ITRM990527A1 - Procedimento per il controllo del funzionamento di un turbocompressore a gas di scarico con turbina a geometria variabile. - Google Patents

Description

L'invenzione riguarda un procedimento per il controllo del funzionamento di un turbocompressore a gas di scarico con turbina a geometria variabile, secondo il preambolo della rivendicazione 1.

Dalla pubblicazione DE 195 43 190 Al è noto un sistema di frenatura per un motore a combustione interna sovralimentato, che presenta una turbina con geometria variabile, regolabile attraverso una griglia di guida spostabile. La griglia di guida comprende pale che possono essere regolate con l'ausilio di un apposito elemento,,in maniera tale da variare la sezione trasversale efficace della turbina. In tale maniera diventa possibile di realizzare, a seconda dello stato di esercizio del motore a combustione interna, pressioni differenti nel settore tra i cilindri e il turbocompressore a gas di scarico, per cui a seconda del fabbisogno possono essere regolate la potenza della turbina e la potenza del compressore.

Per ottenere nell'esercizio di frenatura del motore a combustione interna un effetto frenante del motore, la griglia di guida viene spostata in una posizione, in cui viene notevolmente ridotta la sezione trasversale della turbina. Nel tratto tra i cilindri e il turbocompressore a gas di scarico si forma una forte sovrapressione e contemporaneamente il gas di scarico passa ad elevata velocità attraverso i canali tra le pale di guida e sollecita la girante della turbina, per cui l'aria di combustione addotta al motore dal compressore viene messa in sovrapressione. In tale maniera il cilindro viene sollecitato sul lato di entrata con una maggiore pressione di alimentazione e sul lato di uscita tra lo scarico del cilindro e il turbocompressore a gas di scarico regna una sovrapressione, che agisce contro lo scarico dell'aria compressa nel cilindro attraverso le valvole di decompressione nel condotto di gas di scarico. Nell'esercizio di frenatura del motore, il pistone deve svolgere,nella fase di compressione e di scarico; un lavoro di compressione contro l'elevata sovrapressione nel condotto di gas di scarico, ottenendo così un forte effetto frenante.

Attraverso corpi di chiusura, che sono spostabili negli spazi intermedi tra le pale della griglia di guida ,la contropressione di gas di scarico tra lo scarico del cilindro e la turbina,nell'esercizio di frenatura del motore può essere ulteriormente aumentata per rinforzare l'effetto frenante del motore. Attraverso i corpi di bloccaggio la sezione trasversale attiva della turbine viene regolata in maniera da ottenere nel condotto di gas di scarico la contropressione necessaria per il desiderato effetto di frenatura.

Il movimento dei corpi di chiusura negli spazi intermedi tra le pale di guida viene rilevato a mezzo di sensori ed elaborato. Qualora dovesse essere riconosciuto un movimento difettoso dei corpi di bloccaggio, allora si tenterà di regolare la sezione trasversale attiva della turbina esclusivamente attraverso la griglia di guida variabile, senza corpi di bloccaggio. Qualora esiste anche un difetto nel movimento delle pale della griglia di guida, allora viene emesso un segnale di difetto e trasmesso al controllo del motore.

Un altro procedimento per la regolazione della pressione di alimentazione è noto dalla pubblicazione DE 195 31 871 CI. Per rendere possibile, nell esercizio non stazionario del motore a combustione interna, in particolare dopo un cambio positivo di carico a partire da inferiori campi di carico e di numeri di giri, con mezzi semplici una regolazione e per migliorare il rendimento, secondo questa pubblicazione viene proposto di determinare la differenza tra la contropressione di gas di scarico e la pressione di alimentazione per la regolazione della pressione di alimentazione , quale grandezza di comando per la regolazione. In tale maniera si può riconoscere una deviazione inammissibilmente elevata della contropressione di gas di scarico al cambio positivo del carico e correggerla mediante appropriati accorgimenti. Questa procedura di regolazione viene instaurata nell'esercizio di combustione .

Dalla pubblicazione DE 2709 667 C2 è noto un motore a combustione interna con un turbocompressore a gas di scarico di tipo convenzionale. Per sorvegliare la capacità di funzionamento della regolazione a bipasso nel turbocompressore a gas di scarico viene misurata la pressione di alimentazione. Se la pressione di alimentazione assume un valore inammissibilmente elevato, allora il tubo collettore di entrata del motore a combustione interna viene collegato con l'ambiente atmosferico e viene ridotta la quantità del carburante iniettato. Benché in tale maniera viene eliminata la funzione del turbocompressore, tuttavia viene ridotto il pericolo di un sovraccarico dei componenti.

La pubblicazione DE-OS 23 14 576 descrive un dispositivo per la determinazione di difetti di un motore a combustione interna. Attraverso sensori si possono determinare lo stato di carico, la temperatura ambiente e il numero di giri del motore a combustione interna. Se in uno dei sensori viene emesso un segnale di difetto, si può eseguire una sorveglianza e una analisi dei gruppi o delle unità strutturali coordinati al motore a combustione interna. La pubblicazione DE-OS 23 14 576 non affronta però il problema di controllo del funzionamento di un turbocompressore a gas di scarico con turbina a geometria variabile.

L'invenzione affronta il problema di diagnosticare funzionamenti difettosi di turbocompressori a gas di scarico con turbina a geometria variabile.

Questo problema viene risolto secondo l'invenzione con le caratteristiche indicate nella rivendicazione 1.

Nel controllo del funzionamento vengono rilevati due tipi di grandezze di esercizio, che indicano rispettivamente il comportamento del turbocompressore a gas di scarico, alle quali però sono attribuite funzioni differenti: grandezze principali, che costituiscono una misura della capacità di funzionamento principale del turbocompressore a gas di scarico e alle quali viene coordinata una grandezza determinante l’alimentazione con l'aria del motore, nonché grandezze ausiliari, dalle quali si può trarre conclusione sulla capacità di funzionamento di un determinato componente. Le grandezze ausiliari dipendono dalla struttura del turbocompressore a gas di scarico; esse indicano convenientemente la posizione di un elemento di regolazione della turbina a geometria variabile.

In una prima fase per il controllo del funzionamento del compressore, viene dapprima misurata una grandezza principale, dalla quale viene tratta la decisione sulla presenza di un funzionamento difettoso. La grandezza principale forma la base di decisione per il rilevamento dì difetti.

Se esiste un difetto, allora in una seconda fase viene misurata la grandezza ausiliare e utilizzata per l'identificazione del difetto. Il valore della grandezza ausiliare è una misura della capacità di funzionamento della turbina a geometria variabile.

Nel caso di difetto, il valore della grandezza ausiliare si trova esternamente al campo ammissibile, il dato componente è incapace di funzionare oppure il suo funzionamento è limitato.

Il rilevamento di difetti attraverso la grandezza principale, determinante l’alimentazione con l'aria del motore, offre il vantaggio che di regola si può ricorrere a dispositivi di misurazione già esistenti, che vengono usati per la regolazione nel funzionamento a combustione oppure nell'esercizio di frenatura del motore, per cui non si ha un dispendio supplementare per un sistema di sensori.

Un altro vantaggio consiste nella suddivisione in due fasi del procedimento per il controllo del funzionamento, per cui viene ridotta la somma di dati da misurare e da elaborare. La decisione principale se il turbocompressore a gas di scarico è capace di funzionare, può essere presa solo mediante il confronto dei dati di misurazione rappresentativi per l'alimentazione con l’aria del motore, con i rispettivi valori nominali. In questo stadio non è obbligatoriamente necessario misurare le grandezze ausiliari che permettono una valutazione della capacità di funzionamento di un dato componente. La misurazione delle grandezze ausiliari diventa necessaria solo quando l'elaborazione della grandezza principale indica un difetto nel turbocompressore a gas di scarico. La suddivisione in due fasi del procedimento rende possibile di trarre una conclusione sulla capacità di funzionamento sul principio di una minima base di dati.

Con il procedimento a due fasi possono essere riconosciute minime deviazioni della pressione di alimentazione dal valore nominale e il difetto può essere attribuito ad un dato componente. Sia una pressione di alimentazione troppo bassa, che influenza negativamente la potenza frenante nell'esercizio di frenatura del motore e la potenza del motore nell'esercizio a combustione, sia anche una pressione di alimentazione troppo alta, che può causare un sovraccarico dei sistemi di flusso di gas di scarico e di aria di alimentazione, possono essere riconosciute sul principio di questo procedimento. Come grandezze principali vengono prese in considerazione tutte le grandezze di stato o di esercizio del turbocompressore a gas di scarico, che rappresentano una misura dell'alimentazione dell'aria con il motore. Questa alimentazione può essere rilevata sia con una misurazione diretta attraverso il flusso di massa d'aria verso il motore, sia anche con una misurazione indiretta attraverso la pressione di alimentazione/ il numero di giri del motore e la temperatura.

Il controllo del funzionamento può essere effettuato nell'esercizio in corso e precisamente sia nell'esercizio a combustione sia anche nell'esercizio di frenatura del motore. Nell'esercizio di frenatura del motore vengono presi di preferenza come grandezze principali la pressione di alimentazione e il numero di giri del motore e nell'esercizio a combustione di preferenza in aggiunta anche il carico del motore. Inoltre, viene convenientemente misurato il tempo a partire dall'inizio dell'operazione di frenatura del motore o dell'esercizio a combustione, per prendere in considerazione le influenze dinamiche sulle grandezze principali e ausiliarie e per poter rilevare il comportamento transitorio del turbocompressore a gas di scarico.

Per determinare l'istante momentaneo, in cui viene eseguita una misurazione, possono essere presi in considerazione fenomeni di intervento dinamici nel confronto tra i valori di misurazione effettivi e prestabiliti valori nominali.

Quale grandezza ausiliare viene rilevata la posizione di un elemento di regolazione, che forma una parte della geometria variabile della turbina e attraverso la quale può essere regolata la sezione trasversale efficace della turbina. A seconda del tipo del turbocompressore a gas di scarico usato, quale elemento di regolazione vengono prese in considerazione griglie di guida spostabili della turbina e come grandezze ausiliarie le posizioni terminali della griglia di guida oppure quale elemento di regolazione una griglia di guida con pale girevoli e quale grandezza ausiliare la posizione delle pale girevoli. Quale altro tipo di turbina può essere usata anche una turbina con una valvola a battente di frenatura disposta a valle, quale grandezza ausiliare essendo presa in considerazione la posizione attuale della valvola a battente del freno-Eventualmente, si possono prendere in considerazione parecchie grandezze principali e/o grandezze ausiliarie. Come grandezze ausiliarie supplementari viene presa in considerazione la sezione trasversale di scarico di una valvola di scarico o di frenatura oppure anche grandezze caratteristiche, che permettono le conclusioni sulle fughe per colaggio nei condotti di guida di aria di alimentazione/di scarico oppure altri difetti nella zona del turbocompressore a gas di scarico.

Il controllo del funzionamento avviene convenientemente a intervalli di tempo regolari, aumentando così la sicurezza di funzionamento e possono essere inoltre prese conclusioni sullo sviluppo in funzione del tempo della capacità di funzionamento dei singoli componenti.

Altri vantaggi e altre forme di realizzazione vantaggiose possono essere rilevati dalle altre rivendicazioni, dalla descrizione delle figure e dai disegni, in cui è illustrato un diagramma di svolgimento del procedimento secondo l'invenzione per la determinazione della capacità di funzionamento di un turbocompressore a gas di scarico.

Il diagramma di svolgimento è suddiviso in diversi blocchi da 1 a 6 per ragioni della migliore comprensione. Il decorso illustrato nel diagramma è realizzato tecnicamente in un sistema di controllo e di regolazione del motore, incluso il sistema di sensori necessario per la misurazione.

Nel blocco 1 viene dapprima determinato il modo di funzionamento del motore a combustione interna. A seconda del modo di funzionamento - propulsione o esercizio a combustione oppure esercizio di frenatura a motore - viene generato un segnale rappresentativo per il modo di esercizio. Il controllo della capacità di funzionamento può aver luogo per entrambi i modi di esercizio, sia nell'esercizio di marcia regolare sia anche nelle condizioni di controllo.

Nel blocco 2, in funzione del segnale rappresentante il modo di esercizio, vengono misurati i valori effettivi di una grandezza principale o di una pluralità di grandezze principali, in ogni caso quale grandezza principale essendo misurata una grandezza che determina l'alimentazione di aria al motore.

Questa grandezza principale, che forma la base di decisione per il rilevamento di un difetto, è di regola la pressione di carico Ρ2 oppure il flusso di massa d'aria, l'alimentazione di aria al motore essendo rilevabile direttamente attraverso la pressione di carico P2 mentre il flusso di massa d'aria è rilevabile direttamente. Se viene rilevata la pressione di alimentazione P2 allora per una determinazione esatta dell'alimentazione di aria al motore come altre grandezze principali possono essere misurate facoltativamente la temperatura e il numero di giri del motore e l'alimentazione di aria al motore quale funzione della pressione di alimentazione, della temperatura e del numero di giri del motore.

La misurazione della pressione di alimentazione, come una grandezza determinante in modo decisivo l'alimentazione di aria al motore, è però principalmente sufficiente. Occorre tuttavia tener conto del fatto che per la determinazione del corrispondente valore nominale deve essere misurato anche il numero dì giri del motore, per poter determinare in modo sufficientemente esatto per il confronto nominale-ef fettivo, l'effettivo punto di esercizio del motore.

Nell'esercizio a combustione, quale grandezza principale supplementare, viene conveniente misurato o determinato il carico del motore, che partecipa ugualmente nel rilevamento del valore nominale.

Può essere vantaggioso rilevare, quale altra grandezza principale, il tempo sotto forma di incrementi di tempo àt dall'inizio di una operazione di misurazione, per poter prendere in considerazione e documentare nelle grandezze principali ed eventualmente nelle grandezze ausiliarie, i fenomeni di intervento dinamici o altri sviluppi e tendenze in funzione di tempo, in particolare guasti.

Il valore nominale SOLL, corrispondente alla grandezza principale, che è di regola. memorizzato nel sistema di controllo e regolazione del motore in un campo caratteristico oppure quale funzione, viene usato nel blocco 3 per il confronto con il valore effettivo misurato IST. Qualora il valore della differenza tra il valore nominale e quello effettivo SOLL - IST è minore di un dato valore di tolleranza TOL, allora non esiste alcun difetto e il turbocompressore a gas di scarico è perfettamente capace di funzionare. In questo caso si torna di regola al blocco 1, in cui in un dato momento inizia un nuovo ciclo dì controllo. Eventualmente, in un blocco 6 può aver luogo una documentazione dei valori effettivi .

Qualora il valore della differenza tra il valore nominale e il valore effettivo SOLL - IST è maggiore del dato valore di tolleranza TOL, allora si è in presenza di un difetto e il turbocompressore a gas di scarico è capace di funzionare solo in modo limitato oppure non lo è affatto. In questo caso viene generato un segnale di errore ed ha luogo una diramazione al blocco 6, per indicare il detto segnale e per documentare l'andamento delle grandezze principali nonché del segnale di errore. A seconda del segno e della grandezza della differenza possono essere generati differenti segnali di errore che possono causare diverse conseguenze. Una differenza negativa SOLL - IST significa una eccessiva pressione di carico, che comporta una sollecitazione inammissibilmente elevata dei componenti di guida di aria e di gas di scarico. Una eccessiva pressione di carico si forma ad esempio in caso di un funzionamento irregolare delle valvole di scarico. Una differenza positiva SOLL - IST indica una pressione di alimentazione poco bassa, come possibili cause di difetto possono essere prese in considerazioni fughe per colaggio nella zona della turbina, ad esempio perdite attraverso fessure in caso di turbine a geometria variabile con una griglia assiale spostabile, che non raggiunge posizioni terminali prescritte oppure, in caso di impiego di griglie di invito regolabili, una posizione erronea delle pale di guida. Altre cause possono essere dovute ai difetti di tenuta nei condotti di aria di alimentazione e di gas di scarico.

La localizzazione esatta dei componenti difettosi avviene nei blocchi 4 e 5.

Nel caso di difetto - differenza SOLL - IST maggiore del valore di tolleranza prestabilito TOL - per l'identificazione del difetto vengono dapprima misurate nel blocco 4 le grandezze ausiliarie, che sono coordinate ad un certo aggregato o componente del turbocompressore a gas di scarico. Mediante la misurazione delle grandezze ausiliarie e successiva elaborazione nel blocco 5, in cui viene rilevata la differenza SOLL - IST dei prestabiliti valori nominali con i valori effettivi misurati delle grandezze ausiliarie e confrontata con un prestabilito valore di tolleranza TOL, può essere identificato il componente difettoso. Convenientemente viene presa in considerazione una pluralità di diverse grandezze ausiliarie, che sono rispettivamente coordinate ai diversi componenti e indicano il comportamento di questi componenti. Mediante un confronto sequenziale delle diverse grandezze ausiliarie misurate con i rispettivi valori nominali si può localizzare il componente difettoso. I valori effettivi delle grandezze ausiliarie vengono convenientemente indicati o documentati in modo conveniente ugualmente nel blocco 6, per poter prendere accorgimenti immediati nonché constatare sviluppi e tendenze.

Attraverso le grandezze ausiliarie può essere rilevato il funzionamento del componente regolabile della turbina a geometria variabile, delle valvole di scarico e delle valvole di frenatura nonché di diversi altri componenti, che sono coordinati direttamente al turbocompressore a gas di scarico oppure hanno in un'altra maniera un'influenza sull'alimentazione con l'aria del motore, ad esempio dispositivi e condotti per l'alimentazione di combustibile, elementi di regolazione idraulici o pneumatici, valvole a farfalla ecc.

Al termine del confronto delle grandezze ausiliarie inizia di nuovo il ciclo di controllo.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il controllo del funzionamento di un turbocompressore a gas di scarico con turbina a geometria variabile per la regolazione variabile della sezione trasversale efficace della turbina, in cui valori effettivi vengono rilevati da grandezze di esercizio influenzanti la capacità di funzionamento del turbocompressore a gas di scarico, che comprendono sia le grandezze principali, che servono per decidere se si è in presenza di un difetto nel turbocompressore a gas di scarico, sia anche grandezze ausiliari, che indicano un componente del turbocompressore a gas di scarico e servono per identificare il difetto di questo componente, in cui: - in una prima fase, per il rilevamento di un difetto quale grandezza principale viene misurata una grandezza determinante l'alimentazione con l'aria del motore e - in una seconda fase viene misurata almeno una grandezza ausiliare per l'identificazione di un difetto e in caso di una deviazione inammissibile del valore effettivo dal valore nominale delle grandezze ausiliarie viene generato un segnale di difetto, quale grandezza ausiliare essendo misurata la posizione di un elemento di regolazione, attraverso il quale è regolabile la geometria variabile della turbina.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la grandezza principale determinante l'alimentazione di aria al motore è la pressione di alimentazione.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che la grandezza principale determinante l'alimentazione di aria al motore è il flusso di massa di aria.
4. 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che come un'altra grandezza principale viene presa in considerazione la temperatura del flusso di massa d'aria.
5. 5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che quale ulteriore grandezza principale viene preso in considerazione un numero di giri del motore.
6. 6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che quale altra grandezza principale viene presa in considerazione l'alimentazione del motore.
7. 7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che quale altra grandezza principale viene preso in considerazione il tempo a partire dall'inizio dell'operazione di frenatura del motore o dell'esercizio a combustione.
8. 8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che l'elemento di regolazione, regolabile in modo variabile, della geometria variabile della turbina è una griglia di guida assialmente spostabile della turbina e quale grandezza ausiliare vengono prese in considerazione le posizioni terminali della griglia di guida della turbina .
9. 9. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che l'elemento di regolazione regolabile in modo variabile / della geometria variabile della turbina è una griglia di guida con pale girevoli e quale grandezza ausiliarie viene presa in considerazione la posizione delle pale girevoli .
10. 10. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che la geometria della turbina comprende una valvola di frenatura a battente e quale grandezza ausiliare viene presa in considerazione la posizione effettiva della valvola di frenatura a battente.
11. 11. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, caratterizzato dal fatto che quale altra grandezza ausiliare viene presa in considerazione la sezione trasversale di scarico di una valvola di scarico .
12. 12. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 11, caratterizzato dal fatto che il funzionamento di almeno uno dei seguenti componenti viene rilevato attraverso grandezze ausiliari supplementari: pompa di iniezione, ugello di iniezione, pompa di alimentazione di combustibile, condotti di alimentazione di combustibile, girante del compressore, girante della turbina, supporto del turbocompressore a gas di scarico, valvola di strozzatura costante, azionamento idraulico della valvola di strozzatura costante.
13. 13. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, caratterizzato dal fatto che il controllo del funzionamento viene effettuato nell'esercizio attivo.
14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che nell’esercizio di frenatura a motore vengono misurati la pressione di carico e il numero di giri del motore.
15. 15. Procedimento secondo le rivendicazioni 13 o 14, caratterizzato dal fatto che nell'esercizio a combustione vengono misurati la pressione di carico, il numero di giri del motore e il carico di quest’ultimo.
16. 16. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 13 a 15, caratterizzato dal fatto che il controllo di funzionamento ha luogo a intervalli di tempo regolari .
17. 17. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 16, caratterizzato dal fatto che le deviazioni dei valori effettivi dai valori nominali vengono documentate per vìa elettronica.