ITTO20010029A1 - Motore endotermico provvisto di un dispositivo di frenatura a decompressione e di un turbocompressore con turbina a geometria variabile. - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
di brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione si riferisce ad un motore endotermico provvisto di un turbocompressore con turbina a geometria variabile e di un sistema di frenatura a decompressione.
Sono noti, ad esempio da DE-C-197 27 140, motori endotermici provvisti di un turbocompressore con turbina a geometria variabile e di un sistema di frenatura a decompressione.
I sistemi di frenatura a decompressione sono basati sul principio di dissipare l'energia di compressione prodotta all'interno dei cilindri del motore per generare potenza frenante; ciò può essere ottenuto ad esempio mediante apertura delle valvole di scarico dei cilindri del motore al termine della fase di compressione. L'efficacia di questa soluzione è incrementata dalla sovralimentazione fornita dalla turbocompressore, che provoca un aumento della potenza di compressione e, quindi, della potenza di frenatura. Tuttavia, come è noto, l'efficacia della turbina decresce al decrescere della portata dei gas, che dipende dalla velocità angolare dell'albero motore (nel seguito, per brevità, "la velocità del motore"); pertanto, quando il freno motore viene azionato a bassa velocità del motore, come può avvenire ad esempio lungo una discesa, l'effetto frenante ottenibile per decompressione non è soddisfacente in quanto il livello della pressione di aspirazione del motore è basso ed il lavoro di compressione dissipato è conseguentemente modesto .
Allo scopo di migliorare l'efficacia del freno motore ai bassi regimi, è stato introdotto l'utilizzo di turbocompressori provvisti di una turbina a geometria variabile (VGT, Variable Geometry Turbine), ossia comprendente una girante ed un ugello anulare di ingresso nel quale è alloggiato uno statore palettato atto a controllare la sezione utile di flusso dell'ugello o variando l'orientamento delle palette, o mediante uno scorrimento assiale relativo fra un elemento di intercettazione del flusso facente parte dello statore e l'ugello stesso.
La sezione utile di flusso viene regolata in funzione delle condizioni di funzionamento del motore; in particolare, alle basse velocità del motore, lo statore viene mantenuto in una posizione di minima sezione utile di flusso, determinando così un aumento della velocità dei gas che investono la girante. Aumenta quindi la velocità di rotazione della girante della turbina (nel seguito, per brevità, "la velocità della turbina") , il che determina un incremento della pressione di sovralimentazione.
Alle alte velocità del motore, la turbina è attraversata da elevate portate di gas di scarico; al fine di mantenere la velocità della turbina ad un livello di sicurezza, ossia ad un livello tale da non sollecitare in modo eccessivo il turbocompressore, e di contenere il carico termico del motore e del turbocompressore, è necessario aumentare progressivamente la sezione utile di flusso dell'ugello per ridurre la velocità con cui i gas stessi investono la girante, e conseguentemente contenere la velocità della turbina e la pressione di sovralimentazione.
Secondo DE-C-197 27 140, la sezione utile di flusso della turbina viene controllata mantenendo entro limiti prefissati una grandezza caratteristica dell'assetto della turbina definita come
dove AT è la sezione utile di flusso di ingresso della turbina, cioè la variabile controllata, DT è il diametro di ingresso della girante della turbina e VH è la cilindrata del motore. In particolare, tale grandezza viene mantenuta al di sotto del valore 0.005 e, preferibilmente, compresa fra 0.001 e 0.003.
La suddetta logica di controllo presenta l'inconveniente di tenere conto soltanto di fattori geometrici del motore (cilindrata) e della turbina (diametro di ingresso), ma non delle condizioni operative del motore.
Ne risulta che in certe condizioni operative, ed in particolare in prossimità della velocità massima consentita del motore, il controllo ottenibile con la logica sopra esposta può portare a valori indesiderati di parametri operativi del motore e del turbocompressore in relazione ai quali esistono delle limitazioni strutturali.
Scopo della presente invenzione è la realizzazione di un motore endotermico provvisto di un turbocompressore con turbina a geometria variabile e di un sistema di frenatura a decompressione, il quale consenta di eliminare i suddetti inconvenienti.
Il suddetto scopo è raggiunto dalla presente invenzione, in quanto essa è relativa a un motore endotermico comprendente:
un dispositivo dì frenatura a decompressione,
- un turbocompressore provvisto di una turbina a geometria variabile avente una girante ed un ugello anulare di guida dei gas di scarico verso la detta girante nel quale è disposto uno statore palettato definente una sezione utile di flusso variabile del detto ugello,
un attuatore di comando dell'assetto del detto statore, ed
un'unità di controllo per controllare il detto attuatore, in risposta ad un segnale di attivazione della frenatura a decompressione ed in funzione almeno della velocità del detto motore, in modo da aumentare progressivamente la detta sezione utile di flusso da un valore minimo mantenuto in una porzione inferiore del campo di variazione della velocità del motore ad un valore limite in condizioni di massima potenza di frenatura,
caratterizzato dal fatto che, con riferimento alla detta condizione di massima potenza di frenatura, il detto valore limite è pari ad almeno un valore minimo di sicurezza (ST) definito dalla relazione
in cui:
T0 (K) è la temperatura ambiente,
Ti (K) è la temperatura dei gas all'ingresso della turbina nella detta condizione di massima potenza frenante,
Pi è la pressione dei gas all'ingresso della turbina nella detta condizione di massima potenza frenante,
PME è il valore massimo di progetto della pressione media effettiva del motore,
NTmax è il valore massimo ammissibile della velocità della turbina,
Nmax è la velocità massima del motore,
DT è il diametro di ingresso della girante della turbina, e
V è la cilindrata del motore,
K è una costante adimensionale compresa fra 0.0175 e 0.0230.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, viene descritta una forma preferita di attuazione con riferimento ai disegni allegati, nei quali :
la figura 1 è uno schema funzionale di un motore endotermico provvisto di un turbocompressore con turbina a geometria variabile e di un sistema di frenatura a decompressione, realizzato secondo la presente invenzione;
la figura 2 e la figura 3 sono diagrammi illustranti l'andamento di grandezza operative del motore di figura 1 in funzione della velocità del motore.
Con riferimento alla figura 1, è illustrato schematicamente ed indicato nel suo complesso con 1 un motore endotermico per un veicolo, particolarmente un veicolo industriale, provvisto di un dispositivo 2 di frenatura a decompressione e di un turbocompressore 3.
Il motore 1 comprende una pluralità di cilindri 4 a ciascuno dei quali sono associati un iniettore 5, una coppia di valvole di aspirazione 6 ed una coppia di valvole di scarico 7. Le valvole di aspirazione 6 e di scarico 7 sono collegate a rispettivi collettori di aspirazione 8 e di scarico 9.
Il dispositivo 2 di frenatura a decompressione, di tipo in sé noto e non descritto in dettaglio, è atto a variare il comando delle valvole di scarico 7, o a comandare l'apertura ciclica di una valvola ausiliaria, per provocare una decompressione dei cilindri 4 dopo la relativa fase di compressione. Un esempio di tale dispositivo è illustrato in EP-A-0543210.
Il turbocompressore 3 comprende una turbina 10 a geometria variabile ed un compressore 11 aventi rispettive giranti 12, 13 calettate su un albero 14 comune
La turbina 10 comprende inoltre un canale 15 anulare di ingresso collegato con il collettore di scarico 9 del motore 1, ed un ugello 17 di guida dei gas dal canale 15 alla girante 12. Nell'ugello 17 è disposto uno statore 16 anulare palettato a geometria variabile comprendente, in particolare, una pluralità di palette 18 ed un collare 19 solidale alle palette e mobile assialmente con esse fra una posizione retratta (illustrata tratteggiata in figura 1), in cui il collare è estratto assialmente dall'ugello 17 e la sezione utile di flusso dei gas è massima, ed una posizione avanzata illustrata in figura 1 in cui una frazione considerevole della sezione dell'ugello è intercettata dal collare 19 e la sezione utile di flusso residua è minima.
Il moto assiale del collare 19 è comandato da un attuatore 20 elettrico, controllato da un'unità 24 elettronica di controllo del motore 1, la quale controlla anche gli iniettori 5 ed il dispositivo 2 di frenatura in modo di per sé noto.
In risposta ad un segnale di attivazione ricevuto da un interruttore 21 associato ad un pedale freno 22, o da un altro dispositivo 23 di comando manuale, l'unità di controllo 24 attiva il dispositivo 2 di frenatura a decompressione ed inibisce l'iniezione di combustibile nei cilindri 4; si ottiene pertanto un'azione frenante grazie alla dissipazione dell'energia di compressione.
Tale azione frenante è incrementata dalla turbina 10 a geometria variabile, il cui assetto viene controllato dall'unità di controllo 24, tramite l'attuatore 20, in funzione della velocità N del motore che viene rilevata mediante un sensore 25.
In particolare, in un campo di velocità N del motore minori di un valore di soglia N0 pari, ad esempio, al 70-75?3 della velocità nominale Nn di massima potenza del motore 1, la turbina 10 viene mantenuta dall'unità di controllo 24 in un assetto dì massima chiusura, nel quale il collare 19 è nella posizione avanzata sopra descritta e lascia libera una sezione utile di flusso minima S0. In questo modo si crea una contropressione allo scarico che determina un incremento dell'energia di compressione del motore. Inoltre, aumenta la velocità dei gas di scarico e quindi la velocità della girante 12; viene pertanto potenziato anche l'effetto di sovralimentazione, il che aumenta ulteriormente l'energia di compressione e quindi la potenza frenante.
Al crescere della velocità del motore e della potenza frenante, i suddetti effetti devono essere controllati al fine di mantenere la velocità della turbina 10 ad un livello di sicurezza, ossia ad un livello tale da non sollecitare in modo eccessivo il turbocompressore, e di contenere entro limiti prefissati il carico termico del motore 1 e del turbocompressore 2; in particolare, è necessario aumentare progressivamente la sezione utile di flusso S per ridurre la velocità con cui i gas investono la girante 12 e conseguentemente la pressione di sovralimentazione .
Pertanto, a partire da una velocità del motore pari a N0, l'unità di controllo 24 comanda l'attuatore 20 in modo da arretrare il collare 19 e lasciare libera una sezione utile di flusso S progressivamente crescente. Tale sezione è definita dall'espressione:
dove n è il numero delle palette dello statore (e quindi dei vani compresi fra le palette), L è la larghezza (in senso circonferenziale) di ciascun vano ed x è la dimensione assiale libera dei vani, cioè la lunghezza assiale dell'interstizio formato fra il collare 19 e la superficie 25 delimitante assialmente sul lato opposto l'ugello 17.
La condizione di massima potenza frenante si ottiene alla velocità massima Nmax del motore, maggiore della velocità nominale Nn, e ad esempio pari al 120% di Nn.
Secondo la presente invenzione, il valore minimo ST di sicurezza della sezione utile di flusso S nella suddetta condizione di massima potenza frenante è legato ai parametri geometrici e operativi del motore 1 e del turbocompressore 3 dalla seguente relazione:
in cui K è una costante adimensionale il cui valore, secondo la presente invenzione, è compreso fra 0.0175 e 0.0230,
T0 è la temperatura ambiente, pari a 293K.
Ti è la temperatura dei gas all'ingresso della turbina nella condizione di massima potenza frenante, normalmente compresa fra 630K e 740K a seconda del tipo di motore e di turbocompressore,
Pi è la pressione dei gas all'ingresso della turbina nella condizione di massima potenza frenante, PMEmax è il valore massimo di progetto della pressione media effettiva del motore,
NT è la velocità massima ammissibile della turbina,
DT è il diametro di ingresso della girante 12 della turbina 10, e
V è la cilindrata del motore.
Nella suddetta relazione [2], le temperature devono essere espresse in gradi Kelvin. Trattandosi di una relazione adimensionale, le altre grandezze possono essere espresse in unità di misura qualsiasi, purché congruenti; ad esempio le lunghezze in mm, le aree in mm<2>, i volumi in mm<3 >(o, rispettivamente, in cm, cnr e cm<3 >oppure m, m<2 >e m<3>).
Preferibilmente, il valore della costante K è compreso fra 0.020 e 0.022, e ancor più preferibilmente pari a circa 0.021. E' stato determinato mediante elaborazioni numeriche e verificato sperimentalmente che il suddetto valore di K non cambia sostanzialmente al variare delle caratteristiche costruttive ed operative del motore 1 e del turbocompressore 3, cioè resta valido per motori diversi e per diversi valori limite dei parametri. Pertanto, tale valore lega i parametri costruttivi e di progetto del motore fra loro, e consente di calcolare, noti i parametri costruttivi ed imposti i dati limite di progetto, il valore minimo ST della sezione utile di flusso dell'ugello 17, in condizioni di massima potenza frenante, che può essere compatibile con i suddetti dati limite.
Il controllo della sezione S viene effettuato, come sopra descritto, variando la posizione assiale del collare 19 e quindi la dimensione assiale x dell'interstizio formato fra il collare 19 e la superficie 25 delimitante assialmente sul lato opposto l'ugello 17. In particolare, l'attuatore 20 è controllato dall'unità 24 in modo da mantenere x al valore minimo
fino alla velocità N0, e quindi da aumentare x fino al valore alla velocità Nmax secondo una
legge memorizzata in un blocco di elaborazione e controllo 24a dell'unità 24. Tale legge è convenientemente di tipo lineare.
I vantaggi ottenibili mediante la presente invenzione sono evidenti dall'esame dei grafici qualitativi delle figure 2 e 3, che illustrano l'andamento della velocità della turbina NT e della PME al variare della velocità N del motore secondo la presente invenzione (linee a tratto pieno) e secondo la tecnica di controllo richiamata nella parte introduttiva della descrizione (linee tratteggiate). Come è agevole rilevare dai grafici, secondo la presente invenzione, sia NT che PME sono mantenuti entro i rispettivi valori massimi prefissati che intervengono nella relazione [2], in quanto la sezione utile di flusso ST della turbina della condizione di massima potenza frenante è determinata proprio tenendo conto dei suddetti valori. Al contrario, secondo la tecnica nota, poiché tale sezione viene calcolata esclusivamente sulla base di parametri geometrici del motore e del turbocompressore, possono ottenersi valori indesiderati dei parametri operativi quali ad esempio NT e PME.
Inoltre, poiché il controllo secondo la presente invenzione tiene conto sia dei parametri geometrici che di quelli operativi, la relazione [2] può essere applicata a vari tipi di motori e, a parità di caratteristiche geometriche del motore, può consentire di adattare il controllo della geometria della turbina a diversi valori limite dei parametri operativi.
Risulta infine chiaro che alla presente invenzione possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall'ambito di tutela delle rivendicazioni.
In particolare, la variazione della sezione utile di flusso può essere ottenuta modificando mediante l'attuatore 24 l'inclinazione delle palette della turbina 10, in modo da variare la larghezza utile dei vani fra le stesse e l'angolo di incidenza dei gas sulla girante, anziché mediante un traslazione assiale dello statore.
Inoltre, la variazione della sezione di flusso dal valore minimo S0 al valore ST assunto in condizioni di massima potenza frenante può essere realizzata secondo una legge non lineare, ad esempio mediante una mappatura in funzione della velocità del motore ed eventualmente di uno o più parametri operativi ulteriori .
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1.- Motore endotermico (1) comprendente: un dispositivo (2) di frenatura a decompressione, un turbocompressore (3) provvisto di una turbina (10) a geometria variabile avente una girante (12) ed un ugello (17) anulare di guida dei gas di scarico verso la detta girante (12) nel quale è disposto uno statore (16) palettato definente una sezione (S) utile di flusso variabile del detto ugello (17), - un attuatore (20) di comando dell'assetto del detto statore (16), ed un'unità di controllo (24) per controllare il detto attuatore (20), in risposta ad un segnale di attivazione della frenatura a decompressione ed in funzione almeno della velocità (N) del detto motore (1), in modo da aumentare progressivamente la detta sezione utile di flusso (S) da un valore minimo (S0) mantenuto in una porzione inferiore del campo di variazione della velocità del motore (1) ad un valore limite in condizioni di massima potenza di frenatura, caratterizzato dal fatto che, con riferimento alla detta condizione di massima potenza di frenatura, il detto valore limite è pari ad almeno un valore minimo di sicurezza (ST) definito dalla relazionein cui: T0 è la temperatura ambiente, Ti è la temperatura dei gas all'ingresso della turbina (10) nella detta condizione di massima potenza frenante, Pi è la pressione dei gas all'ingresso della turbina (10) nella detta condizione di massima potenza frenante , PMEmax è il valore massimo di progetto della pressione media effettiva del motore (1), NTmax è il valore massimo ammissibile della velocità della turbina (10), Nmax è la velocità massima del motore (1), DT è il diametro di ingresso della girante (12) della turbina (10), V è la cilindrata del motore (1), e K è una costante adimensionale compresa fra 0.0175 e 0.0230. 2.- Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la detta costante K è compresa fra 0.020 e 0.022. 3.- Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la detta costante K è pari a circa 0.021. 4.- Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la detta porzione inferiore del campo di variazione della velocità è limitata superiormente da un valore di soglia (N0) compreso fra il 65 e l'80% della velocità nominale (Nn) di potenza massima del detto motore (1). 5.- Motore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il detto valore di soglia (No) è compreso fra il 70% ed il 75% della detta velocità nominale (Nn) del motore (1). 6.- Motore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la detta condizione di massima potenza frenante si ottiene ad una velocità massima (Nmax) del motore (1) compresa fra il 110% ed il 130% della detta velocità nominale (Nn) del motore (1). 7.- Motore secondo una delle rivendicazioni da 4 a 6, caratterizzato dal fatto che la detta unità di controllo (24) comprende mezzi di elaborazione e controllo (24a) per variare linearmente la detta sezione utile di flusso (S) dal detto valore minimo (So) al detto valore limite al crescere della velocità (N) del motore (1). 8 Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto statore (17) comprende un collare (19) anulare ed una pluralità di palette (18) estendentisi assialmente dal detto collare (19), il detto collare essendo mobile assialmente nel detto ugello (17) sotto la spinta del detto attuatore (20) per variare la detta sezione utile (S) di flusso del detto ugello (17). 9.- Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che il detto statore (16) comprende una pluralità di palette (18) aventi un'inclinazione variabile controllata dal detto attuatore (20). 10.- Motore endotermico, sostanzialmente come descritto ed illustrato nei disegni allegati.
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