ITRM980611A1 - Procedimento per la regolazione della potenza frenante di un motore a combustione interna sovralimentato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo: "Procedimento per la regolazione della potenza frenante di un motore a combustione interna sovralimentato" .

L'invenzione riguarda un procedimento per la regolazione della potenza frenante nel funzionamento di un motore a combustione interna sovralimentato. La potenza frenante del motore è composta dalla potenza di trascianamento e dalla potenza di frenatura, che viene ottenuta mediante lo strozzamento del flusso del gas di scarico del motore a combustione interna. All'aumentare della pressione di ristagno nel tratto di gas di scarico del motore a combustione interna, aumenta il lavoro di cambio di gas dei pistoni, che deve essere fornito per l'avanzamento dei gas di scarico contro la pressione di ristagno. Oltre la potenza di trascinamento, la potenza frenante del motore viene aumentata mediante un dispendio costruttivo supplementare, in quanto un elemento di regolazione viene disposto nel tratto di gas del motore a combustione interna e fa ristagnare il flusso di gas di scarico in funzione dalla sua posizione di regolazione, ossia della rimanente sezione trasversale di passaggio.

Dalla pubblicazione DE 195 16 971 Al è noto un motore a combustione interna sovralimentato, che presenta nel tratto di gas di scarico una valvola a battente oscillabile per il gas di scarico. Nell’esercizio frenante del motore, la valvola a battente viene fatta oscillare conformemente alla potenza frenante richiesta e libera una sezione trasversale di passaggio ridotta per l'accumulo del flusso di gas di scarico .

La pubblicazione DE 4330 487 CI descrive un motore a combustione interna sovralimentato, il cui compressore di gas di scarico presenta una turbina con la geometria regolabile, che viene usata nell'esercizio del motore quale freno a pressione di ristagno e riduce rispettivamente blocca, a prescindere dai flussi di fessure,l'afflusso ad una ruota girevole della turbina mediante una corrispondente rotazione di una parte girevole della griglia di guida della turbina.

Entrambi i procedimenti noti controllano la potenza frenante del motore mediante la regolazione del rispettivo elemento di regolazione nel tratto del gas di scarico, un aumento della potenza frenante del motore essendo legata direttamente ad un aumento della pressione di ristagno, ossia della pressione di entrata della turbina. Non è prevista una regolazione della potenza frenante del motore, una grandezza di regolazione reagendo su se stessa in una struttura a cerchio nel senso di una controreazione.

Un aumento della potenza frenante del motore mediante l'aumento della pressione di ristagno è possibile solo in modo limitato nei motori a combustione interna sovralimentati. Nell'esercizio frenante del motore, ad una elevata pressione di entrata della turbina e con i corrispondenti numeri di giri del turbocompressore si raggiungono rapidamente i limiti di esercizio del compressore. Un superamento dei limiti di esercizio del compressore comporta una maggiore usura ed eventualmente una distruzione del compressore di aria del turbocompressore del gas di scarico .

In un controllo della potenza frenante oppure ad esempio in una semplice regolazione con la posizione di regolazione dell'elemento di regolazione nel tratto di gas di scarico quale grandezza di regolazione non precisa, il turbocompressore dei gas di scarico deve essere azionato,nell'esercizio del motore frenante,con una sensibile distanza entro i suoi limiti di esercizio. La potenza frenante raggiungibile e utile è pertanto notevolmente limitata .

L’invenzione si è posta il compito di realizzare un procedimento per la regolazione della potenza frenante nell’esercizio di frenatura di un motore a combustione interna sovralimentato, che rende possibile il raggiungimento della massima potenza frenante entro i limiti di esercizio del turbocompressore del gas di scarico.

Questo compito viene risolto secondo l’invenzione con le caratteristiche della rivendicazione 1.

Un vantaggio del procedimento di regolazione secondo l’invenzione consiste nel fatto che si può rinunciare alla disposizione di sensori di numeri di giri per il rilevamento del numero di giri del turbocompressore e di sensori di pressione per la misurazione della pressione di entrata della turbina, i cui risultati di misurazione sono inaffidabili a causa delle sollecitazioni estremamente elevate. L'effettiva pressione di entrata della turbina può essere determinata con le informazioni del campo caratteristico del compressore, memorizzato per via elettronica, in modo preciso dalle grandezze: flusso di massa e rapporto di pressione totale nel compressore, eventualmente con l'ausilio di parametri di facile misurazione, come ad esempio pressione atmosferica, pressione di alimentazione e la temperatura dell'aria alimentata, dal regolatore del motore in funzione del numero di giri del motore a combustione interna. Il valore nominale del confronto tra il valore effettivo e quello nominale per la regolazione della potenza frenante del motore viene determinato percentualmente dal valore massimo della pressione di entrata della turbina, che viene indicato dalla linea caratteristica dei numeri di giri entro i limiti di esercizio del compressore. Il valore nominale rilevato percentualmente non può superare il valore massimo, per cui il valore massimo può essere predeterminato vicino ai limiti di esercizio dei numeri di giri del motore, ogniqualvolta presente. Il massimo effetto di ristagno nel tratto del gas di scarico e quindi la massima potenza frenante vengono ottenuti quando la linea caratteristica dei numeri di giri della massima pressione di entrata della turbina si estende nel campo caratteristico in prossimità del limite di pompaggio del compressore.

Convenientemente, nel campo caratteristico sono memorizzate linee dell'esercizio di frenatura del motore, dell'esercizio a combustione e altri tipi di esercizio del motore, come quello di ritorno dei gas di scarico, per cui con un ridotto dispendio di applicazione per ogni tipo di esercizio del motore si può ottenere un comportamento ottimale dell’esercizio. Inoltre, al regolatore del motore per l'indicazione dello stato di esercizio di frenatura del motore a combustione interna può essere addotto un segnale di frenatura di un generatore di segnali, ad esempio di un pedale del freno. Se il generatore di segnali di frenatura genera, secondo una vantaggiosa conformazione ulteriore dell'invenzione, un segnale di frenatura normalizzato in funzione della sua posizione di azionamento, che può essere usato dall'unità di regolazione per la determinazione del valore nominale quale parte corrispondente del valore massimo, allora la potenza frenante può essere richiesta in modo continuo direttamente attraverso la regolazione del generatore di segnali di frenatura, mantenendo principalmente i limiti di esercizio del compressore.

Altri vantaggi dell'invenzione risultano dalle sottorivendicazioni, nonché dalla seguente descrizione più dettagliata del procedimento di regolazione secondo l'invenzione con riferimento al disegno .

Per il chiarimento sarà dapprima descritta la struttura di un motore a combustione interna non illustrato, durante l'esercizio di frenatura del quale, la potenza frenante viene regolata con il procedimento secondo l'invenzione. Un turbocompressore dei gas di scarico del motore a combustione interna presenta un compressore di aria di alimentazione e una turbina di gas di scarico, collegata a rotazione con il compressore, la turbina dei gas di scarico, azionata dalla .corrente del gas di scarico del motore a combustione interna, essendo munita di una geometria regolabile in modo variabile. A seconda della posizione della griglia di guida (LEP) la griglia di guida della turbina accumula il gas di scarico del motore a combustione interna davanti all'entrata alla turbina. Il motore a combustione interna presenta un campo caratteristico, qui di seguito descritto più da vicino, in cui sono memorizzati per via elettronica parametri nominali relativi ad una pluralità di punti di esercizio, che servono per il regolatore del motore come grandezze di entrata per il confronto tra il valore nominale e il valore effettivo.

Nel disegno è illustrata una par-te del campo caratteristico, che comprende un campo caratteristico del compressore dell'aria di alimentazione VD. Sull'ascisse è riportato il flusso di massa ridotto (normalizzato) Mred del compressore di aria di alimentazione, per il cui rilevamento vale la seguente equazione:

in cui le grandezze hanno il seguente significato: M = flusso di massa (kg/s); Tt1, pt1 = temperatura rispettivamente pressione all’entrata del compressore; Tbez, Pbez, = temperatura di riferimento e pressione di riferimento (ad esempio 293 K/991 mbar) . Sull’ordinata è riportato il rapporto di pressione totale Πν = pt2/pt1, in cui pt2 rappresenta la pressione di uscita del compressore e pt1 la pressione di entrata del compressore. Le grandezze di entrata pt1 , pt2 , Tt1 del regolatore del motore per il rilevamento del flusso di massa ridotto Mred possono essere determinate con un ridotto dispendio strutturale con i corrispondenti sensori di misurazione disposti nel compressore.

Il campo caratteristico del compressore rappresenta per i diversi numeri di giri del compressore nVD, ossia per i numeri di giri del turbocompressore (ad esempio valori per nVD da 50000 l/min a 108000 l/min) e oltre per diversi rendimenti del compressore, la relazione tra la portata di massa Mred, e il rapporto di pressione totale Π. Le linee corrispondenti allo stesso rendimento si estendono a forma di conchiglia attorno al massimo rendimento nel centro del campo caratteristico del compressore; le linee con lo stesso numero di giri del compressore sono illustrate come curve discendenti in modo spianato da sinistra in alto verso la destra in basso.

Inoltre, nel campo caratteristico è memorizzata una pluralità di linee di esercizio del motore per certe posizioni di griglie di guida LEP (LEP1 - LEP3 ) della turbina di gas di scarico e certi numeri di giri nM per l'esercizio frenante del motore nonché linee dell'esercizio del motore per la pressione di entrata costante Ρ3 della turbina, per cui dal campo caratteristico per i diversi numeri di giri nVD del turbocompressore, flussi di massa Mred del compressore e per i rapporti di pressione totale Πν può essere rilevata una rispettiva pressione di entrata p3 della turbina.

Le altre, non illustrate, parti del campo caratteristico comprendono in modo analogo il campo caratteristico del compressore e una rete di fasci di linee di esercizio del motore per le posizioni costanti della griglia di guida della turbina di gas di scarico e per numeri di giri costanti del motore per un altro tipo di esercizio di quest'ultimo, come ad esempio l'esercizio a combustione con diversi carichi o anche per l'esercizio di ritorno dei gas di scarico. A seconda della struttura e delle possibilità dì esercizio del sistema frenante del motore, possono essere memorizzati per via elettronica campi caratteristici per l'esercizio frenante del motore con una strozzatura costante, ossia con valvole di decompressione permanentemente aperte, con valvole di freno motore, funzionanti in modo ritmato, oppure anche per un esercizio unicamente di trascinamento con le valvole di freno chiuse nei cilindri del motore a combustione interna oppure per l'uso di una valvola a battente per i gas di scarico. La conformazione della turbina di gas di scarico del turbocompressore con una variabile geometria della turbina offre, oltre ad un esercizio di turbofrenatura variabile ed effettivo, vantaggi nell'esercizio attivo. Per ottenere una potenza frenante regolabile secondo il procedimento dell'invenzione, in alternativa alla griglia di guida con palette di guida regolabili possono essere però usati cursori assiali, pareti spostabili, ugelli o valvole a battente o simili elementi di regolazione per l'accumulo dei gasi di scarico anteriormente all'entrata nella turbina di gas di scarico.

Il campo caratteristico del compressore è delimitato da sinistra dal limite di pompaggio PG e da destra dal limite di tamponamento SG del compressore. Il limite di pompaggio PG risulta dai distacchi di flusso sulle palette del compressore, che comporta, ad una ulteriore diminuzione del flusso di massa ridotto Mred, un flusso di entrata instabile. Il pompaggio dovrebbe essere evitato, in quanto si formano vibrazioni delle palette che potrebbero causare dei danni. Al limite di tamponamento SG nella sezione trasversale del flusso del compressore si registra la velocità di suono, per cui viene fisicamente impedito un ulteriore aumento del flusso di massa di entrata ad un prestabilito rapporto di pressione totale Πγ. Il limite superiore del campo caratteristico del compressore viene determinato dal numero di giri massimo ammissibile nVD del compressore, che dipende dalla geometria del rotore del compressore (diametro e il numero di giri di esplosione, dipendente dal materiale).

Mediante l'accoppiamento elettronico del campo caratteristico del compressore con la rete di linee di esercizio del motore per le costanti posizioni di griglia di guida (LEP) e numeri di giri nM del motore per diverse portate di massa Mred, dal campo caratteristico in funzione del numero di girniM del motore si può rilevare una preferita posizione LEP della griglia di guida della turbina di gas di scarico per l'esercizio di frenatura del motore ed eventualmente anche per l'esercizio normale del motore o altri tipi di esercizio del motore, che si presentano volta per volta, posizioni che possono essere regolate nella griglia di guida della turbina di gas di scarico.

Dal campo caratteristico del compressore, dopo il rilevamento del flusso di massa Mred e del rapporto di pressione totale Πγ nel compressore, in funzione del dato numero di giri del motore può essere rilevata la pressione di entrata Ρ3 della turbina. Si può anche rilevare, in modo precisamente corrispondente alle informazioni del campo caratteristico, il numero di giri del turbocompressore difficilmente misurabile a causa di elevati valori.

Se viene richiesta la potenza frenante del motore e viene azionato un generatore di segnali di frenatura, ad esempio un pedale o una leva del freno, allora il generatore di segnali di frenatura genera un segnale che viene addotto al regolatore del motore per indicare lo stato di esercizio di frenatura del motore a combustione interna. Il regolatore del motore preleva dal campo caratteristico del compressore con le linee di esercizio frenante del motore,,il valore effettivo della pressione di entrata della turbina e inoltre un valore massimo della pressione di entrata della turbina entro i limiti dell'esercizio del turbocompressore dei gas di scarico, con il numero di giri determinato del motore. Il valore massimo viene prelevato da una linea caratteristica di numeri di giri SL, che si estende nel campo caratteristico ad una piccola distanza da sicurezza in prossimità del limite di pompaggio PG. Il generatore di segnali di frenatura genera, in funzione della sua posizione di azionamento, un segnale di frenatura normalizzato, che viene usato dal regolatore del motore per la determinazione continua del valore nominale della pressione di entrata della turbina quale percentuale corrispondente del valore massimo. In caso di una richiesta di potenza frenante del 100%, il valore nominale corrisponde alla pressione di entrata massima ammissibile della turbina, con la quale nell'esercizio frenante del motore viene ottenuta la potenza frenante massima possibile. Il segnale di frenatura può essere variato dall'intensità del flusso, dalle intensità e dalla frequenza di pulsazioni o simili.

Attraverso la posizione di azionamento del generatore di segnali di frenatura si può quindi agire direttamente sulla potenza frenante, che viene regolata, come già descritto, mediante il rilevamento percentuale del valore nominale dal valore massimo e dal successivo confronto tra il valore effettivo e quello nominale nel regolatore del motore. Sfruttando all'occorrenza la potenza frenante massima possibile si evita con certezza un superamento dei limiti di esercizio del turbo- compressore nell'esercizio frenante del motore a combustione interna sovralimentato. La linea caratteristica di numeri di giri SL è memorizzata quale massima linea di esercizio del motore combustione interna in prossimità del limite di pompaggio PG nel campo caratteristico e si trova entro la superficie utile del campo caratteristico del compressore, che viene determinata dalle posizioni limite delle pale della griglia di guida della turbina (LEP "aperta", LEP "chiusa") . Nel campo di rapporti di pressione inferiori del compressore, la linea caratteristica di numeri di giri SL si trova sulla linea di esercizio del turbocompressore di gas di scarico con la posizione di chiusura della griglia di guida. Nel diagramma del disegno si può rilevare che con la griglia di guida chiusa o quasi chiusa della turbina, le linee di esercizio teoriche si trovano nel campo caratteristico del compressore a sinistra del limite di pompaggio PG. Pertanto, nell'esercizio del compressore di aria di alimentazione in caso di un superamento teorico della linea caratteristica di numeri di giri SL, la griglia di guida della turbina viene aperta all'aumentare del numero di giri n^ del motore. In tale maniera nell'esercizio a motore vengono attraversati solo i punti di esercizio entro il campo caratteristico del compressore e nell'esercizio a motore frenante viene assicurata la correttezza dei valori, massimi possibili della pressione di entrata della turbina.

In presenza del segnale di frenatura, il regolatore del motore controlla un dispositivo di frenatura del motore con valvole di frenatura nei cilindri e regola la potenza frenante attraverso accorgimenti di regolazione ad azione di ristagno nel tratto del gas di scarico. Le linee di esercizio del motore vengono prodotte dalle misurazioni durante le prove di frenatura. In tale maniera si possono rilevare le linee di esercizio per diversi tipi di esercizio frenante del motore e possono essere memorizzate nel campo caratteristico, come ad esempio la strozzatura costante, ossia valvola di decompressione continuamente aperta nel cilindro, valvola di freno motore attiva o chiusa (puro esercizio di trascinamento) .

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la regolazione della potenza frenante nell'esercizio di frenatura di un motore a combustione interna sovralimentato, il cui gas di scarico viene accumulato da un elemento di regolazione nel tratto di gas di scarico prima dell'entrata in una turbina di un turbocompressore dei gas di scarico, in cui: - il motore presenta un campo caratteristico, in cui per una pluralità di punti di esercizio sono memorizzati per via elettronica rispettivi parametri nominali, che servono per un regolatore del motore come grandezze di entrata per il confronto tra il valore nominale e guello effettivo; il campo caratteristico comprende un campo caratteristico, memorizzato per via elettronica, del compressore di aria compressa, che rappresenta per diversi numeri di giri (nVD ) del turbocompressore la relazione tra la portata di massa (Mred ) e il rapporto di pressione totale (Πγ) e nel campo caratteristico sono memorizzati una pluralità di linee di esercizio per determinate posizioni (LEP) dell'elemento di regolazione e determinati numeri di giri (nM) del motore nonché per la costante pressione entrata (Ρ3) della turbina, - dal campo caratteristico viene prelevata e regolata una preferita posizione (LEP) dell'elemento di regolazione, in quanto dal campo caratteristico quale grandezza di regolazione per diversi numeri di giri (nVD) del turbocompressore, per diversi flussi di massa (Mred) del compressore e per diversi rapporti di pressione (Πγ) del compressore,viene prelevata la relativa pressione di entrata (P3) della turbina quale valore effettivo, e il valore nominale viene determinato percentualmente in conformità alla richiesta di potenza frenante da un valore massimo della pressione di entrata (Ρ3) entro i limiti di esercizio del turbocompressore di gas di scarico, in cui: - il valore massimo viene prelevato in funzione del numero di giri (nM) del motore di una linea caratteristica di numeri di giri (SL) memorizzata nel campo caratteristico.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la linea di numeri caratteristici (SL) si estende nel campo caratteristico in prossimità del limite di pompaggio (PG) del compressore.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che nel campo caratteristico a 6, caratterizzato dal fatto che la potenza frenante del motore viene regolata mediante la posizione (LEP) della griglia di guida di una geometria variabile della turbina di gas di scarico. sono depositate linee di esercizio del motore per l'esercizio di frenatura, per l'esercizio operativo e per altri tipi di esercizio del motore.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che al regolatore del motore viene addotto un segnale di frenatura di un generatore di segnali di frenatura per l'indicazione dello stato di esercizio di frenatura del motore a combustione interna.
5. 5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che il regolatore del motore aziona,nell'esercizio frenante del motore,un supplementare dispositivo di frenatura del motore come valvole di frenatura nei cilindri del motore a combustione interna.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzato dal fatto che il generatore di segnali dì frenatura genera un segnale di frenatura normalizzato in funzione della sua posizione di azionamento, che viene usato dal regolatore del motore per la determinazione continua del valore nominale della pressione di entrata (Ρ3) della turbina quale percentuale corrispondente del valore massimo .
7. 7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1