ES2628918T3 - Sistema de turbocomposición mejorado, en particular en el campo de los vehículos industriales - Google Patents

Sistema de turbocomposición mejorado, en particular en el campo de los vehículos industriales Download PDF

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ES2628918T3 ES13198838.8T ES13198838T ES2628918T3 ES 2628918 T3 ES2628918 T3 ES 2628918T3 ES 13198838 T ES13198838 T ES 13198838T ES 2628918 T3 ES2628918 T3 ES 2628918T3
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Abstract

Sistema de turbocomposición mejorado, en particular en el campo de los vehículos industriales, que comprende un motor (E) de combustión que tiene - un cigüeñal (K), - un conducto (EL) de gas de escape, - una turbina (PT) de potencia dispuesta en dicho conducto (EL) de gas de escape, acoplada operativamente con dicho cigüeñal (K) a través de un embrague (CL), - medios para detectar la velocidad del motor de combustión, - medios (CTRL) de control para controlar dicho embrague, en el que un motor/generador eléctrico está acoplado operativamente con un eje de dicha turbina (PT) de potencia y medios (ESM) de almacenamiento de electricidad están acoplados con dicho motor/generador eléctrico para almacenar energía eléctrica producida por dicho motor/generador eléctrico y en el que, cuando la velocidad del motor de combustión supera su velocidad máxima admisible, dichos medios de control se adaptan - para ordenar la apertura de dicho embrague y - para controlar dicho motor/generador eléctrico con el fin de ofrecer una carga mecánica adecuada a dicha turbina de potencia, produciendo dicha energía eléctrica.

Description

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DESCRIPCION
Sistema de turbocomposicion mejorado, en particular en el campo de los vehlculos industriales Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un sistema de turbocomposicion mejorado, en particular en el campo de los vehlculos industriales.
Description de la tecnica anterior
Se conocen sistemas de turbocomposicion desde finales de los anos 60.
Por ejemplo, la patente estadounidense n.° 4100742 muestra una configuration de turbocomposicion clasica, en la que una primera etapa de turbina acciona un compresor, mientras que una segunda etapa de turbina se engrana con el ciguenal para ayudar al motor de combustion. Se usa con frecuencia un acoplamiento hidrodinamico para conectar la turbina de potencia con el tren de ciguenal. Este tipo de conexion impide las vibraciones de torsion del ciguenal que se ven amplificadas por las altas relaciones de engranajes de la transmision entre ciguenal y turbina que afectan a la turbina.
Habitualmente, cuando la velocidad del motor supera un valor predefinido, la turbina de potencia se desconecta del tren de ciguenal para que no se induzca que el motor E de combustion supere su velocidad maxima admisible.
El documento WO 2013/091669 da a conocer un esquema de turbocomposicion, cuyas caracterlsticas se encuentran en el preambulo de la reivindicacion 1.
Sumario de la invencion
El principal objeto de la presente invencion es proporcionar un sistema de turbocomposicion mejorado, adecuado para mejorar la eficiencia global de los sistemas conocidos.
El principio fundamental de la invencion es engranar de manera estable un generador electrico con la turbina de potencia, para controlar su velocidad aprovechando su energla mecanica, cuando la turbina de potencia se desconecta del tren de ciguenal.
Puede transferirse esta energla electrica al sistema electrico del motor, por ejemplo para almacenarse dentro de las baterlas del vehlculo que pueden ser de cualquier clase de tecnologla o dentro de supercondensadores especlficos.
Con la presente invencion tambien es posible aprovechar la energla electrica procedente de una fuente exterior: entonces se hace funcionar la maquina electrica como motor que transfiere potencia al tren de ciguenal, mientras se cierra el embrague de la turbina de potencia.
Por tanto, un primer objeto de la presente invencion es un sistema de turbocomposicion mejorado.
Otro objeto de la presente invencion es un metodo de control de dicho sistema de turbocomposicion.
Un objeto adicional de la presente invencion es un vehlculo que comprende dicho sistema de turbocomposicion.
Gracias a la presente invencion, en lugar de sortear la turbina de potencia, cuando esta ultima se desacopla mecanicamente del tren de ciguenal, la turbina de potencia siempre esta activa o bien para actuar conjuntamente con el ciguenal, o bien para producir energla electrica, o ambos.
Segun una realization preferida de la presente invencion, la maquina electrica se acopla con las baterlas del vehlculo a traves de un adaptador de potencia que puede controlarse con el fin de ofrecer una carga variable a la turbina de potencia segun las condiciones operativas del motor.
Preferiblemente, la maquina electrica puede controlarse para que funcione como motor, actuando conjuntamente por tanto con la turbina de potencia durante las fases de aceleracion del vehlculo ayudando al ciguenal.
Preferiblemente, el embrague controlable que conecta la turbina de potencia con el tren de ciguenal es de tipo hidrodinamico, y el motor electrico se engrana directamente en la parte de turbina de potencia del embrague hidrodinamico.
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Se logran estos y otros objetos por medio de las reivindicaciones adjuntas, que describen una realizacion preferida de la invencion, que forma parte integral de la presente descripcion.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion resultara mas clara a partir de la siguiente descripcion detallada, facilitada a modo de un mero ejemplo ilustrativo y no limitativo, que ha de leerse con referencia a las figuras del dibujo adjunto, en las que la figura 1 muestra el sistema de turbocomposicion mejorado segun la presente invencion. Los mismos numeros y letras de referencia en las figuras designan las mismas partes o partes funcionalmente equivalentes.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
Segun la figura 1 un motor E de combustion, por ejemplo de tipo diesel, tiene un colector In de admision y un colector Ex de escape. Una unidad T de turbocompresor, C define una primera etapa de sobrealimentacion (opcional), que tiene la primera turbina T conectada operativamente de manera inmediata aguas abajo del colector Ex de escape. El compresor C, accionado por la primera turbina T, succiona aire fresco del ambiente, lo comprime, mientras la unidad CAC de enfriador intermedio enfrla el aire comprimido antes de entrar en el colector In de admision.
Pueden implementarse un sistema EGR y una valvula WG de descarga. Ademas, la turbina T puede ser del tipo de geometrla variable.
Una segunda turbina PT esta dispuesta en el conducto IL de gas de escape, aguas abajo de dicha primera turbina T, si esta presente, segun el flujo de los gases de escape.
La turbina de potencia tambien puede ser del tipo de geometrla variable.
Tal segunda turbina se denomina a continuation en el presente documento turbina de potencia, acoplandose con el ciguenal K del motor a traves de un embrague CL y engranajes G para adaptar la velocidad de la turbina de potencia a la velocidad del motor.
La turbina de potencia se empareja de manera estable con un motor EM electrico. El motor electrico se conecta electricamente con el sistema electrico externo del motor o vehlculo que contiene medios ESM para almacenar energla electrica que podrlan ser de cualquier tipo.
Por ejemplo, dichos medios ESM de almacenamiento pueden ser la baterla de plomo habitual usada para el rearranque del motor de combustion y para garantizar el funcionamiento de los servicios auxiliares a bordo y/o las baterlas de traction (de litio, supercondensadores o similares), adoptados especlficamente en el campo de los vehlculos electricos e hlbridos.
Los medios CTRL de control controlan el funcionamiento del embrague y de la maquina EM electrica mediante la electronica PE de potencia, concretamente un inversor o similar.
En particular, los medios de control se adaptan
- para ordenar la apertura de dicho embrague, concretamente la desconexion de la turbina de potencia del ciguenal, cuando la velocidad del motor de combustion supera un valor predefinido en modo de frenado de motor y modo motorizado;
- para controlar entonces dicho motor/generador electrico para limitar la velocidad de la turbina generando energla electrica que va a almacenarse dentro de los medios ESM de almacenamiento, con el fin de extraer tanto trabajo como sea posible del tren de transmision, para el almacenamiento como energla electrica en las baterlas.
En el caso de que el vehlculo no esta dotado de baterlas de traccion, puede implementarse una resistencia adecuada para disipar la cantidad excedente de energla electrica que no puede almacenarse dentro de las baterlas de plomo.
En una siguiente fase, la velocidad del motor disminuye por debajo de dicho valor predefinido, por tanto se cierra el embrague.
Si el vehlculo esta dotado de baterlas de traccion, durante una siguiente fase de aceleracion, se controla el motor/generador electrico para que funcione como motor actuando conjuntamente con la turbina de potencia para ayudar al ciguenal y aprovechando la energla electrica almacenada previamente dentro de dichos medios ESM de
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almacenamiento.
Habitualmente, se detecta la velocidad del motor a traves de un sensor de velocidad. Gracias a la presente invencion, se produce la energia electrica sin que el motor de combustion reste energia mecanica, a traves de un esquema muy compacto y, sobre todo, a traves de unos cuantos cambios con respecto a un sistema de turbocomposicion conocido. Por tanto, no solo se reduce el consumo de combustible, sino tambien la respuesta de carga y se mejora la capacidad de frenado de motor del sistema de motor.
Segun una realizacion preferida de la presente invencion, dicho embrague es de tipo hidrodinamico. Por tanto, la apertura del embrague se lleva a cabo cortando el suministro de aceite hidrodinamico del embrague.
Segun otra realizacion de la invencion, dicho motor/generador EM electrico sustituye por completo al alternador de motor bien conocido. Dicho de otro modo, el vehiculo que implementa el presente sistema de turbocomposicion no tiene otro generador electrico. En tal caso, se controla el eM para que funcione como generador, ofreciendo una carga variable, no solo cuando la turbina de potencia se desconecta del ciguenal, sino tambien durante otras condiciones, por ejemplo cuando el motor tiene una velocidad constante y/o durante fases de desaceleracion.
Segun otra realizacion de la invencion, dicho motor/generador EM electrico sustituye por completo al motor de arranque de motor bien conocido. Dicho de otro modo, el vehiculo que implementa el presente sistema de turbocomposicion no tiene otro motor de arranque electrico. En tal caso, se controla el EM para que funcione como motor de arranque de motor de combustion, alimentado por las baterias, con el embrague cerrado para arrancar el motor.
Segun una realizacion preferida de la invencion, puede disponerse una aleta aguas abajo de dicha turbina PT de potencia a lo largo de dicho conducto de escape.
Durante la operacion de frenado de motor, concretamente cuando se corta el suministro de combustible y se motoriza el motor por la inercia del vehiculo, puede cerrarse la aleta con el fin de desarrollar una contrapresion, que aumenta el bombeo del motor de combustion y, por tanto, el efecto de frenado del motor.
Segun otra realizacion preferida de la invencion, la turbina de potencia tiene una geometria variable y controlable y no esta presente la aleta. Durante la operacion de frenado de motor, se controla la turbina de potencia con el fin de cerrar la espiral, reduciendo su seccion de flujo de salida, generando por tanto una alta contrapresion. Se controla el motor/generador electrico para que funcione como generador, ofreciendo una carga adecuada a la turbina de potencia. En particular, se controla el generador EM para que mantenga la velocidad de la turbina de potencia por debajo de una segunda velocidad predeterminada mientras esta abierto el embrague.
El control del motor/generador electrico y del embrague y de la turbina de potencia, en caso de que esta ultima tenga una geometria variable controlable, se lleva a cabo por medios de control que pueden integrarse dentro de la unidad ECU de control de motor o en otra unidad de control especifica.
Esta invencion puede implementarse ventajosamente en un programa informatico que comprende medios de codigo de programa para realizar una o mas etapas de tal metodo, cuando se ejecuta tal programa en un ordenador. Por este motivo, la patente tambien cubrira tal programa informatico y el medio legible por ordenador que comprende un mensaje grabado, comprendiendo tal medio legible por ordenador los medios de codigo de programa para realizar una o mas etapas de tal metodo, cuando se ejecuta tal programa en un ordenador.
Resultaran evidentes muchos cambios, modificaciones, variaciones y otros usos y aplicaciones de la invencion objeto para los expertos en la tecnica tras considerar la memoria descriptiva y los dibujos adjuntos que dan a conocer realizaciones preferidas de la misma. Se considera que todos tales cambios, modificaciones, variaciones y otros usos y aplicaciones que no se apartan del alcance de la invencion definido por las reivindicaciones adjuntas, estan cubiertos por esta invencion.
No se describiran detalles de implementation adicionales, ya que el experto en la tecnica puede llevar a cabo la invencion partiendo de las ensenanzas de la description anterior.

Claims (17)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema de turbocomposicion mejorado, en particular en el campo de los vehlculos industriales, que comprende un motor (E) de combustion que tiene
    - un ciguenal (K),
    - un conducto (EL) de gas de escape,
    - una turbina (PT) de potencia dispuesta en dicho conducto (EL) de gas de escape, acoplada operativamente con dicho ciguenal (K) a traves de un embrague (CL),
    - medios para detectar la velocidad del motor de combustion,
    - medios (CTRL) de control para controlar dicho embrague,
    en el que un motor/generador electrico esta acoplado operativamente con un eje de dicha turbina (PT) de potencia y medios (ESM) de almacenamiento de electricidad estan acoplados con dicho motor/generador electrico para almacenar energla electrica producida por dicho motor/generador electrico y en el que, cuando la velocidad del motor de combustion supera su velocidad maxima admisible, dichos medios de control se adaptan
    - para ordenar la apertura de dicho embrague y
    - para controlar dicho motor/generador electrico con el fin de ofrecer una carga mecanica adecuada a dicha turbina de potencia, produciendo dicha energla electrica.
  2. 2. Sistema de turbocomposicion segun la reivindicacion 1, en el que dichos medios (CTRL) de control se adaptan para ordenar el cierre de dicho embrague cuando la velocidad del motor de combustion disminuye por debajo de dicho valor predefinido.
  3. 3. Sistema de turbocomposicion segun las reivindicaciones 1 o 2, en el que dicho valor de velocidad de motor predefinido puede cambiarse segun un estado de encendido o motorizacion o frenado de motor.
  4. 4. Sistema de turbocomposicion segun una de las reivindicaciones 1 - 3, en el que dichos medios (CTRL) de control se adaptan para controlar dicho motor/generador para que funcione como motor durante una fase de aceleracion del motor, actuando conjuntamente con la turbina de potencia para ayudar al ciguenal (K).
  5. 5. Sistema de turbocomposicion segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 - 4, en el que dicho motor/generador (EM) electrico sustituye por completo a un alternador de motor, de modo que dichos medios (CTRL) de control controlan dicho motor/generador (EM) electrico para que funcione como generador, ofreciendo una carga variable, tambien cuando el motor tiene una velocidad constante y/o decreciente.
  6. 6. Sistema de turbocomposicion segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 - 5, en el que dicho motor/generador (EM) electrico sustituye por completo a un motor de arranque de motor, de modo que dichos medios (CTRL) de control se adaptan para controlar dicho motor/generador (EM) electrico para que funcione como motor de arranque de motor de combustion, mientras se cierra el embrague.
  7. 7. sistema segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 - 5, en el que dicha turbina de potencia tiene una geometrla controlable variable y en el que dichos medios de control se adaptan para controlar dicha geometrla.
  8. 8. Sistema de turbocomposicion segun la reivindicacion 6, en el que, durante la operacion de frenado de motor, dichos medios de control se adaptan para controlar el cierre de dicha geometrla para reducir su seccion de flujo de salida, y para controlar el motor/generador (EM) electrico para que funcione como generador, ofreciendo una carga adecuada a la turbina de potencia.
  9. 9. Vehlculo industrial que comprende un sistema de turbocomposicion, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 8.
  10. 10. Metodo de control de un sistema de turbocomposicion, en particular en el campo de los vehlculos industriales, comprendiendo el sistema de turbocomposicion un motor (E) de combustion que tiene
    - un ciguenal (K),
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    - un conducto (EL) de gas de escape,
    - una turbina (PT) de potencia dispuesta en dicho conducto (EL) de gas de escape, acoplada operativamente con dicho ciguenal (K) a traves de un embrague
    - medios para detectar la velocidad del motor de combustion,
    - medios (CTRL) de control para controlar dicho embrague,
    - un motor/generador electrico acoplado operativamente con un eje de dicha turbina (PT) de potencia y
    - medios (ESM) de almacenamiento de electricidad acoplados con dicho motor/generador electrico para almacenar energla electrica producida por dicho motor/generador electrico,
    comprendiendo el metodo todas las siguientes etapas
    - comprobar que la velocidad del motor de combustion supera su velocidad maxima admisible, entonces
    - ordenar la apertura de dicho embrague y
    - controlar dicho motor/generador electrico con el fin de ofrecer una carga mecanica adecuada a dicha turbina de potencia, produciendo dicha energla electrica.
  11. 11. Metodo segun la reivindicacion 10, que comprende ademas la etapa de cerrar dicho embrague cuando la velocidad del motor de combustion disminuye por debajo de dicho valor predefinido.
  12. 12. Metodo segun las reivindicaciones 10 o 11, en el que dicho valor de velocidad de motor predefinido puede cambiarse segun un estado de encendido o motorizacion o frenado de motor.
  13. 13. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores 10 - 12, en el que dicho motor/generador (EM) electrico sustituye por completo a un alternador de motor, de modo que dicho motor/generador (EM) electrico se controla para que funcione como generador, ofreciendo una carga variable, tambien cuando el motor tiene una velocidad constante y/o decreciente.
  14. 14. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores 10 - 13, en el que dicho motor/generador (EM) electrico sustituye por completo a un motor de arranque de motor, de modo que dicho motor/generador (EM) electrico se controla para que funcione como un motor de arranque de motor de combustion, mientras se cierra el embrague.
  15. 15. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores 10 - 14, en el que dicha turbina de potencia tiene una geometrla controlable variable y el metodo comprende ademas la etapa de control de dicha geometrla cerrando dicha geometrla para reducir su seccion de flujo de salida, y controlar el motor/generador (EM) electrico para que funcione como generador, ofreciendo una carga adecuada a la turbina de potencia.
  16. 16. Programa informatico que comprende medios de codigo de programa informatico adaptados para realizar todas las etapas de cualquier reivindicacion 10 a 15, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.
  17. 17. Medio legible por ordenador que tiene un programa grabado en el mismo, comprendiendo dicho medio legible por ordenador medios de codigo de programa informatico adaptados para realizar todas las etapas de cualquier reivindicacion 10 a 15, cuando se ejecuta dicho programa en un ordenador.
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