed è integrato all’interno del collettore 4 di aspirazione.
Al collettore 5 di scarico è collegato un condotto 10 di scarico che alimenta i gas di scarico prodotti dalla combustione ad un sistema di scarico, il quale emette i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera. Lungo il condotto 10 di scarico sono disposti in successione un catalizzatore 11 trivalente (anche noto come Three Way Catalyst) ed un filtro 11* anti particolato (anche noto come Gasoline Particulate Filter). Secondo una preferita variante, il catalizzatore 11 trivalente ed il filtro 11* antiparticolato sono disposti uno di seguito all’altro all’interno di uno contenitore tubolare comune.
Secondo una preferita forma realizzativa, il motore 1 a combustione interna comprende un sistema di sovralimentazione realizzato mediante un turbocompressore 12 provvisto di una turbina 13, che è disposta lungo il condotto 10 di scarico per ruotare ad alta velocità sotto l’azione dei gas di scarico espulsi dai cilindri 3, ed un compressore 14, il quale è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione ed è collegato meccanicamente alla turbina 13 per venire trascinato in rotazione dalla turbina 13 stessa così da aumentare la pressione dell’aria presente nel condotto 6 di alimentazione.
Infine, è previsto un ulteriore sistema 15 di sovralimentazione comprendente un turbocompressore 16 disposto lungo il condotto 6 di aspirazione. Il sistema 15 di sovralimentazione è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione immediatamente a monte del collettore 4 di aspirazione. In particolare, il sistema 15 di sovralimentazione è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione a valle del filtro 7 aria.
Nel caso in cui sia previsto anche il turbocompressore 12, il sistema 15 di sovralimentazione è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione a valle del compressore 14.
Preferibilmente, il sistema 15 di sovralimentazione è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione a valle dell’intercooler 9 (quando l’intercooler non è integrato all’interno del collettore 4 di aspirazione).
Il turbocompressore 16 è provvisto di un compressore 17 predisposto per aumentare la pressione della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione ed una turbina 18 (o espansore), che è collegata meccanicamente al compressore 17 per trascinare in rotazione il compressore 17 stesso.
La turbina 18 e il compressore 17 sono collegati tra di loro e resi solidali mediante un albero 19. In altre parole, la turbina 18 e il compressore 17 sono calettati allo stesso albero 19.
E’ importante evidenziare che il sistema 15 di sovralimentazione è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione in modo che il volume di gas interposto fra le valvole di aspirazione (non illustrate) dei cilindri 3 e la turbina 18 sia il minore possibile.
La turbina 18 e il compressore 17 sono inoltre collegati ad un motogeneratore 20 cioè una macchina elettrica reversibile che può funzionare sia come motore assorbendo energia elettrica e generando lavoro meccanico, sia come generatore assorbendo lavoro meccanico e generando energia elettrica; il motogeneratore 20 è collegato ad almeno un sistema 21 di accumulo atto ad immagazzinare energia elettrica, preferibilmente con l’interposizione di un inverter. Il sistema 21 di accumulo è realizzato mediante una batteria e fornisce l’energia elettrica per l’alimentazione di carichi elettrici quali il sistema di illuminazione e ulteriori carichi elettrici ausiliari e per l’avviamento del motore 1 a combustione interna.
Secondo una prima variante illustrata nella figura 1, il motogeneratore 20 è calettato sull’albero 19.
Alternativamente, secondo una ulteriore variante anch’essa illustrata nella figura 1, il motogeneratore 20 è provvisto di un albero 20* solidale al rotore del motogeneratore 20 stesso e meccanicamente collegato alla turbina 18 attraverso un organo di trasmissione (non descritto in dettaglio e di tipo noto, ad esempio a cinghia oppure a ingranaggi) con un rapporto di trasmissione che può essere diverso da 1.
Preferibilmente, è previsto un circuito 22 di bypass del sistema 15 di sovralimentazione che comprende un condotto 23 che si origina dal condotto 6 di aspirazione, preferibilmente a valle dell’intercooler 9, ed è collegato in parallelo al turbocompressore 16. Lungo il condotto 23 di bypass è disposta una valvola 24, la quale è atta a regolare la miscela di gas che fluiscono attraverso il condotto 23.
Il motore 1 a combustione interna è controllato da una centralina 25 elettronica di controllo, la quale sovrintende al funzionamento di tutte le componenti del motore 1 a combustione interna.
Viene di seguito descritto il metodo di controllo/pilotaggio del sistema 15 di sovralimentazione.
Tipicamente, il carico motore viene controllato mediante una regolazione della portata di gas alimentati al motore 1 a combustione interna. La regolazione della portata di gas alimentati al motore 1 a combustione interna comporta una regolazione della pressione all’interno del collettore 4 di aspirazione. Per controllare il carico motore, la centralina 25 elettronica di controllo è quindi predisposta per determinare un valore obiettivo della variazione di pressione che consente di ottenere il carico motore desiderato.
Per controllare il carico motore, la centralina 25 elettronica di controllo è quindi realizzata in modo da comandare il motogeneratore 20 e farlo operare come generatore. In particolare, il motogeneratore 20 riduce la velocità di rotazione della turbina/espansore 18 (in altre parole, la turbina 18 viene frenata dal motogeneratore 20 fino a raggiungere la velocità di rotazione che consente di ottenere il valore obiettivo della variazione di pressione) assorbendo lavoro meccanico e generando energia elettrica.
Il motogeneratore 20 riduce la velocità di rotazione della turbina/espansore 18 fino ad un valore della velocità di rotazione della turbina/espansore 18 che consente di ottenere il valore obiettivo della variazione di pressione.
Attraverso le curve caratteristiche della turbina 18 fornita dal costruttore della turbina 18 stessa (che è memorizzata all’interno della centralina 25 elettronica di controllo) è possibile determinare la velocità di rotazione della turbina/espansore 18 ed il rapporto di espansione della turbina 18 che consentono di ottenere il valore obiettivo della portata di gas alimentati al motore 1 a combustione interna.
La curva caratteristica della turbina 18 fornisce la portata di gas alimentati al motore 1 a combustione interna in funzione del rapporto di espansione e al variare della velocità di rotazione della turbina/espansore 18.
Secondo una prima variante, la turbina 18 è del tipo a geometria fissa. In questo caso, secondo quanto illustrato nella figura 2, per un dato rapporto di espansione, la variazione della portata di gas alimentati al motore 1 a combustione interna è molto ridotta.
In questo caso non è possibile coprire tutti i punti di funzionamento del motore 1 a combustione interna ed è necessario prevedere una valvola 8 a farfalla disposta lungo il condotto 6 di alimentazione interposta fra il sistema 15 di sovralimentazione e il collettore 4 di aspirazione.
Secondo una seconda variante, la turbina 18 è del tipo a geometria variabile. Come noto, la turbina 18 a geometria variabile è provvista di un numero di palette, tipicamente montate sullo statore della turbina stessa, che vengono movimentate da un attuatore (di tipo noto, ad esempio elettrico, pneumatico o elettropneumatico) collegato alla unità 25 elettronica di controllo. Modificando la posizione delle palette e a parità di velocità di rotazione, è possibile variare il rapporto di espansione. In questo caso, secondo quanto illustrato nella figura 3, la variazione della portata di gas alimentati al motore 1 a combustione interna è molto ampia al variare sia della velocità di rotazione della turbina/espansore 18 sia della posizione delle palette della turbina/espansore 18; di conseguenza per un determinato valore della portata di gas alimentati al motore 1 a combustione interna esiste un ampio intervallo di valori del rapporto di espansione in grado di produrre il valore desiderato della portata di gas alimentati al motore 1 a combustione interna. E’ importante evidenziare che, in questo caso, è possibile coprire sostanzialmente tutti i punti di funzionamento del motore 1 a combustione interna; inoltre, è estremamente importante evidenziare che non è necessario prevedere la presenza di alcuna valvola 8 a farfalla disposta lungo il condotto 6 di alimentazione interposta fra il sistema 15 di sovralimentazione e il collettore 4 di aspirazione.
L’energia elettrica generata dal motogeneratore 20 può essere utilizzata per alimentare i carichi elettrici e/oppure, alternativamente stoccata nel sistema 21 di accumulo.
Quando invece da una condizione di coppia oppure potenza motrice modesta (bassi regimi di rotazione e velocità contenuta) si verifica una improvvisa e rapida richiesta di aumento considerevole della coppia oppure potenza motrice (cioè quando il pilota affonda decisamente il pedale dell’acceleratore ad esempio per eseguire un sorpasso) per ridurre il ritardo del turbo (“turbo-lag”) nel mancare di risposta in potenza all'azionamento veloce del comando acceleratore, la centralina 25 elettronica di controllo è configurata per comandare il motogeneratore 20 e farlo operare come motore assorbendo energia elettrica e generando lavoro meccanico. In particolare, il motogeneratore 20 assorbe energia elettrica dal sistema 21 di accumulo e trascina in rotazione la turbina 18 a cui è collegato fino a raggiungere la velocità di rotazione che consente di ottenere il valore desiderato/obiettivo della pressione nel collettore 4 di aspirazione.
Le strategie fin qui descritte sono di semplice ed economica implementazione nella centralina 25 elettronica di controllo in quanto impegnano una modesta capacità di calcolo della centralina 25 elettronica di controllo stessa e consentono, in funzione di come viene pilotato il motogeneratore 20, sia di ridurre il ritardo del turbo sia di regolare il carico motore in modo efficiente ed affidabile.
Il motore 1 a combustione interna perfezionato fin qui descritto presenta alcuni vantaggi. In particolare, il motore 1 a combustione interna perfezionato consente di ottenere notevoli benefici in termini di efficienza (i particolare nel caso in cui vengano impiegati sistemi a geometria variabile), consente di ridurre in modo significativo il ritardo del turbocompressore quando il motogeneratore 20 è pilotato come motore assorbendo energia elettrica e generando lavoro meccanico e consente una regolazione efficiente ed affidabile del carico motore quando invece il motogeneratore 20 è pilotato come generatore assorbendo lavoro meccanico e generando energia elettrica. Inoltre, il turbocompressore 16 viene investito da un flusso di gas “freddi” e può pertanto essere realizzato con materiali meno pregiati e, di conseguenza, meno costosi rispetto al turbocompressore 13 che viene investito da gas di scarico a temperature elevate.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1.- Motore (1) a combustione interna comprendente un numero di cilindri (3) ciascuno dei quali è collegato ad un collettore (4) di aspirazione e ad un collettore (5) di scarico, in cui il collettore (4) di aspirazione riceve una miscela di gas che scorre in un condotto (6) di aspirazione; e un primo sistema (15) di sovralimentazione comprendente un primo turbocompressore (16) disposto lungo il condotto (6) di aspirazione, a monte del collettore (4) di aspirazione; il detto primo turbocompressore (16) è provvisto di un primo compressore (17) ed una prima turbina (18), che è collegata meccanicamente al primo compressore (17) mediante un primo albero (19) per trascinare in rotazione il primo compressore (17) stesso; in cui sia la prima turbina (18) sia il primo compressore (17) sono investiti da tutta la miscela di gas che scorre nel condotto (6) di aspirazione; ed un motogeneratore (20) collegato alla prima turbina (18) e al primo compressore (17) e realizzato come una macchina elettrica reversibile che può funzionare sia come motore assorbendo energia elettrica e generando lavoro meccanico, sia come generatore assorbendo lavoro meccanico e generando energia elettrica. 2.- Motore secondo la rivendicazione 1, in cui non sono previste valvole di parzializzazione del flusso della miscela di gas che scorre nel condotto (6) di aspirazione a monte del primo sistema (16) di sovralimentazione. 3.- Motore secondo la rivendicazione 1 oppure 2, in cui ciascun cilindro (3) è collegato al collettore (4) di aspirazione tramite almeno una rispettiva valvola di aspirazione; ed in cui il primo sistema (15) di sovralimentazione è disposto lungo il condotto (6) di aspirazione in modo che il volume di gas interposto fra la detta valvola di aspirazione e la prima turbina (18) sia il minore possibile. 4.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il motogeneratore (20) è calettato sul primo albero (19). 5.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui il motogeneratore (20) è provvisto di un secondo albero (20*) meccanicamente collegato al primo compressore (17) attraverso un organo di trasmissione. 6.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e comprendente un sistema (21) di accumulo collegato al motogeneratore (20) e atto ad immagazzinare energia elettrica. 7.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e comprendente un filtro (7) aria per il flusso di aria fresca disposto lungo il condotto (6) di aspirazione; in cui il primo sistema (16) di sovralimentazione è disposto a valle del filtro (7) aria. 8.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e comprendente un secondo sistema (12) di sovralimentazione comprendente un turbocompressore (12) provvisto di una seconda turbina (13), che è disposta lungo un condotto (10) di scarico per ruotare ad alta velocità sotto l’azione dei gas di scarico espulsi dai cilindri (3), ed un secondo compressore (14), il quale è disposto lungo il condotto (6) di aspirazione ed è collegato meccanicamente alla seconda turbina (13); in cui il primo sistema (15) di sovralimentazione è disposto a valle del secondo compressore (14). 9.- Motore secondo la rivendicazione 8 e comprendente un intercooler (9) disposto lungo il condotto (6) di aspirazione per raffreddare l’aria aspirata; in cui il primo sistema (15) di sovralimentazione è disposto a valle dell’intercooler (9). 10.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima turbina (18) è del tipo a geometria fissa. 11.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui la prima turbina (18) è del tipo a geometria variabile. 12.- Motore secondo la rivendicazione 11, in cui il motore (1) a combustione interna non comprende alcuna valvola di parzializzazione disposta lungo il condotto (6) di aspirazione e interposta fra il primo sistema (15) di sovralimentazione e il collettore (4) di aspirazione. 13.- Motore secondo la rivendicazione 10 oppure 11, in cui il motore (1) a combustione interna comprende una valvola (8) di parzializzazione disposta lungo il condotto (6) di aspirazione e interposta fra il primo sistema (15) di sovralimentazione e il collettore (4) di aspirazione. 14.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e comprendente un circuito (22) di bypass del primo sistema (15) di sovralimentazione che comprende un condotto (23) che si origina dal condotto (6) di aspirazione, è collegato in parallelo al primo turbocompressore (16) ed è provvisto di una valvola (24) atta a regolare la miscela di gas che fluisce attraverso il detto condotto (23). 15.- Metodo per il controllo di un motore (1) a combustione interna realizzato in accordo con una qualsiasi rivendicazione da 1 a 14 e comprendente le fasi di: determinare un valore obiettivo della variazione di pressione all’interno del collettore (4) di aspirazione che consente di ottenere un carico motore desiderato; e comandare il motogeneratore (20) facendolo operare come generatore in modo da ridurre la velocità di rotazione della prima turbina (18) fino ad un valore che consente di ottenere il detto valore obiettivo della variazione di pressione. 16.- Metodo per il controllo di un motore (1) a combustione interna realizzato in accordo con una qualsiasi rivendicazione da 1 a 14 e comprendente le fasi di: riconoscere una improvvisa e rapida richiesta di aumento della coppia oppure della potenza motrice richiesta; determinare un valore obiettivo della pressione all’interno del collettore (4) di aspirazione per soddisfare tale richiesta; e comandare il motogeneratore (20) facendolo operare come motore assorbendo energia elettrica e generando lavoro meccanico in modo da raggiungere la velocità di rotazione che consente di ottenere il valore obiettivo della pressione nel collettore (4) di aspirazione.
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-
2019
- 2019-08-07 IT IT102019000014274A patent/IT201900014274A1/it unknown
Patent Citations (3)
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