ITBO20100579A1 - Metodo di controllo della velocita' di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:
“METODO DI CONTROLLO DELLA VELOCITA’ DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA SOVRALIMENTATO MEDIANTE UN TURBOCOMPRESSOREâ€
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di controllo di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore.
ARTE ANTERIORE
Come à ̈ noto, alcuni motori a combustione interna sono provvisti di un sistema di sovralimentazione a turbocompressore, il quale à ̈ in grado di aumentare la potenza sviluppata dal motore sfruttando l’entalpia dei gas di scarico per comprimere l’aria aspirata dal motore e quindi aumentare il rendimento volumetrico dell’aspirazione.
Un sistema di sovralimentazione a turbocompressore comprende un turbocompressore provvisto di una turbina, la quale à ̈ disposta lungo un condotto di scarico per ruotare ad alta velocità sotto la spinta dei gas di scarico espulsi dal motore, e di un compressore, il quale à ̈ portato in rotazione dalla turbina ed à ̈ disposto lungo il condotto di alimentazione dell’aria per comprimere l’aria aspirata dal motore.
In un sistema di sovralimentazione a turbocompressore à ̈ necessario mantenere il campo di funzionamento del turbocompressore all’interno di una zona utile dipendente dal punto motore sia per motivi funzionali (cioà ̈ per evitare funzionamenti irregolari o comunque a basso rendimento), sia per motivi strutturali (cioà ̈ per evitare danneggiamento del turbocompressore).
In particolare, la zona utile del campo di funzionamento à ̈ limitata, nella parte sinistra di un piano portata massica ridotta/rapporto di compressione, dalla linea di pompaggio e, nella parte destra dello stesso piano, dalla cosiddetta “linea di saturazione†. La linea di pompaggio delimita quindi una prima zona “proibita†ed à ̈ costituita dal luogo dei punti in cui l’equilibrio aerodinamico interno del compressore viene rotto e si ha un periodico, rumoroso e violento rifiuto di portata alla bocca, con effetti che possono essere distruttivi per la palettatura.
La domanda di brevetto EP1741895A1 descrive un metodo di controllo di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore comprendente un compressore, una turbina atta a trascinare in rotazione il compressore sotto l’azione dei gas di scarico del motore, ed una valvola di wastegate atta a regolare la portata dei gas di scarico forniti in ingresso alla turbina per controllare la velocità di rotazione della turbina stessa in funzione di una pressione obiettivo di sovralimentazione richiesta in uscita del compressore. Il metodo di controllo descritto nella domanda di brevetto EP1741895A1 comprende le fasi di misurare la pressione dell’aria aspirata in ingresso dal compressore; determinare la portata massica del compressore; calcolare, attraverso una mappa predeterminata che caratterizza il funzionamento del compressore, ed in funzione della velocità limite di rotazione prefissata, della pressione dell’aria misurata e della portata massica, una pressione limite di sovralimentazione, la quale à ̈ correlata alla pressione dell’aria ottenibile in uscita dal compressore quando la turbina ruota ad una velocità sostanzialmente uguale alla velocità limite prefissata; verificare se una pressione obiettivo di sovralimentazione richiesta soddisfa una relazione prefissata con la pressione limite di sovralimentazione calcolata; nel caso in cui la relazione risulti soddisfatta, azionare la valvola di wastegate per controllare la velocità di rotazione della turbina in funzione della pressione di sovralimentazione limite così da limitare la velocità di rotazione del turbocompressore ad un valore sostanzialmente uguale alla velocità limite prefissata.
La domanda di brevetto EP2014894A1 descrive invece un metodo di controllo di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore provvisto di una turbina e di un compressore che prevede stabilire in un piano Portata Massica Ridotta / Rapporto di Compressione almeno una curva limite di funzionamento, almeno una curva di intervento di una valvola di wastegate che regola un condotto di bypass della turbina ed almeno una curva di intervento di una valvola di Poff che regola un condotto di bypass del compressore. Il metodo di controllo secondo la domanda di brevetto EP2014894A1 prevede di utilizzare la curva limite di funzionamento per limitare l’obiettivo di pressione a valle del compressore utilizzato dal controllo motore. Il metodo prevede inoltre di comandare l’apertura della valvola di wastegate se viene superata la curva di intervento della valvola di wastegate e comandare l’apertura della valvola di Poff se viene superata la curva di intervento della valvola di Poff. Il metodo di controllo descritto da EP2014894A1 à ̈ in grado di assicurare che il campo di funzionamento del turbocompressore rimanga all’interno della zona utile in qualsiasi condizione di funzionamento del motore a combustione interna.
La cosiddetta “linea di saturazione†, che delimita una seconda zona “proibita†e corrisponde al raggiungimento di condizioni soniche (e conseguente blocco della portata) all’ingresso della turbina, definisce la massima portata possibile che il compressore può fornire nelle date condizioni dell’ambiente di aspirazione. In prossimità della linea di saturazione, quindi il turbo compressore raggiunge velocità molto elevate ed à ̈ in grado di sviluppare la maggiore potenza per comprimere l’aria aspirata dal motore e quindi aumentare il rendimento volumetrico dell’aspirazione. Purtroppo, però in prossimità della linea di saturazione, a causa delle elevate velocità in gioco, può verificarsi che il turbocompressore acceleri senza controllo fino al raggiungimento del blocco sonico con effetti distruttivi per il turbocompressore stesso.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo di controllo di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore, il quale metodo di controllo sia di facile ed economica implementazione e, in particolare, sia in grado assicurare che il campo di funzionamento del turbocompressore rimanga all’interno della zona utile in prossimità della linea di saturazione senza però raggiungere il blocco sonico.
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di controllo di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore secondo quanto rivendicato dalle 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 mediante un turbocompressore e provvisto di una centralina elettronica di controllo che implementa un metodo di controllo realizzato secondo la presente invenzione;
- la figura 2 illustra le curve caratteristiche di un compressore del turbocompressore della figura 1 in un piano Portata Massica Ridotta / Rapporto di Compressione; e
- le figure da 3 a 6 illustrano un piano Portata Massica Ridotta / Rapporto di Compressione in cui sono rappresentate delle curve limite di funzionamento e delle curve di intervento utilizzate nel metodo di controllo implementato nella centralina elettronica di controllo della figura 1.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 Ã ̈ indicato nel suo complesso un motore a combustione interna sovralimentato mediante un sistema 2 di sovralimentazione a turbocompressore.
Il motore 1 a combustione interna comprende quattro cilindri 3, ciascuno dei quali à ̈ 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). Il collettore 4 di aspirazione riceve aria fresca (cioà ̈ aria proveniente dall’ambiente esterno) attraverso un condotto 6 di aspirazione, il quale à ̈ provvisto di un filtro 7 aria ed à ̈ regolato da una valvola 8 a farfalla. Lungo il condotto 6 di aspirazione à ̈ disposto un intercooler 9 avente la funzione di raffreddare l’aria aspirata. Al collettore 5 di scarico à ̈ 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 e comprende normalmente almeno un catalizzatore 11 ed almeno un silenziatore (non illustrato) disposto a valle del catalizzatore 11.
Il sistema 2 di sovralimentazione del motore 1 a combustione interna comprende un turbocompressore 12 provvisto di una turbina 13, che à ̈ 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 à ̈ disposto lungo il condotto 6 di aspirazione ed à ̈ collegato meccanicamente alla turbina 13 per venire trascinato in rotazione dalla turbina 13 stessa così da aumentare la pressione dell’aria alimentata nel condotto 6 di alimentazione.
Lungo il condotto 10 di scarico à ̈ previsto un condotto 15 di bypass, il quale à ̈ collegato in parallelo alla turbina 13 in modo da presentare le proprie estremità collegate a monte e a valle della turbina 13 stessa. Lungo il condotto 15 di bypass à ̈ disposta una valvola 16 di wastegate, la quale à ̈ atta a regolare la portata dei gas di scarico che fluiscono attraverso il condotto 15 di bypass ed à ̈ pilotata da un attuatore 17. Lungo il condotto 6 di scarico à ̈ previsto un condotto 18 di bypass, il quale à ̈ collegato in parallelo al compressore 14 in modo da presentare le proprie estremità collegate a monte e a valle del compressore 14 stesso. Lungo il condotto 18 di bypass à ̈ disposta una valvola 19 Poff, la quale à ̈ atta a regolare la portata dei gas di scarico che fluiscono attraverso il condotto 18 di bypass ed à ̈ pilotata da un attuatore 20.
Il motore 1 a combustione interna à ̈ controllato da una centralina 21 elettronica di controllo, la quale sovrintende al funzionamento di tutte le componenti del motore 1 a combustione interna tra le quali il sistema 2 di sovralimentazione. In particolare, la centralina 21 elettronica di controllo pilota gli attuatori 17 e 20 della valvola 16 di wastegate e della valvola 19 Poff. La centralina 21 elettronica di controllo à ̈ collegata a dei sensori 22 che misurano la temperatura Toe la pressione Polungo il condotto 6 di aspirazione a monte del compressore 14, a dei sensori 23 che misurano la temperatura e la pressione lungo il condotto 6 di aspirazione a monte della valvola 8 a farfalla, ed a dei sensori 24 che misurano la temperatura e la pressione all’interno del collettore 4 di aspirazione. Inoltre, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ collegata ad un sensore 25 che misura la posizione angolare (e quindi la velocità di rotazione) di un albero motore del motore 1 a combustione interna ed un sensore 26 che misura la fase delle valvole di aspirazione e/o di scarico. E’ altresì importante evidenziare che non sono previsti sensori atti a misurare la velocità di rotazione del turbocompressore 12.
Tra le altre cose, la centralina 21 elettronica di controllo mantiene il campo di funzionamento del turbocompressore 12 all’interno di una zona utile. Viene di seguito descritta la modalità di controllo utilizzata dalla centralina 21 elettronica di controllo per mantenere il campo di funzionamento del turbocompressore 12 all’interno di una zona utile e per evitare che il turbocompressore 12 raggiunga condizioni soniche in prossimità di una linea 35 di saturazione (illustrata nelle figure 4 e 5).
Durante una fase di progettazione e messa a punto del motore 1 a combustione interna, vengono analizzate le curve caratteristiche del compressore 14 (fornite dal produttore del turbocompressore 12) in un piano Portata Massica Ridotta / Rapporto di Compressione. Un esempio delle curve caratteristiche di un compressore 14 commerciale à ̈ illustrato nella figura 2.
Le curve caratteristiche illustrate nella figura 2 sono normalizzate ad una temperatura To_rifassoluta di riferimento e ad una pressione Po_rifassoluta di riferimento. Nella parte sinistra del piano Portata Massica Ridotta / Rapporto di Compressione vi à ̈ una prima zona proibita delimitata dalla linea di pompaggio, costituita dal luogo dei punti in cui l’equilibrio aerodinamico interno del compressore 14 viene rotto e si ha un periodico, rumoroso e violento rifiuto di portata alla bocca, con effetti che possono essere distruttivi per la palettatura.
Invece, nella parte destra del piano Portata Massica Ridotta / Rapporto di Compressione vi à ̈ una seconda zona proibita delimitata dalla cosiddetta linea 35 di saturazione (indicata nelle figure 4 e 5), la quale corrisponde al raggiungimento di condizioni soniche (e conseguente blocco della portata) all’ingresso della turbina 13 e definisce la massima portata possibile che il compressore 14 può fornire nelle date condizioni dell’ambiente di aspirazione.
Secondo quanto illustrato nella figura 3, mediante l’analisi delle curve caratteristiche del compressore 14 viene determinata una curva 27 che limita la velocità di rotazione del turbocompressore 12 ed una curva 28 che delimita il pompaggio del turbocompressore 12. In funzione delle curve 27 e 28 vengono stabilite due curve 29 e 30 limite di funzionamento che vengono utilizzate per limitare l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 utilizzato dal controllo motore. Per determinare la curva 29 limite di funzionamento viene determinata una soglia S1(costante o variabile) che stabilisce la distanza tra la curva 29 limite di funzionamento e la curva 27 che limita la velocità di rotazione del turbocompressore 12; analogamente, per determinare la curva 30 limite di funzionamento viene determinata una soglia S2(costante o variabile) che stabilisce la distanza tra la curva 30 limite di funzionamento e la curva 28 che delimita il pompaggio del turbocompressore 12.
Inoltre, in funzione delle curve 27 e 28 vengono stabilite due curve 31 e 32 di intervento della valvola 16 di wastegate che regola il condotto 15 di bypass della turbina 13 e due curve 33 e 34 di intervento della valvola 19 di Poff che regola il condotto 18 di bypass del compressore 14. Per determinare la curva 31 di intervento della valvola 16 di wastegate viene determinata una soglia S3(costante o variabile) che stabilisce la distanza tra la curva 29 limite di funzionamento e la curva 31 di intervento della valvola 16 di wastegate; analogamente, per determinare la curva 32 di intervento della valvola 16 di wastegate viene determinata una soglia S4(costante o variabile) che stabilisce la distanza tra la curva 32 di intervento della valvola 16 di wastegate e la curva 28 che delimita il pompaggio del turbocompressore 12. Per determinare la curva 33 di intervento della valvola 19 di Poff viene determinata una soglia S5(costante o variabile) che stabilisce la distanza tra la curva 29 limite di funzionamento e la curva 33 di intervento della valvola 19 di Poff; analogamente, per determinare la curva 34 di intervento della valvola 19 di Poff viene determinata una soglia S6(costante o variabile) che stabilisce la distanza tra la curva 34 di intervento della valvola 19 di Poff e la curva 28 che delimita il pompaggio del turbocompressore 12.
Durante il funzionamento del motore 1 a combustione interna, la centralina 21 elettronica di controllo utilizza le curve 29 e 30 limite di funzionamento per limitare l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 utilizzato dal controllo motore. In altre parole, il controllo motore implementato nella centralina 21 elettronica di controllo determina in modo noto ed in funzione del punto motore un obiettivo di pressione a valle del compressore 14 che rappresenta un valore desiderato ed ottimale della pressione a valle del compressore 14. Se l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 à ̈ compatibile con le curve 29 e 30 limite di funzionamento allora l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 viene mantenuto, altrimenti se l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 non à ̈ compatibile con curve 29 e 30 limite di funzionamento allora l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 viene limitato al massimo valore compatibile con le curve 29 e 30 limite di funzionamento.
In particolare, per limitare l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 viene determinata la portata QAHmassica ridotta corrente del compressore 14, in funzione della portata QAHmassica ridotta corrente del compressore 14 viene determinato il massimo rapporto RC di compressione possibile utilizzando le curve 29 e 30 limite di funzionamento, viene determinata la massima pressione a valle del compressore 14 possibile moltiplicando la pressione Poassoluta a monte del compressore 14 per il massimo rapporto RC di compressione possibile, e l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 viene limitato alla massima pressione a valle del compressore 14 possibile se l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 à ̈ maggiore della massima pressione a valle del compressore 14 possibile.
La portata QAHRmassica ridotta del compressore 14 viene determina utilizzando la seguente equazione:
o P
Q orif
<AHR>=Q<AH>×<T>×
T orif P o
QAHportata massica del compressore 14;
QAHRportata massica ridotta del compressore 14;
Totemperatura assoluta a monte del compressore 14; Popressione assoluta a monte del compressore 14;
To_riftemperatura assoluta di riferimento;
Po_rifpressione assoluta di riferimento.
La temperatura Torifassoluta di riferimento e la pressione Porifassoluta di riferimento sono le condizioni in cui sono state ricavate le curve caratteristiche del compressore 14 e quindi le curve 27-34 e sono dei dati di progetto noti a priori. La temperatura Toassoluta a monte del compressore 14 e la pressione Poassoluta a monte del compressore 14 vengono misurati dai sensori 22. La portata QAHmassica del compressore 14 può venire misurata mediante un apposito sensore di portata oppure può venire stimata in modo noto dalla centralina 21 elettronica di controllo.
Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, potrebbe non essere prevista la misura della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14 (cioà ̈ sostanzialmente la temperatura ambiente); in questo caso la portata QAHRmassica ridotta può essere normalizzata “parzialmente†sulla base del rapporto tra le pressioni Po/Porifsenza tener conto del rapporto tra la temperature Toe Torif.
E’ importante sottolineare che le curve 28, 30, 32 e 34 sono indipendenti dalla velocità limite NtcRridotta del turbocompressore 12, mentre le curve 27, 29, 31 e 33 sono dipendenti dalla velocità limite NtcRridotta del turbocompressore 12 (cioà ̈ variano al variare della velocità limite NtcRridotta del turbocompressore 12). In altre parole, per il turbocompressore 12 viene stabilita una velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 oltre alla quale il turbocompressore 12 si porta in una condizione critica; utilizzando la velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 viene calcolate la velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12 in base alla temperatura Toassoluta a monte del compressore 14 utilizzando la seguente equazione:
T
N orif
<tcR>= N<tc>×
T o
Ntcvelocità limite del turbocompressore 12;
NtcRvelocità limite ridotta del turbocompressore 12; Totemperatura assoluta a monte del compressore 14; Toriftemperatura assoluta di riferimento.
Al variare della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14 ed a parità di velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 varia la velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12; quindi la centralina 21 elettronica di controllo ciclicamente determina in funzione della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14 ed in funzione della velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 (che rimane sempre costante) la velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12 ed in funzione della velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12 à ̈ in grado di determinare le curve 27, 29, 31 e 33 da utilizzare. In alternativa, essendo la velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 costante per semplificare la gestione delle curve 27, 29, 31 e 33, le curve 27, 29, 31 e 33 stesse potrebbero venire memorizzate nella centralina 21 elettronica di controllo e parametrizzate in funzione della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14; in questo modo, la centralina 21 elettronica di controllo non deve calcolare la velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12 e quindi scegliere le curve 27, 29, 31 e 33 da utilizzare, ma deve semplicemente aggiornare le curve 27, 29, 31 e 33 in funzione della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14.
Secondo una diversa forma di attuazione semplificata (e quindi meno accurata), invece di utilizzare la portata QAHRmassica ridotta corrente potrebbe venire utilizzata la portata QAHmassica corrente (non ridotta) oppure la portata QAHRmassica (ridotta o non ridotta) obiettivo.
Una volta determinata la velocità limite NtcRridotta corrente, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta per determinare una soglia Mcriticacritica della portata QAHRmassica ridotta. Secondo quanto meglio illustrato nella figura 4, la detta soglia Mcriticacritica delimita nel piano portata massica ridotta / rapporto di compressione una porzione della zona utile del campo di funzionamento del turbocompressore 12 che verrà di seguito indicata come zona critica, in quanto pur rimanendo all’interno della zona utile rappresenta la zona in prossimità del raggiungimento di condizioni soniche (cioà ̈ in prossimità della linea 35 di saturazione). La zona critica à ̈ caratterizzata dal crollo del rendimento del compressore 14 e da una elevata instabilità della velocità del turbocompressore 12 che può accelerare pericolosamente.
La soglia Mcriticacritica à ̈ variabile in funzione della velocità limite NtcRridotta (come meglio illustrato nella figura 5).
Per ridurre l’instabilità che caratterizza la zona critica, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta per filtrare la portata QAHRmassica ridotta corrente utilizzata per limitare l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14. Analogamente, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta per filtrare l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14. Il filtraggio della portata QAHRmassica ridotta corrente utilizzata per limitare l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 e dell’obiettivo di pressione a valle del compressore 14 à ̈ atto a ridurre la dinamica delle suddette grandezze. Secondo una preferita variante, il filtraggio à ̈ realizzato mediante un filtro del primo ordine passa basso.
In caso di portata QAHRmassica ridotta superiore alla soglia Mcriticacritica, la centralina 21 di controllo à ̈ quindi predisposta per filtrare con un filtro del primo ordine di tipo passa basso sia la portata QAHRmassica ridotta corrente, sia l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14.
Secondo una preferita variante, la centralina di controllo à ̈ configurata per determinare una soglia Mmax_turbodi sicurezza della portata QAHRmassica ridotta. Secondo quanto meglio illustrato nella figura 4, la soglia Mmax_turbodi sicurezza delimita una porzione da evitare della zona critica, in quanto à ̈ la più prossima al raggiungimento di condizioni soniche (cioà ̈ la più prossima alla linea 35 di saturazione) e rappresenta un valore della portata QAHRmassica ridotta oltre il quale il turbocompressore 12 non deve spingersi.
La soglia Mmax_turbodi sicurezza à ̈ maggiore della soglia Mcriticacritica. Inoltre, la soglia Mmax_turbodi sicurezza à ̈ variabile in funzione della velocità limite NtcRridotta (come meglio illustrato nella figura 5).
La centralina 21 elettronica di controllo à ̈ configurata per imporre che la portata QAHRmassica ridotta del compressore 14 sia inferiore alla soglia Mmax_turbodi sicurezza della portata QAHRmassica ridotta.
Secondo una ulteriore variante, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta per determinare una soglia Nmax_turbodi sicurezza della velocità del motore 1 a combustione interna sovralimentato. La soglia Nmax_turbodi sicurezza della velocità del motore 1 a combustione interna sovralimentato viene determinata a sua volta in funzione della soglia Mmax_turbodi sicurezza della portata QAHRmassica ridotta.
In particolare, la soglia Nmax_turbodi sicurezza della velocità del motore 1 a combustione interna sovralimentato viene calcolato mediante la seguente equazione:
T<o>_ rif P o 1
Nmax_<turbo>= M max_<turbo>× × ×
T o Po _rif (m×30 × N cil )
In cui:
Nmax_turbosoglia di sicurezza della velocità del motore 1 a combustione interna sovralimentato;
Mmax_turbosoglia di sicurezza della portata QAHRmassica ridotta;
Totemperatura assoluta a monte del compressore 14;
Popressione assoluta a monte del compressore 14;
To_riftemperatura assoluta di riferimento;
Po_rifpressione assoluta di riferimento;
Ncilnumero di cilindri 3 del motore 1 a combustione interna; e
m massa di aria aspirata per ciascun cilindro 3 del motore 1 a combustione interna.
La soglia Nmax_turbodi sicurezza viene utilizzata per limitare la velocità del motore 1 a combustione interna sovralimentato, di modo che la portata QAHRmassica ridotta corrente sia inferiore alla soglia Mmax_turbo.
Secondo una preferita variante, per il turbocompressore 12 viene stabilita una velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 oltre alla quale il turbocompressore 12 si porta in una condizione critica; utilizzando la velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 viene calcolate la velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12 in base alla temperatura Toassoluta a monte del compressore 14 utilizzando la seguente equazione:
T
N orif
<tcR>= N<tc>×
T o
Ntcvelocità limite del turbocompressore 12;
NtcRvelocità limite ridotta del turbocompressore 12; Totemperatura assoluta a monte del compressore 14; Toriftemperatura assoluta di riferimento.
Al variare della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14 ed a parità di velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 varia la velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12; quindi la centralina 21 elettronica di controllo ciclicamente determina in funzione della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14 ed in funzione della velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 (che rimane sempre costante) la velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12 ed in funzione della velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12 à ̈ in grado di determinare le curve 27, 29, 31 e 33 da utilizzare. In alternativa, essendo la velocità limite Ntcprestabilita del turbocompressore 12 costante per semplificare la gestione delle curve 27, 29, 31 e 33, le curve 27, 29, 31 e 33 stesse potrebbero venire memorizzate nella centralina 21 elettronica di controllo e parametrizzate in funzione della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14; in questo modo, la centralina 21 elettronica di controllo non deve calcolare la velocità limite NtcRridotta corrente del turbocompressore 12 e quindi scegliere le curve 27, 29, 31 e 33 da utilizzare, ma deve semplicemente aggiornare le curve 27, 29, 31 e 33 in funzione della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14.
Secondo quanto fin qui descritto e come illustrato nella figura 5, la velocità limite NtcRridotta corrente à ̈ variabile in funzione di una pluralità di fattori, in particolare della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14.
Secondo una preferita variante, in una fase preliminare di settaggio e messa a punto vengono stabilite una velocità limite prestabilita inferiore del turbocompressore 12 ed una velocità limite prestabilita superiore del turbocompressore 12 (che rappresenta un limite del turbocompressore 12 oltre il quale à ̈ meglio non spingersi per non incorrere in rotture o seri danneggiamenti al turbocompressore 12 stesso). In uso, questi due valori vengono utilizzati per calcolare una velocità Nrid_inflimite ridotta inferiore del turbocompressore 12 (la quale à ̈ calcolata mediante la formula illustrata in precedenza, ed à ̈ variabile in funzione della velocità limite prestabilita inferiore del turbocompressore 12 e della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14) ed una velocità Nrid_suplimite ridotta superiore del turbocompressore 12 (la quale à ̈ anch’essa calcolata mediante la formula illustrata in precedenza, à ̈ maggiore della velocità limite ridotta inferiore del turbocompressore 12 ed à ̈ variabile in funzione della velocità limite prestabilita del turbocompressore 12 e della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14). La velocità Nrid_inflimite ridotta inferiore del turbocompressore 12 e velocità Nrid_suplimite ridotta superiore del turbocompressore 12 delimitano una zona di overspeed nel piano portata massica ridotta / rapporto di compressione. Durante la vita utile del turbocompressore 12 capita di frequente che la zona di overspeed si sposti nel piano portata massica ridotta / rapporto di compressione (per esempio, per effetto dell’influenza della temperatura Toassoluta a monte del compressore 14). In uso, una volta calcolata la velocità limite ridotta corrente, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta per comandare il turbocompressore 12 per riportare la velocità limite ridotta ad un valore inferiore alla velocità Nrid_inflimite ridotta inferiore tutte le volte in cui viene rilevato un valore della velocità limite ridotta corrente compreso all’interno dell’intervallo di overspeed.
In particolare, viene stabilito in una fase preliminare di settaggio e messa a punto un primo valore SOV_1di soglia ed il turbocompressore 12 viene comandato per riportare la velocità limite ridotta ad un valore inferiore alla velocità Nrid_inflimite ridotta inferiore una volta trascorso un intervallo di tempo pari al primo valore SOV_1di soglia dall’istante in cui viene rilevato un valore della velocità limite ridotta corrente compreso all’interno dell’intervallo di overspeed (secondo quanto illustrato nella figura 6). In altre parole, quando la centralina 21 elettronica di controllo rileva una velocità limite ridotta corrente compresa all’interno dell’intervallo di overspeed, viene avviato un timer per riportare la velocità limite ridotta ad un valore inferiore alla velocità Nrid_inflimite ridotta inferiore una volta trascorso un intervallo di tempo di durata pari al primo valore SOV_1di soglia (preferibilmente mediante un raccordo dolce).
Secondo una preferita variante, viene stabilito in una fase preliminare di settaggio e messa a punto un secondo valore SOV_2di soglia. La centralina 21 di controllo elettronica à ̈ predisposta per inizializzare un timer ogni volta che la velocità limite ridotta rientra al di sotto della velocità Nrid_inflimite ridotta inferiore ed inibire il funzionamento del turbocompressore 12 all’interno della zona di overspeed per un intervallo di tempo di durata pari al secondo valore SOV_2di soglia.
Il primo valore SOV_1di soglia ed il secondo valore SOV_2di soglia sono variabili in funzione di una pluralità di parametri indicativi dell’anzianità e dello stato di usura e sollecitazione del turbocompressore 12.
Secondo una preferita variante, la centralina 21 di controllo à ̈ atta a memorizzare il tempo totale trascorso all’interno della zona di overspeed e ad inibire il funzionamento del turbocompressore 12 all’interno della zona di overspeed per la rimanente vita utile del turbocompressore 12 stesso una volta che il tempo totale à ̈ pari ad un valore limite di sicurezza (stabilito in una fase preliminare di settaggio e messa a punto).
Inoltre, secondo una preferita variante, la centralina 21 di controllo à ̈ atta ad inibire il funzionamento del turbocompressore 12 all’interno della zona di overspeed quando la portata QAHRmassica ridotta à ̈ superiore alla soglia Mcriticacritica.
Secondo una preferita forma di attuazione, la soglia SOV_2à ̈ variabile in funzione della frequenza degli overspeed più recenti. In altre parole la soglia SOV_2à ̈ tanto maggiore quanto più frequentemente viene rilevata una velocità limite ridotta corrente compresa all’interno dell’intervallo di overspeed. La soglia SOV_2può per esempio essere calcolata come segue:
<SOV _ 2 = f ( (>Ã¥<tover _ speed - S OV _ 3 ) timer )>
in cui Sov_3à ̈ un operatore per decrementare (ad es. K*timer con K che rappresenta un coefficiente prestabilito), mentre la sommatoria del tempo trascorso all’interno dell’intervallo di overspeed ed il timer vengono inizializzati ad ogni trip del motore 1 a combustione interna sovralimentato (cioà ̈ tipicamente per ogni ciclo avviamento / spegnimento del motore 1 a combustione interna sovralimentato) e il timer viene avviato al primo overspeed. La funzione à ̈ preferibilmente crescente.
Secondo una ulteriore variante, per ciascun trip del motore 1 a combustione interna sovralimentato (cioà ̈ per ogni ciclo avviamento / spegnimento del motore 1 a combustione interna sovralimentato stesso). Secondo un’altra forma di attuazione, non appena la centralina 21 di controllo verifica la condizione di funzionamento all’interno della zona di overspeed, viene inizializzato un contatore C del tempo trascorso in overspeed. Il contatore C può essere calcolato mediante la formula che segue
<C = k1*>Ã¥<tover _ speed -k2 *>Ã¥<tNOT _ over _ speed>
in cui K1 e K2 sono dei coefficienti predeterminati in una fase preliminare, mentre la sommatoria del tempo trascorso all’interno dell’intervallo di overspeed e la sommatoria del tempo trascorso al di fuori della zona di overspeed vengono inizializzati ad ogni trip del motore 1 a combustione interna sovralimentato.
Secondo una preferita variante, viene stabilito in una fase preliminare di settaggio e messa a punto un quarto valore SOV_4di soglia, il quale viene confrontato con il contatore C del tempo trascorso in overspeed. Nel caso di contatore C maggiore o uguale al quarto valore SOV_4di soglia, la centralina 21 di controllo à ̈ atta ad inibire il funzionamento del turbocompressore 12 all’interno della zona di overspeed. Al contrario, in caso di contatore C minore del quarto valore SOV_4di soglia, la centralina 21 di controllo à ̈ predisposta per consentire il funzionamento del turbocompressore 12 all’interno della zona di overspeed (preferibilmente con l’intervento di un operatore di isteresi).
Secondo una variante, la centralina 21 di controllo utilizza il valore di pressione corrente del turbocompressore 12 invece della velocità limite ridotta corrente per riconoscere il funzionamento all’interno della zona di overspeed.
Il metodo di controllo sopra descritto presenta numerosi vantaggi, in quanto à ̈ di semplice ed economica implementazione non utilizzando una elevata potenza di calcolo della centralina 21 elettronica di controllo e non richiedendo l’installazione di componenti addizionali (in particolare sensori o attuatori) rispetto a quanto già presente in un moderno motore a combustione interna. Inoltre, il metodo di controllo sopra descritto à ̈ particolarmente efficace nell’assicurare che il campo di funzionamento del turbocompressore 12 rimanga all’interno della zona utile in prossimità della linea di saturazione senza però raggiungere il blocco sonico.
Claims (1)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1.- Metodo di controllo di un motore (1) a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore (12) provvisto di una turbina (13) e di un compressore (14); il metodo di controllo comprende le fasi di: - stabilire una velocità limite prestabilita inferiore del turbocompressore (12) ed una velocità limite prestabilita superiore del turbocompressore (12); - calcolare una velocità (Nrid_inf) limite ridotta inferiore del turbocompressore (12) in funzione della velocità limite prestabilita inferiore del turbocompressore (12) e della temperatura (To) assoluta a monte del compressore (14); e - calcolare una velocità (Nrid_sup) limite ridotta superiore del turbocompressore (12) in funzione della velocità limite prestabilita superiore del turbocompressore (12) e della temperatura (To) assoluta a monte del compressore (14); la velocità (Nrid_sup) limite ridotta superiore del turbocompressore (12) essendo maggiore della velocità limite (Nrid_inf) ridotta inferiore del turbocompressore (12); il metodo di controllo à ̈ caratterizzato dal fatto di comprendere le ulteriori fasi di: - determinare un intervallo di overspeed del turbocompressore (12) compreso fra la velocità (Nrid_inf) limite ridotta inferiore e la velocità (Nrid_sup) limite ridotta superiore del turbocompressore (12); - calcolare una velocità limite ridotta corrente; e - comandare il turbocompressore (12) per riportare la velocità limite ridotta ad un valore inferiore o uguale alla velocità (Nrid_inf) limite ridotta inferiore tutte le volte in cui viene rilevato un valore della velocità limite ridotta corrente compreso all’interno dell’intervallo di overspeed. 2.- Metodo secondo la rivendicazione 1 e comprendente le ulteriori fasi di: - stabilire in una fase preliminare di settaggio e messa a punto un primo valore (SOV_1) di soglia; e - comandare il turbocompressore (12) per riportare la velocità limite ridotta ad un valore inferiore alla velocità (Nrid_inf) limite ridotta inferiore o uguale una volta trascorso un intervallo di tempo pari al primo valore (SOV_1) di soglia dall’istante in cui viene rilevato un valore della velocità limite ridotta corrente compreso all’interno dell’intervallo di overspeed. 3.- Metodo secondo la rivendicazione 2, e comprendente le ulteriori fasi di: - stabilire in una fase preliminare di settaggio e messa a punto un secondo valore (SOV_2) di soglia; - una volta trascorso un intervallo di tempo pari al primo valore (SOV_1) di soglia all’interno dell’intervallo di overspeed, inibire il funzionamento del turbocompressore (12) all’interno della zona di overspeed per un intervallo di tempo di durata pari al secondo valore (SOV_2) di soglia. 4.- Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui il primo (SOV_1) valore di soglia e/o il secondo (SOV_2) valore di soglia sono variabili in funzione dell’anzianità e dello stato di usura del turbocompressore (12). 5.- Metodo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui il secondo (SOV_2) valore limite à ̈ tanto maggiore quanto più frequentemente viene rilevata una velocità limite ridotta corrente compresa all’interno dell’intervallo di overspeed. 6.- Metodo secondo una delle precedenti rivendicazioni e comprendente le ulteriori fasi di: determinare la portata (QAHR) massica ridotta corrente del compressore (14); determinare una soglia (Mcritica) critica della portata (QAHR) massica ridotta la quale soglia (Mcritica) critica delimita in un piano portata massica ridotta / rapporto di compressione una zona critica prossima al raggiungimento di condizioni soniche; e inibire il funzionamento del turbocompressore (12) all’interno della zona di overspeed quando la portata (QAHR) massica ridotta corrente à ̈ superiore alla soglia (Mcritica) critica della portata (QAHR) massica ridotta.
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