ITRM990680A1 - Procedimento ed apparecchio per l'azionamento di un motore a combustione interna sovralimentato. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo: PROCEDIMENTO ED APPARECCHIO PER L'AZIONAMENTO DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA SOVRALIMENTATO

L'invenzione concerne un procedimento per l'azionamento di un motore a combustione interna sovralimentato e un dispositivo relativo secondo il preambolo della rivendicazione 1 e rispettivamente 13.

Dalla DE 43 10 148 Al è noto un motore a combustione interna sovralimentato con due turbocompressori a gas di scarico disposti in parallelo. Nella condotta forzata di un compressore è disposta una valvola di intercettazione regolabile che, a seconda dello stato di esercizio del motore a combustione interna, viene portata in posizione aperta o in posizione chiusa. Quando la valvola di intercettazione è in posizione aperta, il compressore relativo è isolato dall'alimentazione di aria forzata, mentre quando essa è in posizione aperta, entrambi i compressori partecipano all'alimentazione dell'aria forzata. A seconda della regolazione della valvola di intercettazione, viene prodotta una potenza complessiva regolabile dei due compressori con pressioni di alimentazione opportunamente diverse.

La posizione della valvola di intercettazione viene regolata in funzione del numero di giri del motore. Nel campo di numeri di giri inferiore, la valvola di intercettazione sta in posizione chiusa e lavora soltanto il turbocompressore non isolato dall'alimentazione di aria forzata, il quale è realizzato come un piccolo compressore con bassa attività. Per effetto della minore attività, il compressore del compressore minore sviluppa, nel campo di numero di giri inferiore, una pressione di alimentazione maggiore di quella possibile con un compressore in questo campo di numero di giri.

A partire da un numero di giri medio, la valvola di intercettazione viene aperta e il secondo compressore che accoglie una quota crescente di alimentazione di aria forzata viene chiuso.

Questo dispositivo ha il vantaggio di poter progettare il turbocompressore piccolo a gas di scarico in modo ottimale per piccoli numeri di giri. Si evita che il compressore grande, in presenza di basso numero di giri, giunga nel campo del pompaggio del compressore. In caso di numero di giri più alto, invece, si può utilizzare la maggiore potenza del compressore più grande. Nel complesso si ottiene, in questo modo, un buon effetto complessivo. L'invenzione si prefigge il compito di aumentare, con semplici accorgimenti, la sicurezza di funzionamento di motori a combustione interna sovralimentati .

Questo problema viene risolto, secondo l'invenzione, con i particolari della rivendicazione 1 e rispettivamente 13.

I turbocompressori vengono impiegati in modo crescente non soltanto quando il motore funziona a massimo regime, ma anche quando esso funziona in modo frenante, quando si possono produrre indici di potenza molto alti. In caso di guasto di un turbocompressore, per impedire una improvvisa riduzione di potenza, specialmente durante il servizio di frenatura del motore, e per evitare una situazione di pericolo, i turbocompressori a gas di scarico non vengono fatti funzionare contemporaneamente ma solo singolarmente in modo da aumentare notevolmente la sicurezza contro una mancanza di sovralimentazione. Il motore a combustione interna sovralimentato è progettato in modo ridondante con i due turbocompressori a gas di scarico collegati in parallelo.

Un turbocompressore a gas di scarico assume, vantaggiosamente, la funzione di un compressore principale e il secondo turbocompressore a gas di scarico assume la funzione di un compressore di riserva che viene impiegato soltanto in caso di emergenza oppure a intervalli regolari per il controllo della sicurezza oppure secondo un altro modo prestabilito.

Come criterio di commutazione tra i turbocompressori si misura una grandezza caratteristica per il funzionamento del motore a combustione interna e la si confronta con un valore nominale. In caso di differenza non consentita, in un gruppo di regolazione e di comando si produce un segnale di comando per l'azionamento di un dispositivo di commutazione mediante il quale poter disinserire uno dei compressori e inserire l'altro compressore. Come parametro si può utilizzare una grandezza di stato del motore a combustione interna, ad esempio la pressione di alimentazione, il numero di giri del compressore attualmente attivo, il flusso di massa d'aria alimentato nel tratto aspirante oppure la pressione di ammissione della turbina; queste grandezze di stato possono essere rilevate per mezzo di sensori e di emettitori di segnali ed essere confrontate, nell'unità di regolazione e di comando, con un valore nominale prestabilito e rispettivamente calcolato.

Come grandezza caratteristica si può considerare anche il tempo, manovrando, dopo un determinato periodo di tempo, avanti e indietro tra i compressori. Ciò può aver luogo allo scopo di inserire il compressore di riserva anche nel servizio regolare - senza emergenza -per esaminare il funzionamento per un breve periodo di tempo. Però può essere anche opportuno azionare alternativamente entrambi i compressori per ottenere un carico uniforme di entrambi i compressori e per aumentare la durata di vita complessiva del dispositivo; in questa forma di realizzazione, entrambi i compressori vengono trattati alla stesso modo ed entrambi i compressori sono strutturati, preferibilmente, allo stesso modo.

E' anche possibile un funzionamento misto in cui, in linea di massima, si passa al secondo compressore soltanto nei casi di emergenza quando si supera un valore limite della grandezza di stato, però, per il controllo del funzionamento, per un periodo di tempo normalmente breve, si passa regolarmente al compressore di riserva anche durante il servizio regolare .

Il procedimento e il dispositivo possono essere impiegati sia in caso di funzionamento del freno motore sia in caso di funzionamento con motore a massimo regime. Per il raggiungimento di elevate potenze frenanti, almeno una turbina, in particolare la turbina del compressore principale, è equipaggiata, preferibilmente, con geometria variabile per la regolazione variabile della sezione trasversale attiva di detta turbina; conformemente allo scopo, entrambe le turbine presentano una geometria variabile.

Nel funzionamento del freno motore, la geometria variabile della turbina per l'aumento della contropressione dei gas di scarico viene portata in una posizione statica con sezione trasversale ridotta. Il gas di scarico accumulato scorre con elevato impulso tra i canali di circolazione rimanenti della geometria della turbina ed urta contro la girante turbina che viene azionata e trasmette potenza al compressore, per cui l'aria di combustione aspirata viene portata ad una pressione di alimentazione più alta in modo che, sia sul lato di entrata che sul lato di uscita dei cilindri del motore a combustione interna è applicata una maggiore pressione. Durante il funzionamento del freno motore, lo stantuffo deve compiere, durante la corsa di compressione e di estrazione, un lavoro di compressione contro l'elevata sovrappressione nel tronco di scarico in modo da ottenere un forte effetto frenante.

Funzionamenti difettosi del turbocompressore attualmente impiegato possono essere rilevati, ad esempio, attraverso un confronto fra valori reali e valori nominali delle grandezze di stato osservate oppure di una grandezza derivata dalla grandezza di stato osservata. Se la variazione temporale della grandezza di stato, in particolare la pressione di alimentazione, supera un valore limite e/o se il livello della grandezza di stato scende al di sotto di un limite inferiore allora, con molta probabilità, si è in presenza di un guasto al turbocompressore. Attraverso l'azionamento del dispositivo di commutazione e il passaggio rapido al secondo turbocompressore si può evitare una variazione brusca di potenza sia in caso di funzionamento a massimo regime sia in caso di funzionamento con freno motore. Il secondo turbocompressore rimane in funzione fino all'esecuzione di lavori di riparazione sul primo turbocompressore e al ritorno dell'unità di regolazione e di comando allo stato di partenza.

Un funzionamento difettoso accertato nell'unità di regolazione e di comando viene opportunamente documentato e segnalato.

In un ulteriore sviluppo vantaggioso dell'invenzione, la massima pressione di alimentazione consentita viene limitata ad un valore massimo per evitare un sovraccarico degli elementi strutturali che, ad esempio, può determinarsi a causa di una geometria bloccata della turbina durante il funzionamento del freno motore e di una conseguente potenza fortemente crescente della turbina in caso di numero di giri crescente del motore. Per la limitazione della pressione di alimentazione è prevista una valvola di sicurezza nel tratto aspirante a valle dei compressori, la quale è disposta opportunamente in aggiunta alla progettazione ridondante con due turbocompressori a gas di scarico paralleli da azionare alternativamente. Eventualmente, la limitazione della pressione di alimentazione per mezzo della valvola di sicurezza viene impiegata però anche in motori a combustione interna con un solo turbocompressore oppure in motori a combustione interna con due turbocompressori che possono essere azionati anche contemporaneamente a seconda dello stato di esercizio.

Altri vantaggi e forme di esecuzione vantaggiose emergono dalle altre rivendicazioni, dalla descrizione delle figure e dai disegni in cui è indicato schematicamente un motore a combustione interna sovralimentato con due turbocompressori a gas di scarico .

II motore a combustione interna 1 in particolare il motore a combustione interna di un veicolo commerciale, presenta un turbocompressore a gas di scarico 2 con una turbina 3 nel tratto di scarico 6 e un compressore 4 nel tratto aspirante 7. La turbina 3 è equipaggiata con geometria 5 regolabile in modo variabile, in particolare come griglia conduttrice con palette rotanti. La turbina 3 viene azionata dai gas di scarico sotto contropressione p3 nel tratto di scarico 6 tra l'uscita del cilindro del motore a combustione interna e l'entrata 3 della turbina e, a sua volta, aziona, tramite un albero, il compressore 4 che comprime l 'aria esterna aspirata con pressione atmosferica P1 in modo da portarla ad una pressione più alta p2- L'aria compressa viene raffreddata in un refrigeratore di aria 8 a valle del compressore 4 e, successivamente, viene addotta con pressione di alimentazione p2s al tubo aspirante del motore a combustione interna 1. La pressione di alimentazione aumentata porta ad un aumento della potenza motrice del motore .

Il turbocompressore a gas di scarico 2 può essere utilizzato anche per il servizio di frenatura del motore per la produzione di potenza frenante del motore. La geometria variabile 5 della turbina 3 viene portata, a questo scopo, in una posizione statica in cui la sezione trasversale di entrata efficace della turbina è ridotta. Inoltre si sviluppa una maggiore contropressione del gas di scarico. Detto gas di scarico scorre con elevata velocità nei canali rimasti aperti della geometria variabile della turbina ed urta contro la girante della turbina che aziona il compressore 4, per cui detto compressore sviluppa, nel tratto aspirante 7, una sovrappressione. Allo stesso tempo vengono aperte valvole del freno all'uscita dei cilindro del motore a combustione interna 1 in modo che l'aria compressa nel cilindro possa essere espulsa nel tronco di scarico 6.

La potenza frenante può essere influenzata dalla posizione della geometria variabile 5 della turbina e dalla regolazione che ne deriva della sezione trasversale dell'entrata della turbina.

La geometria variabile della turbina può essere realizzata da una griglia direttrice nella sezione trasversale dell'entrata della turbina con palette rotanti . La variazione della sezione trasversale viene realizzata, in questo caso, attraverso la rotazione delle palette. In alternativa a ciò, la turbina può essere equipaggiata con una griglia direttrice assialmente mobile nella sezione trasversale dell'entrata della turbina. In un'altra forma di esecuzione, la turbina può essere equipaggiata con una valvola a cerniera nell'entrata e con canali di accelerazione che escono a monte dell'entrata, i quali terminano direttamente dietro il dorso aperto della turbina. Anche in questa esecuzione, il flusso dei gas di scarico che alimenta la girante della turbina può essere regolato in modo variabile.

Parallelamente al turbocompressore a gas di scarico 2 è disposto un altro turbocompressore a gas di scarico 9. Il secondo compressore 9 presenta una turbina 10, la quale, analogamente al primo compressore 2, è equipaggiata con geometria variabile 11 della turbina, in un segmento 13 del tubo di scarico, il quale è disposto parallelamente al tronco di scarico 6 con la prima turbina 3. A valle della turbina 10, il segmento 13 del tubo di scarico con la seconda turbina 10 sbocca di nuovo nel tronco di scarico 6. In una semplice forma di esecuzione, la geometria variabile 11 della turbina è equipaggiata, opportunamente, con una valvola a cassetto oppure è eseguita a guisa di turbina con valvola a cerniera. Eventualmente, è possibile però anche una esecuzione con una griglia direttrice con palette rotanti.

Il secondo compressore 12 azionato dalla seconda turbina 10 è disposto in un tubo aspirante 14 che si estende parallelamente al tratto aspirante 7. Il tratto aspirante 7 e il tubo aspirante parallelo 14 vengono alimentati con aria esterna da una ammissione d'aria comune 15 a monte del compressore 4 e rispettivamente 12 . Sia a monte del primo compressore 4 sia a monte di secondo compressore 12 sono previsti, in ciascuno dei segmenti di tubo, valvole di non ritorno 19, 20 che si aprono in direzione di aspirazione dell'aria di combustione e si chiudono in direzione contraria. A valle del secondo compressore 12, il tubo aspirante 14 sbocca nel refrigeratore di aria compressa 8.

In corrispondenza della diramazione del segmento di tubo di scarico 13 dal tronco di scarico 6 è previsto un dispositivo di commutazione .16 che può essere commutato fra una posizione che libera il tronco di scarico attraverso la prima turbina 3 e una posizione che libera il segmento di tubo di scarico attraverso la seconda turbina 10. A seconda della posizione di comando del dispositivo di commutazione 16, tutto il flusso di gas di scarico viene condotto o esclusivamente tramite la prima turbina 3 o esclusivamente tramite la seconda turbina 10.

Il dispositivo di commutazione 16 viene azionato tramite un segnale di comando che viene prodotto in una unità di regolazione e di comando 17 inviato, tramite un conduttore di segnali 18, al dispositivo di commutazione 16. Tramite un altro conduttore di segnali 21, la pressione di alimentazione p2 che viene accolta in un emettitore di segnali e rispettivamente in un sensore 22 nel tratto aspirante 7 viene inviata come segnale di entrata all'unità di regolazione e di comando 17. Tramite altri conduttori di segnali non indicati nel disegno, l'unità di regolazione e di comando 17 riceve segnali di entrata con ulteriori informazioni relative allo stato di funzionamento del motore a combustione interna 1, in particolare relative al carico, al numero di giri del motore, al flusso di massa d'aria aspirata, al numero di giri del turbocompressore a gas di scarico 2 e rispettivamente 9, alla pressione di entrata della turbina ecc., nonché relative al fatto se il motore a combustione interna si trova in servizio di frenatura oppure sta funzionando a massimo regime. L'unità di regolazione e di comando 17 rileva anche la posizione della geometria variabile nelle turbine 3 e 12 e rispettivamente produce segnali per la regolazione della geometria variabile delle turbine .

Il turbocompressore a gas di scarico viene impiegato come compressore principale e il turbocompressore gas di scarico 9 viene impiegato come compressore di riserva. Durante il servizio regolare - sia nel metodo di funzionamento con motore a massimo regime sia durante il funzionamento con motore frenante - viene impiegato, se non vi è un difetto, esclusivamente il compressore principale 2; in caso di funzionamento regolare, il dispositivo di commutazione 16 sta in una posizione che alimenta gas di scarico alla turbina principale 3. Nell'unità di regolazione e di comando 17 si ha, a distanze vantaggiosamente regolari, un controllo di una o più grandezze di stato del sistema o di altre grandezze caratteristiche del sistema come, ad esempio, il tempo. Se una grandezza di stato misurata differisce fortemente in modo non consentito dal valore nominale dato o calcolato, allora si presume l'esistenza di un danno nel compressore principale 2. Successivamente, l'unità di regolazione e di comando 17 produce un segnale di comando mediante il quale viene commutato il dispositivo di commutazione 16 in modo che tutto il flusso di gas di scarico venga condotto attraverso il segmento di tubo di scarico 13 con la turbina di riserva 10. Allo stesso tempo, nell'unità di regolazione e di comando si può avere una segnalazione di guasto e rispettivamente una registrazione di guasto nell'unità di regolazione e di comando 17 e il conducente può essere indotto a recarsi ad una officina.

Il segnale di comando per la commutazione dal compressore principale al compressore di riserva può aver luogo anche allo scadere di un determinato periodo di tempo. In questo modo, il compressore di riserva 9, di tanto in tanto viene messo in funzione per brevi intervalli di tempo per il controllo della funzionalità .

In un'altra forma di esecuzione può essere anche opportuno azionare, contemporaneamente e alternativamente secondo un modo prestabilito, entrambi i compressori 2, 9 per ridurre il carico di ciascun compressore e per aumentare la durata di vita totale del dispositivo. In questa esecuzione, entrambi i compressori sono strutturati, vantaggiosamente, allo stesso modo.

La valvola di non ritorno 19 nel tratto di uscita 7 si trova, in presenza di compressore di riserva 9 attivato, per effetto della depressione nel segmento di tubo inferiore del tratto aspirante 7, in posizione chiusa. In modo analogo, la seconda valvola di non ritorno 20 nella tubazione aspirante parallela 14 si trova, in presenza di compressore principale 2 attivato, in posizione chiusa.

Il tubo aspirante 7 con il secondo compressore 12 può essere disposto anche, in una forma di esecuzione modificata, in modo che soltanto il primo compressore 4 venga collegato a ponte nel tratto aspirante 7, laddove il tubo aspirante, immediatamente a monte del primo compressore 4, si dirama e a valle del compressore 4 sbocca di nuovo nel tratto aspirante 7. Il tubo aspirante con il secondo compressore forma, in questo caso, un bipasso verso il primo compressore.

In una forma di esecuzione conforme allo scopo, nel tratto aspirante 7 a valle del primo compressore 4 è disposta una valvola di sicurezza 23 che, a seconda della pressione di alimentazione p2 per la decompressione, può essere posta in una posizione deviatrice di aria compressa. Se. nell'unità di regolazione e di comando 17 viene registrata una pressione di alimentazione alta p2 non consentita, allora la valvola di sicurezza si apre fino a quando la pressione di alimentazione scende al di sotto del valore limite prestabilito.

Inoltre è previsto un dispositivo di rimessa in circolo di gas di scarico 24 che comprende una valvola di riflusso di gas di scarico 25 nel tronco di scarico 6 a monte della prima turbina 3, un refrigeratore di gas di scarico 26 nonché diversi tubi di scarico, di adduzione e di asportazione 27, 28 e 29. La valvola di rimessa in circolo di gas di scarico 25 viene pilotata tramite l'unità di regolazione e di comando 17. Quando la valvola di rimessa in circolo di gas di scarico 25 è in posizione aperta, una parte del gas di scarico viene deviata dal tronco di scarico 6, alimentata tramite il tubo di adduzione 27 al refrigeratore di gas di scarico 26 e, dopo il raffreddamento, viene inviata al tratto aspirante 7 tramite i tubi di asportazione 28, 29 a valle del primo compressore 4 e rispettivamente al tubo aspirante 14 a valle del secondo compressore 12.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l'azionamento di un motore a combustione interna sovralimentato, il quale presenta due turbocompressori a gas di scarico (2, 9) disposti in parallelo, laddove in una unità di regolazione e di comando (17), viene prodotto un segnale di comando per l'attivazione e la disattivazione in funzione di grandezze caratteristiche dei turbocompressori a gas di scarico (2, 9), caratterizzato dal fatto che viene attivato di volta in volta soltanto un turbocompressore a gas di scarico (2, 9), che il valore reale di una grandezza caratteristica viene misurato e confrontato con un determinato valore nominale, che, in caso di differenza non consentita tra il valore reale e il valore nominale, per mezzo del segnale di comando si effettua una commutazione tra i turbocompressori a gas di scarico (2, 9).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che come grandezza caratteristica si misura una grandezza di stato del motore a combustione interna (1) e la si confronta con un valore nominale.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la grandezza di stato della pressione di alimentazione è pari a (p2).
4. 4 . Procedimento secondo la rivendicazione 2 oppure 3, caratterizzato dal fatto che la grandezza di stato è la velocità di alimentazione del turbocompressore a gas di scarico attualmente attivo. 5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 2 a 4, caratterizzato dal fatto che la grandezza di stato è il flusso di massa d'aria nel tratto aspirante.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che come grandezza caratteristica si considera il tempo. 7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che la misurazione della grandezza caratteristica ed eventualmente il passaggio da un turbocompressore a gas di scarico (2, 9} all'altro viene eseguito con freno motore in funzione . 8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che la misurazione della grandezza caratteristica ed eventualmente il passaggio da un turbocompressore a gas di scarico (2, 9) ad un altro viene eseguito con funzione motrice di massimo regime. 9. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che la sezione trasversale di flusso attiva almeno della turbina (3, 10) di un turbocompressore a gas di scarico (2, 9) è regolabile in modo variabile. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che la sezione trasversale di flusso attiva di entrambe le turbine (3, 10) è regolabile in modo variabile. 11. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, caratterizzato dal fatto che la massima pressione di alimentazione consentita (p2) viene limitata ad un valore massimo. 12 . Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 11, caratterizzato dal fatto che il passaggio tra i turbocompressori a gas di scarico (2, 9) avviene quando la variazione temporale della grandezza di stato supera un valore limite. 13 . Dispositivo per un motore a combustione interna sovralimentato, in particolare per l'esecuzione del procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, con due turbocompressori a gas di scarico (2, 9), laddove le turbine a gas di scarico (3, 10) dei turbocompressori a gas di scarico (2, 9) nel tronco di scarico (6, 13) e i compressori (4, 12) del turbocompressori a gas di scarico (2, 9) nel tratto aspirante (7, 14) sono disposti di volta in volta in segmenti di tubo paralleli, laddove è previsto un dispositivo di commutazione (16) per l'attivazione e la disattivazione di almeno un turbocompressore a gas di scarico (2, 9), e con una unità di regolazione e di comando (17) per la produzione di un segnale di comando che carica il dispositivo di commutazione (16) in funzione di un segnale di entrata di un emettitore di segnali (22), laddove il segnale di entrata rappresenta un parametro caratteristico del motore a combustione interna (1), caratterizzato dal fatto che per mezzo del dispositivo di commutazione (16) è attivabile e rispettivamente disattivabile alternativamente soltanto uno dei turbocompressori a gas di scarico (2, 9), dal fatto che nell'unità di regolazione e di comando (17) è eseguibile un confronto tra valori nominali e valori reali della grandezza caratteristica, e dal fatto che, in caso di differenza non consentita del segnale reale della grandezza caratteristica dal segnale nominale della grandezza caratteristica, il segnale di comando viene posto su un valore di passaggio ad un dispositivo di commutazione (16). 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che l'emettitore di segnali (22) è un dispositivo di misura per la misurazione della pressione di alimentazione (p2) . 15. Dispositivo secondo la rivendicazione 13 o 14, caratterizzato dal fatto che la turbina {3, 10) è equipaggiata almeno con un turbocompressore a gas di scarico (2, 9) con geometria di turbina variabile. 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che le turbine (3, 10) di entrambi i turbocompressori a gas di scarico (2, 9) sono equipaggiate con geometria di turbina variabile. 17. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 13 a 16, caratterizzato dal fatto che nel tratto aspirante (7, 14) a monte di un compressore (4, 12) è disposta una valvola di non ritorno (19, 20). 18. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 13 a 17, caratterizzato dal fatto che nel tratto aspirante (7) a valle di un compressore (4) è disposta una valvola di sicurezza (23) per la limitazione della massima pressione di alimentazione.