BRPI1104841A2 - mÉtodo de controle de velocidade de um motor de combustço interna superalimentado por meio de um turbocompressor - Google Patents
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Abstract
MÉTODO DE CONTROLE DE VELOCIDADE DE UM MOTOR DE COMBUSTçO INTERNA SUPERALIMENTADO POR MEIO DE UM TURBOCOMPRESSOR. Descreve-se um método para controlar um motor de combustão interna (1) superalimentado por meio de um turbocompressor (12), provido com uma turbina (13) e um compressor (14), o método de controle compreendendo as etapas de determinação da taxa de fluxo de massa reduzida atual (Q~ AHR~) do compressor (14); determinação de um limiar de segurança (Mmax_turbo) da taxa de fluxo de massa reduzida (Q~ AHR~_, o dito limiar de segurança (Mmax_turbo) delimitando, no gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão, a parte da área crítica mais próxima da ocorrência de condições sônicas; e imposição de que a taxa de fluxo de massa reduzida (Q~ AH~_ do compressor (14) seja inferior ao limiar de segurança (Mmax_turbo) da taxa de fluxo de massa reduzida (Q~ AHR~).
Description
Método de controle de velocidade de um motor de combustão interna superalimentado por meio de um turbocompressor.
CAMPO TÉCNICO
A presente invenção refere-se a um método para controlar um motor de combustão interna superalimentado por meio de um turbocompressor. ESTADO DA ARTE
Como se sabe, alguns motores de combustão interna são providos com um sistema de superalimentação com turbocompressor, que pode aumentar a potência gerada pelo motor usando a entalpia dos gases de escape para comprimir o ar de admissão do motor, e portanto aumentar a eficiência volumétrica de admissão.
Um sistema de superalimentação com turbocompressor compreende um turbocompressor equipado com uma turbina, que fica disposto ao longo de um conduto de escape para girar em alta velocidade sob a pressão dos gases de escape expulsos pelo motor, e um compressor, que é posto em rotação pela turbina e fica disposto ao longo do conduto de alimentação de ar, comprimindo o ar de admissão do motor.
Em particular, a área útil da faixa de operação é limitada, no lado esquerdo do gráfico, pela linha de compensação de uma taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão, e no lado direito do mesmo gráfico, pela chamada "linha de saturação". A linha de compensação, portanto, delimita uma primeira "zona proibida", e consiste na localização dos pontos onde o equilíbrio aerodinâmico interno do compressor é interrompido, e ocorre uma rejeição de fluxo periódica, ruidosa e violenta na entrada, com efeitos que podem ser destrutivos para as palhetas. Em um sistema de superalimentação com turbocompressor,
é necessário manter a faixa de operação do turbocompressor dentro de uma área útil dependente do ponto do motor, tanto por razões funcionais (ou seja, para evitar avarias ou, ainda, baixo desempenho), e por razões estruturais (ou seja, para evitar danos ao turbocompressor).
Por exemplo, o pedido de patente U.S.-A1-2009293477
descreve um método de controle de um motor de combustão interna superalimentado por meio de um turbocompressor, compreendendo uma turbina e um compressor. O método de controle provê a determinação da taxa de fluxo de massa atual do compressor, a determinação de um limite inferior de segurança da taxa de fluxo de massa, e a exigência de que a taxa de fluxo de massa atual do compressor seja maior do que o limite de segurança da taxa de fluxo de massa. O documento U.S.-A1-2009293477, portanto, descreve um método que permite prevenir danos ao turbocompressor, mas não permite otimizar seu desempenho. O pedido de patente EP 1741895A1 descreve um método de controle de um motor de combustão interna superalimentado por meio de um turbocompressor, compreendendo um compressor, uma turbina adaptada para acionar a rotação do compressor sob a ação dos gases de escape do motor, e uma válvula de descarga adaptada para regular o fluxo dos gases de escape providos na turbina, para controlar a velocidade de rotação da própria turbina em função de uma pressão de superalimentação visada, requerida na saída do compressor.
O método de controle descrito no pedido de patente EP 1741895A1 compreende as etapas de medir a pressão de ar de admissão que entra no compressor; determinar a taxa de fluxo de massa do compressor; determinar a taxa de fluxo de massa do compressor; calcular, através de um mapa pré-determinado que caracteriza o funcionamento do compressor, de acordo com a velocidade de rotação limite pré-estabelecida, a pressão do ar medida e a taxa de fluxo de massa, a pressão limite de superalimentação, que está relacionada com a pressão de saída de ar obtida do compressor, quando a turbina gira a uma velocidade substancialmente igual à velocidade limite pré-estabelecida; verificar se uma pressão de superalimentação visada satisfaz uma relação pré-estabelecida com a pressão de superalimentação limite calculada, e no caso da relação ser atendida, atuar na válvula de descarga para controlar a velocidade de rotação da turbina de acordo com a pressão limite de superalimentação, reduzindo assim a velocidade de rotação do turbocompressor para um valor substancialmente igual à velocidade limite pré-estabelecida.
O pedido de patente EP 1741895A1, enquanto indica que em sistemas de sobrealimentação do tipo acima descrito é necessário ter a capacidade de limitar, nas várias condições operacionais de funcionamento do motor, a velocidade de rotação máxima do turbocompressor, tanto por razões funcionais como por razões estruturais, de modo a evitar condições de operação críticas que possam causar danos ao turbocompressor, não dá nenhuma indicação sobre como implementar a limitação da velocidade de rotação máxima do turbocompressor.
O pedido de patente EP 2014894A1 descreve, ao invés, um método de controle de um motor de combustão interna superalimentado por meio de um turbocompressor, equipado com uma turbina e um compressor que visa fornecer, em um gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão, pelo menos uma curva de limite de operação, pelo menos um curva de interação de uma válvula de descarga que regula um conduto de derivação (bypass) da turbina, e pelo menos uma curva de intervenção de uma válvula Poff que regula o conduto de derivação do compressor. O método de controle de acordo com o pedido de patente EP 2014894A1 provê o uso da curva de limite de operação para limitar a pressão visada à jusante do compressor usado pelo controle do motor. O método provê ainda o controle da abertura da válvula de descarga se a curva de intervenção da válvula de descarga for ultrapassado, e o controle da abertura da válvula Poff se a curva de intervenção da válvula Poff for ultrapassada. Além disso, o método de controle descrito pelo documento EP 2014894A1 é capaz de garantir que a faixa de operação do turbocompressor permaneça dentro da área útil em qualquer condição de trabalho do motor de combustão interna.
A chamada "linha de saturação", que define uma segunda "zona proibida" e corresponde a atingir condições sônicas (e conseqüente bloqueio do fluxo) na entrada da turbina, define o fluxo máximo possível que o compressor pode fornecer em determinadas condições do ambiente de admissão. Próximo da linha de saturação, o turbocompressor atinge velocidades muito altas e é capaz de desenvolver a potência máxima para comprimir a admissão de ar do motor, aumentando portanto a eficiência volumétrica da aspiração. Infelizmente, porém, próximo da linha de saturação, devido às altas velocidade envolvidas, pode ocorrer que o turbocompressor acelere fora de controle até atingir o bloco sônico, com efeitos destrutivos sobre o próprio turbocompressor.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
O objetivo da presente invenção é fornecer um método de controle de um motor de combustão interna superalimentado por meio de um turbocompressor, o dito método de controle sendo de implementação simples e barata, e em particular permitindo garantir que a faixa de operação do turbocompressor permaneça dentro da área útil, próximo da linha de saturação, mas sem atingir o bloco sônico.
De acordo com a presente invenção, é provido um método de controle de um motor de combustão interna superalimentado por meio de um turbocompressor, tal como alegado pelas reivindicações anexas. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A presente invenção será agora descrita com referência aos desenhos em anexo, que ilustram uma forma de incorporação não limitativa, em que:
- A figura 1 ilustra esquematicamente um motor de combustão interna superalimentado por meio de um turbocompressor, equipado com uma unidade de controle eletrônico que
implementa um método de controle executado de acordo com a presente invenção;
- A figura 2 ilustra as curvas características de um compressor do turbocompressor da figura 1, em um gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão; e
- As figuras 3 a 6 mostram um gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão, em que estão representadas as curvas de limite de operação e as curvas de
intervenção utilizadas no método de controle implementado na unidade de controle eletrônico da figura 1.
FORMAS DE INCORPORAÇÃO PREFERIDAS DA INVENÇÃO Na figura 1, o número 1 indica como um todo um motor de combustão interna superalimentado por meio de um sistema de superalimentação com turbocompressor 2.
O motor de combustão interna 1 tem quatro cilindros 3, cada um dos quais está conectado a um coletor de admissão 4, por meio de pelo menos uma respectiva válvula de admissão (não mostrada), e a um coletor de escape 5, por meio de pelo menos uma respectiva válvula de escape (não mostrada). O coletor de admissão 4 recebe ar fresco (ou seja, ar proveniente do ambiente externo) através de um conduto de admissão 6, que é provido com um filtro de ar 7 e é regulado por uma válvula do acelerador 8. Ao longo do conduto de admissão 6 é provido um intercooler (resfriador intermediário) 9, cuja função é resfriar o ar de admissão. Ao coletor de escape 5 está conectado um conduto de escape 10, que alimenta os gases de escape produzidos pela combustão a um sistema de exaustão, que emite os gases produzidos pela queima na atmosfera e compreende, geralmente, pelo menos um catalisador 11 e pelo menos um silenciador (não mostrado) disposto a jusante do catalisador 11.
O sistema de superalimentação 2 do motor de combustão interna 1 compreende um turbocompressor 12 equipado com uma turbina 13, que fica disposta ao longo do conduto de escape 10, para girar em alta velocidade sob a ação dos gases de escape expulsos dos cilindros 3, e um compressor 14, que fica disposto ao longo do conduto de admissão 6 e está ligado mecanicamente à turbina 13, para ser acionado em rotação pela própria turbina 13, de modo a aumentar a pressão do ar alimentado no conduto de admissão 6.
Ao longo do conduto de escape 10 é provido um conduto de derivação 15, que está conectado em paralelo com a turbina 13, de forma a apresentar suas extremidades conectadas a montante e a jusante da turbina 13. Ao longo do conduto de derivação 15 está disposta uma válvula de descarga 16, que é adaptada para regular o fluxo de gases de escape que passam através do conduto de derivação 15 e é acionada por um atuador 17. Ao longo do conduto de escape 10 é provido um conduto de derivação 18, que está conectado em paralelo com o compressor 14, de modo a apresentar suas extremidades conectadas a montante e a jusante do compressor 14. Ao longo do conduto de derivação 18 está disposta uma válvula Poff 19, que é adaptada para regular o fluxo de gases de escape que passam através do conduto de derivação 18 e é acionada por um atuador 20.
O motor de combustão interna 1 é controlado por uma unidade de controle eletrônico 21, que dirige a operação de todos os componentes do motor de combustão interna 1, incluindo o sistema de superalimentação 2. Em particular, a unidade de controle eletrônico 21 aciona os atuadores de controle 17 e 20 da válvula de descarga 16 e da válvula Poff 19. A unidade de controle eletrônico 21 está conectada a sensores 22 que medem a temperatura To e a pressão Po ao longo do conduto de admissão 6, a montante do compressor 14, a sensores 23 que medem a temperatura e pressão ao longo do conduto de admissão 6 a montante da válvula do acelerador 8, e a sensores 24 que medem a temperatura e a pressão dentro do coletor de admissão 4.
Além disso, a unidade de controle eletrônico 21 está conectada a um sensor 25, que mede a posição angular (e portanto a velocidade de rotação) de um virabrequim do motor de combustão interna 1, e a um sensor 26 que mede a fase da admissão e/ou das válvulas descarga. Também é importante ressaltar que não há sensores providos adaptados para medir a velocidade de rotação do turbocompressor 12. Entre outras coisas, a unidade de controle eletrônico 21
mantém a faixa de operação do turbocompressor 12 dentro de uma área útil. A descrição abaixo mostra o modo de controle utilizado pela unidade de controle eletrônico 21 para manter a faixa de operação do turbocompressor 12 em uma área útil, e para evitar que o turbocompressor 12 atinja condições sônicas na proximidade de uma linha de saturação 35 (ilustrada nas figuras 4 e 5).
Durante a fase de projeto e desenvolvimento do motor de combustão interna 1, as curvas características do compressor 14 (providas pelo fabricante do turbocompressor 12) são analisadas em um gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão. Um exemplo das curvas características de um compressor 14 comercial está ilustrado na figura 2.
As curvas características mostradas na figura 2 são normalizadas para uma temperatura de referência absoluta To_rif e uma pressão de referência absoluta Po_rif. No lado esquerdo do gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão está uma primeira zona proibida delimitada pela linha de compensação, consistindo na localização dos pontos onde o equilíbrio aerodinâmico do compressor 14 é interrompido e há uma rejeição de fluxo periódica, barulhenta e violenta na entrada, com efeitos que podem ser destrutivos para as palhetas.
Em vez disso, no lado direito do gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão existe uma segunda zona proibida delimitada pela chamada linha de saturação 35 (mostrada nas figuras 4 e 5), que corresponde à ocorrência de condições sônicas (bloqueando, assim, o fluxo) na entrada da turbina 13, e define o fluxo máximo possível que o compressor 14 pode fornecer em determinadas condições do ambiente de admissão.
De acordo com o mostrado na figura 3, através de uma análise das curvas características do compressor 14 uma curva 27 é determinada, limitando a velocidade de rotação do turbocompressor 12, assim como uma curva 28, que delimita o bombeamento do turbocompressor 12. Em função das curvas 27 e 28, duas curvas de limite de operação 29 e 30 são estabelecidas, sendo usadas para limitar a pressão visada à jusante do compressor 14, usada pelo controle do motor. Para determinar a curva de limite de operação 29 um limiar S1 (constante ou variável) é determinado, estabelecendo a distância entre a curva de limite de operação 29 e a curva
27, que limita a velocidade de rotação do turbocompressor 12; similarmente, para determinar a curva de limite de operação 30 um limiar S2 (constante ou variável) é
determinado, estabelecendo a distância entre a curva de limite de operação 30 e a curva
28, que delimita o bombeamento do turbocompressor 12.
Além disso, em função das curvas 27 e 28, são estabelecidas duas curvas de intervenção 31 e 32 para a válvula de descarga 16, que regula o conduto de derivação 15 da turbina 13, e duas curvas de intervenção 33 e 34 da válvula Poff 19, que regula o conduto de derivação 18 do compressor 14. Para determinar a curva de intervenção 31 da válvula de descarga 16 um limiar S3 (constante ou variável) é determinado, estabelecendo a distância entre a curva de limite de operação 29 e a curva de intervenção 31 da válvula de descarga 16; similarmente, para determinar a curva de intervenção 32 da válvula de descarga 16 um limiar S4 (constante ou variável) é determinado, estabelecendo a distância entre a curva de intervenção 32 da válvula de descarga 16 e a curva 28, que delimita o bombeamento do turbocompressor 12. Para determinar a curva de intervenção 33 da válvula Poff 19 um limiar S5 (constante ou variável) é determinado, estabelecendo a distância entre a curva de limite de operação 29 e a curva de intervenção 33 da válvula Poff 19; similarmente, para determinar a curva de intervenção 34 da válvula Poff 19 um limiar S6 (constante ou variável) é determinado, estabelecendo a distância entre a curva de intervenção 34 da válvula Poff 19 e a curva 28, que delimita o bombeamento do turbocompressor 12.
Durante o funcionamento do motor de combustão interna 1, a unidade de controle eletrônico 21 utiliza as curvas de limite de operação 29 e 30 para limitar a pressão visada a jusante do compressor 14, usada pelo controle do motor. Em outras palavras, a unidade de controle do motor implementada na unidade de controle eletrônico 21 determina de uma forma conhecida, e em função do ponto de motor, uma pressão visada a jusante do compressor 14, que representa um valor ótimo e desejado da pressão a jusante do compressor 14. Se a pressão visada a jusante do compressor 14 for compatível com as curvas de limite operacional 29 e 30, então a pressão visada a jusante do compressor 14 é mantida, caso contrário, se a pressão visada a jusante do compressor 14 não for compatível com as curvas de limite de operação 29 e 30, então a pressão visada a jusante do compressor 14 é limitada para um valor máximo, compatível com as curvas de limite de operação 29 e 30.
Em particular, para limitar a pressão visada a jusante do compressor 14, a taxa de fluxo de massa reduzida QAh do compressor 14 é determinada, e de acordo com a taxa de fluxo de massa reduzida QAh do compressor 14, a máxima taxa de compressão RC possível é determinada pelo uso das curvas de limite de operação 29 e 30; a máxima pressão possível é determinada a jusante do compressor 14 multiplicando-se a pressão absoluta Po1 a montante do compressor 14, pela máxima taxa de compressão RC possível, e a pressão visada a jusante do compressor 14 fica limitada à máxima pressão possível a jusante do compressor 14, se a pressão visada a jusante do compressor 14 for maior do que a pressão máxima possível a jusante do compressor 14.
A taxa de fluxo de massa reduzida QAhr do compressor 14 é determinada usando-se a seguinte equação:
Qahr = Q ah
Qah = taxa de fluxo de massa do compressor 14; Qahr = taxa de fluxo de massa reduzida do compressor 14;
To = temperatura absoluta a montante do compressor 14;
Po = pressão absoluta a montante do compressor 14;
To_rif = temperatura de referência absoluta;
Po_rif = pressão de referência absoluta. A temperatura de referência absoluta To_rif e a pressão de
referência absoluta Po_rif são as condições nas quais foram obtidas as curvas características do compressor 14 e, portanto, as curvas 27 a 34, e são dados de projeto conhecidos antecipadamente. A temperatura absoluta To a montante do compressor 14 e a pressão absoluta Po a montante do compressor 14 são medidas pelos sensores 22. A taxa de fluxo de massa Qah do compressor 14 pode ser medida por um sensor de vazão especificamente dedicado, ou pode ser estimada, em um modo conhecido, pela unidade de controle eletrônico 21.
De acordo com uma forma de incorporação diferente, não ilustrada, a medição da temperatura absoluta To a montante do compressor 14 (isto é, substancialmente a temperatura ambiente) pode não estar disponível; neste caso a taxa de fluxo de massa reduzida QAhr pode ser "parcialmente" normalizada com base a relação entre a pressão Po/Po_rif sem levar em conta a relação entre as temperaturas To e To_rif.
É importante notar que as curvas 28, 30, 32 e 34 são independentes da velocidade limite reduzida NtcR do turbocompressor 12, enquanto que as curvas 27, 29, 31 e 33 são dependentes da velocidade limite reduzida NtcR do turbocompressor 12 (ou seja, variam com a variação da velocidade limite reduzida NtcR do turbocompressor 12). Em outras palavras, é definida uma velocidade limite Ntc pré- definida para o turbocompressor 12, acima da qual o turbocompressor 12 é posto em uma condição crítica; usando-se a velocidade limite pré-definida NtcR do turbocompressor 12, a velocidade limite reduzida atual NtcR do turbocompressor 12 é calculada com base na temperatura absoluta To a montante do compressor 14, através da seguinte equação:
compressor 14 e na mesma velocidade limite pré-determinada Ntc do turbocompressor 12, varia também a velocidade limite atual reduzida NtcR do turbocompressor 12; portanto, a unidade de controle eletrônico 21 determina ciclicamente, de acordo com a temperatura absoluta To a montante do compressor 14 e de acordo com a velocidade limite pré-determinada Ntc do turbocompressor 12 (que permanece sempre constante), a velocidade limite atual reduzida NtcR do turbocompressor 12, e de acordo com a velocidade limite atual reduzida NtcR do turbocompressor 12 ela é capaz de determinar as curvas 27, 29, 31 e 33 a serem usadas. Alternativamente, uma vez que a velocidade limite pré-determinada Ntc do turbocompressor 12 é constante, para simplificar o gerenciamento das curvas 27, 29, 31 e 33, as curvas 27, 29, 31 e 33 podem ficar armazenadas na unidade de controle eletrônico 21 e parametrizadas de acordo com a temperatura absoluta To a montante do compressor 14; desta forma, a unidade de controle eletrônico 21 não precisa calcular a velocidade limite reduzida atual NtcR do turbocompressor 12 e, portanto, escolher as curvas 27, 29, 31 e 33 a serem usadas, mas simplesmente precisa atualizar as curvas 27, 29, 31 e 33 em função da temperatura absoluta To a montante do compressor 14. De acordo com uma outra forma de incorporação
simplificada (e, portanto, menos precisa), em vez de usar a taxa de fluxo de massa reduzida atual Qahr, poderia ser usada a taxa de fluxo de massa atual Qah (não reduzida), ou a taxa de fluxo de massa visada Qahr (reduzida ou não reduzida).
NtcR, a unidade de controle eletrônico 21 está preparada para determinar um limiar crítico Mcritica da taxa de fluxo de massa reduzida Qahr- Como melhor ilustrado na figura 4, o dito limiar crítico Mcritica delimita no gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão uma parte da área útil da faixa de operação do turbocompressor 12, a qual será doravante referida como área crítica, e enquanto permanecer dentro da área útil ela representa a área próxima à ocorrência de condições sônicas (ou seja, próximo à linha de
5
Ntc = velocidade limite do turbocompressor 12;
NtcR = velocidade limite reduzida do turbocompressor 12;
To = temperatura absoluta a montante do compressor 14;
To_rif = temperatura de referência absoluta.
Conforme varia a temperatura absoluta To a montante do
Uma vez determinada a velocidade limite reduzida atual saturação 35). A zona crítica é caracterizada pelo colapso da eficiência do compressor 14, e por uma elevada instabilidade da velocidade do turbocompressor 12, que pode acelerar perigosamente.
O limiar crítico Mcritica é variável, dependendo da velocidade limite reduzida NtcR (conforme melhor ilustrado na figura 5).
Para reduzir a instabilidade que caracteriza a zona crítica, a unidade de controle eletrônico 21 é configurada para filtrar a taxa de fluxo de massa reduzida atual Qahr usada para limitar a pressão visada a jusante do compressor 14. Da mesma forma, a unidade de controle eletrônico 21 é configurada para filtrar pressão visada a jusante do compressor 14. A filtragem da taxa de fluxo de massa reduzida atual Qahr usada para limitar a pressão visada a jusante do compressor 14, e a pressão visada a jusante do compressor 14, são capazes de reduzir a dinâmica das variáveis acima mencionadas. De acordo com um forma de incorporação preferida, a filtragem é conseguida através de um filtro passa baixa de primeiro grau. No caso da taxa de fluxo de massa reduzida Qahr exceder o
limiar crítico Mcritica, a unidade de controle 21 fica então preparada para filtragem, com um filtro passa baixa do tipo de primeiro grau, tanto da taxa de fluxo de massa reduzida atual Qahr como da pressão visada a jusante do compressor 14.
De acordo com uma variante preferida, a unidade de controle é configurada para determinar um limiar de segurança Mmax_turbo da taxa de fluxo de massa reduzida Qahr- Como melhor ilustrado na figura 4, o limiar de segurança Mmax_turbo delimita uma parte que evita a área crítica, uma vez que está mais próximo de atingir condições sônicas (ou seja, mais próximo da linha de saturação 35) e representa uma taxa de fluxo de massa reduzida Qahr além da qual o turbocompressor 12 não deve ir.
O limiar de segurança Mmax_turbo é maior do que o Mcritica limiar crítico. Além disso, o limiar de segurança Mmax_turbo varia, dependendo da velocidade limite reduzida NtcR (como melhor ilustrado na figura 5).
A unidade de controle eletrônico 21 é configurada para impor que a taxa de fluxo de massa reduzida Qahr do compressor 14 seja inferior ao limiar de segurança Mmax_turbo da taxa de fluxo de massa reduzida Qahr-
De acordo com mais uma variante, a unidade de controle eletrônico 21 é configurada para determinar um limiar de segurança Nmax_turbo da velocidade do motor de combustão interna superalimentado 1. O limiar de segurança Nmax_turbo da velocidade do motor de combustão interna superalimentado 1 é, por sua vez, determinado em função do limiar de segurança Mmax_turbo da taxa de fluxo de massa reduzida Qahr- Em particular, o limiar de segurança Nmax_turbo da velocidade do motor de combustão interna superaiimentado 1 é calculado usando-se a seguinte equação:
i^max turbo ^ max turbo
To_rif P0 1
T0 P0_rif {m-30-Ncil)
Onde:
Nmax_turbo = limiar de segurança da velocidade do motor
de combustão interna superaiimentado 1;
Mmax_turbo = limiar de segurança da taxa de fluxo de
massa reduzida atual Qahr;
To = temperatura absoluta a montante do compressor 14; Po = pressão absoluta a montante do compressor 14;
To_rif = temperatura de referência absoluta;
Po_rif = pressão de referência absoluta;
Ncil = número de cilindros 3 do motor de combustão interna
1;
m = massa de ar aspirado para cada cilindro 3 do motor de
combustão interna 1.
O limiar de segurança Nmax_turbo é usado para limitar a velocidade do motor de combustão interna superaiimentado 1, de modo que a taxa de fluxo de massa reduzida atual Qahr é inferior ao limiar Mmax_turbo. De acordo com uma variante preferida, para o
turbocompressor 12 uma velocidade limite pré-estabelecida Ntc do turbocompressor 12 fica acima daquela onde o turbocompressor 12 fica em uma condição crítica; usando-se a velocidade limite pré-estabelecida Ntc do turbocompressor 12, a velocidade limite reduzida atual NtcR do turbocompressor 12 é calculada com base na temperatura absoluta To a montante do compressor 14, através da seguinte equação:
NtcR = Ntc
Ntc = velocidade limite do turbocompressor 12; NtcR = velocidade limite reduzida do turbocompressor 12; To = temperatura absoluta a montante do compressor 14; To_rif = temperatura de referência absoluta. Com a variação de temperatura absoluta To a montante do
compressor 14 e na mesma velocidade limite pré-estabelecida Ntc do turbocompressor 12, também varia a velocidade limite reduzida atual NtcR do turbocompressor 12; portanto, a unidade de controle eletrônico 21 determina ciclicamente, de acordo com a temperatura absoluta To a montante do compressor 14 e de acordo com a velocidade limite pré-estabelecida Ntc do turbocompressor 12 (que permanece sempre constante), a velocidade limite reduzida atual NtcR do turbocompressor 12, e de acordo com a velocidade limite reduzida atual NtcR do turbocompressor 12 ela é capaz de determinar as curvas 27, 29, 31 e 33 a serem usadas. Alternativamente, uma vez que a velocidade limite pré-estabelecida Ntc do turbocompressor 12 é constante, para simplificar o gerenciamento das curvas 27, 29, 31 e 33, as curvas 27, 29, 31 e 33 podem ficar armazenadas na unidade de controle eletrônico 21 e parametrizadas de acordo com a temperatura absoluta To a montante do compressor 14; desta forma, a unidade de controle eletrônico 21 não precisa calcular a velocidade limite reduzida atual NtcR do turbocompressor 12 e, portanto, escolher as curvas 27, 29, 31 e 33 a serem usadas, mas simplesmente precisa atualizar as curvas 27, 29, 31 e 33 em função da temperatura absoluta To a montante do compressor 14.
De acordo com o que foi descrito acima, e conforme mostrado na figura 5, a velocidade limite reduzida atual NtcR varia dependendo de vários fatores, em particular da temperatura absoluta To a montante do compressor 14.
De acordo com uma variante preferida, em uma fase preliminar de definição e ajuste, uma velocidade limite inferior do turbocompressor 12 e uma velocidade limite superior do turbocompressor 12 são pré-definidas (que representam limites do turbocompressor 12, além dos quais não se deve ir, para que não haja quebra ou danos graves do próprio turbocompressor 12). Na prática, esses dois valores são usados para calcular a velocidade limite inferior reduzida NridJnf do turbocompressor 12 (que é calculada usando-se a fórmula descrita acima, e varia de acordo com a velocidade limite inferior pré-estabelecida para o turbocompressor 12 e com a temperatura absoluta To a montante do compressor 14) e uma velocidade limite superior reduzida Nrid_sup do turbocompressor 12 (que também é calculado pela fórmula descrita acima, sendo maior do que a velocidade limite inferior reduzida do turbocompressor 12, e varia de acordo com a velocidade limite pré-definida para o turbocompressor 12 e com a temperatura absoluta To a montante do compressor 14). A velocidade limite inferior reduzida NridJnf do turbocompressor 12 e a velocidade limite superior reduzida Nrid_sup do turbocompressor 12 delimitam uma área de sobrevelocidade no gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão. Durante o tempo de vida do turbocompressor 12, é freqüente o caso em que a área de sobrevelocidade se move no gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão (por exemplo, devido à influência da temperatura absoluta To a montante do compressor 14). Na prática, uma vez calculada a velocidade limite reduzida atual, a unidade de controle eletrônico 21 é configurada para controlar o turbocompressor 12 e abaixar a velocidade limite reduzida para um valor inferior ao da velocidade limite inferior reduzida NridJnf1 cada vez que um valor da velocidade limite reduzida atual compreendido dentro do intervalo de sobrevelocidade for detectado.
Em particular, um primeiro valor de limiar Sovj é estabelecido em uma fase preliminar de definição e ajuste, e o turbocompressor 12 é controlado para abaixar a velocidade limite reduzida para um valor inferior à velocidade limite inferior reduzida NridJnf, uma vez que um intervalo de tempo igual ao primeiro valor de limiar S0vj tenha decorrido, a partir do momento em que um valor da velocidade limite reduzida atual compreendido dentro do intervalo de sobrevelocidade (como mostrado na figura 6) foi detectado. Em outras palavras, quando a unidade de controle eletrônico 21 detecta uma velocidade limite reduzida atual dentro do intervalo de sobrevelocidade, um temporizador é inicializado para retornar a velocidade limite reduzida para um valor inferior ao da velocidade limite inferior reduzida NridJnf, uma vez que um intervalo de tempo igual ao primeiro valor de limiar Sovj (preferencialmente de maneira gradual) tenha decorrido. De acordo com uma variante preferida, um segundo valor de
limiar S0v_2 é estabelecido em uma fase preliminar de definição e ajuste. A unidade de controle eletrônico 21 é configurada para inicializar um temporizador cada vez que a velocidade limite reduzida diminuir abaixo da velocidade limite inferior reduzida NridJnferior, e inibe o funcionamento do turbocompressor 12 dentro da região de sobrevelocidade durante um intervalo de tempo igual ao do segundo valor de limiar S0v_2-
O primeiro valor de limiar S0vj e o segundo valor de limiar S0v_2 são variáveis em função de parâmetros que indicam o estado de envelhecimento, estresse e desgaste do turbocompressor 12.
De acordo com uma variante preferida, a unidade de controle 21 é capaz de armazenar o tempo total gasto dentro da área de sobrevelocidade, e inibir o funcionamento do turbocompressor 12 na área de sobrevelocidade durante o restante da vida útil do turbocompressor 12, uma vez que o tempo total é igual a um valor limite de segurança (determinado em uma etapa preliminar de definição e ajuste).
Além disso, de acordo com uma variante preferida, a
unidade de controle 21 é adaptada para inibir o funcionamento do turbocompressor 12 na área de sobrevelocidade, quando a taxa de fluxo de massa reduzida QAhr estiver acima do limiar crítico Mcrjtica·
De acordo com uma forma de incorporação preferida, o limiar S0v_2 pode variar de acordo com a freqüência das sobrevelocidades mais recentes. Em outras palavras, o limiar Sov 2 ® maior quanto mais freqüentemente uma velocidade limite reduzida atual for detectada dentro da faixa de sobrevelocidade. O limiar S0v_2 pode ser calculado, por exemplo, da seguinte forma: Sov^2= f( ( Tt^revelOCidade-3 ) /-Ψ"**")
Onde S0v_3 é um operador de diminuição (por exemplo, K*temporizador, com K representando um coeficiente pré-determinado), enquanto que a soma do tempo gasto dentro do intervalo de sobrevelocidade e o temporizador são inicializados em cada sessão de uso do motor de combustão interna superalimentado 1 (ou seja, tipicamente para cada ciclo de partida/parada do motor de combustão interna superalimentado 1), e o temporizador é iniciado na primeira ocorrência de sobrevelocidade. A função é, preferencialmente, crescente.
De acordo com mais uma forma de incorporação, para cada sessão de uso do motor de combustão interna superalimentado 1 (ou seja, para cada ciclo de partida/parada do motor de combustão interna superalimentado 1), logo que a unidade de controle 21 verifica a condição de operação dentro da área de sobrevelocidade, um contador C do tempo gasto em sobrevelocidade é inicializado. O contador C pode ser calculado usando-se a seguinte fórmula:
C=/d*Y/ -k2*Yt .
ι I ?nhrt>v/>lnridn/i/> < J NAl
sobrevelocidade J NAO sobrevelocidade
Onde k1 e k2 são coeficientes pré-determinados em uma fase preliminar, enquanto que a soma do tempo gasto dentro do intervalo de sobrevelocidade e a soma de tempo gasto fora da área de sobrevelocidade são inicializados a cada sessão de uso do motor de combustão interna superalimentado 1.
De acordo com uma variante preferida, em uma fase preliminar de definição e ajuste um quarto valor de limiar S0v_4 é estabelecido, o qual é comparado com o contador C do tempo gasto em sobrevelocidade. No caso do contador C ser igual ou superior ao quarto valor de limiar S0v_4, a unidade de controle 21 é configurada para inibir o funcionamento do turbocompressor 12 dentro da área de sobrevelocidade. Ao contrário, no caso do contador C ser inferior ao quarto valor de limiar S0v_4. a unidade de controle 21 é configurada para permitir a operação do turbocompressor 12 dentro da área de sobrevelocidade (de preferência com a ajuda de um operador de histerese).
De acordo com uma variante, a unidade de controle 21 utiliza a pressão atual do turbocompressor 12, em vez da velocidade limite reduzida atual para reconhecer a operação atual na área de sobrevelocidade. O método de controle descrito acima tem muitas vantagens,
uma vez que é de implementação simples e de baixo custo, sem o uso de uma alta capacidade de computação na unidade de controle eletrônico 21, e sem exigir a instalação de componentes adicionais (em especial, sensores ou atuadores) em relação aos já presentes em um motor de combustão interna moderno. Além disso, o método de controle descrito acima é particularmente eficaz para evitar que a faixa de operação do turbocompressor 12 permaneça dentro da área útil próximo da linha de saturação, mas sem atingir o bloco sônico.
Claims (3)
1. Método de controle de velocidade de um motor de combustão interna superalimentado por meio de um turbocompressor, em um motor de combustão interna (1) superalimentado por meio de um turbocompressor (12) provido com uma turbina (13) e um compressor (14), o método de controle compreendendo a etapa de determinação da taxa de fluxo de massa atual (Qahr) do compressor (14); e, o método de controle sendo caracterizado pelo fato de compreender as etapas adicionais de: determinação de um limiar de segurança (Mmax_turbo) da taxa de fluxo de massa reduzida (Qahr), o dito limiar de segurança (Mmax_turbo) delimitando, no gráfico de taxa de fluxo de massa reduzida/razão de compressão, uma área próxima à da ocorrência de condições sônicas; e imposição do fato que a taxa de fluxo de massa reduzida (Qahr) do compressor (14) tem que ser inferior ao limiar de segurança (Mmax_turbo) da taxa de fluxo de massa reduzida (Qahr)·
2. Método de controle de velocidade, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender as etapas adicionais de: estabelecimento de uma velocidade limite pré-determinada (N) do compressor (14); cálculo da velocidade limite reduzida (NtcR) do compressor (14), usando a velocidade limite pré-determinada (Ntc) do compressor (14) e a temperatura absoluta (To) a montante do compressor (14); e determinação do limiar de segurança (Mmax_turbo) da taxa de fluxo de massa reduzida (Qahr) de acordo com a velocidade limite reduzida (NtcR).
3. Método de controle de velocidade, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de compreender as etapas adicionais de: determinação de um limiar de segurança (Nmax_turbo) da velocidade do motor de combustão interna superalimentado (1), de acordo com o limiar de segurança (Mmax_turbo) da taxa de fluxo de massa reduzida (Qahr); e imposição do fato que a velocidade do motor de combustão interna superalimentado (1) tem que ser inferior ao limiar de segurança (Nmax_turbo) da velocidade.
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