ITTO20000940A1 - Motore endotermico turbocompound. - Google Patents
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Description
DE S CR I Z ION E
di brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione motore endotermico del tipo cosiddetto "turbocompound", particolarmente per un veicolo industriale.
Sono noti motori endotermici denominati "turbocompound", i quali comprendono una turbina ausiliaria posta a valle della turbina del turbocompressore di sovralimentazione e meccanicamente collegata all'albero motore in modo da recuperare parte dell'energia residua dei gas di scarico e convertirla in potenza meccanica disponibile all'albero motore.
Il collegamento meccanico (qui inteso in senso lato, con riferimento alla capacità di trasferire potenza meccanica, e non nel senso stretto di "collegamento rigido") fra la turbina ausiliaria e l'albero motore è normalmente realizzato mediante una trasmissione che comprende un riduttore ad ingranaggi ed un giunto idraulico che consente un certo "slittamento". In caso di avaria del giunto idraulico o del relativo circuito idraulico di alimentazione, la turbina ausiliaria può risultare meccanicamente disaccoppiata dall'albero motore e quindi non essere soggetta alla coppia frenante conseguente al trascinamento dell'albero motore. Ne consegue che la velocità della turbina, soggetta esclusivamente alla potenza motrice fornita dai gas di scarico, può crescere oltre i limiti di sicurezza e portare alla rottura della turbina stessa.
Per ovviare a questo inconveniente, sono stati proposti motori turbocompound provvisti di un controllo di sicurezza che rileva la pressione dell'olio del giunto idraulico, ed interviene nel caso in cui la pressione sia inferiore ad un limite prefissato. Questo tipo di controllo è però efficace soltanto nel caso in cui il guasto sia di natura idraulica, e non interviene in ogni altra possibile avaria. E' stato verificato, ad esempio, che difetti nella trasmissione di coppia del giunto idraulico si possono verificare anche nel caso in cui il sistema sia circuitalmente integro, ma l'olio sia particolarmente sporco.
Scopo della presente invenzione è la realizzazione di un motore endotermico turbocompound provvisto di un dispositivo di controllo della velocità della turbina ausiliaria il quale sia privo degli inconvenienti connessi con i dispositivi noti e sopra specificati.
Il suddetto scopo è raggiunto dalla presente invenzione in quanto essa è relativa ad un motore endotermico turbocompound provvisto di un albero motore, di un turbocompressore di sovralimentazione comprendente una turbina ed un compressore, di una turbina ausiliaria disposta lungo il flusso dei gas di scarico a valle della detta . turbina del detto turbocompressore, e di mezzi di trasmissione fra la detta turbina ausiliaria ed il detto albero motore, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo sensore di velocità angolare atto a rilevare la velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria ed un dispositivo di controllo della velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria collegato al detto primo sensore e comprendente mezzi di calcolo di un campo di valori ammissibile della detta velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria, mezzi di confronto della velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria misurata dal detto primo sensore con il detto campo di valori ammissibili, e mezzi di controllo di parametri operativi del motore in risposta ad un segnale di abilitazione generato da detti mezzi di per mantenere la detta velocità della detta turbina ausiliaria entro il detto campo di valori ammissibili.
La presente invenzione è altresì relativa ad un metodo di controllo di un motore endotermico turbocompound provvisto di un albero motore, di un turbocompressore di sovralimentazione comprendente una turbina ed un compressore, una turbina ausiliaria disposta lungo il flusso dei gas di scarico a valle della detta turbina del detto turbocompressore, e di mezzi di trasmissione fra la detta turbina ausiliaria ed il detto albero motore, detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di misurare mediante un sensore la velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria, calcolare un campo di valori ammissibile della detta velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria, confrontare la velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria misurata dal detto sensore con il detto campo di velocità ammissibili, e controllare parametri operativi del motore in risposta al risultato della detta fase di confronto per mantenere la detta velocità della detta turbina ausiliaria entro il detto campo di valori ammissibili .
Per una migliore comprensione della presente invenzione viene descritta nel seguito una forma preferita di attuazione, a titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali :
la figura 1 è uno schema di un motore turbocompound realizzato secondo la presente invenzione; e
la figura 2 è uno schema a blocchi di un dispositivo di controllo del motore di figura 1.
Con riferimento alla figura 1, è indicato nel suo complesso con 1 un motore endotermico per un veicolo industriale .
Il motore 1 è provvisto di un turbocompressore 2 di sovralimentazione comprendente una turbina 3 ed un compressore 4 calettati su un albero comune. La turbina 3 ha un ingresso 5 collegato ad un collettore di scarico 6 del motore 1, ed un'uscita 7. Il compressore 4 ha un ingresso collegato ad un circuito 8 di aspirazione dell'aria ed un'uscita 9 collegata ad un collettore di aspirazione (non illustrato) del motore attraverso un interrefrigeratore (intercooler) 10.
Il motore 1 comprende inoltre una turbina 13 ausiliaria o di potenza, la quale ha un ingresso 14 collegato all'uscita 7 della turbina 3, ed un'uscita 15 collegata ad un impianto di scarico 16.
La turbina ausiliaria 13 è calettata su un albero 18, il quale è meccanicamente collegato ad un albero motore 19 del motore 1 da una trasmissione indicata nel suo complesso con 20.
In particolare, la trasmissione 20 comprende un primo riduttore 24 ad ingranaggi, un giunto idraulico 25, ed un secondo riduttore ad ingranaggi 26 collegato in uscita all'albero motore 19.
Secondo la presente invenzione, un sensore 28 di velocità angolare, ad esempio comprendente una ruota fonica 29 associata all'albero 18 o a qualsiasi altro organo rotante a velocità fissa rispetto .ad esso, rileva la velocità di rotazione della turbina ausiliaria 13 ed è collegato ad primo ingresso 30 di un dispositivo 31 di controllo dell'alimentazione del combustibile e della geometria della turbina 3, a cui fornisce un segnale II correlato con la velocità della turbina ausiliaria 13. Un secondo sensore 34 per il rilevamento della velocità angolare dell'albero motore (nel seguito, per brevità, "velocità del motore"), di tipo convenzionale e non illustrato e ad esempio associato all'albero di ingresso del cambio del veicolo, è collegato ad un secondo ingresso 35 del dispositivo 31, al quale fornisce un segnale 12.
In figura 2 è illustrato uno schema a blocchi del dispositivo 31.
Il dispositivo 31 comprende essenzialmente un primo blocco 36 di calcolo della velocità teorica nTCteor della turbina ausiliaria 13 sulla base del segnale 12. Tale blocco 36, collegato al secondo ingresso 35, consta essenzialmente di un moltiplicatore che moltiplica il valore della velocità del motore per una costante che tiene conto del rapporto di trasmissione della trasmissione 20. Il blocco 36 è collegato in uscita ad un blocco 37 che confronta la velocità effettiva della turbina ausiliaria con un campo di valori ammissibili definito sulla base della velocità teorica sopra calcolata. Più in particolare, il blocco 37 comprende un primo sommatore 40 che calcola una velocità limite superiore nTCmax teorica per la velocità della turbina ausiliaria 13, ottenuta sommando una costante (ad esempio 10.000 giri/min) a nTCteor. Il blocco 37 comprende inoltre un secondo sommatore 41 che calcola una velocità limite inferiore nTCmin teorica per la velocità della turbina ausiliaria 13, ottenuta sottraendo una costante (ad esempio 20.000 giri/min) a nTCteor.
I due valori nTCmax ed nTCmin sono forniti ad un primo comparatore di soglia 42, il quale definisce una "finestra" di valori ammissibili per la velocità nTC della turbina ausiliaria 13. Quest'ultima viene calcolata, in modo noto, in un blocco di interfaccia 43 collegato al primo ingresso 30 del dispositivo 31 sulla base del segnale II ricevuto dal sensore 28. Il blocco di interfaccia 43 genera inoltre in uscita, in modo noto, un segnale 44 di diagnostica indicativo dello stato operativo del sensore 28, avente ad esempio valore logico 0 se il sensore 28 è correttamente operativo e 1 se il segnale II del sensore 28 non è plausibile, ad esempio perché assente o non valutabile.
II comparatore di soglia 42 riceve in ingresso il segnale nTC dal blocco di interfaccia 43 e lo confronta con il valori di soglia nTCmax e nTCmin. In particolare, il comparatore di soglia 42 genera in uscita un segnale 45 digitale, il cui valore è 1 se nTC è compreso fra nTCmax e nTCmin, e 0 se nTC è esterno alla "finestra" definita da nTCmax e nTCmin.
Il segnale 45 perviene ad un ingresso di una prima porta 46 di tipo AND, al cui altro ingresso viene fornito un segnale 47 uguale al segnale di diagnostica 44 negato in una porta NOT 48. L'uscita della porta AND 46 è collegata ad un blocco 50 di filtraggio temporale, il quale genera in uscita un segnale 53 di valore logico pari al segnale di ingresso quando quest'ultimo si mantiene stabile per un intervallo di tempo prefissato. Il segnale 53 è fornito ad un ingresso 54 di reset di un flip-flop 55.
Il valore nTCmax calcolato dal primo blocco sommatore 40 viene utilizzato per impostare la soglia di commutazione di un secondo comparatore di soglia 54, il quale riceve in ingresso il segnale nTC generato dal blocco di interfaccia 43. Il comparatore 54 genera in uscita un segnale 56 di valore logico pari ad 1 se nTC è maggiore di nTCmax, indicando così un'anomalia nel funzionamento della turbina ausiliaria 13, e pari a 0 se nTC è minore di nTCmax.
I segnali 56 e 47 di uscita rispettivamente dal comparatore 54 e della porta NOT 48 sono forniti agli ingressi di una seconda porta 57 di tipo AND.
L'uscita della porta AND 55 è collegata ad un secondo blocco 58 di filtraggio temporale, il quale genera in uscita un segnale 59 di valore logico pari al segnale di ingresso quando quest'ultimo si mantiene stabile per un intervallo di- tempo prefissato. Il segnale 57 è fornito ad un ingresso 60 di set del flipflop 55.
Il flip-flop 55 genera un segnale 01 di uscita, il quale è fornito in ingresso ad un blocco 38 di controllo della geometria della turbina 3 e ad un blocco 39 di controllo della quantità di combustibile erogata dagli iniettori. Quest'ultimo blocco, il cui funzionamento verrà meglio descritto nel seguito, riceve in ingresso anche il segnale nTC relativo alla velocità della turbina ausiliaria 13.
Il funzionamento del dispositivo 31, già in parte evidente da quanto precede, è il seguente.
Si assuma, dapprima, che il sensore 28 funzioni correttamente. Il segnale 44 ha pertanto valore 1 e non influenza le uscite delle porte AND 46, 57, che dipendono esclusivamente dal valore di nTC.
Se la velocità nTC della turbina 13 è compresa nella finestra di valori ammissibili ed il funzionamento del sensore 28 è corretto, l'uscita della prima porta AND 46 è 1; se questo valore si mantiene stabile nel tempo, è pari a 1 l'ingresso di reset del flip-flop 55.
Nell'ipotesi che nTC sia compresa nella suddetta finestra, è anche certamente verificata la condizione nTCCnTCmax. Pertanto l'uscita del secondo comparatore di soglia 54 è 0, e sono pari a 0 l'uscita della seconda porta AND 57 e, se questo valore si mantiene stabile nel tempo, l'ingresso di set del flip-flop 55.
Il 'segnale 01 di uscita del flip-flop 55 è nullo e quindi non vi è alcun intervento da parte dei blocchi 38, 39.
Il ramo superiore dello schema a blocchi di figura 2, indicato nel suo complesso con 31a, si comporta pertanto come un circuito di riconoscimento di una condizione di corretto funzionamento.
Se la velocità nTC della turbina 13 non è compresa nella finestra di valori ammissibili ed il funzionamento del sensore 28 è corretto, l'uscita della prima porta AND 46 è 0; se questo valore si mantiene stabile nel tempo, è pari a 0 l'ingresso di reset del flip-flop 55.
Nell'ipotesi che nTC- sia maggiore di nTCmax, l'uscita del secondo comparatore di soglia 54 è 1, e sono pari a 1 le uscite della seconda porta AND 57 e, se questo valore si mantiene stabile nel tempo, l'ingresso di set del flip-flop 54.
In questo caso, 01 è pari ad 1 e quindi viene abilitata la correzione della geometria della turbina 3 e della quantità di combustibile.
Il ramo inferiore 31b dello schema a blocchi definisce pertanto un circuito di riconoscimento di una situazione di avaria.
Se invece nTC è minore di nTCmin, l'uscita del secondo comparatore di soglia 54 è 0, e sono pari a 0 l'uscita della seconda porta AND 57 e, se questo valore si mantiene stabile nel tempo, l'ingresso di set del flip-flop 55. Entrambi gli ingressi del flip-flop 53 sono a 0, e viene mantenuta la situazione preesistente.
La stessa situazione si verifica in qualsiasi caso (cioè indipendentemente dal valore rilevato di mTC) nel caso in cui si rilevi un'avaria del sensore 28 (cioè il segnale di diagnostica 44 sia pari a 1). In questo caso, il segnale 47 è infatti 0, e quindi sono 0 le uscite di entrambe le porte AND 46, 57.
In presenza di un segnale 01 di valore logico pari ad 1, il blocco 38 comanda l'impostazione della geometria della turbina 3 nella condizione di massima apertura, con conseguente riduzione della sovralimentazione. Parallelamente, il blocco 38 imposta una immediata riduzione della quantità di combustibile erogata dagli iniettori ad un valore di partenza prefissato, e successivamente modula il valore della quantità di combustibile in modo da mantenere costante e pari ad un valore accettabile, ad esempio nTCmax, la velocità della turbina ausiliaria 13.
Da un esame delle caratteristiche del motore 1 ed in particolare del dispositivo di controllo 31 realizzati secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che essa consente di ottenere.
In primo luogo, poiché il dispositivo 31 rileva la velocità di rotazione della turbina ausiliaria 13, qualsiasi avaria che modifica il comportamento cinematico della turbina stessa viene rilevata.
La logica di controllo del dispositivo 31 prevede un intervento di correzione dei parametri operativi del motore (geometria della turbina 3 e quantità di combustibile) soltanto quando vi è sicurezza di una situazione potenzialmente pericolosa per l'integrità della turbina ausiliaria 13; non interviene infatti quando l'anomalia rilevata può dipendere da un'avaria del sensore 28, né quando l'anomalia non comporta problemi di integrità per la turbina 13 (nTCCnTCmin).
Inoltre, l'intervento è finalizzato a consentire comunque la marcia del veicolo, sebbene in condizioni di emergenza, in quanto l'alimentazione del motore è controllata in modo da evitare sovraccelerazioni della turbina ausiliaria 13.
Risulta infine chiaro che al motore 1 ed in particolare al dispositivo 31 possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito di tutela delle rivendicazioni.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1.- Motore (1) endotermico turbocompound provvisto di un albero motore (19), di un turbocompressore (2) di sovralimentazione comprendente una turbina (3) ed un compressore (4), di una turbina ausiliaria (13) disposta lungo il flusso dei gas di scarico a valle della detta turbina (3) del detto turbocompressore (2), e di mezzi (20) di trasmissione fra la detta turbina ausiliaria (13) ed il detto albero motore (19), caratterizzato dal fatto di comprendere un primo sensore (28) di velocità angolare atto a rilevare la velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria (13) ed un dispositivo (31) di controllo della velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria (13) collegato al detto primo sensore (28) e comprendente mezzi di calcolo (34, 36, 40, 41) di un campo di valori ammissibile della detta velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria (13), mezzi di confronto (42, 54) della velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria (13) misurata dal detto primo sensore (28) con il detto campo di valori ammissibili, e mezzi di controllo (38, 39) di parametri operativi del motore (1) in risposta ad un segnale di abilitazione (01) generato da detti mezzi di confronto (42, 54) per mantenere la detta velocità della detta turbina ausiliaria (13) entro il detto campo di valori ammissibili . 2.- Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di calcolo (28, 36, 40, 41) del detto campo di valori ammissibili comprendono un secondo sensore (34) di velocità angolare rilevante la velocità di rotazione dell'albero motore (19) e mezzi di elaborazione (40, 41) per calcolare almeno un valore limite superiore della velocità della detta turbina ausiliaria (13) sulla base della velocità dell'albero motore (19). 3.- Motore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che la detta turbina (3) del detto turbocompressore (2) è a geometria variabile, detti mezzi (38, 39) di controllo di parametri operativi del motore comprendendo mezzi (38) di variazione della geometria della detta turbina (3) a geometria variabile. 4.- Motore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (38) di variazione della geometria della turbina (3) a geometria variabile comprendono mezzi di impostazione di una condizione di massima apertura della detta turbina (13) a geometria variabile. 5.- Motore secondo una delle rivendicazioni da 2 a 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (38, 39) di controllo di parametri operativi del motore comprendono mezzi (39) di variazione della quantità di combustibile per mantenere la detta velocità della detta turbina ausiliaria (13) entro il detto valore limite superiore. 6.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo di controllo (31) comprende mezzi (43) per determinare la plausibilità di un segnale (II) ricevuto dal detto primo sensore (28), e mezzi di inibizione (46, 57) dei detti mezzi (38, 39) di controllo di parametri operativi del motore in risposta al rilevamento di una condizione di implausibilità del detto segnale (II). 7.- Metodo di controllo di un motore endotermico turbocompound provvisto di un albero motore (19), di un turbocompressore (2) di sovralimentazione comprendente una turbina (3) ed un compressore (4), di una turbina ausiliaria (13) disposta lungo il flusso dei gas di scarico a valle della detta turbina (3) del detto turbocompressore (2), e di mezzi (20) di trasmissione fra la detta turbina ausiliaria (13) ed il detto albero motore (19), detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di misurare mediante un primo sensore (28) la velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria (13), calcolare un campo di valori ammissibile della detta velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria (13), confrontare la velocità di rotazione della detta turbina ausiliaria misurata dal detto primo sensore (28) con il detto campo di velocità ammissibili, e controllare parametri operativi del motore in risposta al risultato della detta fase di confronto per mantenere la detta velocità della detta turbina ausiliaria (13) entro il detto campo di valori ammissibili . 8.- Metodo secondo la rivendicazione 7 per il controllo, caratterizzato dal fatto che i detti parametri operativi del motore comprendono la geometria della detta turbina (3) del detto turbocompressore (2) e la quantità di combustibile. 9.- Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la detta fase di controllo di parametri operativi del motore (1) -comprende le operazioni di disporre la detta turbina (3) del detto turbocompressore (2) in una condizione di massima apertura e di modulare la quantità di combustibile per mantenere la velocità di rotazione della turbina ausiliaria (13) entro un limite superiore. 10.- Metodo secondo una delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di determinare la plausibilità di un segnale (II) generato dal detto primo sensore (28) e di inibire la detta fase di controllo dei detti parametri operativi del motore in risposta ad una condizione implausibilità del detto segnale (Il). 11.- Motore endotermico sostanzialmente come descritto ed illustrato nei disegni allegati. 12.- Metodo di controllo di un motore endotermico sostanzialmente come descritto ed illustrato nei disegni allegati.
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