METODO Y UN DISPOSITIVO PARA CONTROLAR LA VELOCIDAD DE ROTACION DE UN TURBO-SUPERCARGADOR EN UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA.

Un método (1) para controlar la velocidad de rotación de un turbosupercargador (7) en un motor de combustión interna (2) de un vehículo de motor incluyendo:

un compresor (9), una turbina (8) para mover el compresor (9) en rotación bajo la acción de los gases de escape del motor (2); y una válvula de compuerta de descarga (12) para regular la tasa de flujo de los gases de escape dispuesta en la entrada a la turbina (8) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) propiamente dicha como una función de una presión de supercarga objetiva (POB) que indica el valor de la presión de supercarga que, en base a un mapa objetivo del motor y de un conjunto de parámetros de motor, se requiere en salida de dicho compresor (9); caracterizándose dicho método porque incluye los pasos de:

- establecer una velocidad de rotación límite (Ntc) del turbosupercargador (7); y

durante el control de la velocidad de rotación de la turbina (8) realizado a través de dicha válvula de compuerta de descarga (12), implementar los pasos siguientes:

- medir la presión (PAMB) del aire introducido en la entrada por el compresor (9);

- determinar la tasa de flujo másico (QAH) del compresor (9);

- calcular, a través de un mapa predeterminado (15a) que caracteriza la operación del compresor (9) y como una función de la velocidad de rotación límite preestablecida (Ntc), de la presión medida del aire (PAMB), y de la tasa de flujo másico (QAH), una presión de supercarga límite (SP1), que se correlaciona con la presión de aire obtenible en salida del compresor (9) cuando la turbina (8) gira a una velocidad sustancialmente igual a dicha velocidad límite preestablecida (Ntc);

- verificar si la presión de supercarga objetiva requerida (POB) cumple una relación preestablecida con dicha presión de supercarga límite calculada (SP1); cumpliéndose dicha relación preestablecida cuando dicha presión objetiva (POB) requerida es más alta que dicha presión de supercarga límite (SP1);

- en el caso en que se cumpla dicha relación, accionar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de la presión de supercarga límite (SP1) con el fin de limitar la velocidad de rotación de dicho turbo-supercargador (7) a un valor sustancialmente igual a dicha velocidad límite preestablecida (Ntc);

- en el caso en que dicha relación no se cumpla, accionar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de la presión de supercarga objetiva (POB) con el fin de lograr una supercarga correspondiente a la presión objetiva (POB) propiamente dicha

Método y un dispositivo para controlar la velocidad de rotación de un turbo-supercargador en un motor de combustión interna.

La presente invención se refiere a un método y un dispositivo para controlar la velocidad de rotación de un turbo-supercargador en un motor de combustión interna.

Como es conocido, algunos motores de combustión interna de vehículos de motor están provistos de un sistema supercargador, que es capaz de aumentar la potencia desarrollada por el motor explotando la energía residual de los gases de escape producidos por el motor propiamente dicho.

Los sistemas supercargadores del tipo mencionado anteriormente están provistos típicamente de un turbosupercargador que consta, a su vez, de un conjunto de turbina a lo largo del tubo de escape de manera que gire a alta velocidad bajo la acción de los gases de escape expulsados por el motor, y de un conjunto compresor a lo largo del tubo de alimentación de aire, que está conectado a la turbina mediante un eje para ser movido en rotación por la turbina propiamente dicha con el fin de "expulsar" el aire aspirado hacia los cilindros del motor. La acción de empuje genera una supercarga, es decir, un aumento de la presión de aire suministrado al motor, que determina un aumento de la potencia desarrollada por él.

También es conocido que, en los sistemas supercargadores del tipo descrito anteriormente, hay que ser capaz de limitar, cuando varían las condiciones de operación del motor, la velocidad máxima de rotación del turbosupercargador tanto por razones funcionales como por razones estructurales con el fin de evitar situaciones operativas críticas que puedan producir daño en el turbosupercargador.

US5829254 describe un dispositivo de control de presión de sobrecarga, en el que la velocidad del turbocargador de un motor de combustión interna para un avión se controla regulando la abertura de una válvula de compuerta de descarga. En el dispositivo de control del motor de combustión interna, una tasa de flujo de aire de entrada de un compresor de turbocargador, una presión del aire de entrada, una temperatura del aire de entrada, y una relación aire-carburante del motor de combustión interna son detectadas por respectivos sensores correspondientes. En estas condiciones, se calcula una relación de presión del compresor donde el turbocargador opera cerca de la velocidad máxima permisible. Al mismo tiempo, la abertura de la válvula de compuerta de descarga es controlada con el fin de obtener la relación de presión calculada. Por esto, el turbocargador opera constantemente cerca de la velocidad máxima permisible.

Por lo tanto, la finalidad de la presente invención es proporcionar un dispositivo para controlar la velocidad de rotación de un turbosupercargador en un motor de combustión interna que será simple y barato y capaz de asegurar que, en cualquier condición de operación del motor, la velocidad de rotación del turbosupercargador siempre permanezca por debajo de un valor preestablecido.

El documento US 5.829.254 A describe tal dispositivo, pero para un motor de avión, donde el turbocargador siempre opera cerca de su velocidad máxima.

Según la presente invención, aquí se facilita un método para controlar la velocidad de rotación de un turbosupercargador en un motor de combustión interna como el indicado en la reivindicación 1 y, preferiblemente, en cualquiera de las reivindicaciones posteriores que dependen directa o indirectamente de la reivindicación 1.

Según la presente invención, se facilita un dispositivo para controlar la velocidad de rotación de un turbosupercargador en un motor de combustión interna especificado en la reivindicación 9 y, preferiblemente, en cualquiera de las reivindicaciones posteriores que dependen directa o indirectamente de la reivindicación 9.

La presente invención se describirá ahora con referencia a los dibujos adjuntos, que ilustran un ejemplo no limitador de realización de la misma, y en los que:

La figura 1 es una ilustración esquemática de un sistema supercargador provisto de un dispositivo para controlar la velocidad de rotación de un turbosupercargador, según las ideas de la presente invención.

La figura 2 representa un diagrama de bloques de una unidad electrónica de control incluida en el dispositivo ilustrado en la figura 1 para controlar la velocidad.

La figura 3 representa un mapa de operación del compresor incluyendo un conjunto de curvas, de las que cada una está asociada a una velocidad de rotación y representa la curva de la relación de compresión del compresor en función de su tasa de flujo másico.

La figura 4, en cambio, representa un detalle del mapa de operación del compresor en el que se representan dos umbrales limite, de los que uno define una zona de inhibición del control de velocidad y el otro una zona de limitación de la velocidad.

Con referencia a la figura 1, el número 1 designa en conjunto un sistema supercargador que tiene la función de incrementar la potencia mecánica desarrollada por un motor 2 explotando la energía residual de los gases de escape producidos por el motor 2 propiamente dicho.

El motor 2 incluye: un tubo de admisión 3 diseñado para tomar aire, o cualquier fluido similar, del entorno externo; un colector 4 conectado al tubo de admisión 3 para recibir el aire y suministrarlo a los cilindros del motor 2; y una válvula de mariposa 5, que se pone entre el tubo de admisión 3 y el colector 4 para regular la entrada de aire suministrado en la entrada al motor 2. El motor 2 está provisto además de un tubo de escape 6, a través del que los gases de escape generados por el motor 2 a la combustión son expulsados hacia el entorno externo.

Con referencia a la figura 1, el sistema supercargador 1 incluye, en cambio, un turbosupercargador 7 incluyendo a su vez una turbina 8, que se pone a lo largo del tubo de escape 6 para girar a alta velocidad bajo la acción de los gases de escape expulsados del motor 2, y un compresor 9, que se pone a lo largo del tubo de admisión 3 y está conectado mecánicamente a la turbina 8 para ser movido en rotación por la turbina 8 propiamente dicha con el fin de aumentar la presión de aire suministrado en el colector 4, produciendo así la supercarga del motor 2.

El sistema 1 incluye un dispositivo 10 para controlar la velocidad de rotación del turbosupercargador 7, que, a su vez, incluye: un tubo de derivación 11 conectado al tubo de escape 6 en paralelo a la turbina 8, de tal forma que presente uno de sus extremos conectado hacia arriba y el otro hacia abajo de la turbina 8 propiamente dicha; una válvula de regulación, designada a continuación válvula de compuerta de descarga 12, que se pone a lo largo del tubo de derivación 11 para regular la tasa de flujo de los gases de escape suministrados en la entrada a la turbina 8; y un accionador 13 de un tipo conocido que tiene la función de accionar a la orden la válvula de compuerta de descarga 12.

El dispositivo de control 10 incluye además una unidad electrónica de control 14, que tiene la función de controlar, por medio del accionador 13, la válvula de compuerta de descarga 12 de tal forma que permita que una parte de los gases de escape expulsados del motor 2 lleguen a la parte terminal del tubo de escape 6 directamente, sin pasar a través de la turbina 8, permitiendo así el control de la velocidad de rotación de la turbina 8 propiamente dicha.

Con referencia a la figura 2, la unidad electrónica de control 14 incluye básicamente una unidad de cálculo 15, que recibe en la entrada: una señal correlacionada a la tasa de flujo másico Q_AH del compresor 9, determinada mediante una estimación o una medición de la masa de aire que atraviesa el compresor 9 propiamente dicho por unidad de tiempo; una señal correlacionada a una velocidad límite preestablecida N_tc del turbosupercargador 7, más allá de la que pasa a una condición crítica; y la temperatura T_AMB del aire medida hacia arriba del compresor 9.

La unidad de cálculo 15 calcula, como una función de los parámetros Q_AH, T_AMB y N_tc recibidos en la entrada y en base a un mapa predeterminado que caracteriza la operación del compresor 9 (descrito en detalle a continuación), una presión de supercarga límite S_P1 correlacionada a la presión obtenible en la salida del compresor 9 cuando la turbina 8 gira a una velocidad sustancialmente igual a la velocidad límite preestablecida N_tc. En otros términos, la presión...

1. Un método (1) para controlar la velocidad de rotación de un turbosupercargador (7) en un motor de combustión interna (2) de un vehículo de motor incluyendo: un compresor (9), una turbina (8) para mover el compresor (9) en rotación bajo la acción de los gases de escape del motor (2); y una válvula de compuerta de descarga (12) para regular la tasa de flujo de los gases de escape dispuesta en la entrada a la turbina (8) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) propiamente dicha como una función de una presión de supercarga objetiva (POB) que indica el valor de la presión de supercarga que, en base a un mapa objetivo del motor y de un conjunto de parámetros de motor, se requiere en salida de dicho compresor (9); caracterizándose dicho método porque incluye los pasos de:

- establecer una velocidad de rotación límite (Ntc) del turbosupercargador (7); y

durante el control de la velocidad de rotación de la turbina (8) realizado a través de dicha válvula de compuerta de descarga (12), implementar los pasos siguientes:

- medir la presión (PAMB) del aire introducido en la entrada por el compresor (9);

- determinar la tasa de flujo másico (QAH) del compresor (9);

- calcular, a través de un mapa predeterminado (15a) que caracteriza la operación del compresor (9) y como una función de la velocidad de rotación límite preestablecida (Ntc), de la presión medida del aire (PAMB), y de la tasa de flujo másico (QAH), una presión de supercarga límite (SP1), que se correlaciona con la presión de aire obtenible en salida del compresor (9) cuando la turbina (8) gira a una velocidad sustancialmente igual a dicha velocidad límite preestablecida (Ntc);

- verificar si la presión de supercarga objetiva requerida (POB) cumple una relación preestablecida con dicha presión de supercarga límite calculada (SP1); cumpliéndose dicha relación preestablecida cuando dicha presión objetiva (POB) requerida es más alta que dicha presión de supercarga límite (SP1);

- en el caso en que se cumpla dicha relación, accionar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de la presión de supercarga límite (SP1) con el fin de limitar la velocidad de rotación de dicho turbo-supercargador (7) a un valor sustancialmente igual a dicha velocidad límite preestablecida (Ntc);

- en el caso en que dicha relación no se cumpla, accionar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de la presión de supercarga objetiva (POB) con el fin de lograr una supercarga correspondiente a la presión objetiva (POB) propiamente dicha.

2. El método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho mapa predeterminado (15a) incluye una pluralidad de curvas características de operación (Ci), cada una de las cuales está asociada a una velocidad (Vtc) de rotación respectiva del compresor (9) y está diseñada para producir una relación de compresión máxima (RM) del compresor (9) propiamente dicho como una función de su tasa de flujo másico (QAH) y de la velocidad límite preestablecida (Ntc); dicho paso de calcular la presión de supercarga límite (SP1) incluye el paso de identificar, en dicho mapa predeterminado (15a), la curva de operación (Ci) característica asociada a un valor de velocidad (Vtc) correspondiente a la velocidad límite preestablecida (Ntc).

3. El método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho mapa predeterminado (15a) incluye una pluralidad de curvas características de operación (Ci), que están asociadas a una y la misma velocidad (Vtc) de rotación del compresor (9), están correlacionadas a una temperatura respectiva (T) del aire en la entrada al compresor (9), y están diseñadas para producir una relación de compresión máxima (RM) del compresor (9) propiamente dicho como una función de su tasa de flujo másico (QAH) y de la temperatura (TAMB) del aire medida en la entrada al compresor (9); dicho paso de calcular la presión de supercarga límite (SP1) incluye el paso de identificar una curva de operación (Ci) característica asociada a una temperatura (T) correspondiente a la temperatura ambiente (TAMB) medida hacia arriba de dicho compresor (9).

4. El método según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado porque dicho paso de calcular la presión de supercarga límite (SP1) incluye los pasos de determinar una relación de compresión máxima (RM) por medio de la curva de operación (Ci) característica identificada, y como una función de dicha tasa de flujo másico (QAH); y calcular dicha presión de supercarga límite (SP1) como una función de dicha relación de compresión máxima (RM) y de dicha presión medida (PAMB) del aire.

5. El método según alguna de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye el paso de establecer un primer umbral de seguridad (?C1), y porque dicho paso de determinar una relación de compresión máxima (RM) incluye el paso de determinar una relación de compresión límite (RPL) haciendo una diferencia entre dicha relación de compresión máxima (RM) y dicho primer umbral de seguridad (?C1); determinándose dicha presión de supercarga límite (SP1) como una función de la relación de compresión límite (RPL) y de la presión de aire (PAMB) medida en la entrada al compresor (9).

6. El método según alguna de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque incluye los pasos de establecer un segundo umbral de seguridad (?C2), medir la presión de aire (PUTH) suministrada en la salida del compresor (9), determinar una relación de compresión efectiva (RE) entre las presiones medidas en la salida (PUTH) de y, respectivamente, en la entrada al compresor (9), determinar una relación de compresión de desactivación (RD) como una función de la diferencia entre dicha relación de compresión máxima (RM) y dicho segundo umbral de seguridad (?C2), verificar si dicha relación de compresión efectiva (RE) cumple o no una relación preestablecida de comparación con la relación de compresión de desactivación (RD), e inhabilitar o no el control de dicha válvula de compuerta de descarga (12) según el resultado de dicha verificación.

7. El método según la reivindicación 6, caracterizado porque dichos umbrales de seguridad primero y/o segundo (?C1, ?C2) pueden asumir un valor preestablecido constante, o de otro modo se pueden variar como una función de uno o más parámetros (TAMB, QAH, PAMB, PUTH) correlacionados con el aire introducido por el compresor (9), y/o como una función de uno o más parámetros operativos del motor (2).

8. El método según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque las curvas características (Ci) del mapa predeterminado de operación (15a) y los parámetros correspondientes (Vtcr, QAHR) que caracterizan dichas curvas son normalizados con respecto a una presión de referencia (PRIF) y/o temperatura de referencia (TRIF); dicho paso de calcular la presión de supercarga limite (SP1) incluye los pasos de identificar la curva de operación (Ci) correspondiente a una velocidad limite normalizada preestablecida (Ntcr), y determinar, en base a la curva (Ci) identificada, una relación de compresión máxima (RM) como una función de una tasa de flujo másico normalizada (QAHR).

9. Un dispositivo (10) para controlar la velocidad en un motor de combustión interna de un vehículo de motor incluyendo: un compresor (9); una turbina (8), diseñada para accionar dicho compresor (9) en rotación bajo la acción de los gases de escape del motor (2); y una válvula de compuerta de descarga (12), diseñada para regular la tasa de flujo de los gases de escape dispuesta en la entrada a la turbina (8); incluyendo dicho dispositivo de control (10) una unidad de control (14) diseñada para controlar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de una presión de supercarga objetiva (POB) que indica el valor de la presión de supercarga que, en base a un mapa objetivo del motor y de un conjunto de parámetros de motor, se requiere en la salida de dicho compresor (9); caracterizándose dicho dispositivo de control (10) porque incluye:

- primeros medios sensores (20a) para medir la presión del aire (PAMB) en la entrada a dicho compresor (9);

y porque dicha unidad de control (14) incluye:

- una unidad de cálculo (15), que recibe en la entrada un conjunto de parámetros incluyendo una velocidad límite preestablecida (Ntc), dicha presión del aire (PAMB) medida en la entrada al compresor (9), y la tasa de flujo másico (QAH) de dicho compresor (9), y está diseñada para procesar dichos parámetros para determinar, a través de un mapa predeterminado (15a) que caracteriza la operación del compresor (9), una presión de supercarga límite (SP1) correlacionada con la presión de aire obtenible en la salida del compresor (9) en una condición en la que la turbina (8) gira a una velocidad sustancialmente igual a la velocidad límite máxima preestablecida (Ntc);

- una unidad de comparación (16), diseñada para verificar si la presión de supercarga objetiva requerida (POB) cumple una relación preestablecida con dicha presión de supercarga límite calculada (SP1); cumpliéndose dicha relación preestablecida cuando dicha presión objetiva (POB) requerida es más alta que dicha presión de supercarga límite (SP1) y

- una unidad de accionamiento (17), que, en el caso donde se cumpla dicha relación preestablecida, está diseñada para controlar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar la velocidad de la turbina (8) como una función de la presión de supercarga límite (SP1) con el fin de limitar la velocidad de rotación de dicho turbosupercargador (7) a un valor sustancialmente igual a dicha velocidad límite preestablecida (Ntc); en el caso donde dicha relación no se cumpla, siendo capaz dicha unidad de accionamiento (17) de accionar dicha válvula de compuerta de descarga (12) para controlar la velocidad de rotación de la turbina (8) como una función de la presión de supercarga objetiva (POB) con el fin de lograr una supercarga correspondiente a la presión objetiva (POB) propiamente dicha.

10. El dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque dicha unidad de cálculo (15) incluye primeros medios de cálculo (24) conteniendo dicho mapa predeterminado (15a), que a su vez incluye una pluralidad de curvas de operación (Ci), cada una de las cuales está asociada con una velocidad preestablecida (Vtc) y está diseñada para producir una relación de compresión máxima (RM) del compresor (9) como una función de su tasa de flujo másico dada (QAH) y como una función de dicha velocidad límite (Ntc); estando diseñados dichos primeros medios de cálculo (24) para identificar la curva de operación (Ci) asociada a una velocidad preestablecida (Vtc) correspondiente a la velocidad límite preestablecida (Ntc).

11. El dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque dicha unidad de cálculo (15) incluye primeros medios de cálculo (24) conteniendo dicho mapa predeterminado (15a), que a su vez incluye una pluralidad de curvas de operación (Ci), que están asociadas a una y la misma velocidad (Vtc) de rotación del compresor (9), están correlacionadas con una temperatura respectiva (T) del aire en la entrada al compresor (9), y están diseñadas para producir una relación de compresión máxima (RM) del compresor (9) propiamente dicho como una función de su tasa de flujo másico (QAH) y de la temperatura del aire (TAMB) medida hacia arriba de dicho compresor (9); estando diseñados dichos primeros medios de cálculo (24) para identificar la curva de operación (Ci) asociada a una temperatura (T) correspondiente a la temperatura ambiente (TAMB) medida hacia arriba de dicho compresor (9).

12. El dispositivo según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, caracterizado porque dichos primeros medios de cálculo (28) están diseñados para determinar, en base a la curva (Ci) identificada, una relación de compresión máxima (RM) como una función de dicha tasa de flujo másico (QAH) con el fin de calcular dicha presión de supercarga límite (SP1) como una función de dicha relación de compresión máxima (RM) y dicha presión medida de aire (PAMB).

13. El dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque dicha unidad de cálculo (15) incluye segundos medios de cálculo (26), que reciben en la entrada un primer umbral de seguridad preestablecido (?C1) y están diseñados para determinar una relación de compresión límite (RPL) como una función de la diferencia entre dicha relación de seguridad máxima (RM) y dicho primer umbral de seguridad (?C1); y terceros medios de cálculo (27) diseñados para determinar dicha presión de supercarga límite (SP1) como una función de dicha relación de compresión límite (RPL) y de dicha presión medida (PAMB) del aire en la entrada al compresor (9).

14. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque incluye:

- segundos medios sensores (29), diseñados para medir una presión de aire (PUTH) presente en salida del compresor (9);

- medios de desactivación (28) que reciben en la entrada un conjunto de parámetros conteniendo un segundo umbral de seguridad preestablecido (?C2) y dicha presión de aire (PUTH), medida en la salida del compresor (9); estando diseñados dichos medios de desactivación (28) para: determinar una relación de compresión efectiva (RE) entre la presión de aire (PUTH) medida en la salida de dicho compresor (9) y la presión de aire (PAMB) medida en la entrada a dicho compresor (9); determinar una relación de compresión de desactivación (RD) como una función de la diferencia entre dicha relación de compresión máxima (RM) y dicho segundo umbral de seguridad (?C2); y verificar si dicha relación de compresión efectiva (RE) cumple o no una relación preestablecida de comparación con la relación de compresión de desactivación (RD) con el fin de inhabilitar o no el control de dicha válvula de compuerta de descarga (12) según el resultado de dicha verificación.