ITRM990398A1

ITRM990398A1 - Procedimento e dispositivo per la regolazione di un motore a combustione interna sovralimentato.

Info

Publication number: ITRM990398A1
Application number: IT1999RM000398A
Authority: IT
Inventors: Erwin Schmidt; Siegfried Sumser
Original assignee: Daimler Chrysler Ag
Priority date: 1998-06-20
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2000-12-18
Also published as: SE517494C2; DE19827627C2; SE9902083L; DE19827627A1; SE9902083D0; IT1306865B1; US6202414B1; ITRM990398A0

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo: "Procedimento e dispositivo per la regolazione di un motore a combustione interna sovralimentato"

L’invenzione riguarda un procedimento e un dispositivo per la regolazione di un motore .a combustione interna sovralimentato, secondo il preambolo della rivendicazione 1 o 10.

Dal brevetto US 5 090 204 rispettivamente dalla pubblicazione DE 38 32 965 Al, che rappresenta la domanda di brevetto giustificante la priorità del detto brevetto US 5 090 204, è noto un motore a combustione interna a più cilindri con due turbocompressori a gas di scarico disposti in parallelo. Il motore a combustione interna di struttura simmetrica consiste di due banchi di cilindri, a ciascuno dei quali è coordinato un turbocompressore a gas di scarico. Le turbine vengono azionate dai gas di scarico nel condotto di scarico di ciascun banco di cilindri; il rispettivo compressore è collocato nel canale di aspirazione coordinato a questo banco di cilindri.

Per mantenere la pressione di carico nei canali di aspirazione dei due cilindri allo stesso livello, è prevista una unità di regolazione, che compensa una pressione differenziale tra le pressioni di carico nei canali di aspirazione a valle del compressore. Alla constatazione di una deviazione viene generato un segnale di regolazione, che viene usato per la regolazione di una valvola a farfalla,'che è disposta in un condotto di bipasso verso la data turbina. In tale maniera si può influenzare la potenza della turbina e quindi anche la potenza del compressore, regolando cosi una appropriata pressione di carico nel tratto di aspirazione.

Questo procedimento presenta l'inconveniente che a causa della dinamica propria del sistema da regolare, consistente di turbine, compressori e valvole a farfalla, la desiderata compensazione della pressione di carico tra i due canali di aspirazione ha luogo solo con un certo ritardo. L'intervento di regolazione sulla valvola a farfalla nel bipasso verso la turbina comporta dapprima una variazione della contropressione dei gas di scarico a monte della turbina, che comporta una modifica della potenza della turbina, che agisce a sua volta con ritardo sulla pressione di carico. In particolare, nell’esercizio non stazionario del motore a combustione interna, a causa dell’intervento di regolazione ritardato si può verificare contemporaneamente una indesiderata differenza di pressione di carico tra i canali di aspirazione delle due linee di cilindri, potendo in risultato ottenere una alimentazione irregolare dei cilindri di entrambe le linee di cilindri con l'aria di combustione.

Un altro motore a combustione interna sovralimentato è noto dal brevetto US 4 660 382. Il motore a combustione interna di questa pubblicazione è munito di un singolo turbocompressore a gas di scarico, che è munito di una geometria variabile della turbina per la regolazione variabile della sezione trasversale attiva della turbina. In questo dispositivo la pressione di carico a valle del compressore viene misurata per servire da base per la regolazione della geometria variabile della turbina. Il coordinamento del modo di funzionamento dei due turbocompressori a gas di scarico, uno per ciascuna linea di cilindri, non costituisce però l'oggetto del brevetto US 4 660 382.

L'invenzione ha il compito di alimentare con l'aria di combustione un motore a combustione interna sovralimentato con due linee di cilindri e con un turbocompressore a gas di scarico per ciascuna fila di cilindri, in particolare attraversa tutti i punti di esercizio e nell'esercizio non stazionario.

Questo problema viene risolto secondo l'invenzione mediante le caratteristiche della rivendicazione 1 o della rivendicazione 10.

Con il procedimento secondo l'invenzione viene misurata una grandezza di stato del motore direttamente nel compressore oppure nell'area di compressore, in particolare una grandezza di stato che è proporzionale al flusso di massa d'aria attraverso il compressore. In tale maniera per la regolazione viene messa a disposizione una grandezza di stato, che rappresenta una misura per l’alimentazione delle linee di cilindri con l'aria di combustione. Una grandezza di stato viene misurata convenientemente nella zona dell'entrata del compressore.

Il segnale di regolazione generato viene addotto ad un elemento di regolazione, che agisce direttamente sulla sezione trasversale attiva della turbina. Le turbine di entrambi i turbocompressori a gas di scarico sono munite convenientemente di una geometria regolabile in modo variabile. Attraverso l'elemento di regolazione può essere regolata la sezione trasversale attiva della turbina, all’elemento di 'regolazione essendo addotto un segnale dì regolazione generato nell'unità di regolazione conformemente alla prescrizione di regolazione usata. A seconda della strategia di regolazione usata, la grandezza di stato può essere regolata attraverso la regolazione di una o di entrambe le geometrie variabili delle turbine. Migliora in particolare il comportamento non stazionario del motore a combustione interna, in quanto le deviazioni di regolazione possono essere rilevate direttamente e compensate più rapidamente. Attraverso i due compressori viene fatto passare lo stesso flusso di massa d'aria, compensando eventuali differenze che possono risultare ad esempio dalle tolleranze di produzione, il che comporta condizioni migliori per quanto riguarda il consumo del combustibile ed emissioni scarse dei gas di scarico. Il tratto di regolazione viene limitato a grandezze e a componenti del motore, che esercitano una influenza diretta sul flusso di massa d'aria fatto passare.

Quale modo di regolazione particolarmente semplice e di realizzazione rapida, si può ricorrere ad una regolazione differenziale, con la quale viene convenientemente misurata la differenza di due grandezze di stato variabili, fisiche del motore nella zona dell'entrata del compressore. Come grandezze di stato possono essere rilevate di preferenza il flusso di massa d'aria nell’entrata del compressore, il numero di giri del turbocompressore a gas di scarico oppure la pressione nel diffusore, che viene rilevata nella zona di entrata dei diffusori dei turbocompressori. Da queste grandezze di stato viene misurata la differenza tra i due turbocompressori a gas di scarico, convenientemente con l'ausilio di un estensore di differenze, utilizzandola per la regolazione. Con la regolazione differenziale viene regolato in modo conveniente il valore differenziale su un valore di riferimento, che è convenientemente aero, per cui le grandezze di stato assumono nella zona di entrambe le entrate dei compressori lo stesso valore nominale.

Secondo un'altra regolazione, la grandezza di stato di un solo turbocompressore a gas di scarico viene confrontata con una grandezza nominale, che forma il valore differenziale dalla differenza delle grandezze di stato del primo e del secondo turbocompressore a gas di scarico, le grandezze di stato del primo turbocompressore a gas di scarico e il valore differenziale vengono sommati e almeno una delle due grandezze di stato viene variata fino a che il valore differenziale assuma un valore di riferimento, in particolare zero. In questo forma di realizzazione, il turbocompressore a gas di scarico, la cui grandezza di stato deve essere confrontata con la grandezza nominale, assume il compito di un elemento di guida; la grandezza di stato di questo turbocompressore viene dapprima regolata al valore nominale. L'altro turbocompressore a gas di scarico viene fatto seguire al turbocompressore a gas di scarico con il compito di guida, in quanto la differenza della grandezza di stato di questo turbocompressore rispetto alla grandezza di stato del turbocompressore di guida viene regolata a zero, per cui le grandezze di stato di entrambi i turbocompressori assumono il medesimo valore. La suddivisione in turbocompressori di guida e di inseguimento presenta il vantaggio che deve essere solo prestabilito il valore nominale assoluto per la grandezza di stato del turbocompressore di guida, mentre la grandezza di stato del turbocompressore di inseguimento viene regolata attraverso la regolazione differenziale di semplice esecuzione e robusta dal punto di vista tecnico di regolazione.

La grandezza nominale può essere letta da un campo caratteristico di compressori, memorizzato nell'unità di regolazione, che rappresenta ,in caso di numeri di giri differenti dei turbocompressori,la relazione tra la portata di massa e il rapporto di pressioni totali. Nel campo caratteristico può essere contenuta una pluralità di linee di esercizio del motore per determinate posizioni della geometria variabile delle turbine e per determinati numeri di giri del motore a diversi carichi e tipi di esercizio del motore, come l'esercizio attivo oppure esercizio di frenatura del motore.

Può essere previsto eventualmente anche un dispositivo di ritorno dei gas di scarico, che comprende un condotto di ritorno e una valvola di bloccaggio controllabile, in particolare regolabile. In questo caso nel campo caratteristico di compressori possono essere contenute anche grandezze di stato per l'esercizio a ritorno del gas di scarico.

Altri vantaggi e altre forme di realizzazione convenienti possono essere rilevati dalle rivendicazioni successive, dalla descrizione delle figure e dai disegni, in cui:

la figura 1 mostra una illustrazione schematica di un motore a combustione interna con due linee di cilindri e con un turbocompressore a gas di scarico per ogni linea di cilindri;

•la figura 2 rappresenta una sezione attraverso un compressore di un turbocompressore a gas di scarico. Il motore a combustione interna 1 illustrato nella figura 1, di un autoveicolo presenta due linee di cilindri 2, 3 ciascuna con una pluralità di cilindri. Per addurre ai cilindri l'aria di combustione compressa, ad ogni linea di cilindri 2, 3 è coordinato un turbo compressore a gas di scarico 4, 7. Il turbocompressore a gas di scarico 4, coordinato alla linea di cilindri 2, consiste di una turbina 5 in un primo condotto di gas di scarico 14, che si dirama dalla prima linea di cilindri 2 di un compressore 6, collegato attraverso un albero con la turbina 5 e disposto in un primo condotto di aspirazione 10. Il turbocompressore a gas di scarico 7, coordinato alla seconda linea di cilindri 3, è disposto ad immagine speculare rispetto al primo turbocompressore a gas di scarico 4; il secondo turbocompressore 7 consiste di una turbina 8 disposta in un secondo condotto di scarico 15, che si dirama dalla seconda linea di cilindri 3 e di un compressore 9 collegato attraverso un albero con la turbina 8 e disposto in un secondo condotto di scarico 11.

Entrambi i condotti di aspirazione 10, 11 sboccano a valle del compressore 6, 9 in un tratto comune 12 dei condotti di aspirazione, attraverso il quale al motore viene addotta l'aria fresca compressa alla pressione di carico P2s uguale per entrambe le linee di cilindri 2, 3. Prima di entrare in un tubo collettore del motore, l'aria compressa viene raffreddata in un refrigeratore di aria 13.

Può essere eventualmente vantaggioso’realizzare in modo separato i condotti di aspirazione delle due linee di cilindri, per cui non è possibile un mescolamento delle pressioni tra i due condotti di aspirazione e ogni linea di cilindri viene alimentata con la pressione di carico fornita dal rispettivo compressore.

I condotti di gas di scarico 14, 15 sono realizzati in modo separato per le due file di cilindri 2, 3, per cui ciascuna turbina 5, 8 viene sollecitata con una separata pressione P3 dei gas di scarico. Anche in questo caso può essere eventualmente conveniente creare un collegamento tra i due condotti di gas di scarico 14, 15, per ottenere una compensazione della pressione.

Entrambi i turbocompressori a gas di scarico 4, 7 sono muniti di una geometria regolabile in modo variabile delle turbine, che rende possibile aumentare o ridurre la sezione trasversale attiva delle turbine. La geometria variabile delle turbine è ottenuta nell'esempio di realizzazione mediante una griglia di guida variabile 16 nella prima turbina 5 rispettivamente 17 nella seconda turbina 8, che possono essere portate alla posizione desiderata attraverso elementi di regolazione 18, 19. Gli elementi di regolazione 18, 19 vengono alimentati da fonti di energia 20, 21 con l'energia di regolazione - a seconda del tipo dell'elemento di regolazione: pressione o tensione -. Per la regolazione delle griglie di guida 16, 17, gli elementi di regolazione 18, 19 sono collegati attraverso conduttori di segnali 22, 23 con una unità di regolazione 24, in cui vengono generati i segnali di regolazione St^ St2 i segnali di regolazione Sl^ St2 degli elementi di regolazione 18, 19 essendo trasformati in modulatori 25, 26 in un segnale fisicamente corrispondente alle sorgenti di energia 20, 21.

Gli elementi di regolazione 18, 19 possono essere collegati tra di loro direttamente attraverso un conduttore di comunicazione 36. Attraverso il conduttore di comunicazione 36 viene effettuato convenientemente uno scambio di segnali, per regolare entrambe le turbine alla stessa sezione trasversale attiva. Può essere opportuno realizzare il primo turbocompressore 4 quale turbocompressore di guida, che viene regolato ad una desiderata grandezza nominale e farlo seguire dal secondo turbocompressore 7. Attraverso il conduttore di comunicazione 36 può essere effettuata una prima compensazione non regolata tra le turbine 5, 8 di entrambi i turbocompressori .

E' previsto inoltre un dispositivo di ritorno di gas di scarico 27, che comprende condotti di ritorno 28, 29 con valvole di bloccaggio 31, 32, il primo condotto di ritorno 28 riportando il gas di scarico della prima linea di cilindri 2 verso il comune tratto 12 dei condotti di aspirazione e corrispondentemente il secondo condotto di ritorno 29 riporta i gas di scarico della seconda lìnea di cilindri ugualmente al tratto comune 12 dei condotti di aspirazione. Le valvole di bloccaggio 30, 31 vengono controllate da segnali di regolazione, che vengono trasmessi attraverso conduttori di segnali 32, 33 dall'unità di regolazione 24.

Per alimentare entrambe le linee di cilindri 2, 3 in modo uniforme con l'aria di combustione, le turbine 5, 8 di entrambi i turbocompressori a gas di scarico 4, 7 vengono regolati attraverso i loro elementi di regolazione 18, 19 con l’ausilio dei segnali di regolazione St1 St2 dell'unità di regolazione 24, in maniera tale da regolare una desiderata potenza delle due turbine 5, 8 e di conseguenza una desiderata alimentazione con l'aria di ogni linea di cilindri 2, 3. Per la regolazione vengono misurate le grandezze di stato Z1 Z2 nell'area di entrata dei compressori 6, 9 e queste grandezze vengono trasmesse ad un componente 34, che è realizzato quale rivelatore di differenze, in cui quale grandezza di stato risultante Z viene rilevata la differenza delle due grandezze di stato Z1 Z2 . In questa forma di realizzazione il componente 34 costituisce una parte dell'unità di regolazione 24.

In alternativa, il componente 34 può essere realizzato quale elemento di misurazione di differenza, con il quale può essere rilevata direttamente la differenza dei valori di misurazione che rappresentano le grandezze di stato Z1 Z2 . La differenza viene successivamente addotta quale grandezza di stato Z all'unità di regolazione 24 attraverso il conduttore di segnali 35.

Come grandezze di stato possono essere misurati il flusso di massa d'aria all'entrata del compressore, il numero di giri del turbocompressore a gas di scarico oppure la pressione, che regna nell’entrata di un diffusore della turbina.

Nell'unità di regolazione 24 viene elaborata la grandezza di stato Z per la generazione dei segnali di regolazione St1 St2 - L'unità di regolazione 24 si trova in comunicazione con una memoria 37, in cui è memorizzato un campo caratteristico di compressori. Dal campo caratteristico di compressori, in funzione dello stato di esercizio del motore a combustione interna può essere rilevata la grandezza nominale, che viene elaborata nell'unità di regolazione 24 per il confronto con la grandezza di stato Z. In particolare mediante un semplice confronto della grandezza di stato con la grandezza nominale, in particolare con la grandezza nominale corrispondente a zero, possono essere generati segnali di regolazione St1 St2 per gli elementi di regolazione 18, 19 delle geometrie variabili della turbina.

Quale grandezza da prendere anche in considerazione, all’unità di regolazione attraverso il conduttore di segnali 38 può essere addotta la pressione di carico P2s ·

Nell'unità di regolazione 24 possono essere presi in considerazione prestabiliti limiti di esercizio del compressore, per evitare sollecitazioni inammissibilmente elevata. Rispettando i limiti di esercizio del compressore, si può inoltre impedire che le posizioni delle griglie di guida delle due turbine siano eccessivamente sfalsate tra di loro. Per una regolazione differenziale, il turbocompressore a gas di scarico inseguitore 7 può essere preregolato in maniera tale da mantenere una distanza massima ammissibile dei punti di esercizio di entrambi i compressori.

La figura 2 mostra in una vista in sezione un compressore 6, che presenta una ruota 39 e un diffusore 40 che serve per rallentare, possibilmente senza perdite, l’aria accelerata dalla ruota del compressore, aumentando così la pressione e la temperatura dell'aria. Nell'area dell'entrata 41 del diffusore, in un foro dell'involucro è disposto un sensore di pressione 43 per rilevare la pressione del diffusore. La pressione del diffusore viene addotta, quale grandezza di stato, al generatore di differenze, in cui mediante la formazione delle pressioni differenziali dei due compressori viene formata la grandezza di stato Z.

L'aria compressa e riscaldata abbandona il compressore 6 attraverso l'uscita 42 del diffusore. Il procedimento e il dispositivo possono essere usati sia per l'esercizio attivo sia anche per l'esercizio frenante del motore.

Claims

RIVENDICAZIONI I. Procedimento per la regolazione di un motore a combustione interna sovralimentato, che presenta due linee di cilindri (2, 3), ad ogni linea di cilindri (2, 3} essendo coordinato un turbocompressore a gas di scarico (4, 7) e con una unità di regolazione (24), in cui, in considerazione delle grandezze di stato (Z, Z1 Z2 )indicanti lo stato di esercizio del motore a combustione interna, viene generato un segnale di regolazione (ST1 ST2 ) per la regolazione di almeno un turbocompressore a gas di scarico (4, 7), caratterizzato dal fatto che - i turbocompressori a gas di scarico sono muniti ciascuno di una geometria variabile della turbina; - per la regolazione del motore a combustione interna (1) viene misurata una grandezza di stato (Z, Z^ Z2) nella zona del compressore (6, 9) dei turbocompressori a gas di scarico (4, 7); - dalla grandezza di stato (Z, Z1 Z2 ) viene formata, conformemente ad una data norma di regolazione, una grandezza di regolazione, che viene addotta quale segnale di regolazione (St1 St2 ) ad un elemento di regolazione (18, 19) che influenza la geometria variabile della turbina; - tra gli elementi di regolazione viene effettuato uno scambio di segnali per la compensazione non regolata tra le turbine dei turbocompressori a gas di scarico .
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la grandezza di regolazione viene formata dal valore differenziale di due grandezze di stato (Zi Z2 ) del primo e del secondo turbocompressore a gas di scarico (4, 7).
3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il valore differenziale viene regolato ad un valore di riferimento.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il valore di riferimento è uguale a zero.
5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che viene misurata una grandezza di stato (Zi Z2 ) proporzionale al flusso di massa d'aria attraverso il compressore (6, 9).
6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che la grandezza di stato (Z, Z1 Z2 ) è il flusso di massa d'aria nell'entrata del compressore.
7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che la grandezza di stato (Z,Z1 Z2 ) è il numero di giri del turbocompressore a gas di scarico.
8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che la grandezza di stato (Z,Z1 Z2 ) è la pressione nella zona dell'entrata del diffusore.
9. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che una grandezza nominale da confrontare con la grandezza di regolazione, viene rilevata da un campo caratteristico del compressore, memorizzato nell'unità di regolazione {24, 27).
10. Dispositivo per la regolazione di un motore a combustione interna sovralimentato, in particolare dispositivo per la realizzazione del procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, che presenta due linee di cilindri (2, 3), ad ogni linea di cilindri (2, 3) essendo coordinato un turbocompressore a gas di scarico (4, 7) e con una unità di regolazione (24), in cui, in considerazione di grandezze di stato (Z, Z1 Z2 ) caratterizzanti lo stato di esercizio del motore a combustione interna, può essere generato un segnale di regolazione (St1 St2 )per la regolazione di almeno un turbocompressore a gas di scarico (4, 7), caratterizzato dal fatto che - le turbine sono munite di geometria variabile; - nella zona dei compressori (6, 9) sono disposti sensori (43) per la generazione di segnali di misurazione, i segnali di misurazione rappresentando le grandezze di stato (Z, ∑ι ∑2 ) del motore a combustione interna; - i segnali di misurazione sono adducibili all’unità di regolazione (4) e confrontabili con una grandezza nominale per la generazione del segnale di regolazione (St1 St2 ), che è adducibile ad un elemento di regolazione (18, 19) atto ad influenzare la geometria variabile della turbina; - un conduttore di comunicazione (36) è previsto tra gli elementi di regolazione (18, 19) della geometria variabile delle due turbine (5, 8) per eseguire uno scambio di segnali.
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che le turbine (5, 8) dei due turbocompressori a gas di scarico (4, 7) sono munite di geometria regolabile in modo variabile e il segnale di regolazione (St1 St2 ) è adducibile ad un elemento di regolazione (18, 19) per regolare in modo variabile la geometria della turbina.
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 10 o 11, caratterizzato dal fatto che nella zona dell'entrata (41) di un diffusore (40) del compressore (6, 9) è previsto un sensore (43) per rilevare la pressione del diffusore.
13. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 10 a 12, caratterizzato dal fatto che è previsto un dispositivo di ritorno di gas di scarico (27), attraverso il quale il gas di scarico è adducibile dal tratto di gas di scarico al tratto di gas di scarico al tratto di aspirazione del motore a combustione interna (1).
14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che in un condotto di ritorno (28, 29) del dispositivo di ritorno di gas di scarico (27) è disposta una valvola di bloccaggio {30, 31).
15. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 10 a 14, caratterizzato dal fatto che i condotti di aspirazione {10, 11) del tratto di aspirazione sboccano a valle dei due compressori (6, 9) dei turbocompressori a gas di scarico (4, 7) in un comune tratto (12) dei condotti di aspirazione.
16. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che nel comune tratto (12) dei condotti di aspirazione è disposto un raffreddatore di aria di alimentazione (13).
17. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 10 a 16, caratterizzato dal fatto che i condotti di gas di scarico (14, 15) delle due linee di cilindri (2, 3) del motore a combustione interna (1) sono collegati tra di loro.